IEEE 802.11ax协议在工业互联网场景中应用的研究

王圣易

1.上海电气集团股份有限公司中央研究院 上海 200070 2.同济大学 经济与管理学院 上海 200092

我国国民经济和社会发展第十四个五年规划提出加快工业互联网、大数据等的建设,工业和信息化部于2021年印发《工业互联网创新发展行动计划(2021—2023年)》,提出五大促进发展目标,特别强调5G、人工智能、大数据等创新技术在工业互联网中的应用价值,加快推进智能制造,促进我国整个产业链的升级。

在此背景下,笔者研究IEEE 802.11ax协议相对于上一代协议的技术更新点,以及与5G网络的异同,并结合工业互联网部分场景的应用进行探讨。

1 IEEE 802.11ax协议

高效率无线标准IEEE 802.11ax协议在2019年年底发布,这一协议族与国际电信联盟、第三代合作计划等定义的蜂窝移动通信协议族不同。电气与电子工程师协会(IEEE)最早在无线协议部分侧重于无线局域网,但是随着终端射频及基带能力的整体提升,加之整个终端市场对无线网络需求的多元化,电气与电子工程师协会组织定义的无线标准近几年也迎来了突飞猛进的发展。

IEEE 802.11ax协议在上一代IEEE 802.11ac协议的基础上进行了多项改进,其中最主要的三项改进为上行链路多入多出、正交频分多址、1024正交振幅调制。

1.1 上行链路多入多出

虽然IEEE 802.11ac协议能够支持频分多址中关于子载波的设定,并且支持多用户多入多出,但是实际情况是,这一协议仅仅支持下行链路模式。在IEEE 802.11ax协议中,上行链路也能支持多入多出,这就使上行链路节点能做到同时传输。不仅如此,使用IEEE 802.11ac协议的用户还能同时使用不同的调制与编码策略,使整个网络的灵活性大幅提高,各个终端用户可以通过当前最适合自身传输的状态进行通信。

上行链路多入多出如图1所示,每个用户可以在上行链路上使用多入多出技术与无线访问接入点进行通信,实现多终端用户同时在上行链路上进行通信。

图1 上行链路多入多出

1.2 正交频分多址

在长期演进技术网络大规模建成使用后,正交频分多址技术在移动通信领域中也得到了广泛应用。IEEE 802.11ax协议参考了长期演进技术,设计出能在同一个频带宽度上使多用户通过不同子载波同时接入网络的模式。

在IEEE 802.11ac协议中,按照正交频分复用方式,每一帧由52个子载波组成,这些子载波在同一时刻只能对一个终端服务[1]。如果该终端没有用满这52个子载波的所有资源,那么空白部分就浪费了。如果把这52个子载波比喻成一列火车的52节车厢,那么所有车厢只能被同一个用户使用,即使该用户只用了其中一节车厢,该列火车也只能发车,其余空车厢的资源就被浪费了。

在IEEE 802.11ax协议中,按照正交频分多址方式,将每一帧细分为234个子载波,并将每26个子载波定义为一个资源单元。这样服务于单个终端的最小资源变为一个资源单元,剩余部分可以灵活多变地分配给其余用户,每一帧的资源尽可能被充分利用,避免一列火车还未满客就必须发车的情况。

正交频分复用和正交频分多址对比如图2所示。即使有了52个子载波的划分,在正交频分复用方式下,每个用户也只能在某个时间间隔内独占整个f轴资源。而在正交频分多址方式下,f轴的子载波资源可以在同一时间间隔内被不同用户使用,载波利用率提高,使每个用户的资源分配变得更灵活、更高效[2]。

图2 正交频分复用和正交频分多址对比

1.3 1024正交振幅调制

相比于256正交振幅调制,1024正交振幅调制有着更高的调制图谱[3],单个符号所带字节从8位增大为10位,更多的比特位相当于更多的数据量,数据净荷也就越高,传输更有效率,吞吐量最高能提升25%左右。

以上三项主要技术的应用,使支持IEEE 802.11ax协议的设备的传输速率提升到一个新的水平,最终吞吐量可以达到或接近9.6 Gbit/s。从某种意义上说,支持IEEE 802.11ac协议的设备,无线传输速率已远超普通有线网络的网口吞吐量上限。IEEE 802.11ac协议与IEEE 802.11ax协议的主要区别见表1[4]。

表1 IEEE 802.11ac协议与IEEE 802.11ax协议区别

2 与5G网络对比

5G网络核心技术主要包括新空口改进、大规模天线、核心网架构分离、网络切片[5],这些技术将5G网络的传输速率在理想情况下提高到了吉比特级别,如果再加入后期的载波聚合、毫米波等技术,传输速率还能进一步提升。

从使用角度来看,5G网络由运营商组网、建网和维护,因此使用5G网络将会省去用户组网的麻烦,只要购买终端设备即可付费接入。当然,无论是企业还是个人,只要接入5G公网,就会面临既需要购买设备,又需要付流量费的局面,并且用户实际获得的吞吐量或传输速率取决于使用时间段内局部区域的空口资源及用户自身等级等。如果局部地区没有其它终端使用网络,或者网络整体负担较轻,那么用户就会获得良好的使用体验;相反,如果对应时间段内存在多用户大吞吐量接入请求,那么每个独立用户的网络体验很可能会下降。另一方面,如果企业与运营商愿意就某些特定项目进行合作,那么计费模式可能会随之改变。

由以上分析可见,5G网络在工业领域的应用更适合远距离、多移动、中小吞吐量、数据保密要求相对较低的领域,比如物流公司各节点信息实时录入、车载设备数据交互、近海运输船实时汇报、远距离人工智能图像传输等。5G网络与IEEE 802.11ax协议对比见表2。

表2 5G网络与IEEE 802.11ax协议对比

相比运营商网络,基于IEEE 802.11ax协议的组网方式需要用户自行建网、自行维护。在这一模式下,用户需要购买支持IEEE 802.11ax协议的终端设备,并完成组网。网络内部属于私有局域网,网络资源独享,使用网络不存在流量费。对于网络实际性能,企业可以做到完全把控。IEEE 802.11ax协议适用于大流量场景、大量上行流量需求场景、低时延传输要求场景、低功耗低成本M2M(machine to machine)场景[6]。

3 部分应用场景

3.1 块状区域

块状区域类似于居民小区、工厂厂区、智慧校园[7]等场所。块状区域内既有一定纵向深度,又有一定横向空间。例如在某些老旧居民区,由于建设年代久远,建设初期并没有对网络工程做全局规划,大部分区域要增加网络资源,只有破土埋线这一种模式。另一种情况是在厂区现代化改造工程中,厂方希望整个厂区内部出现更多的无线接入设备,如智慧工厂中使用的各式各样机器人,这些机器人有些能自行移动,大范围移动过程中不适合用有线方式连接,基本上只能使用无线模式。

针对以上情况,增加互联网设备或者进行互联网改造会出现建设成本高、项目复杂、施工周期长等特点。特别是后期如果要增加类似于高清摄像头这种需要大吞吐量的设备,每个点都选用5G网络接入,明显不合理也不经济。典型案例是南京市某区在2020年2月至5月的在线直播课程中,仅一天一个上午的直播流量就达到150 TByte[8],这种模式下使用5G网络接入是不现实的。

鉴于以上情况,在考虑网络建设方案时可以选用支持IEEE 802.11ax协议的设备与5G网络混合组网,这样能够发挥两种网络各自的不同优势。使用支持IEEE 802.11ax协议的设备形成局域网,依赖终端的大吞吐量无线访问接入点设备将数据传输至控制中心。通过控制中心进行分类,将需要外传的数据通过网关外发,不需要外发的数据在本地服务器内处理。在这种情况下,只有外发的数据可能会用到5G公网,这样可以节省不少网络费用,降低对外网的依赖度,提高自有数据的私密性。块状区域组网如图3所示。

图3 块状区域组网

3.2 线性场景

在实际应用场景中,有时会出现整个组网区域只有深度而没有宽度的情形。例如某地铁站厅需要在多层扶梯的上下两侧都加装摄像头,而在已经建成的站厅内完全重新布线可能会面临较高的建设费用及较长的工期,如果使用运营商网络接入,那么会在局部区域形成多个传输设备同时要求大吞吐量持续性的公网传输,这样会受限于运营商的上行空口资源及传输端资源,实际使用效果未必理想。结合支持IEEE 802.11ax协议的设备和现有网络,将使组网灵活多变,缩短项目实施周期。

线性场景组网如图4所示。各节点的图像信息能够通过频分复用方式进行跳跃,将远端信号通过层层中间节点进行桥接,并且在每个节点上汇聚该节点采集的数据,最终传送至控制中心。在这种私密传输模式下,局域网内的流量完全私密,并且没有任何额外网络费用,整个网络也能处于一个稳定的状态。

图4 线性场景组网

3.3 野外及应急救援场景

荒野地区、边远山区,以及某些需要紧急救援的场合不容易找到网络接入点[9]。运营商由于考虑建设成本高、投资回报率低或其它原因,而没有进行完全覆盖。地震、海啸、洪涝等自然灾害也可能导致运营商建设的基站或传输网络遭到破坏。针对这种情况,采用IEEE 802.11ax协议自建网络不仅适合,而且也可以说是为数不多的选择。

一些支持IEEE 802.11ax协议的设备还推出了低功耗带电池版本,结合无线网格网络技术后,变为一台随到随用、通电即可组网的救援设备。在公网没有覆盖或暂时不能覆盖的场合,这是非常好的选择。应急救援场景应用如图5所示。

图5 应急救援场景应用

4 结束语

我国5G网络建设从2019年开始大规模铺开,6G网络的标准讨论及制定工作也已经展开。另一方面,IEEE 802.11ax协议的下一代IEEE 802.11be协议也在讨论和迭代中[10]。通信科技的飞速发展必将对现有行业产生革命性影响。IEEE 802.11ax协议与5G网络互有优劣,两种模式的协作能使各自发挥出优势,弥补对方的不足。这种协作能解决许多当前产业升级的难点、痛点,也能使工业互联网的定义变得更为宽泛,提供更多可能性,使我国的工业技术提升到新的水平。