Wi-Fi 6: Wie man den sich ändernden Anforderungen der heutigen intelligenten Fabriken gerecht wird

Pelle Swensson

Marktentwicklungsmanager, Product Center Short Range Radio, u-blox

Intelligente Fabriken sind raue Umgebungen für drahtlose Kommunikationstechnologien. Mal sehen, wie sich Wi-Fi weiter entwickelt, um diese Herausforderung weiterhin meistern zu können.

Als Wi-Fi in vernetzten Fabriken installiert wurde, war ihre Aufgabe einfach: Einige Geräte dazu bringen, miteinander zu kommunizieren. Heute ist die Situation völlig anders. War die Smart Factory noch vor einem Jahrzehnt ein leerer Platz, so ist sie heute eher ein geschäftiger Markt. Der Ort ist derselbe, aber der Kontext hat sich radikal verändert. Genau wie auf einem lauten Marktplatz ist die Luft voller Ätherwellen und Geräte müssen lange Strecken zurücklegen, um gehört zu werden.

Glücklicherweise haben sich drahtlose Technologien weiterentwickelt, um den immer anspruchsvolleren Anforderungen der Märkte, die sie bedienen, gerecht zu werden. Und Wi-Fi ist keine Ausnahme. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie die fortschreitende Digitalisierung in Fabriken und neue Anwendungen die Nachfrage nach Wi-Fi antreiben, der drahtlosen Technologie, die etwa 45 % des globalen IP-Verkehrs und 60–80 % des drahtlosen Verkehrs trägt.

Wi-Fi hat sich seit den Tagen (vor nur zwei Jahrzehnten), in denen kaum 54 Mbit / s angeboten wurden, einen langen Weg zurückgelegt 2009-GHz-Band eingeführt in IEEE 4a und die höheren Datenraten in beiden Bändern. Die Kompatibilität von Wi-Fi 802.11-Zugangspunkten mit Geräten, auf denen frühere Versionen der Technologie ausgeführt werden, hat dazu beigetragen, die Einführung dieser Technologie voranzutreiben.

Im Jahr 2013 machte Wi-Fi 5 (oder IEEE 802.11ac) einen weiteren Leistungssprung auf 6,8 Gbit/s, wenn auch nur im 5-GHz-Band.In jüngerer Zeit verdoppelte sich Wi-Fi 6 mit Verbesserungen seiner Leistung an allen Fronten, insbesondere seiner Fähigkeit, mehr Datenverkehr und eine viel größere Anzahl von Kunden effizienter zu bewältigen, daher wird es manchmal auch als High-Efficiency Wireless (HEW) bezeichnet.

In diesem Artikel werden wir die innovativen Fortschritte untersuchen, die Wi-Fi 6 gebracht hat, um die heutigen Anforderungen an hohe Leistung (nahezu 10 Gbit/s) zu erfüllen und eine zuverlässige Leistung über große Entfernungen mit geringer Latenz, minimalem Verbrauch, Koexistenz und schnelle Übertragung.

Erwartungen der Industrie an Wi-Fi

Da jede neue Version des Wi-Fi-Standards die Leistung auf neue Höhen gehoben hat, hat die Technologie ihren Weg in immer ausgefeiltere und anspruchsvollere Anwendungen gefunden. Gleichzeitig hat es die Nachfrage nach neuen Verbesserungen des Standards weiter vorangetrieben, um den entstandenen Bedarf an drahtloser Kommunikation, einschließlich der in Industrieanlagen üblichen, abzudecken.

La hohe Verfügbarkeit Dies ist von größter Bedeutung in Industrieanlagen, in denen Ausfallzeiten direkt zu Umsatzeinbußen führen. In überfüllten HF-Umgebungen erfordert dies Robustheit gegenüber Störungen durch andere Geräte sowie eine hohe Leistung, um die Übertragungszeiten zu verkürzen und nach jeder Kommunikation schnell Bandbreite freizugeben. garantieren die Skalierbarkeitdh die Fähigkeit, zusätzliche Clients mit dem Netzwerk zu verbinden, ohne dass Access Points hinzugefügt werden müssen, ist der Schlüssel für Wi-Fi, um Netzwerkkonnektivität für eine ständig wachsende Zahl von Geräten anzubieten.

Die schnelle Reaktionszeiten Sie sind unverzichtbar für industrielle Automatisierungssysteme, die beispielsweise zur Organisation von Prozessen in komplexen Produktionslinien eingesetzt werden. Mit immer mehr mobilen Geräten, die mit dem Netzwerk verbunden sind, von Robotern bis hin zu intelligenten Elektrowerkzeugen, wird die Roaming-Fluidität gewinnt an Bedeutung, um langwierige Wiederverbindungsversuche zu vermeiden, wenn das Gerät in den Versorgungsbereich eines neuen Access Points gelangt. Um den Betrieb zu vereinfachen und die Kosten niedrig zu halten, a einfache Inbetriebnahme und Wartung.

Vorteile von Wi-Fi 6

Während Wi-Fi 4 „hohe Leistung“ und Wi-Fi 5 „sehr hohe Leistung“ bot, hat sich Wi-Fi 6, das 2018 eingeführt wurde, auf „hohe Effizienz“ konzentriert. Der Sprung von 6,8 Gbit/s auf 9,6 Gbit/s mag weniger dramatisch sein als einige Größenordnungserhöhungen in früheren Versionen, aber wo Wi-Fi 6 wirklich glänzt, ist seine effizientere Nutzung der verfügbaren Bandbreite, da es das Hosten von mehr Clients pro Zugangspunkt ermöglicht ohne die Leistung des Netzwerks zu beeinträchtigen.

Der Schlüssel zur effizienten Abwicklung einer größeren Anzahl von Kunden liegt in einer Reihe technologischer Innovationen:

• MU-OFDMA (Multi-User Orthogonal Frequency Division Multiple Access), eine Technik, die verwendet wird, um verfügbare Bandbreite in Ressourceneinheiten unterschiedlicher Größe aufzuteilen und zu fragmentieren, wodurch Access Points die Flexibilität erhalten, mehreren Clients gleichzeitig genau die Ressourcen bereitzustellen, die sie benötigen.

MU-OFDMA vervierfacht die Anzahl der Clients, die eine bestimmte Anzahl von Access Points verarbeiten kann.

• MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) ermöglicht Access Points, einzelne Datenströme gleichzeitig an mehrere Clients zu leiten, sowohl Uplink als auch Downlink.
• 1024 QAM (1024 Quadratur-Amplitudenmodulation) bietet die Möglichkeit, mehr Informationen in jedes Symbol zu codieren. Wi-Fi 6 kann 10 Bit in ein Symbol quetschen, was eine 25 % höhere Kapazität als Wi-Fi 5 hat, das 256 QAM verwendet.
• Darüber hinaus hilft die BSS-Färbung sicherzustellen, dass sich Kanäle mit unterschiedlichen „Farben“ nicht gegenseitig stören.
• Schließlich ermöglicht die TWT (Target Wake Time) den Geräten, Batterie zu sparen und die Autonomie zu erhöhen.

Dieselben Technologien, die die Client-Dichte erhöht haben, haben auch die Leistung gesteigert: Anstatt die Bandbreite zu reduzieren, um mehrere Geräte zu bedienen, kann MIMO die Bandbreite bündeln und mehrere Streams für einen einzelnen Client verfügbar machen.

Indem die gleichzeitige Übertragung von Daten zu oder von mehreren Clients ermöglicht wird, MU-OFDMA hilft, Staus zu reduzieren, ein häufiges Problem in dichten Netzwerken, um die Datenübertragung mit minimaler Latenz zu gewährleisten.

Und dank der neuen Funktion TWTkönnen Access Points Geräte anweisen, in einen Energiesparmodus mit vorprogrammierten Weckzeiten zu wechseln. Gerade bei Funksensoren, die nur sporadisch Daten übertragen, können die sehr langen machbaren Standby-Zeiten die Batterielebensdauer deutlich verbessern.

Nutzung des 6-GHz-Spektrums mit Wi-Fi 6E

Um die Hauptbeschränkung der Ressourcen, nämlich das verfügbare Spektrum, zu überwinden, haben Regulierungsbehörden wie die FCC in den USA das 6-GHz-Band für die lizenzfreie Wi-Fi-Kommunikation geöffnet und in einigen Fällen das zuvor verfügbare Spektrum verdoppelt oder mehr Hinzu kommen die 2,4- und 5-GHz-Bänder. Access Points und Endgeräte, die die 1200 MHz des neuen Spektrums nutzen können, werden als Wi-Fi 6E bezeichnet.

Zu den Vorteilen des 6-GHz-Bandes zählen die Nähe zum bereits weit verbreiteten 5-GHz-Band sowie die Fülle an nicht überlappenden Kanälen mit unterschiedlichen Kanalgrößen. Und weil das neue Spektrum so wenig ausgelastet ist, müssen die Geräte nicht mit früheren Kunden konkurrieren, die den Äther bevölkern.

Wi-Fi 6 in den intelligenten Fabriken von heute

Wi-Fi ist zu einer Hauptstütze in intelligenten Fabriken geworden, die drahtlose Technologie der Wahl, oft ergänzt durch Bluetooth, sowie zellulare Kommunikationstechnologien, sowohl proprietäre als auch nicht proprietäre. Das ist wahrscheinlich
Wi-Fi 6 festigt seine Position mit vielen der oben aufgeführten neuen Funktionen.

Das Bild unten zeigt die Apps, die wahrscheinlich am meisten von Wi-Fi 6-Verbesserungen profitieren werden.

Industrielle Sensornetzwerke: Drahtlos vernetzte Sensoren sind in Industrieanlagen weit verbreitet und werden beispielsweise zur Überwachung von Schwingungen und Temperaturen in der vorausschauenden Wartung eingesetzt. Sie basieren derzeit meist auf verbrauchsoptimierten Kommunikationsprotokollen wie Bluetooth Low Energy oder IEEE 801.15.4.

Wi-Fi 6 ist verbrauchsarm, da es Geräten ermöglicht, über die neue TWT-Funktion für längere Zeit in den Ruhezustand zu wechseln. Durch die Reduzierung ihres Energiebedarfs erhöhen Wi-Fi-Sensoren ihre Autonomie und vereinfachen ihre Wartung. Darüber hinaus reduziert die Abschaltung der Geräte die Überlastung des Spektrums.

Bewegungssteuerung: Die durch OFDMA angebotenen Verbesserungen bei Latenz und Dienstqualität machen Wi-Fi 6 zu einer vielversprechenden drahtlosen Kommunikationstechnologie für Steuerungsanwendungen. Gleichzeitig werden die Geräteeinstellungen wahrscheinlich weiterhin von der geringen Energie und Allgegenwart von Bluetooth profitieren.

Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI): Die Fähigkeit von Wi-Fi 6-Zugangspunkten, eine höhere Dichte von Geräten zu handhaben und gleichzeitig eine gute Leistung auf jedem Gerät beizubehalten, zusammen mit geringer Latenz, machen Wi-Fi 6 zu einer vielversprechenden Technologie, die einfache HMIs ermöglichen kann, die auf Tablets basieren und zum Lesen verwendet werden Daten von vernetzten Maschinen und sogar von fortschrittlicheren Augmented-Reality-HMIs.

Erweiterte Realität (AR): Die natürliche Weiterentwicklung von HMIs mit statischen oder tragbaren grafischen Benutzeroberflächen ist Augmented Reality. Ob durch Tablets oder Smart Glasses, Augmented Reality kann Echtzeitinformationen, Dokumentationen oder Pläne in das Bild einer Kamera auf dem Tablet oder durch Smart Glasses in das Sichtfeld des Nutzers einblenden. Mithilfe von Augmented Reality können Ingenieure das Innenleben ihrer Maschinen schematisch visualisieren und Probleme bewerten, ohne den Produktionsprozess zu unterbrechen.

Mesh-Netzwerke (Mesh): Die Mesh-Technologie hat verschiedene Anwendungen in Industrieanlagen, wie z. B. die zentrale Steuerung intelligenter Leuchten in Einrichtungen und die Erfassung verteilter Sensordaten zur Verarbeitung in der Cloud. Während Bluetooth die am weitesten verbreitete drahtlose Technologie zum Senden von Daten zwischen Knoten und bis zum Gateway bleibt, eignet sich Wi-Fi besser für die letzte Übertragungsstrecke zwischen dem Gateway und der Unternehmens-Cloud. Es bleibt abzuwarten, ob der geringe Verbrauch von Wi-Fi 6 es schafft, die Verbreitung von Mesh-Lösungen zu erleichtern.
Wi-Fi im Industriesegment.

Andere Arten von Fabriken, die über Wi-Fi verbunden sind

Während Wi-Fi 6 Wi-Fi 4 in fast jeder Hinsicht übertrifft, werden viele Apps perfekt von der älteren Version der Technologie abgedeckt. In diesen Fällen können Betriebsleiter von den geringeren Kosten und der vereinfachten Entwicklung von Wi-Fi 4 profitieren.

Während Wi-Fi 6 seine neue Nische konsolidiert, werden Anstrengungen unternommen, um die Leistung mit der Wi-Fi 7-Version, die voraussichtlich nach 2024 veröffentlicht wird, noch weiter zu steigern. Laut IEEE und der Wi-Fi Alliance, die die vorantreiben Bei der Entwicklung von Wi-Fi-Standards wird sich Wi-Fi 7 stark auf Videofunktionen wie deterministische Latenz, hohe Zuverlässigkeit und Dienstqualität konzentrieren. Dank seiner breiteren Kanäle (bis zu 30 MHz) und höheren QAM-Modulationsordnungen verdreifacht er auch die Leistung (320 Gbit/s).

Wi-Fi: Bedarf weiterhin durch Innovation decken

Intelligente Fabriken gewinnen weiter an Dynamik und werden sich parallel dazu weiterhin auf eine Reihe komplementärer drahtloser Kommunikationstechnologien verlassen, die auf Wi-Fi, Bluetooth, 4G LTE, 5G und anderen basieren. Die neuen Funktionen von Wi-Fi 6 – schnellere Datenübertragungsgeschwindigkeiten, geringere Latenzen, geringerer Stromverbrauch, größere Netzwerkkapazität und größere Reichweite – haben das Potenzial, die Einführung dieser Technologie in Smart Factorys zu erweitern. Dank der Nähe der Wi-Fi Alliance zur Industrie ist sie sich ihrer Bedürfnisse bewusst, sodass erwartet wird, dass Wi-Fi auch weiterhin die im Laufe der Zeit entstehenden Bedürfnisse industrieller Anwendungen abdecken wird.