規格升級很有感 Wi-Fi 6開拓工業新大陸

2023-07-24
在消費性市場趨於飽和的情況下,許多無線技術供應商紛紛將工業市場視為下一個成長機會所在,並調整技術發展重心。Wi-Fi 6就是一個典型案例。

Wi-Fi 6導入了三項重要的新技術,分別是OFDMA調變、定時喚醒(Target Wake Time, TWT)與基本服務集著色(BSS Coloring)。TWT是專為節能而設計的技術,另外兩個則是在提高頻譜使用效率、降低網路延遲上做出很大的貢獻。

定時喚醒機制
TWT機制最早出現在Wi-Fi HaLow標準中,後來被IEEE 802.11ah任務小組接受為IEEE標準的一部分,成為Wi-Fi 5的功能之一。而隨著802.11ah進一步發展為802.11ax,定時喚醒功能被修改為支援基於觸發的上行鏈路傳輸,擴展了TWT機制適用的範圍,也讓設備功耗能夠進一步最佳化。

在TWT中,終端設備和AP之間會協議建立一張由TWT時間週期組成的時間表。當終端和AP所協商的時間週期到達後,終端裝置才會醒來,並等待AP發送的觸發訊框,並進行一次資料交換。傳輸完成後,終端裝置便會返回睡眠狀態,以節省功耗。每一個終端和AP都會進行獨立的協商,因此每一個終端都具有單獨的TWT時間週期。AP也可以依照TWT時間週期對大量終端進行分組,一次和多個終端進行連接,從而提高AP設備的能源效率。

OFDMA調變
OFDMA技術已經被廣泛運用在4G跟5G上,對改善4G、5G的頻譜使用效率帶來很大的幫助。藉由OFDMA,一個頻道(Channel)可以進一步切割成多個子載波(Subcarrier),每一個子載波則可以對應一個終端裝置,因此一個頻道可以同時對多個終端裝置提供服務,每個終端裝置只接收自己對應的子載波所乘載的資料,其他用戶端的子載波則忽略。

在導入OFDMA調變之前,Wi-Fi的頻道使用是排他性的,在一台AP的訊號涵蓋範圍內,一個頻道一次只能為一個終端裝置提供服務。這就是以往的Wi-Fi網路在遇到眾多使用者時,會很容易出現網路塞車的根本原因。而且,這種輪詢機制也會大幅增加網路延遲,不利於某些需要高即時性的工業應用。

BSS著色機制
BSS著色機制則是從空間的角度下手,藉由在Wi-Fi封包中增加BSS著色碼,實現BSS的識別,以提高頻譜的使用率。

在我們使用Wi-Fi網路的經驗中,常常會遇到同一個位置能掃到多台Wi-Fi AP的情況,這對於Wi-Fi網路的運作來說,其實是不好的,因為多個AP若使用同一個頻段傳輸資料,同頻干擾的情況會非常嚴重。對用戶端裝置而言,如果要上傳資料到AP,但若附近有其他用戶端裝置也透過同一個頻道對其他AP上傳資料,也會遇到一樣的問題。

為避免同頻干擾的狀況發生,傳統的Wi-Fi設備在偵測到有其他連線占用頻道時,會延後進行資料傳輸動作,但這種作法會降低網路傳輸效能,增加網路延遲。因此,IEEE在802.11ax標準中,引入了BSS著色的機制,當一台AP附近有另一台AP存在時,兩台AP跟其提供服務的用戶端裝置,會有不同的BSS著色碼作為識別,如果兩條連線的著色碼不同,就可以同時進行傳輸,而非等待頻道釋放出來後再進行傳輸。BSS編碼最多可以識別63個BSS。

Wi-Fi結合TSN將是必然趨勢
在Wi-Fi陣營努力提升網路容量,滿足工業與物聯網等非典型IT應用的需求之際,由工業網路陣營主導的時間敏感網路(TSN)技術,也在積極與Wi-Fi生態系合作,將TSN的功能特色與Wi-Fi結合。但目前此一合作還處於早期階段,同時也存在很多技術挑戰,要具體落實成技術標準的時程還不好預估。

Moxa TSN全球推進計畫負責人林俊余指出,Wi-Fi與TSN結合是很自然的發展方向,而且在實際應用上能創造很大的價值。Wi-Fi與TSN都是IEEE 802系列下的技術標準,只是由不同任務小組主導,而不同任務小組之間的交流,一直都是存在的。

在智慧製造與無人工廠的趨勢下,生產線上的移動設備越來越多,光靠有線網路技術難以滿足這些移動設備的連網需求(圖2)。但工業應用不只要低延遲、高密度連接,同時也需要可靠的QoS機制,這就是Wi-Fi跟TSN有合作空間的根本原因。

圖2 自動搬運車等移動設備大量出現在工業產線上,導致工業應用對無線連接技術的需求明顯成長 圖片來源:盟立自動化

事實上,目前在工業界已經有採用TSN技術作為回傳線路的Wi-Fi AP產品,顯示工業客戶對兩種技術結合的需求是真實存在的,只是這種融合方式還無法在無線端提供跟有線端一樣的QoS保障。

余俊陸總結說,TSN跟Wi-Fi的深度融合是必然趨勢,相關工作也已經展開,只是還需要時間醞釀成熟。

 

規格升級很有感 Wi-Fi 6開拓工業新大陸(1)

規格升級很有感 Wi-Fi 6開拓工業新大陸(2)

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