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智能工厂需要可靠、快速的无线网络，来帮助管理和维护从工厂车间的许多接触点收集的海量数据。
对无线通信技术而言，智能工厂是一个要求严苛的环境，但Wi-Fi技术正在不断发展以满足先进设施的需求。当Wi-Fi首次在互联工厂中部署时，它的任务很简单：让一些设备彼此通信。现在，情况则完全不同。如果说十年前智能工厂还像一个空荡荡的广场，那么今天它更像是一个繁华的市场。场地是一样的，但情况已经发生了根本性的变化。就像在嘈杂的市场一样，到处充满无线电波，设备必须竭尽全力让自己的声音被听到智能工厂。
无线技术不断发展，以满足其服务市场日益苛刻的需求。Wi-Fi也不例外，先进的工厂数字化和新的应用正在推动对Wi-Fi的需求。相关数据显示，Wi-Fi承载了全球约45%的IP流量以及60%至80%的无线流量。
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Wi-Fi技术的发展
自从达到54 Mbps的最高速度以来，无线网络已经取得了长足的进步。2009年，Wi-Fi 4（或像以前所称的IEEE 802.11n）整合了IEEE 802.11a中引入的5GHz频带以及两个频带中更高的数据速率，带来了吞吐量的巨大飞跃。Wi-Fi 4 接入点与具有该技术设备的向后兼容性促进了它的普及。
2013年，Wi-Fi 5（即IEEE 802.11ac）带来了性能的又一次飞跃，最高达到6.8 Gbps，运行在5 GHz频段。此后，Wi-Fi 6 提供了更多性能改进，并增强了其更高效地处理来自更多客户端、更多流量的能力，这就是为什么它也被称为高效无线（HEW）的原因。
多项创新正在帮助Wi-Fi 6 满足当今对更高吞吐量（接近10 Gbps）的需求，同时还提供长距离性能、低延迟、最小功耗、共存和快速切换的需求。
02
制造业对Wi-Fi的期望
每次发布新的Wi-Fi标准，都会伴随着性能的提升，这项技术已经应用于更复杂、更苛刻的应用场景。与此同时，它继续推动进一步改进标准，以满足新兴的无线通信需求，包括工业部署中常见的需求。
在工厂环境中，因为停工会导致收入损失，高可用性至关重要。在拥挤的射频环境中，高可用性意味着对来自其它设备干扰的鲁棒性，以及高吞吐量，允许缩短每次通信的传输时间并释放带宽。
确保可扩展性（无需添加热点即可将其它客户端连接到网络）是关键，因为Wi-Fi为越来越多的设备提供网络连接。更快的响应时间对工业自动化系统至关重要，例如，协调复杂生产线流程。随着越来越多的移动设备（从机器人到智能电动工具）连接到网络，无缝漫游越来越重要，以避免设备在连接新接入点时，重新尝试连接的时间过长。为了简化运营并降低成本，简单的调试和维护至关重要。
03
Wi-Fi 6 的五大优势
如果说Wi-Fi4 带来了“高吞吐量”，Wi-Fi5 带来了“更高的吞吐量”，那么2018年首次发布的Wi-Fi 6则是关于“更高的效率”。从6.8 Gbps跳到9.6 Gbps的速度，可能比之前版本带来的数量级式的增长要小，但Wi-Fi 6 可以更有效地利用可用带宽，每个接入点可以容纳更多的客户端，而不会降低网络性能。
▲图1: Wi-Fi6可以比Wi-Fi 4或Wi-Fi 5以更快的速度到达更多的客户端。
有效处理更多客户端的关键是技术创新，例如：
■ 多用户正交频分多址（MU-OFDMA）技术，是将可用带宽分片和分成不同大小的资源单元的技术，使接入点具有同时为多个客户端提供所需资源的灵活性。MU-OFDMA将固定数量的AP可以处理的客户端数量增加了四倍。
■ 多用户多输入多输出（MU-MIMO）技术，允许接入点在上行链路和下行链路中，将唯一数据流同时引导到多个客户端。
■ 1024正交幅度调制（1024 QAM），可以将更多信息编码到每个符号中。Wi-Fi 6 可以将10位打包成一个符号，比使用256 QAM的Wi-Fi 5 容量提高25%。
■ 基本服务集（BSS）着色，有助于确保具有不同“颜色”的频道不会受到干扰。
■ 目标唤醒时间（TWT），可以让设备节省电池并提高电源的自主性。
支持增加客户端密度的技术也提高了吞吐量：MIMO可以捆绑带宽，这样一个客户端就可以使用多个数据流，而不是将带宽分割来为多个设备服务。
通过实现与多个客户端之间同时传输数据，MU-OFDMA有助于减少拥塞（这是密集网络中的常见问题），以确保以最小的延迟交付数据。
得益于TWT功能，接入点可以指导设备进入低功耗模式，并提前安排唤醒时间。可实现的超长睡眠时间，可以提高电池寿命，特别是偶尔传输数据的无线传感器。
04
通过Wi-Fi 6E 扩展到6 GHz频谱
为了克服主要资源可用频谱的限制，FCC等监管机构已将6 GHz频带开放用于无需许可的Wi-Fi通信，在某些情况下，该频带的可用频谱数量比之前的2.4 GHz和5GHz频带的总和增加了一倍以上。能够使用1200 MHz新频谱的接入点和终端设备，将被标记为Wi-Fi 6E。
▲图2：此图表显示了Wi-Fi在数据速率、频率和带宽等方面的不断发展。
6 GHz频带的优点包括，靠近已经广泛使用的5GHz频带，以及具有一系列规格的大量非重叠信道。由于新频谱在很大程度上仍未开发，设备将不必与挤占无线电波的传统客户竞争。
05
智能工厂受益于Wi-Fi 6 的五个方面
Wi-Fi已成为智能工厂的主流，并经常辅以蓝牙技术以及专有和非专有蜂窝通信技术，助力以下五个领域的功能提升。
01
工业传感器网络
在工业环境中，无线连接的传感器已广泛使用，例如，用于监测振动和温度以进行预测性维护。现在，它们通常依赖于功率优化的通信协议，如蓝牙低功耗或IEEE 801.15.4。
Wi-Fi 6的低功耗性能是通过允许设备使用TWT功能进行长时间进入睡眠状态来实现的。降低支持Wi-Fi的传感器的电源需求可提高其电源自主性，从而简化维护。同时，将设备关闭还可以减少频谱拥塞。
02
运动控制
OFDMA在延迟和服务质量方面的改进，使Wi-Fi 6 成为运动控制应用的一种充满前景的无线通信技术。同时，设备配置用例可能会继续受益于蓝牙的低功耗需求及其无处不在的特性。
03
人机界面
Wi-Fi 6 接入点能够处理更高的设备密度，保持每个设备的良好吞吐量，同时具有低延迟，这使Wi-Fi 6 成为一种适合的技术，能够实现简单的基于平板电脑的人机界面（HMI），用于从连接的机器上读取数据，还可以实现更先进的增强现实HMI。
04
增强现实
使用静态或手持图形用户界面（GUI）的HMI，进一步发展下去就是增强现实（AR）。无论是使用平板电脑还是智能眼镜，AR都可以将实时信息、文档或蓝图覆盖在平板电脑的摄像头上，或者使用智能眼镜直接覆盖到用户的视野中。AR还可以让工程师在不中断生产过程的情况下，可视化其工业机器的内部运行状态并评估问题。
05
网状网络
网状技术在工业环境中具有多种用途，包括在整个设施中实现对智能灯的集中控制，以及从分布式传感器收集数据以便在云端处理。虽然蓝牙仍然是将数据从节点到节点一直传输到网关的首选无线技术，但Wi-Fi更适合于从网关到企业云的最后一段传输。Wi-Fi 6 的低功耗是否能够为工业领域更广泛地采用Wi-Fi网状解决方案铺平道路，还有待观察。
06
适用于互联工厂的其它Wi-Fi类型
尽管几乎在任何指标上，Wi-Fi 6都优于Wi-Fi 4，但许多应用都可以适用于旧版的技术。在这种情况下，工厂经理可以从Wi-Fi 4 的低成本和简化开发中获益。
▲图3：智能工厂依靠可靠的无线技术，收集来自状态监测、运动控制、增强现实（AR）、工业传感器网络和人机界面（HMI）的数据。
随着Wi-Fi 6的发展，人们正在努力将Wi-Fi 7的性能再提高一个等级，预计Wi-Fi 7将在2024年后的某个时候正式发布。根据推动Wi-Fi标准发展的IEEE和Wi-Fi联盟的说法，Wi-Fi 7将重点关注视频性能，包括确定性延迟、高可靠性和服务质量（QoS）。由于更宽的信道（直达320 MHz）和更高的QAM调制阶数，它还将提供三倍的吞吐量（30 Gbps）。
随着智能工厂的发展势头不断增强，它们将继续依靠Wi-Fi、蓝牙、4G LTE、5G等多种互补的无线通信技术。Wi-Fi 6 具有更快的数据速率、更低的延迟、更低的功耗、更大的网络容量和更广的覆盖范围等特点，这些特性有助于扩大该技术在智能工厂中的应用范围。
编辑：黄飞
工商网监
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