Smarta fabriker är tuffa miljöer för teknologier inom trådlös kommunikation. I samma takt som Wi-Fi-standarden har ökat prestanda till nya höjder har teknologin hittat sin väg till allt mer sofistikerade och krävande användningsområden. Samtidigt har den fortsatt att driva på kraven på ytterligare förbättringar hos standarden för att uppfylla framväxande behov av trådlös kommunikation, inklusive sådana som är gemensamma med industriella användningar.
Hög tillgänglighet är en ytterst viktig egenskap i fabriksinstallationer, där stillastående direkt översätts till förlorade vinster. I hårt belastade RF-miljöer ingår här tålighet mot interferenser från andra enheter. Vidare finns hög genomströmning, som möjliggör kortare sändningstider och som snabbt friställer bandbredd efter varje kommunikation. Att garantera skalbarhet – möjligheten att ansluta ytterligare klienter till nätverket utan att behöva lägga till hotspots – är viktigt eftersom Wi-Fi ger nätverkskonnektivitet ett ständigt växande antal användare.
Korta svarstider är mycket viktiga i industriella automationssystem som exempelvis används för att styra processer i komplexa produktionslinjer. I takt med att allt fler rörliga enheter, från robotar till smarta verktyg, ansluts till nätet, får sömlös roaming allt större betydelse för att undvika långvariga försök till återuppkoppling när enheter närmar sig området kring en ny accesspunkt. Och för att förenkla användandet och hålla kostnaderna nere är enkel kommissionering och enkelt underhåll mycket viktiga punkter.
Fördelar med Wi-Fi 6
Wi-Fi 4 gav oss ”hög genomströmning”, och Wi-Fi 5 gav oss ”mycket hög genomströmning”. För Wi-Fi 6, som först släpptes under 2018, har det mest handlat om ”hög verkningsgrad”. Steget från 6,8 Gbit/s till 9,6 Gbit/s är kanske mindre spektakulärt än de ökningar med storleksordningar som tidigare versioner erbjudit. Men var Wi-Fi 6 verkligen utmärker sig är i det mycket effektivare utnyttjandet av den tillgängliga bandbredden, som möjliggör fler klienter per accesspunkt utan att nätverkets prestanda försämras.
Nyckeln till den effektiva hanteringen av fler klienter är en serie av teknologiska innovationer:
MU-OFDMA (multi-user orthogonal frequency division multiple access) är en metod som används för att dela upp tillgänglig bandbredd till resursenheter som har olika storlekar. Detta ger accesspunkterna flexibiliteten att samtidigt betjäna många klienter med exakt de resurser som de kräver. Metoden ökar antalet klienter som ett fast antal AP:er kan hantera med en faktor fyra.
MU-MIMO (multi-user multiple input multiple output) låter accesspunkter styra unika dataströmmar till flera klienter samtidigt, både i upplänken och i nedlänken.
1024 QAM (1024 quadrature amplitude modulation) ger möjligheter att koda in mer information i varje symbol. Wi-Fi 6 kan packa in 10 bitar i en symbol. Det är 25 % högre kapacitet än hos Wi-Fi 5, som använde 256 QAM.
BBS-färgning hjälper till att garantera att kanaler med olika ”färger” inte interfererar.
TWT (target wake time) låter slutligen enheterna spara batterierna och öka effektautonomin.
Samma teknologier som möjliggör ökade klienttätheter ökar också genomströmningen: Istället för att dela upp bandbredden för att betjäna flera enheter kan MIMO packa ihop bandbredd och göra flera strömmar tillgängliga för en enda klient.
Genom att möjliggöra samtidig överföring av data till och från flera klienter hjälper MU-OFDMA till att minska trafikstockningar – som är ett vanligt problem i hårt belastade nätverk – för att garantera att data levereras med minimal latens.
Och tack vare den nya TWT-funktionen kan accesspunkter instruera enheter att gå in i ett lågeffektsläge med i förväg schemalagda uppvakningstider. De mycket långa sömntider som kan uppnås kan avsevärt förbättra batterilivslängden, speciellt för trådlösa sensorer som bara sporadiskt sänder data.
Knacka på hos 6 GHz-spektrumet med Wi-Fi 6E
För att komma förbi den viktigaste resursbegränsningen – tillgängligt spektrum – har myndigheter som US FCC öppnat 6 GHz-bandet för icke licenserad Wi-Fi-kommunikation, vilket i vissa fall mer än fördubblat den mängd spektrum som tidigare fanns tillgänglig på 2,4 och 5 GHz-banden tillsammans. Accesspunkter och användarenheter som klarar att utnyttja den tillkommande, 1200 MHz stora mängden nytt spektrum kommer att märkas med Wi-Fi 6E.
Bland fördelarna med 6 GHz-bandet finns närheten till det redan brett använda 5 GHz-bandet, liksom en stor mängd icke överlappande kanaler med en mängd kanalstorlekar. Och eftersom det nya spektrumet fortfarande är rätt lite använt slipper man att strida med etablerade klienter som skapar överbelastningar.
Wi-Fi 6 i dagens smarta fabriker
Industriella sensornätverk: Trådlöst anslutna sensorer har fått en mycket bred industriell användning, t.ex. för att övervaka vibrationer och temperaturer vid förebyggande underhåll. Idag är de typiskt beroende av effektoptimerade kommunikationsprotokoll som Bluetooth lågenergi eller IEEE801.15.4.
Wi-Fi 6 lågenergiprestanda möjliggörs av att enheter kan gå i sömnläge under långa perioder tack vare den nya TWT-funktionen (target wake time). Genom att minska effektbehovet hos Wi-Fi-baserade sensorer ökar man deras självständighet och förenklar underhållet. Att stänga av enheternas sändare minskar dessutom trängseln i spektrumet.
Rörelsestyrning: De förbättringar av latens och tjänstkvalitet som OFDMA ger gör Wi-Fi 6 till en lovande trådlös kommunikationsteknologi för styrapplikationer. Konfigurationen av enheter kommer samtidigt att kunna dra nytta av de låga effektkraven och den allmänna utbredningen hos Bluetooth.
Människa-maskin-gränssnitt (HMI): Wi-Fi 6-accesspunkter ger möjlighet att hantera högre tätheter av enheter och samtidigt bibehålla god genomströmning till varje enhet. Detta, i kombination med låg latens, gör Wi-Fi 6 till en lovande teknologi som klarar att skapa enkla datorplatta-baserade HMI att använda för att läsa ut data från uppkopplade maskiner hela vägen till mer avancerade HMI med förstärkt verklighet.
Förstärkt verklighet (AR): Den naturliga utvecklingen av HMI:er som använder statiska eller handhållna grafiska användargränssnitt är förstärkt verklighet (augmented reality). Oavsett om den åstadkoms med datorplattor eller smarta glasögon kan AR överlagra realtidsinformation, dokumentation eller ritningar på en datorplattas kamerabild, eller med hjälp av smarta glasögon rätt in i användarens synfält. Med hjälp av AR kan ingenjörerna schematiskt åskådliggöra hur deras industriella maskiner arbetar och utvärdera problem utan att behöva avbryta produktionsprocesserna.
Mesh-nätverk: Mesh-teknologi har många användningsområden i industriella sammanhang, alltifrån central styrning av smarta ljus i hela anläggningar till insamling av data från utspridda sensorer för bearbetning i molnet. Bluetooth fortsätter visserligen att vara den mest använda trådlösa teknologin för att reläsända data från nod till nod hela vägen till en gateway. Men Wi-Fi passar bättre för det sista transmissionssteget från en gateway till företagets moln. Det återstår att se om Wi-Fi 6 låga effektförbrukning lyckas bana väg för en bredare användning av mesh-lösningar inom den industriella rymden.
Pelle Svensson, Market Development Manager, Product Center Short Range Radio, u-blox
