工业互联网Wi-Fi6技术白皮书

工业互联网 Wi-Fi6技术白皮书 （2021年） 工业互联网产业联盟（AII）2022年12月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 编写说明 园区作为工业互联网企业集聚区，部署了大量基础设施，为企业用户提供了众多的公共服务。随着物联网和无线通讯的发展，工业园区的终端数量将会呈现爆发式增长，采用5G、Wi-Fi6等新无线技术促进工业现场设备的全面联接，促进工业互联网的建设，帮助工厂降本增效非常有必要。 在此形势下，工业互联网产业联盟（以下简称“联盟/AII”）组织多家企业联合撰写了《工业互联网Wi-Fi6技术白皮书》。本白皮书首先分析了无线连接工业互联网的前景，接着介绍了Wi-Fi技术的发展历程，什么Wi-Fi6，工业Wi-Fi6的典型应用场景，以及工业互联网为什么需要Wi-Fi6，介绍了Wi-Fi6与5G的融合共存关系，最后对工业Wi-Fi6的未来发展进行了展望。 本白皮书编写过程中，得到了AII联盟成员及国内外众多技术专家的大力支持，为白皮书的观点形成与编写提供了有力支撑。后续我们将根据业界的实践情况和各界的反馈意见，在持续深入研究的基础上适时修订和发布的新版本。 牵头编写单位：华为技术有限公司 参与编写单位：中国信息通信研究院，中国电信集团有限公司，广东九联科技股份有限公司，重庆大学，江苏亨通信息安全技术有 限公司，江苏亨通工控安全研究院有限公司。 编写组成员：（排名不分先后） 华为技术有限公司黄亮、邓海洋 中国信息通信研究院张恒升 中国电信集团有限公司邵震、潘毅明 重庆大学蔡岳平 广东九联科技股份有限公司何云华，戴林皓 江苏亨通信息安全技术有限公司陈夏裕 江苏亨通工控安全研究院有限公司章明飞 目录 1.无线连接工业互联网前景5 2.Wi-Fi技术发展历程6 3.什么是Wi-Fi6？9 3.1Wi-Fi6核心技术10 3.2其他Wi-Fi6新特性23 4.工业Wi-Fi6的典型应用场景26 4.1研发制造云化协同26 4.2VR虚拟设计及展示27 4.3仓储物流手持PDA28 4.4云化物流AGV29 4.5AR辅助装配31 4.6产品固件无线升级32 4.7云化机器视觉检测33 4.8无线物联融合34 5.工业互联为什么需要Wi-Fi635 6.工业Wi-Fi6与5G的融合共存36 6.1流量费用37 6.2覆盖范围37 6.3网络容量38 6.4终端生态38 6.5能耗39 6.6技术演进40 7.工业Wi-Fi6未来发展趋势40 7.1工业Wi-Fi6与TSN的结合40 7.2工业Wi-Fi6产业发展建议41 1.无线连接工业互联网前景 工业4.0趋势下，制造商开始利用数字化技术，实现对生产流程更透明的管控，以提高生产效率、降低生产成本和为客户提供更多的价值。工业4.0的前提需要工厂拥有高效的连接解决方案，需要一个智能、稳定、安全的工厂网络，然后才能挖掘到所需的大数据，并将这些数据转换成价值。 在大多数工业网络环境中，工厂里90%以上的对象都需要连接网线。不过，这实现起来并不容易，尤其是老旧的生产设备成为信息孤岛，不允许对数据进行采集和分析，这样使得管理者无法进一步了解和管理这些设备。 过去的工厂网络大多采用有线连接方式，要改装设备的成本较高，重新架设线缆产生难以估计的成本，而且会花费大量的时间，甚至导致生产停机，造成生产力和收入的下降。因此，厂商必需考虑重新布线带来的价值和成本是否符合投资回报预期。 未来工厂大量设备都要联网，包括机器人、移动AGV，机 床及其它自动化设备，会让连接变得更复杂，对于有线连接方式来说将是一项巨大的工程。工厂需要一种易于部署、易于管 理和易于使用的连接解决方案，以实现现场设备快速、轻松地相互通信。 无线网络给制造业生产过程创造了较大的灵活性，大大减少了调试新生产线的时间，即使生产线转换调整也便利了许多，使得制造商能够更快地响应并满足不断变化的客户需求。 2.Wi-Fi技术发展历程 Wi-Fi已成为当今世界无处不在的技术，为数十亿设备提供连接，也是越来越多的用户上网接入的首选方式，并且有逐步取代有线接入的趋势。为适应新的业务应用和减小与有线网络带宽的差距，每一代802.11的标准都在大幅度的提升其速率。 1997年IEEE制定出第一个无线局域网标准802.11，数据传输速率仅有2Mbps，但这个标准的诞生改变了用户的接入方式，使人们从线缆的束缚中解脱出来，。 随着人们对网络传输速率的要求不断提升，在1999年IEEE发布了802.11b标准。802.11b运行在2.4GHz频段，传输速率为11Mbit/s，是原始标准的5倍。同年，IEEE又补充发布了802.11a标准，采用了与原始标准相同的核心协议， 工作频率为5GHz，最大原始数据传输率54Mbit/s，达到了现实网络中等吞吐量(20Mbit/s)的要求，由于2.4GHz频段已经被到处使用，采用5GHz频段让802.11a具有更少冲突的优点。 2003年，作为802.11a标准的OFDM技术也被改编为在 2.4GHz频段运行，从而产生了802.11g，其载波的频率为2.4GHz(跟802.11b相同)，原始传送速度为54Mbit/s，净传输速度约为24.7Mbit/s(跟802.11a相同)。 对Wi-Fi影响比较重要的标准是2009年发布的802.11n，这个标准对Wi-Fi的传输和接入进行了重大改进，引入了MIMO、安全加密等新概念和基于MIMO的一些高级功能（如波束成形，空间复用......），传输速度达到600Mbit/s。此外，802.11n也是第一个同时工作在2.4GHz和5GHz频段的Wi- Fi技术。 然而，移动业务的快速发展和高密度接入对Wi-Fi网络的带宽提出了更高的要求，在2013年发布的802.11ac标准引入了更宽的射频带宽（提升至160MHz）和更高阶的调制技术 （256-QAM），传输速度高达1.73Gbps，进一步提升Wi-Fi网络吞吐量。另外，在2015年发布了802.11acwave2标准， 将波束成形和MU-MIMO等功能推向主流，提升了系统接入容量。但遗憾的是802.11ac仅支持5GHz频段的终端，削弱了2.4GHz频段下的用户体验。 然而，随着视频会议、无线互动VR、移动教学等业务应用越来越丰富，Wi-Fi接入终端越来越多，IoT的发展更是带来了更多的移动终端接入无线网络，甚至以前接入终端较少的家庭Wi-Fi网络也将随着越来越多的智能家居设备的接入而变得拥挤。因此Wi-Fi网络仍需要不断提升速度，同时还需要考虑是否能接入更多的终端，适应不断扩大的客户端设备数量以及不同应用的用户体验需求。 新一代Wi-Fi需要解决更多终端的接入导致整个Wi-Fi网 络效率降低的问题，早在2014年IEEE802.11工作组就已经 开始着手应对这一挑战，在2019年正式推出的Wi-Fi6标准将引入上行MU-MIMO、OFDMA频分复用、1024-QAM高阶编码等技术，将从频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题。 3.什么是Wi-Fi6？ Wi-Fi6是下一代Wi-Fi6标准的简称。随着Wi-Fi标准的演进，WFA为了便于Wi-Fi用户和设备厂商轻松了解其设备连接或支持的Wi-Fi型号，选择使用数字序号来对Wi-Fi重新命名。另一方面，选择新一代命名方法也是为了更好地突出Wi-Fi技术的重大进步，它提供了大量新功能，包括增加的吞吐量和更快的速度、支持更多的并发连接等。根据WFA的公告，现在的Wi-Fi命名分别对应如下802.11技术标准： 发布年份 802.11标准 频段 新命名 2009 802.11n 2.4GHz或5GHz Wi-Fi4 2013 802.11acwave1 5GHz Wi-Fi5 2015 802.11acwave2 5GHz 2019 Wi-Fi6 2.4GHz或5GHz Wi-Fi6 表格3-1802.11标准与新命名 和以往每次发布新的802.11标准一样，Wi-Fi6也将兼容之前的802.11ac/n/g/a/b标准，老的终端一样可以无缝接入Wi-Fi6网络。 3.1Wi-Fi6核心技术 Wi-Fi6(Wi-Fi6)继承了Wi-Fi5(802.11ac)的所有先进MIMO特性，并新增了许多针对高密部署场景的新特性。以下是Wi-Fi6的核心新特性： OFDMA频分复用技术 DL/ULMU-MIMO技术 更高阶的调制技术(1024-QAM) 空分复用技术（SR）&BSSColoring着色机制 扩展覆盖范围(ER) 下面详细描述这些核心新特性。 3.1.1OFDMA频分复用技术 Wi-Fi6之前，数据传输采用的是OFDM模式，用户是通过不同时间片段区分出来的。每一个时间片段，一个用户完整占据所有的子载波，并且发送一个完整的数据包（如下图）。 图表3-1OFDM工作模式 Wi-Fi6中引入了一种更高效的数据传输模式，叫OFDMA （因为Wi-Fi6支持上下行多用户模式，因此也可称为MU-OFDMA），它通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。迄今为止，它已被许多无线技术采用，例如3GPPLTE。此外，Wi-Fi6标准也仿效LTE，将最小的子信道称为“资源单位(ResourceUnit，简称RU)”，每个RU当中至少包含26个子载波，用户是根据时频资源块RU区分出来的。我们首先将整个信道的资源分成一个个小的固定大小的时频资源块RU。在该模式下，用户的数据是承载在每一个RU上的，故从总的时频资源上来看，每一个时间片上，有可能有多个用户同时发送（如下图）。 图表3-2OFDMA工作模式 OFDMA相比OFDM一般有三点好处： 更细的信道资源分配。 特别是在部分节点信道状态不太好的情况下，可以根据信道质量分配发送功率，来更细腻化的分配信道时频资源。下图呈现出了不同子载波频域上的信道质量差异较大，Wi-Fi6可根据信道质量选择最优RU资源来进行数据传输。 图表3-3不同子载波频域上的信道质量 提供更好的QOS 因为802.11ac及之前的标准都是占据整个信道传输数据的，如果有一个QOS数据包需要发送，其一定要等之前的发送者释放完整个信道才行，所以会存在较长的时延。在OFDMA模式下，由于一个发送者只占据整个信道的部分资源，一次可以发送多个用户的数据，所以能够减少QOS节点接入的时延。 更多的用户并发及更高的用户带宽 OFDMA是通过将整个信道资源划分成多个子载波（也可称为子信道），子载波又按不同RU类型被分成若干组，每个用户可以占用一组或多组RU以满足不同带宽需求的业务。Wi-Fi6中最小RU尺寸为2MHz，最小子载波带宽是78.125KHz，因此最小RU类型为26子载波RU。以此类推，还有52子载波RU，106子载波RU，242子载波RU，484子载波RU和996子载波RU，下表显示了不同信道带宽下的最大RU数。 RUtype CBW20 CBW40 CBW80 CBW160andCBW80+80 26-subcarrierRU 9 18 37 74 52-subcarrierRU 4 8 16 32 106-subcarrier RU 2 4 8 16 242-su