IEEE 802.11ax協(xié)議在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景中應(yīng)用的研究

王圣易

1.上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 上海 200070 2.同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 上海 200092

我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃提出加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等的建設(shè),工業(yè)和信息化部于2021年印發(fā)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023年)》,提出五大促進(jìn)發(fā)展目標(biāo),特別強(qiáng)調(diào)5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用價(jià)值,加快推進(jìn)智能制造,促進(jìn)我國整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的升級。

在此背景下,筆者研究IEEE 802.11ax協(xié)議相對于上一代協(xié)議的技術(shù)更新點(diǎn),以及與5G網(wǎng)絡(luò)的異同,并結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部分場景的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 IEEE 802.11ax協(xié)議

高效率無線標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ax協(xié)議在2019年年底發(fā)布,這一協(xié)議族與國際電信聯(lián)盟、第三代合作計(jì)劃等定義的蜂窩移動(dòng)通信協(xié)議族不同。電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)最早在無線協(xié)議部分側(cè)重于無線局域網(wǎng),但是隨著終端射頻及基帶能力的整體提升,加之整個(gè)終端市場對無線網(wǎng)絡(luò)需求的多元化,電氣與電子工程師協(xié)會(huì)組織定義的無線標(biāo)準(zhǔn)近幾年也迎來了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

IEEE 802.11ax協(xié)議在上一代IEEE 802.11ac協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn),其中最主要的三項(xiàng)改進(jìn)為上行鏈路多入多出、正交頻分多址、1024正交振幅調(diào)制。

1.1 上行鏈路多入多出

雖然IEEE 802.11ac協(xié)議能夠支持頻分多址中關(guān)于子載波的設(shè)定,并且支持多用戶多入多出,但是實(shí)際情況是,這一協(xié)議僅僅支持下行鏈路模式。在IEEE 802.11ax協(xié)議中,上行鏈路也能支持多入多出,這就使上行鏈路節(jié)點(diǎn)能做到同時(shí)傳輸。不僅如此,使用IEEE 802.11ac協(xié)議的用戶還能同時(shí)使用不同的調(diào)制與編碼策略,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的靈活性大幅提高,各個(gè)終端用戶可以通過當(dāng)前最適合自身傳輸?shù)臓顟B(tài)進(jìn)行通信。

上行鏈路多入多出如圖1所示,每個(gè)用戶可以在上行鏈路上使用多入多出技術(shù)與無線訪問接入點(diǎn)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)多終端用戶同時(shí)在上行鏈路上進(jìn)行通信。

圖1 上行鏈路多入多出

1.2 正交頻分多址

在長期演進(jìn)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建成使用后,正交頻分多址技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。IEEE 802.11ax協(xié)議參考了長期演進(jìn)技術(shù),設(shè)計(jì)出能在同一個(gè)頻帶寬度上使多用戶通過不同子載波同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的模式。

在IEEE 802.11ac協(xié)議中,按照正交頻分復(fù)用方式,每一幀由52個(gè)子載波組成,這些子載波在同一時(shí)刻只能對一個(gè)終端服務(wù)[1]。如果該終端沒有用滿這52個(gè)子載波的所有資源,那么空白部分就浪費(fèi)了。如果把這52個(gè)子載波比喻成一列火車的52節(jié)車廂,那么所有車廂只能被同一個(gè)用戶使用,即使該用戶只用了其中一節(jié)車廂,該列火車也只能發(fā)車,其余空車廂的資源就被浪費(fèi)了。

在IEEE 802.11ax協(xié)議中,按照正交頻分多址方式,將每一幀細(xì)分為234個(gè)子載波,并將每26個(gè)子載波定義為一個(gè)資源單元。這樣服務(wù)于單個(gè)終端的最小資源變?yōu)橐粋€(gè)資源單元,剩余部分可以靈活多變地分配給其余用戶,每一幀的資源盡可能被充分利用,避免一列火車還未滿客就必須發(fā)車的情況。

正交頻分復(fù)用和正交頻分多址對比如圖2所示。即使有了52個(gè)子載波的劃分,在正交頻分復(fù)用方式下,每個(gè)用戶也只能在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)獨(dú)占整個(gè)f軸資源。而在正交頻分多址方式下,f軸的子載波資源可以在同一時(shí)間間隔內(nèi)被不同用戶使用,載波利用率提高,使每個(gè)用戶的資源分配變得更靈活、更高效[2]。

圖2 正交頻分復(fù)用和正交頻分多址對比

1.3 1024正交振幅調(diào)制

相比于256正交振幅調(diào)制,1024正交振幅調(diào)制有著更高的調(diào)制圖譜[3],單個(gè)符號所帶字節(jié)從8位增大為10位,更多的比特位相當(dāng)于更多的數(shù)據(jù)量,數(shù)據(jù)凈荷也就越高,傳輸更有效率,吞吐量最高能提升25%左右。

以上三項(xiàng)主要技術(shù)的應(yīng)用,使支持IEEE 802.11ax協(xié)議的設(shè)備的傳輸速率提升到一個(gè)新的水平,最終吞吐量可以達(dá)到或接近9.6 Gbit/s。從某種意義上說,支持IEEE 802.11ac協(xié)議的設(shè)備,無線傳輸速率已遠(yuǎn)超普通有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)口吞吐量上限。IEEE 802.11ac協(xié)議與IEEE 802.11ax協(xié)議的主要區(qū)別見表1[4]。

表1 IEEE 802.11ac協(xié)議與IEEE 802.11ax協(xié)議區(qū)別

2 與5G網(wǎng)絡(luò)對比

5G網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)主要包括新空口改進(jìn)、大規(guī)模天線、核心網(wǎng)架構(gòu)分離、網(wǎng)絡(luò)切片[5],這些技術(shù)將5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率在理想情況下提高到了吉比特級別,如果再加入后期的載波聚合、毫米波等技術(shù),傳輸速率還能進(jìn)一步提升。

從使用角度來看,5G網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)營商組網(wǎng)、建網(wǎng)和維護(hù),因此使用5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)省去用戶組網(wǎng)的麻煩,只要購買終端設(shè)備即可付費(fèi)接入。當(dāng)然,無論是企業(yè)還是個(gè)人,只要接入5G公網(wǎng),就會(huì)面臨既需要購買設(shè)備,又需要付流量費(fèi)的局面,并且用戶實(shí)際獲得的吞吐量或傳輸速率取決于使用時(shí)間段內(nèi)局部區(qū)域的空口資源及用戶自身等級等。如果局部地區(qū)沒有其它終端使用網(wǎng)絡(luò),或者網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)擔(dān)較輕,那么用戶就會(huì)獲得良好的使用體驗(yàn);相反,如果對應(yīng)時(shí)間段內(nèi)存在多用戶大吞吐量接入請求,那么每個(gè)獨(dú)立用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)很可能會(huì)下降。另一方面,如果企業(yè)與運(yùn)營商愿意就某些特定項(xiàng)目進(jìn)行合作,那么計(jì)費(fèi)模式可能會(huì)隨之改變。

由以上分析可見,5G網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更適合遠(yuǎn)距離、多移動(dòng)、中小吞吐量、數(shù)據(jù)保密要求相對較低的領(lǐng)域,比如物流公司各節(jié)點(diǎn)信息實(shí)時(shí)錄入、車載設(shè)備數(shù)據(jù)交互、近海運(yùn)輸船實(shí)時(shí)匯報(bào)、遠(yuǎn)距離人工智能圖像傳輸?shù)取?G網(wǎng)絡(luò)與IEEE 802.11ax協(xié)議對比見表2。

表2 5G網(wǎng)絡(luò)與IEEE 802.11ax協(xié)議對比

相比運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò),基于IEEE 802.11ax協(xié)議的組網(wǎng)方式需要用戶自行建網(wǎng)、自行維護(hù)。在這一模式下,用戶需要購買支持IEEE 802.11ax協(xié)議的終端設(shè)備,并完成組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部屬于私有局域網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)資源獨(dú)享,使用網(wǎng)絡(luò)不存在流量費(fèi)。對于網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能,企業(yè)可以做到完全把控。IEEE 802.11ax協(xié)議適用于大流量場景、大量上行流量需求場景、低時(shí)延傳輸要求場景、低功耗低成本M2M(machine to machine)場景[6]。

3 部分應(yīng)用場景

3.1 塊狀區(qū)域

塊狀區(qū)域類似于居民小區(qū)、工廠廠區(qū)、智慧校園[7]等場所。塊狀區(qū)域內(nèi)既有一定縱向深度,又有一定橫向空間。例如在某些老舊居民區(qū),由于建設(shè)年代久遠(yuǎn),建設(shè)初期并沒有對網(wǎng)絡(luò)工程做全局規(guī)劃,大部分區(qū)域要增加網(wǎng)絡(luò)資源,只有破土埋線這一種模式。另一種情況是在廠區(qū)現(xiàn)代化改造工程中,廠方希望整個(gè)廠區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)更多的無線接入設(shè)備,如智慧工廠中使用的各式各樣機(jī)器人,這些機(jī)器人有些能自行移動(dòng),大范圍移動(dòng)過程中不適合用有線方式連接,基本上只能使用無線模式。

針對以上情況,增加互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或者進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)改造會(huì)出現(xiàn)建設(shè)成本高、項(xiàng)目復(fù)雜、施工周期長等特點(diǎn)。特別是后期如果要增加類似于高清攝像頭這種需要大吞吐量的設(shè)備,每個(gè)點(diǎn)都選用5G網(wǎng)絡(luò)接入,明顯不合理也不經(jīng)濟(jì)。典型案例是南京市某區(qū)在2020年2月至5月的在線直播課程中,僅一天一個(gè)上午的直播流量就達(dá)到150 TByte[8],這種模式下使用5G網(wǎng)絡(luò)接入是不現(xiàn)實(shí)的。

鑒于以上情況,在考慮網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案時(shí)可以選用支持IEEE 802.11ax協(xié)議的設(shè)備與5G網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng),這樣能夠發(fā)揮兩種網(wǎng)絡(luò)各自的不同優(yōu)勢。使用支持IEEE 802.11ax協(xié)議的設(shè)備形成局域網(wǎng),依賴終端的大吞吐量無線訪問接入點(diǎn)設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。通過控制中心進(jìn)行分類,將需要外傳的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)外發(fā),不需要外發(fā)的數(shù)據(jù)在本地服務(wù)器內(nèi)處理。在這種情況下,只有外發(fā)的數(shù)據(jù)可能會(huì)用到5G公網(wǎng),這樣可以節(jié)省不少網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用,降低對外網(wǎng)的依賴度,提高自有數(shù)據(jù)的私密性。塊狀區(qū)域組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 塊狀區(qū)域組網(wǎng)

3.2 線性場景

在實(shí)際應(yīng)用場景中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)整個(gè)組網(wǎng)區(qū)域只有深度而沒有寬度的情形。例如某地鐵站廳需要在多層扶梯的上下兩側(cè)都加裝攝像頭,而在已經(jīng)建成的站廳內(nèi)完全重新布線可能會(huì)面臨較高的建設(shè)費(fèi)用及較長的工期,如果使用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)接入,那么會(huì)在局部區(qū)域形成多個(gè)傳輸設(shè)備同時(shí)要求大吞吐量持續(xù)性的公網(wǎng)傳輸,這樣會(huì)受限于運(yùn)營商的上行空口資源及傳輸端資源,實(shí)際使用效果未必理想。結(jié)合支持IEEE 802.11ax協(xié)議的設(shè)備和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),將使組網(wǎng)靈活多變,縮短項(xiàng)目實(shí)施周期。

線性場景組網(wǎng)如圖4所示。各節(jié)點(diǎn)的圖像信息能夠通過頻分復(fù)用方式進(jìn)行跳躍,將遠(yuǎn)端信號通過層層中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行橋接,并且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上匯聚該節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),最終傳送至控制中心。在這種私密傳輸模式下,局域網(wǎng)內(nèi)的流量完全私密,并且沒有任何額外網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也能處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 線性場景組網(wǎng)

3.3 野外及應(yīng)急救援場景

荒野地區(qū)、邊遠(yuǎn)山區(qū),以及某些需要緊急救援的場合不容易找到網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)[9]。運(yùn)營商由于考慮建設(shè)成本高、投資回報(bào)率低或其它原因,而沒有進(jìn)行完全覆蓋。地震、海嘯、洪澇等自然災(zāi)害也可能導(dǎo)致運(yùn)營商建設(shè)的基站或傳輸網(wǎng)絡(luò)遭到破壞。針對這種情況,采用IEEE 802.11ax協(xié)議自建網(wǎng)絡(luò)不僅適合,而且也可以說是為數(shù)不多的選擇。

一些支持IEEE 802.11ax協(xié)議的設(shè)備還推出了低功耗帶電池版本,結(jié)合無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后,變?yōu)橐慌_(tái)隨到隨用、通電即可組網(wǎng)的救援設(shè)備。在公網(wǎng)沒有覆蓋或暫時(shí)不能覆蓋的場合,這是非常好的選擇。應(yīng)急救援場景應(yīng)用如圖5所示。

圖5 應(yīng)急救援場景應(yīng)用

4 結(jié)束語

我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)從2019年開始大規(guī)模鋪開,6G網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)討論及制定工作也已經(jīng)展開。另一方面,IEEE 802.11ax協(xié)議的下一代IEEE 802.11be協(xié)議也在討論和迭代中[10]。通信科技的飛速發(fā)展必將對現(xiàn)有行業(yè)產(chǎn)生革命性影響。IEEE 802.11ax協(xié)議與5G網(wǎng)絡(luò)互有優(yōu)劣,兩種模式的協(xié)作能使各自發(fā)揮出優(yōu)勢,彌補(bǔ)對方的不足。這種協(xié)作能解決許多當(dāng)前產(chǎn)業(yè)升級的難點(diǎn)、痛點(diǎn),也能使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義變得更為寬泛,提供更多可能性,使我國的工業(yè)技術(shù)提升到新的水平。