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在敷设电缆太复杂甚至无法敷设的地方，无线连接是理 想选择。西门子的 Scalance W系列产品可提供无需有线连接的灵活性和故障安全通信。图片来源 ：西门子

作者：Ford Cheeseman

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利用Wi-Fi 6和5G无线技术，工业通信正在突飞猛进的发展。您的工厂是否部署了最新的工业无线技术？

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在过去十年，工业环境高速、可靠和确定性的无线网络的稳定发展，一直是实现工业 4.0 和工业物联网（IIoT）概念的关键驱动力。随着Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax） 和 5G 无线技术在工业环境中的应用，工业通信又向前迈进了一大步。这就是为什么现在是评估支持工厂及其相关物流和仓库设施的工业无线局域网 (iWLAN) 技术现状的好时机。

在运营技术（OT）环境中工作的工程师， 应与企业信息技术（IT）同行一起，制定无线网络的现代化路线图，以确保在未来几年，能够实现性能、可靠性和安全性的最大化。由于工业环境中数据的使用方式与企业环境中不同，因此 OT 和 IT 团队之间的协作至关重要。

自 IEEE 发布初始版本的 IEEE 802.11 无线标准以来已经有 20 多年了，后来又相继发布了 IEEE 802.11a、b 和 g 版本，这些标准大多数都是以“Wi-Fi”的商标名为办公和家庭应用而设计的。尽管有些工程师可能已经尝试在工业应用中使用这些技术，主要是希望降低布线成本，并在车间布置方面获得一定的灵活性，但这些早期的 Wi-Fi 设备，在确定性方面存在一定的不足，而这在 OT 网络中变得非 常突出。

不断缩小的无线延迟

无线最大的缺点之一就是数据传输延迟，这主要是因为在工业无线网络中共享介质，如果数据发生冲突，就需要重新传输数据。在传感器与可编程逻辑控制器（PLC）之间传输控制和安全数据时，需要利用计时器对数据流的响应时间进行监视，如果同一消息重发次数过多，那就可能会导致监视计时器时间溢出，从而导致可能干扰生产的故障。

在涉及到漫游时，延迟更成为问题。主要是因为移动客户端将其无线通信从一个接入点 （AP）过渡到下一个接入点。重新连接到新的接入点所需的时间（如果必须通过 AP 控制器进行过度，所需的时间可能更长）也可能导致通信故障，从而损害控制和安全系统的有效性。这些延迟甚至可能使控制工程师增加定时器设定时间，虽然可以确保生产的正常运行，但是会牺牲控制和安全标准。

2009 年发布的 IEEE 802.11 n 和 2013 年发布的 IEEE 802.11 ac 改变了这一状况。相较于以前的标准，它们的传输速度都提高了几个数量级，时延可低至 17 毫 秒，技术的发展有助于确保 OT 应用实现更大的确定性。

新技术的采用可以减少、修复甚至在客户端之间分配轮询周期，从而最大程度地减少延迟，并实现更快速的漫游。新协议还开发了一种特别版本，主要用于连续移动的节点（如自动导引车和起重机），可以进一步提高性能并将漫游时间减少到 50 毫秒以下。

部署工业 WLAN 的注意事项

与家庭、办公室或咖啡馆环境中建立的 Wi-Fi 相比，配置工业 WLAN 需要更多的专业技术知识。虽然旅馆、机场和市政场所由于规模比较大，实施起来可能比较复杂，但是在生产工厂中，无线连接必须满足更严格的要求， 例如 ：

1故障安全可靠性 ：

在非工业环境中，如果在传输过程中数据丢失或损坏，数据通常可以重新传输，接收方通常不会察觉到这些事情的发生，因此并没有太大影响。但是，在工业环境中，数据传输故障可能会损害过程和安全控制，进而导致工厂停机、造成质量问题，甚 至是人身伤害。

2无线电干扰、衰减和反射 ：

非工业环境往往没有工业环境所具有的各种射频干扰源、 反射物体和衰减源，例如大的异形金属机械、 管道系统、金属面、铝质卷帘门等，这些物体 都可以反射射频波 ；另外，厚厚的混凝土墙或 存储在仓库货架中的材料可能会阻塞射频波 ；还有其它一系列无线电信号源，例如 RFID、 附近的工业 WLAN 和办公室 WLAN 等也会带来一定的干扰。

Wi-Fi 6 和 5G 选项

随着 IIoT 设备数量和部署密度的增加， Wi-Fi 6 将 Wi-Fi 的关注点从理论峰值数据速度转变为整体网络容量。可以肯定的是， Wi-Fi 6 的速度可以达到 10 Gbps， 比 IEEE 802.11 ac 提高了 37％。利用从 4G LTE 中借鉴的正交频分多址（OFDMA）技术，Wi-Fi 6 标准提高了频谱效率，足以支持每平方公里一百万个设备的通信。

工业 5G 完全是另一回事。它为生产、维护和物流中的各种新应用场景，打开了全面无线网络的大门。高数据速率、可靠而强大的宽带传输以及超短延迟，可以提高工业领域价值创造的效率和灵活性。当然，这些好处无法同时获得。

工业 5G 提出了许多关于如何更好地实施新通信标准的问题。有些自动化公司拥有 5G 开发团队，并与标准机构进行合作，可以在工业环境具备全面实施条件以后，为客户带来 5G 应用。同时，建议根据无线工业应用的不同需求，坚持使用 IEEE 802.11 Wi-Fi 标准，尤其是 IEEE 802.11 n、ac 和 Wi-Fi 6。

图片来源：西门子

是时候更新工业 WLAN 了吗？

当今使用的很多工业 WLAN 网络，可能已经部署了 IEEE 802.11a、b、g 或 n 技术，在某些情况下已经使用了有十多年。工程师应与工业网络专家及企业 IT 同行协作，考虑评估其当前网络的运行状况，制定现代化的路线图。

虽然 5G 和 Wi-Fi 6 是无线网络未来发展的方向，但目前 IEEE 802.11 ac 和 IEEE 802.11 n 也能够提供工业应用所需的高速带宽和低延迟。例如，IEEE 802.11 ac 可以提供视频应用所需的带宽，而 IEEE 802.11 n 对于工业 MIMO（多输入，多输出）应用非常有价值。后者可以支持自动导引车和高架起重机，帮助处理通过工厂时不断变化的射频反射。

此外，在必须使用确定性通信（例如控制 流量和安全性具有高优先级）的地方，可以使用具有确定性的工业无线通信技术来优化工业 WLAN。低延迟可以提高边缘计算性能，在虚拟和增强现实（VR/AR）技术的帮助下，工人可以在工厂设备、机器、自动化机器和物流中提供更大的移动性。

当然，这些应用越复杂，越需要实施更复杂的射频工程、详细的现场调查和其它最佳实践，这对成功部署至关重要。

Wi-Fi 6延伸阅读

说到Wi-Fi 6，可能大家对WiFi 1、2、3…也未必听说过，因为代表的新数字是从2018年开始的。WiFi联盟决定将新一代的WiFi技术802.11ax直接称呼为WiFi 6，于是顺带把之前的也一起更换了。

横向对比，WiFi 6至少比WiFi 5速度提升了2.7倍。纵向对比，如果只看下载速度，大概是1GB/s，5G的速度是1.25GB/s，如果按照理想状态，两者速度差不多。以下是4种WiFi 6的传输速度。

如果WiFi 6直接与5G正面较量，5G上行峰值传输速率10Gbit/s，下行峰值传输速率达20Gbit/s。WiFi 6 在80 MHz带宽下，单条空间流的峰值速率为600Mbit/s，在带宽为160MHz、８条空间流的情况下，峰值速率达 9.6Ｇbit/s。总的来说两者之间是可以站在同一梯队的。

Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，多用户-多输入-多输出。简单来说，之前我们的WiFi一次只能和一个终端通讯，如果有很多设备接入WiFi，网络就会变卡。如今这个问题在WiFi 6上得到了很好的解决。

这个技术体现的是，一个基站同时可以服务多个移动终端，这样显著提高了网络的总吞吐量和容量，上网速度会大大提升。WiFi 5在下行用了MU-MIMO技术，但是WiFi 6支持上下行，同时支撑8 个终端设备上行/下行传输更多数据，是WiFi 5的两倍。

Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频多分址，将无线信道划分为多个子信道，形成频率资源块；保证了多个终端可同时并行传输，不必排队等待、相互竞争，从而提升效率和降低时延。

全称Target Wake Time，目标唤醒技术，它的作用是减少射频工作时间，优化了网络资源，能够有效降低电脑/手机的电量消耗。

关键概念：

■ 新技术的采用最 大程度地减少了无线 延迟，并实现了更快 速的漫游。

■ Wi-Fi 6 和 5G 强化了未来的 工业无线网络的通信 选项。

思考一下：

贵司哪些应用需要实 时工业无线通信？