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智能工廠需要可靠、快速的無線網絡，來幫助管理和維護從工廠車間的許多接觸點收集的海量數據。
對無線通信技術而言，智能工廠是一個要求嚴苛的環境，但Wi-Fi技術正在不斷發展以滿足先進設施的需求。當Wi-Fi首次在互聯工廠中部署時，它的任務很簡單：讓一些設備彼此通信。現在，情況則完全不同。如果說十年前智能工廠還像一個空蕩蕩的廣場，那么今天它更像是一個繁華的市場。場地是一樣的，但情況已經發生了根本性的變化。就像在嘈雜的市場一樣，到處充滿無線電波，設備必須竭盡全力讓自己的聲音被聽到智能工廠。
無線技術不斷發展，以滿足其服務市場日益苛刻的需求。Wi-Fi也不例外，先進的工廠數字化和新的應用正在推動對Wi-Fi的需求。相關數據顯示，Wi-Fi承載了全球約45%的IP流量以及60%至80%的無線流量。
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Wi-Fi技術的發展
自從達到54 Mbps的最高速度以來，無線網絡已經取得了長足的進步。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頻帶以及兩個頻帶中更高的數據速率，帶來了吞吐量的巨大飛躍。Wi-Fi 4 接入點與具有該技術設備的向后兼容性促進了它的普及。
2013年，Wi-Fi 5（即IEEE 802.11ac）帶來了性能的又一次飛躍，最高達到6.8 Gbps，運行在5 GHz頻段。此后，Wi-Fi 6 提供了更多性能改進，并增強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。
多項創新正在幫助Wi-Fi 6 滿足當今對更高吞吐量（接近10 Gbps）的需求，同時還提供長距離性能、低延遲、最小功耗、共存和快速切換的需求。
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制造業對Wi-Fi的期望
每次發布新的Wi-Fi標準，都會伴隨著性能的提升，這項技術已經應用于更復雜、更苛刻的應用場景。與此同時，它繼續推動進一步改進標準，以滿足新興的無線通信需求，包括工業部署中常見的需求。
在工廠環境中，因為停工會導致收入損失，高可用性至關重要。在擁擠的射頻環境中，高可用性意味著對來自其它設備干擾的魯棒性，以及高吞吐量，允許縮短每次通信的傳輸時間并釋放帶寬。
確保可擴展性（無需添加熱點即可將其它客戶端連接到網絡）是關鍵，因為Wi-Fi為越來越多的設備提供網絡連接。更快的響應時間對工業自動化系統至關重要，例如，協調復雜生產線流程。隨著越來越多的移動設備（從機器人到智能電動工具）連接到網絡，無縫漫游越來越重要，以避免設備在連接新接入點時，重新嘗試連接的時間過長。為了簡化運營并降低成本，簡單的調試和維護至關重要。
03
Wi-Fi 6 的五大優勢
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年首次發布的Wi-Fi 6則是關于“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量級式的增長要小，但Wi-Fi 6 可以更有效地利用可用帶寬，每個接入點可以容納更多的客戶端，而不會降低網絡性能。
▲圖1: Wi-Fi6可以比Wi-Fi 4或Wi-Fi 5以更快的速度到達更多的客戶端。
有效處理更多客戶端的關鍵是技術創新，例如：
■?多用戶正交頻分多址（MU-OFDMA）技術，是將可用帶寬分片和分成不同大小的資源單元的技術，使接入點具有同時為多個客戶端提供所需資源的靈活性。MU-OFDMA將固定數量的AP可以處理的客戶端數量增加了四倍。
■?多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）技術，允許接入點在上行鏈路和下行鏈路中，將唯一數據流同時引導到多個客戶端。
■?1024正交幅度調制（1024 QAM），可以將更多信息編碼到每個符號中。Wi-Fi 6 可以將10位打包成一個符號，比使用256 QAM的Wi-Fi 5 容量提高25%。
■?基本服務集（BSS）著色，有助于確保具有不同“顏色”的頻道不會受到干擾。
■?目標喚醒時間（TWT），可以讓設備節省電池并提高電源的自主性。
支持增加客戶端密度的技術也提高了吞吐量：MIMO可以捆綁帶寬，這樣一個客戶端就可以使用多個數據流，而不是將帶寬分割來為多個設備服務。
通過實現與多個客戶端之間同時傳輸數據，MU-OFDMA有助于減少擁塞（這是密集網絡中的常見問題），以確保以最小的延遲交付數據。
得益于TWT功能，接入點可以指導設備進入低功耗模式，并提前安排喚醒時間。可實現的超長睡眠時間，可以提高電池壽命，特別是偶爾傳輸數據的無線傳感器。
04
通過Wi-Fi 6E 擴展到6 GHz頻譜
為了克服主要資源可用頻譜的限制，FCC等監管機構已將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新頻譜的接入點和終端設備，將被標記為Wi-Fi 6E。
▲圖2：此圖表顯示了Wi-Fi在數據速率、頻率和帶寬等方面的不斷發展。
6 GHz頻帶的優點包括，靠近已經廣泛使用的5GHz頻帶，以及具有一系列規格的大量非重疊信道。由于新頻譜在很大程度上仍未開發，設備將不必與擠占無線電波的傳統客戶競爭。
05
智能工廠受益于Wi-Fi 6 的五個方面
Wi-Fi已成為智能工廠的主流，并經常輔以藍牙技術以及專有和非專有蜂窩通信技術，助力以下五個領域的功能提升。
01
工業傳感器網絡
在工業環境中，無線連接的傳感器已廣泛使用，例如，用于監測振動和溫度以進行預測性維護。現在，它們通常依賴于功率優化的通信協議，如藍牙低功耗或IEEE 801.15.4。
Wi-Fi 6的低功耗性能是通過允許設備使用TWT功能進行長時間進入睡眠狀態來實現的。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。同時，將設備關閉還可以減少頻譜擁塞。
02
運動控制
OFDMA在延遲和服務質量方面的改進，使Wi-Fi 6 成為運動控制應用的一種充滿前景的無線通信技術。同時，設備配置用例可能會繼續受益于藍牙的低功耗需求及其無處不在的特性。
03
人機界面
Wi-Fi 6 接入點能夠處理更高的設備密度，保持每個設備的良好吞吐量，同時具有低延遲，這使Wi-Fi 6 成為一種適合的技術，能夠實現簡單的基于平板電腦的人機界面（HMI），用于從連接的機器上讀取數據，還可以實現更先進的增強現實HMI。
04
增強現實
使用靜態或手持圖形用戶界面（GUI）的HMI，進一步發展下去就是增強現實（AR）。無論是使用平板電腦還是智能眼鏡，AR都可以將實時信息、文檔或藍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過程的情況下，可視化其工業機器的內部運行狀態并評估問題。
05
網狀網絡
網狀技術在工業環境中具有多種用途，包括在整個設施中實現對智能燈的集中控制，以及從分布式傳感器收集數據以便在云端處理。雖然藍牙仍然是將數據從節點到節點一直傳輸到網關的首選無線技術，但Wi-Fi更適合于從網關到企業云的最后一段傳輸。Wi-Fi 6 的低功耗是否能夠為工業領域更廣泛地采用Wi-Fi網狀解決方案鋪平道路，還有待觀察。
06
適用于互聯工廠的其它Wi-Fi類型
盡管幾乎在任何指標上，Wi-Fi 6都優于Wi-Fi 4，但許多應用都可以適用于舊版的技術。在這種情況下，工廠經理可以從Wi-Fi 4 的低成本和簡化開發中獲益。
▲圖3：智能工廠依靠可靠的無線技術，收集來自狀態監測、運動控制、增強現實（AR）、工業傳感器網絡和人機界面（HMI）的數據。
隨著Wi-Fi 6的發展，人們正在努力將Wi-Fi 7的性能再提高一個等級，預計Wi-Fi 7將在2024年后的某個時候正式發布。根據推動Wi-Fi標準發展的IEEE和Wi-Fi聯盟的說法，Wi-Fi 7將重點關注視頻性能，包括確定性延遲、高可靠性和服務質量（QoS）。由于更寬的信道（直達320 MHz）和更高的QAM調制階數，它還將提供三倍的吞吐量（30 Gbps）。
隨著智能工廠的發展勢頭不斷增強，它們將繼續依靠Wi-Fi、藍牙、4G LTE、5G等多種互補的無線通信技術。Wi-Fi 6 具有更快的數據速率、更低的延遲、更低的功耗、更大的網絡容量和更廣的覆蓋范圍等特點，這些特性有助于擴大該技術在智能工廠中的應用范圍。
編輯：黃飛
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工商網監
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