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智能工廠需要可靠、快速的無線網(wǎng)絡(luò)，來幫助管理和維護(hù)從工廠車間的許多接觸點(diǎn)收集的海量數(shù)據(jù)。
對無線通信技術(shù)而言，智能工廠是一個(gè)要求嚴(yán)苛的環(huán)境，但Wi-Fi技術(shù)正在不斷發(fā)展以滿足先進(jìn)設(shè)施的需求。當(dāng)Wi-Fi首次在互聯(lián)工廠中部署時(shí)，它的任務(wù)很簡單：讓一些設(shè)備彼此通信?，F(xiàn)在，情況則完全不同。如果說十年前智能工廠還像一個(gè)空蕩蕩的廣場，那么今天它更像是一個(gè)繁華的市場。場地是一樣的，但情況已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。就像在嘈雜的市場一樣，到處充滿無線電波，設(shè)備必須竭盡全力讓自己的聲音被聽到智能工廠。
無線技術(shù)不斷發(fā)展，以滿足其服務(wù)市場日益苛刻的需求。Wi-Fi也不例外，先進(jìn)的工廠數(shù)字化和新的應(yīng)用正在推動(dòng)對Wi-Fi的需求。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，Wi-Fi承載了全球約45%的IP流量以及60%至80%的無線流量。
01
Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展
自從達(dá)到54 Mbps的最高速度以來，無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。2009年，Wi-Fi 4（或像以前所稱的IEEE 802.11n）整合了IEEE 802.11a中引入的5GHz頻帶以及兩個(gè)頻帶中更高的數(shù)據(jù)速率，帶來了吞吐量的巨大飛躍。Wi-Fi 4 接入點(diǎn)與具有該技術(shù)設(shè)備的向后兼容性促進(jìn)了它的普及。
2013年，Wi-Fi 5（即IEEE 802.11ac）帶來了性能的又一次飛躍，最高達(dá)到6.8 Gbps，運(yùn)行在5 GHz頻段。此后，Wi-Fi 6 提供了更多性能改進(jìn)，并增強(qiáng)了其更高效地處理來自更多客戶端、更多流量的能力，這就是為什么它也被稱為高效無線（HEW）的原因。
多項(xiàng)創(chuàng)新正在幫助Wi-Fi 6 滿足當(dāng)今對更高吞吐量（接近10 Gbps）的需求，同時(shí)還提供長距離性能、低延遲、最小功耗、共存和快速切換的需求。
02
制造業(yè)對Wi-Fi的期望
每次發(fā)布新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，都會(huì)伴隨著性能的提升，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于更復(fù)雜、更苛刻的應(yīng)用場景。與此同時(shí)，它繼續(xù)推動(dòng)進(jìn)一步改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足新興的無線通信需求，包括工業(yè)部署中常見的需求。
在工廠環(huán)境中，因?yàn)橥９?huì)導(dǎo)致收入損失，高可用性至關(guān)重要。在擁擠的射頻環(huán)境中，高可用性意味著對來自其它設(shè)備干擾的魯棒性，以及高吞吐量，允許縮短每次通信的傳輸時(shí)間并釋放帶寬。
確?？蓴U(kuò)展性（無需添加熱點(diǎn)即可將其它客戶端連接到網(wǎng)絡(luò)）是關(guān)鍵，因?yàn)閃i-Fi為越來越多的設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)連接。更快的響應(yīng)時(shí)間對工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)至關(guān)重要，例如，協(xié)調(diào)復(fù)雜生產(chǎn)線流程。隨著越來越多的移動(dòng)設(shè)備（從機(jī)器人到智能電動(dòng)工具）連接到網(wǎng)絡(luò)，無縫漫游越來越重要，以避免設(shè)備在連接新接入點(diǎn)時(shí)，重新嘗試連接的時(shí)間過長。為了簡化運(yùn)營并降低成本，簡單的調(diào)試和維護(hù)至關(guān)重要。
03
Wi-Fi 6 的五大優(yōu)勢
如果說Wi-Fi4 帶來了“高吞吐量”，Wi-Fi5 帶來了“更高的吞吐量”，那么2018年首次發(fā)布的Wi-Fi 6則是關(guān)于“更高的效率”。從6.8 Gbps跳到9.6 Gbps的速度，可能比之前版本帶來的數(shù)量級(jí)式的增長要小，但Wi-Fi 6 可以更有效地利用可用帶寬，每個(gè)接入點(diǎn)可以容納更多的客戶端，而不會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)性能。
▲圖1: Wi-Fi6可以比Wi-Fi 4或Wi-Fi 5以更快的速度到達(dá)更多的客戶端。
有效處理更多客戶端的關(guān)鍵是技術(shù)創(chuàng)新，例如：
■?多用戶正交頻分多址（MU-OFDMA）技術(shù)，是將可用帶寬分片和分成不同大小的資源單元的技術(shù)，使接入點(diǎn)具有同時(shí)為多個(gè)客戶端提供所需資源的靈活性。MU-OFDMA將固定數(shù)量的AP可以處理的客戶端數(shù)量增加了四倍。
■?多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）技術(shù)，允許接入點(diǎn)在上行鏈路和下行鏈路中，將唯一數(shù)據(jù)流同時(shí)引導(dǎo)到多個(gè)客戶端。
■?1024正交幅度調(diào)制（1024 QAM），可以將更多信息編碼到每個(gè)符號(hào)中。Wi-Fi 6 可以將10位打包成一個(gè)符號(hào)，比使用256 QAM的Wi-Fi 5 容量提高25%。
■?基本服務(wù)集（BSS）著色，有助于確保具有不同“顏色”的頻道不會(huì)受到干擾。
■?目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT），可以讓設(shè)備節(jié)省電池并提高電源的自主性。
支持增加客戶端密度的技術(shù)也提高了吞吐量：MIMO可以捆綁帶寬，這樣一個(gè)客戶端就可以使用多個(gè)數(shù)據(jù)流，而不是將帶寬分割來為多個(gè)設(shè)備服務(wù)。
通過實(shí)現(xiàn)與多個(gè)客戶端之間同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，MU-OFDMA有助于減少擁塞（這是密集網(wǎng)絡(luò)中的常見問題），以確保以最小的延遲交付數(shù)據(jù)。
得益于TWT功能，接入點(diǎn)可以指導(dǎo)設(shè)備進(jìn)入低功耗模式，并提前安排喚醒時(shí)間?？蓪?shí)現(xiàn)的超長睡眠時(shí)間，可以提高電池壽命，特別是偶爾傳輸數(shù)據(jù)的無線傳感器。
04
通過Wi-Fi 6E 擴(kuò)展到6 GHz頻譜
為了克服主要資源可用頻譜的限制，F(xiàn)CC等監(jiān)管機(jī)構(gòu)已將6 GHz頻帶開放用于無需許可的Wi-Fi通信，在某些情況下，該頻帶的可用頻譜數(shù)量比之前的2.4 GHz和5GHz頻帶的總和增加了一倍以上。能夠使用1200 MHz新頻譜的接入點(diǎn)和終端設(shè)備，將被標(biāo)記為Wi-Fi 6E。
▲圖2：此圖表顯示了Wi-Fi在數(shù)據(jù)速率、頻率和帶寬等方面的不斷發(fā)展。
6 GHz頻帶的優(yōu)點(diǎn)包括，靠近已經(jīng)廣泛使用的5GHz頻帶，以及具有一系列規(guī)格的大量非重疊信道。由于新頻譜在很大程度上仍未開發(fā)，設(shè)備將不必與擠占無線電波的傳統(tǒng)客戶競爭。
05
智能工廠受益于Wi-Fi 6 的五個(gè)方面
Wi-Fi已成為智能工廠的主流，并經(jīng)常輔以藍(lán)牙技術(shù)以及專有和非專有蜂窩通信技術(shù)，助力以下五個(gè)領(lǐng)域的功能提升。
01
工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)
在工業(yè)環(huán)境中，無線連接的傳感器已廣泛使用，例如，用于監(jiān)測振動(dòng)和溫度以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。現(xiàn)在，它們通常依賴于功率優(yōu)化的通信協(xié)議，如藍(lán)牙低功耗或IEEE 801.15.4。
Wi-Fi 6的低功耗性能是通過允許設(shè)備使用TWT功能進(jìn)行長時(shí)間進(jìn)入睡眠狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。降低支持Wi-Fi的傳感器的電源需求可提高其電源自主性，從而簡化維護(hù)。同時(shí)，將設(shè)備關(guān)閉還可以減少頻譜擁塞。
02
運(yùn)動(dòng)控制
OFDMA在延遲和服務(wù)質(zhì)量方面的改進(jìn)，使Wi-Fi 6 成為運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的一種充滿前景的無線通信技術(shù)。同時(shí)，設(shè)備配置用例可能會(huì)繼續(xù)受益于藍(lán)牙的低功耗需求及其無處不在的特性。
03
人機(jī)界面
Wi-Fi 6 接入點(diǎn)能夠處理更高的設(shè)備密度，保持每個(gè)設(shè)備的良好吞吐量，同時(shí)具有低延遲，這使Wi-Fi 6 成為一種適合的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的基于平板電腦的人機(jī)界面（HMI），用于從連接的機(jī)器上讀取數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)HMI。
04
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)
使用靜態(tài)或手持圖形用戶界面（GUI）的HMI，進(jìn)一步發(fā)展下去就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）。無論是使用平板電腦還是智能眼鏡，AR都可以將實(shí)時(shí)信息、文檔或藍(lán)圖覆蓋在平板電腦的攝像頭上，或者使用智能眼鏡直接覆蓋到用戶的視野中。AR還可以讓工程師在不中斷生產(chǎn)過程的情況下，可視化其工業(yè)機(jī)器的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)并評(píng)估問題。
05
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)
網(wǎng)狀技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中具有多種用途，包括在整個(gè)設(shè)施中實(shí)現(xiàn)對智能燈的集中控制，以及從分布式傳感器收集數(shù)據(jù)以便在云端處理。雖然藍(lán)牙仍然是將數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)一直傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)的首選無線技術(shù)，但Wi-Fi更適合于從網(wǎng)關(guān)到企業(yè)云的最后一段傳輸。Wi-Fi 6 的低功耗是否能夠?yàn)楣I(yè)領(lǐng)域更廣泛地采用Wi-Fi網(wǎng)狀解決方案鋪平道路，還有待觀察。
06
適用于互聯(lián)工廠的其它Wi-Fi類型
盡管幾乎在任何指標(biāo)上，Wi-Fi 6都優(yōu)于Wi-Fi 4，但許多應(yīng)用都可以適用于舊版的技術(shù)。在這種情況下，工廠經(jīng)理可以從Wi-Fi 4 的低成本和簡化開發(fā)中獲益。
▲圖3：智能工廠依靠可靠的無線技術(shù)，收集來自狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)控制、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)界面（HMI）的數(shù)據(jù)。
隨著Wi-Fi 6的發(fā)展，人們正在努力將Wi-Fi 7的性能再提高一個(gè)等級(jí)，預(yù)計(jì)Wi-Fi 7將在2024年后的某個(gè)時(shí)候正式發(fā)布。根據(jù)推動(dòng)Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的IEEE和Wi-Fi聯(lián)盟的說法，Wi-Fi 7將重點(diǎn)關(guān)注視頻性能，包括確定性延遲、高可靠性和服務(wù)質(zhì)量（QoS）。由于更寬的信道（直達(dá)320 MHz）和更高的QAM調(diào)制階數(shù)，它還將提供三倍的吞吐量（30 Gbps）。
隨著智能工廠的發(fā)展勢頭不斷增強(qiáng)，它們將繼續(xù)依靠Wi-Fi、藍(lán)牙、4G LTE、5G等多種互補(bǔ)的無線通信技術(shù)。Wi-Fi 6 具有更快的數(shù)據(jù)速率、更低的延遲、更低的功耗、更大的網(wǎng)絡(luò)容量和更廣的覆蓋范圍等特點(diǎn)，這些特性有助于擴(kuò)大該技術(shù)在智能工廠中的應(yīng)用范圍。
編輯：黃飛
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