Wi - Fi 技术如何实现工业物联网的数字化转型

如何使用WI-FI技术启用数字跨转型 工业物联网？ AndrewZignani，高级研究总监 CONTENTS 工业使用案例 Wi-Fi技术6 市场机会 工业Wi-Fi14 的关键要求 商业和工业Wi-Fi15 英飞凌的Wi-Fi技术如何实现 IIoT将发挥其真正的潜力？16 INTRODUCTION 工业企业正面临着越来越多的经济，政治，供应链，监管，劳工和技术相关的挑战。近年来，各种大规模的逆风，包括持续的贸易争端，世界各地的定期封锁，以及乌克兰的持续冲突。与此同时，通货膨胀以及不断上涨的能源和运输成本增加了额外的利润率紧张，影响需求，而更广泛的供应链问题影响了生产所需产品和组件的可用性， 以及将成品提供给客户。此外，新规定 要求工业环境更安全地运行，有更严格的合规程序，并更可持续地运作，而吸引和留住新人员的困难使提高员工效率比以往任何时候都更加重要和流程，同时创造安全和令人满意的工作环境。 这些因素都是领先的工业企业在数字化方面进行更多投资，以期增强供应链和资产的可见性，提高和自动化的合规性，优化劳动力资源并提高自动化程度。通过增强的质量保证(QA)和避免错误来提高产量，通过数字孪生、混合现实和机器进行更广泛的流程优化学习(ML)。这使得企业能够更好地了解其整个运营，并提高新的效率，而企业在数字化方面走得更远转型过程将更容易应对当今和未来几年可能出现的挑战。 这种数字化转型的基础是一套多样化的无线物联网设备，能够提供对工业运营的实时洞察。这包括无线基础设施，物联网(IoT)网关、控制面板和各种无线终端节点每个设备都有自己独特的要求。这些终端节点包括无线传感器 ，资产跟踪标签、可穿戴设备、机器人、自动导引车(AGV)和无人机、监控摄像头、连接工具、人机接口(HMI)和扫描仪设备、电动汽车(EV)充电器和销售点(POS)终端等。这些物联网设备的异构性质意味着每个设备都有不同的，有时是相互矛盾的一组性能要求。一些设备将需要高速每秒千兆位(Gbps)吞吐量在非常低的延迟，而其他设备将传输几千位每秒(Kbps)的数据只是一天几次。 电池运行，需要数月至数年的电池寿命。某些设备将非常接近 连接到网关或接入点(AP)，而其他设备可能在长达1公里(km)或更大的延伸距离内运行。一些设备可能部署在恶劣的工业环境中，而其他设备可能在室外运行。一些设备可能是固定的，而另一些设备可能是高度移动的 。一些设备可能部署得稀疏地，而另一些设备可能部署在密集、拥塞的情况下附近有数千个其他端节点的环境。 也许不足为奇的是，单一的无线连接技术无法有效地满足每个设备的所有要求。多种技术，包括Wi-Fi、Bluetooth®、802.15.4和超宽带(UWB)等，都将拥有自己的uniqueroletoplaywithinthetransformationofthesecommercialandindustrialenvironments.Furthermore,evenwithinasinglewirelesstechnology,thedifferentrequiresaresuchthateachusecasewilllikelyrequireconnectivitysolutionsthatcasethatcanaddresss 每种产品类型将面临的独特部署问题。例如，可以提供扩展范围、超低功耗、在更大温度范围内执行的能力、更高的鲁棒性、更高的吞吐量模式、独特的拓扑或这些的结合，对于确保工业物联网(IIoT)市场能够触及至关重要他们在未来十年的真正潜力。 最大限度地实现工业数字化转型还取决于短距离无线连接技术的持续创新和发展。未来的用例将需要在几乎所有指标上进行额外改进，包括吞吐量、延迟、鲁棒性、可靠性、功耗、范围、安全性、可扩展性、效率、尺寸、成本、 互操作性、灵活性和部署密度。它还需要能够 通过组合和多协议片上系统(SoC)和模块利用每种技术的独特优势。作为性能频谱两端的要求变得更加严格，这可能需要在标准开发过程中进行额外的工作，以确保可以满足所有不同的需求。结合起来，这些增强功能将使短距离无线技术能够在现有用例中实现更好的性能，开拓新的市场机会，并导致跨多个商业和工业垂直领域开发新的运营效率和用户体验。一种技术是持续创新以解决工业痛点是Bluetooth®。 本文旨在强调工业应用中Wi-Fi技术的增长机会。首先，它将讨论Wi-Fi的持续发展如何使技术成为可能以更好地瞄准这个市场。其次，它将强调Wi-Fi技术是如何被利用的在一系列环境中，包括工业制造，商业建筑，智能能源、智能零售、实时定位系统(RTLS)和资产跟踪以及其他IIoT 第三，它将为这些细分市场中的Wi-Fi技术提供高水平的预测。 最后，它将讨论企业连接的关键要求，并强调英飞凌等领先连接解决方案提供商的灵活无线产品组合如何能够满足工业环境的特定严格要求，以及为什么这些解决方案将对于确保市场在未来十年发挥其真正潜力至关重要 。 工业应用Wi-Fi技术的演进 Wi-Fi技术基于IEEE802.11标准，提供高吞吐量、低延迟、以及适用于各种应用的中短程连接。与提供数百 Kbps到数十之间的数据速率的替代短程无线技术形成对比对于Mbps，Wi-Fi的吞吐量更高数量级，根据特定的IEEE802.11标准和操作频段，提供数百Mbps到多Gbps之间的吞吐量。Wi-Fi设备还可以受益于连接到商业和工业环境中庞大的Wi-FiAP和网关安装基础的能力，从而实现直接云连接。这不仅简化了安装，而且降低了整体成本，设计。复杂性，以及与替代技术相比的上市时间。Wi-Fi技术是 向后兼容，包括多种技术的组合操作 2.4千兆赫（GHz），5GHz和新可用的6GHz频段。 除了特定于供应商的创新外，IEEE802.11工作组还继续开发Wi-Fi标准。Wi-Fi协议，例如802.11n（Wi-Fi4），802.11ac（Wi-Fi5），802.11ax（Wi-Fi6），802.11be（Wi-Fi7）和802.11bn（Wi-Fi8），每种协议都有自己的特定功能和性能指标。其中许多都带来了重要的增强功能，以便能够更好地支持IIoT应用程序。 Wi-Fi6 Wi-Fi5（802.11ac）之前的大多数IEEE802.11增强功能主要集中在提高技术的吞吐量上。但是，在2021年完成802.11ax（Wi-Fi6）后，更加强调提高整体系统性能和个人用户吞吐量。关键诸如正交频分多址（OFDMA），基本服务集（BSS）着色，目标唤醒时间（TWT）和波束成形之类的增强都被实施以提高该技术的整体效率，在密集部署方案中，每个用户的吞吐量增加高达4倍，Wi-Fi客户端的功耗减少高达67%，范围增加高达4倍，并降低延迟和更高的可靠性。Wi-Fi6还支持高达9.6Gbps的最大理论吞吐量。 Wi-Fi6E 在全球不同地区，用于未经许可使用的6GHz频谱的可用性不断增长，使得可以通过Wi-Fi6E将Wi-Fi6扩展到6GHz频段。在某些地区，如美国，加拿大，巴西和韩国，这意味着额外的1.2GHz频谱，而欧洲大部分地区已经分配了500兆赫（MHz）的6GHz频谱。由于干净的频谱，Wi-Fi6E可以利用更宽的160MHz信道的更大可用性。并避免使用较慢的传统设备拥塞，从而带来许多好处，例如比以往任何时候都更高的吞吐量，更高的容量， 更高的可靠性，更低的延迟和更好的服务质量（QoS）。这些好处还可以扩展到较低端的解决方案，例如支持更窄的20MHz信道的1x1IoT中心Wi-Fi6E设计。额外的电源效率和更高的可靠性是电池供电的工业传感器设备的理想选择。这些增强功能有助于解决Wi-Fi在多个高端和低端应用中在工业环境中历史上面临的一些关键挑战 Wi-Fi7 将Wi-Fi6扩展到6GHz频段将带来许多好处，因此为了充分利用6GHz频谱，IEEE802.11be（也称为Wi -Fi7）的开发始于2019年目标是带来额外的功能，以更好地利用所有三个频段来提供进一步改善吞吐量和延迟。Wi-Fi7被称为极高吞吐量(EHT)，旨在支持更高的吞吐量，同时提供可能低于5毫秒(ms)的延迟。该标准将于2024年完成，但许多Wi-Fi7芯片组和设备已经进入市场。 320MHz信道带宽、4K正交幅度调制(QAM)、多链路操作(MLO)、多资源单元和受限目标唤醒时间(R-TWT)等关键功能将实现这一目标，主流2x2客户端设备能够实现高达5.8Gbps的设备最大峰值吞吐量。这表示与通过Wi-Fi6/Wi-Fi6E实现的2.4Gbps相比增加了2.4倍。即使使用能够支持高达2.9Gbps的单流设备，这也可以在更基本的Wi-Fi客户端上实现多千兆位吞吐量，同时与Wi-Fi6相比，可以实现延迟的大幅减少。就整体而言。 容量，Wi-Fi6可以提供9.6Gbps的最大聚合吞吐量，但Wi-Fi7有可能根据特定功能集将其扩展到40Gbps以上。这将使Wi-Fi网络的容量显着增加。这些吞吐量、容量和延迟增强功能对于使Wi-Fi更好地满足包括IIoT在内的许多企业应用程序不断增长的需求至关重要。 Wi-Fi8 更进一步,IEEE802.11已经开始研究下一代Wi-Fi,IEEE802.11bn,也称为Wi-Fi8。2022年7月,成立了超高可靠性(UHR)研究小组,开始着手定义Wi-Fi8。新标准将解决将在本世纪末及以后出现的一些对无线技术要求更高和更严格的应用。这将有助于在企业中创造新的市场机会，从而导致基于更关键任务应用的有价值的新Wi -Fi部署的潜在创造。该技术还将 能够更好地与5G和6G竞争和互补，它们目前被认为是在某些企业应用程序中更可靠。 重点将是更高的吞吐量，在密集和高度移动的Wi-Fi部署中改善最坏情况下的延迟和抖动，更高的效率和更好的性能拥塞的环境和功耗的改进。这将进一步支持诸如工业机器控制、仓库和制造环境中的协作和移动机器人、远程远程外科手术、农业机械控制、高公共场所的密集Wi-Fi，以及改进的增强现实(AR)/虚拟现实(VR)这些用例将需要高吞吐量、低延迟、稳定快速的切换和超高的可靠性。 Wi-Fi在工业应用中的主要优势 由于IEEE802.11的持续发展，Wi-Fi可以解决一系列多样化的客户端设备需求，并且在越来越多的物联网用 例中越来越多地采用。这包括实时定位系统，商业楼宇自动化，机器人，智能零售相机、可穿戴设备、AR/VR耳机和POS终端。除了客户端设备，Wi-Fi能够通过支持Wi-Fi的网关和无线提供云连接局域网（WLAN）基础设施，以帮助服务这些不同类型的终端设备。 如表1所示，将Wi-Fi技术用于商业和IIoT应用提供了许多好处 表1：Wi-Fi在商业和IIoT应用中的优势 （来源：ABIResearch） BENEFIT 描述 流线型云连接 Wi-Fi物联网设备可以利用商业和工业中巨大的Wi-FiAP安装基础环境，无需中间网关、桥接设备或加密狗即可实现直接云连接。与替代技术相比，这不仅简化了安装，而且降低了总体成本、设计复杂性和上市时间。 始终在线连通性 Wi-Fi可以提供始终在线的连接，这对于需要远程控制或监控可用性的一系列物联网应用至关重要。这可能包括视频相关应用，以及传感器和控制设备，如恒温器，它们不能简单地关闭以节省电力。 强范围 与替代短程无线技术相比，Wi-Fi可以在相当远的距离上提供连接。这可以帮助在整个建筑物中更灵活地部署物联网设备，而无需中间网关的网状或密集部署。 宽芯片组和模块可用性 产品供应商可以利用供应商提供的以物联网为中心的Wi-Fi芯片组和模块，例如英飞凌。规模经济带来了针对特定IIoT应用的低成本解决方案和各种参考设计的可用性，以及在尺寸、功耗等其他性能指标方面的持续创新消费和射频(RF)设计。 高吞吐量 与其他物联网技术相比，Wi-Fi的吞吐量相对较高，在支持更广泛的应用方面具有相当大的灵活性。这意味着Wi-Fi可以支持吞吐量要求较低的基