IEEE 802.11ax協議在工業互聯網場景中應用的研究

王圣易

1.上海電氣集團股份有限公司中央研究院 上海 200070 2.同濟大學 經濟與管理學院 上海 200092

我國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃提出加快工業互聯網、大數據等的建設,工業和信息化部于2021年印發《工業互聯網創新發展行動計劃(2021—2023年)》,提出五大促進發展目標,特別強調5G、人工智能、大數據等創新技術在工業互聯網中的應用價值,加快推進智能制造,促進我國整個產業鏈的升級。

在此背景下,筆者研究IEEE 802.11ax協議相對于上一代協議的技術更新點,以及與5G網絡的異同,并結合工業互聯網部分場景的應用進行探討。

1 IEEE 802.11ax協議

高效率無線標準IEEE 802.11ax協議在2019年年底發布,這一協議族與國際電信聯盟、第三代合作計劃等定義的蜂窩移動通信協議族不同。電氣與電子工程師協會(IEEE)最早在無線協議部分側重于無線局域網,但是隨著終端射頻及基帶能力的整體提升,加之整個終端市場對無線網絡需求的多元化,電氣與電子工程師協會組織定義的無線標準近幾年也迎來了突飛猛進的發展。

IEEE 802.11ax協議在上一代IEEE 802.11ac協議的基礎上進行了多項改進,其中最主要的三項改進為上行鏈路多入多出、正交頻分多址、1024正交振幅調制。

1.1 上行鏈路多入多出

雖然IEEE 802.11ac協議能夠支持頻分多址中關于子載波的設定,并且支持多用戶多入多出,但是實際情況是,這一協議僅僅支持下行鏈路模式。在IEEE 802.11ax協議中,上行鏈路也能支持多入多出,這就使上行鏈路節點能做到同時傳輸。不僅如此,使用IEEE 802.11ac協議的用戶還能同時使用不同的調制與編碼策略,使整個網絡的靈活性大幅提高,各個終端用戶可以通過當前最適合自身傳輸的狀態進行通信。

上行鏈路多入多出如圖1所示,每個用戶可以在上行鏈路上使用多入多出技術與無線訪問接入點進行通信,實現多終端用戶同時在上行鏈路上進行通信。

圖1 上行鏈路多入多出

1.2 正交頻分多址

在長期演進技術網絡大規模建成使用后,正交頻分多址技術在移動通信領域中也得到了廣泛應用。IEEE 802.11ax協議參考了長期演進技術,設計出能在同一個頻帶寬度上使多用戶通過不同子載波同時接入網絡的模式。

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

在IEEE 802.11ax協議中,按照正交頻分多址方式,將每一幀細分為234個子載波,并將每26個子載波定義為一個資源單元。這樣服務于單個終端的最小資源變為一個資源單元,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車的情況。

正交頻分復用和正交頻分多址對比如圖2所示。即使有了52個子載波的劃分,在正交頻分復用方式下,每個用戶也只能在某個時間間隔內獨占整個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間間隔內被不同用戶使用,載波利用率提高,使每個用戶的資源分配變得更靈活、更高效[2]。

圖2 正交頻分復用和正交頻分多址對比

1.3 1024正交振幅調制

相比于256正交振幅調制,1024正交振幅調制有著更高的調制圖譜[3],單個符號所帶字節從8位增大為10位,更多的比特位相當于更多的數據量,數據凈荷也就越高,傳輸更有效率,吞吐量最高能提升25%左右。

以上三項主要技術的應用,使支持IEEE 802.11ax協議的設備的傳輸速率提升到一個新的水平,最終吞吐量可以達到或接近9.6 Gbit/s。從某種意義上說,支持IEEE 802.11ac協議的設備,無線傳輸速率已遠超普通有線網絡的網口吞吐量上限。IEEE 802.11ac協議與IEEE 802.11ax協議的主要區別見表1[4]。

表1 IEEE 802.11ac協議與IEEE 802.11ax協議區別

2 與5G網絡對比

5G網絡核心技術主要包括新空口改進、大規模天線、核心網架構分離、網絡切片[5],這些技術將5G網絡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,傳輸速率還能進一步提升。

從使用角度來看,5G網絡由運營商組網、建網和維護,因此使用5G網絡將會省去用戶組網的麻煩,只要購買終端設備即可付費接入。當然,無論是企業還是個人,只要接入5G公網,就會面臨既需要購買設備,又需要付流量費的局面,并且用戶實際獲得的吞吐量或傳輸速率取決于使用時間段內局部區域的空口資源及用戶自身等級等。如果局部地區沒有其它終端使用網絡,或者網絡整體負擔較輕,那么用戶就會獲得良好的使用體驗;相反,如果對應時間段內存在多用戶大吞吐量接入請求,那么每個獨立用戶的網絡體驗很可能會下降。另一方面,如果企業與運營商愿意就某些特定項目進行合作,那么計費模式可能會隨之改變。

由以上分析可見,5G網絡在工業領域的應用更適合遠距離、多移動、中小吞吐量、數據保密要求相對較低的領域,比如物流公司各節點信息實時錄入、車載設備數據交互、近海運輸船實時匯報、遠距離人工智能圖像傳輸等。5G網絡與IEEE 802.11ax協議對比見表2。

表2 5G網絡與IEEE 802.11ax協議對比

相比運營商網絡,基于IEEE 802.11ax協議的組網方式需要用戶自行建網、自行維護。在這一模式下,用戶需要購買支持IEEE 802.11ax協議的終端設備,并完成組網。網絡內部屬于私有局域網,網絡資源獨享,使用網絡不存在流量費。對于網絡實際性能,企業可以做到完全把控。IEEE 802.11ax協議適用于大流量場景、大量上行流量需求場景、低時延傳輸要求場景、低功耗低成本M2M(machine to machine)場景[6]。

3 部分應用場景

3.1 塊狀區域

塊狀區域類似于居民小區、工廠廠區、智慧校園[7]等場所。塊狀區域內既有一定縱向深度,又有一定橫向空間。例如在某些老舊居民區,由于建設年代久遠,建設初期并沒有對網絡工程做全局規劃,大部分區域要增加網絡資源,只有破土埋線這一種模式。另一種情況是在廠區現代化改造工程中,廠方希望整個廠區內部出現更多的無線接入設備,如智慧工廠中使用的各式各樣機器人,這些機器人有些能自行移動,大范圍移動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,增加互聯網設備或者進行互聯網改造會出現建設成本高、項目復雜、施工周期長等特點。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備,每個點都選用5G網絡接入,明顯不合理也不經濟。典型案例是南京市某區在2020年2月至5月的在線直播課程中,僅一天一個上午的直播流量就達到150 TByte[8],這種模式下使用5G網絡接入是不現實的。

鑒于以上情況,在考慮網絡建設方案時可以選用支持IEEE 802.11ax協議的設備與5G網絡混合組網,這樣能夠發揮兩種網絡各自的不同優勢。使用支持IEEE 802.11ax協議的設備形成局域網,依賴終端的大吞吐量無線訪問接入點設備將數據傳輸至控制中心。通過控制中心進行分類,將需要外傳的數據通過網關外發,不需要外發的數據在本地服務器內處理。在這種情況下,只有外發的數據可能會用到5G公網,這樣可以節省不少網絡費用,降低對外網的依賴度,提高自有數據的私密性。塊狀區域組網如圖3所示。

圖3 塊狀區域組網

3.2 線性場景

在實際應用場景中,有時會出現整個組網區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都加裝攝像頭,而在已經建成的站廳內完全重新布線可能會面臨較高的建設費用及較長的工期,如果使用運營商網絡接入,那么會在局部區域形成多個傳輸設備同時要求大吞吐量持續性的公網傳輸,這樣會受限于運營商的上行空口資源及傳輸端資源,實際使用效果未必理想。結合支持IEEE 802.11ax協議的設備和現有網絡,將使組網靈活多變,縮短項目實施周期。

線性場景組網如圖4所示。各節點的圖像信息能夠通過頻分復用方式進行跳躍,將遠端信號通過層層中間節點進行橋接,并且在每個節點上匯聚該節點采集的數據,最終傳送至控制中心。在這種私密傳輸模式下,局域網內的流量完全私密,并且沒有任何額外網絡費用,整個網絡也能處于一個穩定的狀態。

圖4 線性場景組網

3.3 野外及應急救援場景

荒野地區、邊遠山區,以及某些需要緊急救援的場合不容易找到網絡接入點[9]。運營商由于考慮建設成本高、投資回報率低或其它原因,而沒有進行完全覆蓋。地震、海嘯、洪澇等自然災害也可能導致運營商建設的基站或傳輸網絡遭到破壞。針對這種情況,采用IEEE 802.11ax協議自建網絡不僅適合,而且也可以說是為數不多的選擇。

一些支持IEEE 802.11ax協議的設備還推出了低功耗帶電池版本,結合無線網格網絡技術后,變為一臺隨到隨用、通電即可組網的救援設備。在公網沒有覆蓋或暫時不能覆蓋的場合,這是非常好的選擇。應急救援場景應用如圖5所示。

圖5 應急救援場景應用

4 結束語

我國5G網絡建設從2019年開始大規模鋪開,6G網絡的標準討論及制定工作也已經展開。另一方面,IEEE 802.11ax協議的下一代IEEE 802.11be協議也在討論和迭代中[10]。通信科技的飛速發展必將對現有行業產生革命性影響。IEEE 802.11ax協議與5G網絡互有優劣,兩種模式的協作能使各自發揮出優勢,彌補對方的不足。這種協作能解決許多當前產業升級的難點、痛點,也能使工業互聯網的定義變得更為寬泛,提供更多可能性,使我國的工業技術提升到新的水平。