Wi-Fi 6 : comment répondre aux besoins changeants des usines intelligentes d'aujourd'hui

pelle svensson

Responsable du développement du marché, Product Center Short Range Radio, u-blox

Les usines intelligentes sont des environnements difficiles pour les technologies de communication sans fil. Voyons comment le Wi-Fi continue d'évoluer pour continuer à relever ce défi.

Lorsque le Wi-Fi a commencé à être installé dans les usines connectées, leur tâche était simple : faire communiquer quelques appareils entre eux. Aujourd'hui, la situation est complètement différente. S'il y a seulement dix ans, l'usine intelligente ressemblait à une place vide, elle ressemble maintenant davantage à un marché animé. Le lieu est le même, mais le contexte a radicalement changé. Tout comme dans un marché bruyant, l'air est rempli d'ondes et les appareils doivent parcourir de longues distances pour être entendus.

Heureusement, les technologies sans fil ont continué d'évoluer afin de répondre aux besoins de plus en plus exigeants des marchés qu'elles desservent. Et le Wi-Fi ne fait pas exception. Dans cet article, nous examinerons comment l'avancée de la numérisation dans les usines et les nouvelles applications stimulent la demande de Wi-Fi, la technologie sans fil qui transporte environ 45 % du trafic IP mondial et 60 à 80 % du trafic sans fil.

Le Wi-Fi a parcouru un long chemin depuis l'époque (il y a à peine deux décennies) qui offrait à peine 54 Mbps. En 2009, le Wi-Fi 4 (ou IEEE 802.11n comme on l'appelait auparavant) a fait un énorme bond en avant en termes de performances avec le La bande 5 GHz introduite dans IEEE 802.11a et les débits de données plus élevés dans les deux bandes. La compatibilité des points d'accès Wi-Fi 4 avec les appareils exécutant des versions antérieures de la technologie a contribué à l'adoption de cette technologie.

En 2013, le Wi-Fi 5 (ou IEEE 802.11ac) a fait un autre bond en termes de performances à 6,8 Gbit/s, mais uniquement dans la bande 5 GHz. Plus récemment, le Wi-Fi 6 a doublé ses performances sur tous les fronts, en particulier ses capacité à gérer plus de trafic, un nombre beaucoup plus important de clients de manière plus efficace, c'est pourquoi on l'appelle aussi parfois High-Efficiency Wireless (HEW).

Dans cet article, nous explorerons les avancées innovantes apportées par le Wi-Fi 6 pour répondre aux exigences actuelles de hautes performances (près de 10 Gbps), ainsi que pour fournir des performances fiables sur de longues distances, avec une faible latence, une consommation minimale, la coexistence et transfert rapide.

Attentes de l'industrie envers le Wi-Fi

Comme chaque nouvelle version de la norme Wi-Fi a porté les performances à de nouveaux sommets, la technologie a trouvé sa place dans des applications de plus en plus sophistiquées et exigeantes. Dans le même temps, il a continué à stimuler la demande de nouvelles améliorations de la norme afin de couvrir les besoins de communication sans fil qui sont apparus, y compris ceux courants dans les installations industrielles.

La haute disponibilité Il est primordial dans les installations industrielles où les temps d'arrêt se traduisent directement par une perte de revenus. Dans les environnements RF encombrés, cela nécessite une robustesse contre les interférences d'autres appareils, ainsi que des performances élevées pour raccourcir les temps de transmission et libérer rapidement de la bande passante après chaque communication. garantir la évolutivitéc'est-à-dire la possibilité de connecter des clients supplémentaires au réseau sans avoir besoin d'ajouter des points d'accès, est essentielle pour que le Wi-Fi offre une connectivité réseau à un nombre toujours croissant d'appareils.

Les temps de réponse rapides ils sont essentiels pour les systèmes d'automatisation industrielle utilisés, par exemple, pour organiser les processus dans des lignes de production complexes. Avec de plus en plus d'appareils mobiles connectés au réseau, des robots aux outils électriques intelligents, le fluidité itinérante gagne en importance afin d'éviter de longues tentatives de reconnexion lorsque l'appareil entre dans la zone couverte par un nouveau point d'accès. De plus, pour simplifier les opérations et réduire les coûts, un mise en service et maintenance faciles.

Avantages du Wi-Fi 6

Si le Wi-Fi 4 offrait des « hautes performances » et le Wi-Fi 5 des « très hautes performances », le Wi-Fi 6, introduit en 2018, s'est concentré sur le « haut rendement ». Le saut de 6,8 Gbps à 9,6 Gbps peut être moins spectaculaire que certaines augmentations d'ordre de grandeur dans les versions précédentes, mais là où le Wi-Fi 6 brille vraiment, c'est dans son utilisation plus efficace de la bande passante disponible car il permet d'héberger plus de clients par point d'accès sans affecter les performances du réseau.

La clé pour gérer efficacement un plus grand nombre de clients est une série d'innovations technologiques :

• MU-OFDMA (accès multiple par répartition orthogonale de la fréquence multi-utilisateurs), une technique utilisée pour découper et fragmenter la bande passante disponible en unités de ressources de différentes tailles, donnant ainsi aux points d'accès la flexibilité de servir simultanément plusieurs clients avec les ressources précises dont ils ont besoin.

MU-OFDMA quadruple le nombre de clients qu'un nombre donné de points d'accès peut gérer.

• MU-MIMO (Multi-user multiple input multiple output) permet aux points d'accès de diriger simultanément des flux de données uniques vers plusieurs clients, à la fois en liaison montante et en liaison descendante.
• 1024 QAM (modulation d'amplitude en quadrature 1024) offre la possibilité d'encoder plus d'informations dans chaque symbole. Le Wi-Fi 6 peut compresser 10 bits dans un symbole, ce qui représente une capacité 25 % supérieure à celle du Wi-Fi 5, qui utilise 256 QAM.
• De plus, la coloration BSS permet de s'assurer que les canaux de différentes « couleurs » n'interfèrent pas les uns avec les autres.
• Enfin, le TWT (target wake time) permet aux appareils d'économiser la batterie et d'augmenter l'autonomie.

Les mêmes technologies qui ont augmenté la densité des clients ont également augmenté les performances : au lieu de réduire la bande passante pour desservir plusieurs appareils, MIMO peut regrouper la bande passante et mettre plusieurs flux à la disposition d'un seul client.

En permettant le transfert simultané de données vers ou depuis plusieurs clients, MU-OFDMA aide à réduire la congestion, un problème courant dans les réseaux denses, pour assurer la livraison des données avec une latence minimale.

Et grâce à la nouvelle fonction TWT, les points d'accès peuvent ordonner aux appareils de passer en mode basse consommation avec des heures de réveil préprogrammées. Les très longues durées de veille réalisables peuvent améliorer considérablement la durée de vie de la batterie, en particulier dans les capteurs sans fil qui ne transmettent des données que de manière sporadique.

Exploiter le spectre 6 GHz avec le Wi-Fi 6E

Pour surmonter la principale limitation des ressources, qui est le spectre disponible, des organismes de réglementation tels que la FCC aux États-Unis ont ouvert la bande 6 GHz pour la communication Wi-Fi sans licence, doublant ou plus dans certains cas le spectre précédemment disponible en ajoutant les bandes 2,4 et 5 GHz.Les points d'accès et les terminaux capables d'utiliser les 1200 MHz du nouveau spectre seront appelés Wi-Fi 6E.

Les avantages de la bande 6 GHz incluent sa proximité avec la bande 5 GHz déjà largement utilisée ainsi que l'abondance de canaux sans chevauchement avec différentes tailles de canaux. Et parce que le nouveau spectre est tellement sous-utilisé, les appareils n'auront pas à rivaliser avec les clients précédents qui envahissent les ondes.

Le Wi-Fi 6 dans les usines intelligentes d'aujourd'hui

Le Wi-Fi est devenu un pilier des usines intelligentes, la technologie sans fil de choix, souvent complétée par Bluetooth, ainsi que des technologies de communication cellulaire propriétaires et non propriétaires. Il est probable que
Le Wi-Fi 6 cimente sa position avec bon nombre des nouvelles fonctionnalités énumérées ci-dessus.

L'image ci-dessous montre les applications susceptibles de bénéficier le plus des améliorations du Wi-Fi 6.

Réseaux de capteurs industriels : Les capteurs connectés sans fil se sont généralisés dans les installations industrielles et sont utilisés, par exemple, pour surveiller les vibrations et la température dans la maintenance prédictive. À l'heure actuelle, ils reposent généralement sur des protocoles de communication à consommation optimisée, tels que Bluetooth low energy ou IEEE 801.15.4.

Le Wi-Fi 6 est à faible consommation car il permet aux appareils de se mettre en veille pendant de longues périodes grâce à la nouvelle fonction TWT. En réduisant leur demande énergétique, les capteurs Wi-Fi augmentent leur autonomie et simplifient leur maintenance. De plus, la déconnexion des appareils réduit l'encombrement du spectre.

Contrôle des mouvements : Les améliorations de la latence et de la qualité de service offertes par l'OFDMA font du Wi-Fi 6 une technologie de communication sans fil prometteuse pour les applications de contrôle. Dans le même temps, les paramètres des appareils devraient continuer à bénéficier de la faible consommation d'énergie et de l'ubiquité du Bluetooth.

Interfaces homme-machine (IHM) : La capacité des points d'accès Wi-Fi 6 à gérer une plus grande densité d'appareils tout en maintenant de bonnes performances sur chaque appareil, ainsi qu'une faible latence, font du Wi-Fi 6 une technologie prometteuse capable de permettre des IHM simples basées sur des tablettes et utilisées pour lire les données des machines connectées et même des IHM de réalité augmentée plus avancées.

Réalité Augmentée (RA): L'évolution naturelle des IHM utilisant des interfaces utilisateur graphiques statiques ou portables est la réalité augmentée. Que ce soit via des tablettes ou des lunettes connectées, la réalité augmentée permet de superposer en temps réel des informations, de la documentation ou des plans à l'image d'une caméra sur la tablette ou, via des lunettes connectées, dans le champ de vision de l'utilisateur. La réalité augmentée peut permettre aux ingénieurs de visualiser schématiquement le fonctionnement interne de leurs machines et d'évaluer les problèmes sans interrompre les processus de production.

Réseaux maillés (mesh): La technologie maillée a diverses applications dans les installations industrielles, telles que le contrôle centralisé des lumières intelligentes dans les installations et la collecte de données de capteurs distribuées pour le traitement dans le cloud. Alors que Bluetooth reste la technologie sans fil la plus largement utilisée pour envoyer des données entre les nœuds et jusqu'à la passerelle, le Wi-Fi est mieux adapté pour la dernière étape de transmission entre la passerelle et le cloud de l'entreprise. Reste à savoir si la faible consommation du Wi-Fi 6 parvient à faciliter l'adoption plus généralisée des solutions maillées.
Wi-Fi dans le segment industriel.

Autres types d'usines connectées par Wi-Fi

Alors que le Wi-Fi 6 surpasse le Wi-Fi 4 à presque tous les égards, de nombreuses applications sont parfaitement couvertes par l'ancienne version de la technologie. Dans ces cas, cela se produit, les directeurs d'usine peuvent profiter du développement simplifié et à moindre coût du Wi-Fi 4.

Alors que le Wi-Fi 6 consolide son nouveau créneau, des efforts sont faits pour améliorer encore les performances avec la version Wi-Fi 7, qui devrait sortir après 2024. Selon l'IEEE et la Wi-Fi Alliance, qui pilotent le développement des normes Wi-Fi, le Wi-Fi 7 se concentrera fortement sur les fonctionnalités vidéo telles que la latence déterministe, la haute fiabilité et la qualité de service. Il triplera également les performances (30 Gbps) grâce à ses canaux plus larges (jusqu'à 320 MHz) et à des ordres de modulation QAM plus élevés.

Wi-Fi : continuer à répondre à la demande par l'innovation

Les usines intelligentes continuent de prendre de l'ampleur et continueront en parallèle de s'appuyer sur une suite de technologies de communication sans fil complémentaires basées sur le Wi-Fi, le Bluetooth, la 4G LTE, la 5G et autres. Les nouvelles fonctionnalités offertes par le Wi-Fi 6 - débits de données plus élevés, latences plus faibles, consommation d'énergie réduite, capacité de réseau supérieure et portée plus longue - ont le potentiel d'étendre l'introduction de cette technologie dans les usines intelligentes. Grâce à la proximité de la Wi-Fi Alliance avec l'industrie, elle est bien consciente de ses besoins, il est donc prévu que le Wi-Fi continuera à couvrir les besoins des applications industrielles qui se présentent au fil du temps.