Беспроводные технологии для решения задач «умных фабрик»

Изначально, когда Wi-Fi впервые интегрировался в производство, перед ним стояла простая задача — связать между собой два устройства. Сегодня ситуация совершенно иная. Можно провести такую аналогию: десять лет назад «умная фабрика» напоминала пустынную площадь, сейчас же она больше похожа на оживленный рынок. Место проведения то же самое, однако наполнение радикально изменилось. Как и на шумном рынке, эфирное пространство перегружено, и разработчикам устройств беспроводной связи приходится прилагать усилия, чтобы их продукция работала без конфликтов.

Беспроводные технологии продолжают развиваться, и стандарт Wi-Fi не является исключением. Стремительная цифровизация предприятий и новые варианты использования повышают спрос на Wi-Fi, с помощью которого, по оценкам, передается 45% глобального IP-трафика и 60–80% беспроводного трафика.

Как развивались технологии Wi-Fi

Прошло уже много времени с тех пор, когда максимальная скорость Wi-Fi составляла 54 Мбит/с. В 2009 году был представлен Wi-Fi 4, или IEEE 802.11n. Технология получила широкую известность благодаря высокой пропускной способности после задействования дополнительного диапазона 5 ГГц (IEEE 802.11a) и более высоких скоростей передачи данных в обоих диапазонах. Ускорению внедрения точек доступа Wi-Fi 4 способствовала их обратная совместимость с устройствами, использующими устаревшие версии технологии.

В 2013 году был анонсирован Wi-Fi 5, или IEEE 802.11ac. Это поколение достигло скорости 6,8 Гбит/с, причем работа была ограничена диапазоном 5 ГГц.

С выходом Wi-Fi 6 эффективность стандарта еще больше улучшилась, стала возможной беспроблемная обработка большего объема трафика от большего числа клиентов (рис. 1), поэтому его также называют «высокопроизводительная беспроводная сеть» (High Efficiency Wireless, HEW).

Рис. 1. Wi-Fi 6 может охватывать большее количество клиентов на более высокой скорости, чем Wi-Fi 4 или Wi-Fi 5

Wi-Fi 6 удовлетворяет современным требованиям к высокой пропускной способности, обеспечивая работу на больших расстояниях, низкую задержку, минимальное энергопотребление, совместное использование и быструю передачу данных (около 10 Гбит/с).

С каждым поколением стандарта Wi-Fi его рабочие параметры улучшались, поэтому технология находила применение во все более сложных и требовательных системах. Рост спроса на выполнение тех или иных задач с помощью беспроводной связи стимулирует дальнейшее развитие Wi-Fi, в том числе для промышленного использования.

Первостепенное значение для сетей в условиях работы на производстве имеет высокая доступность — ведь простои приводят к потере доходов. Для обеспечения высокой доступности требуется повышение устойчивости к помехам, что актуально для переполненного радиочастотными сигналами эфирного пространства, а также высокая пропускная способность для сокращения времени передачи и освобождения полосы пропускания после обмена каждым пакетом данных. Еще одно требование — масштабируемость, или возможность подключения дополнительных клиентов к сети без добавления точек доступа. Для систем автоматизации производственных процессов, особенно на сложных производственных линиях, необходимо более быстрое время отклика.

Другая немаловажная функция — бесшовный роуминг — ускоренное переключение беспроводных клиентов между точками доступа. К сетям подключается все больше движущихся устройств — от роботов до интеллектуальных электроинструментов, поэтому важно избежать длительных попыток повторного подключения, когда устройство попадает в зону действия новой точки доступа.

Наконец, для упрощения эксплуатации и снижения связанных затрат необходимы простой монтаж оборудования, его настройка и техническое обслуживание.

Пять преимуществ Wi-Fi 6

Если после выхода Wi-Fi 4 говорили, что он обеспечивает «высокую пропускную способность», а про Wi-Fi 5 «очень высокую пропускную способность», то при анонсе Wi-Fi 6 в 2018 году акцент был смещен в сторону «высокой эффективности». Действительно, увеличение скорости работы с 6,8 до 9,6 Гбит/с не выглядит столь впечатляющим, как скачок в предыдущем релизе стандарта (табл.). Для Wi-Fi 6 характерно более качественное использование доступного сетевого канала, что позволяет взаимодействовать с большим количеством клиентов без снижения производительности сети. Этого удалось добиться благодаря следующим технологическим нововведениям:

• Многопользовательский множественный доступ с ортогональным разделением частот (Multi-user orthogonal frequency division multiple access, MU-OFDMA) — технология, используемая для разделения доступной полосы пропускания на отдельные ресурсные единицы различного размера, что добавляет гибкости при одновременном обслуживании нескольких клиентов. MU-OFDMA увеличивает количество клиентов, которых может обслуживать фиксированное количество точек доступа, в 4 раза.
• Система многопользовательского множественного ввода/вывода (Multi-user multiple input multiple output, MU-MIMO) позволяет точкам доступа направлять уникальные потоки данных нескольким клиентам одновременно, как по восходящей, так и по нисходящей линиям связи.
• Модуляция 1024-QAM позволяет каждому символу (единица передачи данных) умещать 10 битов вместо восьми. Это означает прирост к скорости до 25% по сравнению с модуляцией 256-QAM у стандарта Wi-Fi 5.
• Система BSS Coloring для идентификации каналов «по цвету» и обеспечения отсутствия помех.
• Механизм TWT — пробуждение устройств по таймеру только тогда, когда требуется собрать данные. Помогает сохранить заряд батареи и повысить автономность питания.

Кроме увеличения числа клиентов, эти технологии увеличивают пропускную способность и выполняют другие функции. MIMO, например, вместо того чтобы разделять полосу пропускания для обслуживания нескольких устройств, может объединить несколько потоков для одного клиента. MU-OFDMA также помогает избежать перегруженности сети (распространенная проблема в плотных сетях), что способствует получению данных с минимальной задержкой. Благодаря функции TWT точка доступа может управлять устройствами и переводить их в режим с низким энергопотреблением с заранее запланированным временем пробуждения. Это особенно полезно при работе с беспроводными датчиками, отправляющими собранную информацию короткими сессиями по расписанию, в итоге время автономной работы значительно увеличивается.

Wi-Fi 6E с работой на частоте 6 ГГц

Для обхода главного ограничения Wi-Fi — доступной частоты регулирующими органами было выдано разрешение на использование нижней полосы частоты 6 ГГц без обязательного лицензирования. Новый стандарт получил название Wi-Fi 6E, и с его помощью удалось открыть большое число неперекрывающихся каналов, обеспечив более стабильное и надежное беспроводное соединение. По оценкам, ширина диапазона у Wi-Fi 6E может быть больше в 2 раза, нежели ранее доступная на диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Поскольку новый стандарт все еще не столь распространен, работа с Wi-Fi 6E характеризуется с уменьшенным количеством помех (по состоянию на февраль 2023 года стандарт Wi-Fi 6E не доступен в России. Частота 6 ГГц у нас используется для работы средств фиксированной радиосвязи и радиорелейных линий связи. Госкомиссия по радиочастотам в РФ на заседании 23 декабря 2022 года приняла решение выделить диапазон 5,9–6,4 ГГц для стандарта связи Wi-Fi 6E в закрытых помещениях, однако точные сроки реализации до сих пор не известны. — Прим. пер.).

5 систем, в которых помогает Wi-Fi 6E

Wi-Fi стал основой «умных фабрик» и часто дополняется технологией Bluetooth, а также проприетарными технологиями сотовой связи. Вот в каких технических системах сегодня незаменим Wi-Fi 6 (рис. 2):

• Промышленные сенсорные сети. Датчики с беспроводным подключением получили широкое распространение на производстве. Они используются в различных целях, например для мониторинга степени вибрации или измерения температуры. Часто датчики работают на энергосберегающих протоколах связи, таких как Bluetooth LE или IEEE 801.15.4. Низкое энерго­потребление Wi-Fi 6 обеспечивается за счет того, что устройства переходят в спящий режим на длительное время с помощью функции TWT. Снижение энергопотребления датчиков повышает их автономность по питанию, упрощая техническое обслуживание. В то же время отключение устройств снижает насыщенность эфирного пространства.
• Управление транспортерами. Улучшенное время отклика и качество обслуживания, предоставляемого OFDMA, делает Wi-Fi 6 многообещающей технологией беспроводной связи для использования в системах управления транспортерами.
• Человеко-машинный интерфейс (HMI). Точки доступа Wi-Fi 6 способны взаимодействовать с большим количеством устройств, что в сочетании с низким временем задержки делает Wi-Fi 6 перспективной технологией для простого создания HMI на базе обычных планшетов или устройств дополненной реальности.
• Дополненная реальность (AR). Естественным витком развития HMI, применяющих стандартные графические пользовательские интерфейсы, стала технология дополненной реальности. Вне зависимости от имеющегося устройства — планшета либо специальных очков AR — позволяет визуализировать любую информацию: документацию, чертежи, промышленные мнемосхемы. AR позволяет инженерам схематично оценивать работу промышленных машин и выявлять возникшие проблемы, не прерывая производственный процесс.
• Ячеистые сети. Существует множество вариантов использования технологии ячеистых сетей в промышленности, например для централизованного управления интеллектуальным освещением на объекте или сбора данных с датчиков с последующей обработкой в облачном сервисе. Несмотря на то что Bluetooth по-прежнему остается предпочтительной беспроводной технологией для передачи данных в таких процессах, Wi-Fi лучше адаптирован для окончательного этапа передачи от шлюза к облаку. Еще предстоит выяснить, удастся ли благодаря низкому энерго­потреблению Wi-Fi 6 проложить путь к более широкому внедрению ячеистых сетей с помощью Wi-Fi в промышленности.

Рис. 2. Системы, от которых зависит «умная фабрика»

Другие варианты промышленного использования Wi-Fi 6

Несмотря на то что Wi-Fi 6 превосходит Wi-Fi 4 практически по всем показателям, существует большое количество оборудования, которое отлично работает на базе более старой версии беспроводной связи. В этом случае выгода для предприятия извлекается из более низкой стоимости Wi-Fi 4 и упрощенной разработки.

Работы по повышению производительности технологии Wi-Fi не прекращаются, ориентировочно после 2024 года ожидается выпуск Wi-Fi 7. По данным организаций IEEE и Wi-Fi Alliance, которые руководят разработкой данного стандарта, в Wi-Fi 7 будет уделено большое внимание качеству передачи видео, включая детерминированную задержку, высокую надежность и качество обслуживания (QoS). В новом поколении Wi-Fi пропускная способность будет в 3 раза выше (30 Гбит/с) благодаря расширенным каналам (до 320 МГц) и более высоким порядкам модуляции QAM.

Инновации в области Wi-Fi

Поскольку «умных фабрик» становится все больше, остается зависимость промышленных технологий от стандартов беспроводной связи, основанных на Wi-Fi, Bluetooth, 4G LTE, 5G и других протоколах. Такие функции Wi-Fi 6, как более высокая скорость передачи данных, меньшие задержки, меньшее энергопотребление, увеличенная пропускная способность сети и расширенный радиус охвата, потенциально могут увеличить технологические возможности на «умных фабриках».