Czy Wi-Fi 6 (802.11ax) – nowy standard sieci bezprzewodowej – będzie użyteczny w zastosowaniach przemysłowych?
Wojciech Pawlak
Ekspert współpracujący z FPPP
Przegląd rozwiązań sieci bezprzewodowych stosowanych w przemyśle
Po co w ogóle sieć bezprzewodowa na hali produkcyjnej lub w magazynie wysokiego składowania? Pierwsze jej zastosowanie jest oczywiste – to najtańszy i najprostszy w realizacji sposób dostępu do Internetu lub sieci firmowej z komputerów pracowniczych. Brak kłopotliwego okablowania jest niezaprzeczalną zaletą. Z sieci tego typu mogą korzystać również: ręczne skanery kodów paskowych, urządzenia monitorujące wózki widłowe, autonomiczne pojazdy AGV, dziesiątki czujników, bramek, urządzeń instalowanych w trudnodostępnych miejscach lub tymczasowo, a także najnowszy trend – okulary rozszerzonej (AR) lub wirtualnej (VR) rzeczywistości dla serwisantów, nowych pracowników itp. Często są to rozwiązania, w których łączność bezprzewodowa jest warunkiem sine qua non poprawnego działania.
W tej dziedzinie dostępne są w zasadzie tylko dwa rozwiązania: prywatne sieci 4G/5G (tzw. sieci kampusowe) oraz sieci bezprzewodowe oparte na rodzinie standardów IEEE 802.11, czyli sieci Wi-Fi. Rozwiązania 4G/5G dopiero zaczynają odgrywać istotną rolę w przemyśle, ale sieci Wi-Fi już od wielu lat powszechnie funkcjonują w tym środowisku. Jednak powszechne są problemy z oferowaną jakością i niezawodnością. Jako główne utrudnienia wymienia się chwilową utratę łączności, problemy z zasięgiem oraz niestabilną prędkość transmisji. Przyczyn tego stanu rzeczy może być wiele, ale głównymi z nich są po prostu zakłócenia wprowadzane przez pracujące maszyny będące źródłem emisji elektromagnetycznej oraz tłumienie sygnału przez nieprzyjazne otoczenie: wypełnione ładunkiem regały wysokiego składowania i stalowe ściany. Swój udział ma też nieodpowiednie projektowanie i eksploatacja takich sieci np. używanie urządzeń Bluetooth, które korzystają z dokładnie tych samych częstotliwości w paśmie 2,4GHz oraz rozbudowa sieci o przypadkowo umieszczane Access Points. Trzeci powód wynika z samej architektury standardów 802.11 – wraz ze wzrostem liczby użytkowników zwiększa się ilość kolizji w dostępie do medium radiowego oraz wzrasta częstość retransmisji, a więc efektywna średnia prędkość spada bardziej, niż mogłoby to wynikać z prostego podzielenia pojemności Access Point przez ilość pracujących urządzeń. Należy wspomnieć, że ten problem w zasadzie nie występuje w konkurencyjnym rozwiązaniu, tj. sieciach 4G/5G, które będą jeszcze kilkakrotnie przywoływane w tym zestawieniu.
Na szczęście technologia Wi-Fi ewoluuje i oferuje coraz lepsze narzędzia, których użycie pozwala minimalizować wspomniane problemy. Z dużym prawdopodobieństwem można powiedzieć, że większość działających obecnie sieci Wi-Fi należy do kategorii 4 lub 5. Tymczasem na rynku urządzeń przemysłowych pojawiają się już urządzenia kategorii 6 (np. 1, 2). Warto zatem przyjrzeć się nowej specyfikacji, a także rozważyć argumenty za i przeciw rozbudowie posiadanej infrastruktury do tego standardu. Należy pamiętać, że Wi-Fi 4, 5, 6 nie jest tym samym, co standardy sieci mobilnych 2G, 3G, 4G, 5G. Jest to po prostu marketingowa nazwa kolejnych standardów z rodziny IEEE 802.11.
Wi-Fi 6 – nowy standard sieci
Za opracowaniem nowej, szóstej już wersji Wi-Fi stało kilka bardzo ważnych przesłanek. Przede wszystkim poprawa parametrów QoE (Quality of Experience), czyli osiągnięcie jeszcze wyższych prędkości transmisji dla przeciętnego użytkownika w typowych warunkach środowiskowych. Współczesne środowisko pracy sieci Wi-Fi należy do typu UHD (Ultra-High Density) – z dziesiątkami użytkowników, z których każdy ma kilka urządzeń klienckich równolegle wysyłających i odbierających dane. By zadanie uczynić jeszcze bardziej skomplikowanym, należało też uwzględnić rosnący udział multimediów (np. wideo 4K) oraz aplikacji czasu rzeczywistego – głównie rozwiązań z zakresu AR/VR. To wszystko dotyczy jednak rynku konsumenckiego, a nie przemysłowego (może z wyjątkiem aplikacji rozszerzonej rzeczywistości).
W realiach przemysłowych wyzwaniem jest za to rosnący segment Internetu Rzeczy (IoT) o dwóch przeciwstawnych zestawach wymagań: urządzenia kategorii URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication), czyli wymagające niezawodnej transmisji niskich opóźnień (robotyka i automatyka przemysłowa, rozpoznawanie obrazu w procesach kontroli jakości, zastosowania medyczne) oraz proste, tanie, oszczędne sensory i aktuatory potrzebne np. w intralogistyce (asset tracking) i branży HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning).
Tab. 1. Kategorie sieci Wi-Fi
Kategoria | Standard IEEE | Publikacja | Częstotliwości | Teoretyczna maksymalna prędkość [Mbps] |
---|---|---|---|---|
Wi-Fi 4 | 802.11n | 2009 | 2,4GHz, 5GHz | 600 |
Wi-Fi 5 | 802.11ac Wave 1 | 2013 | 5GHz | 1 300 |
Wi-Fi 5 | 802.11ac Wave 2 | 2015 | 5GHz | 6 933 |
Wi-Fi 6 | 802.11ax | 2020 | 2,4GHz, 5GHz, 6GHz (planowane w Wi-Fi 6E) | 9 608 |
Ewolucja standardów w zakresie częstotliwości i szerokości kanałów
Generalnie sieci Wi-Fi pracują w pasmach nielicencjonowanych, dostępnych dla dowolnych podmiotów. Historycznie podstawowym zakresem jest pasmo 2,4GHz (długość fali 12 cm) – w Europie to spektrum o szerokości 80MHz pomiędzy zakresami 2,40GHz a 2,48GHz (w Japonii i Stanach Zjednoczonych występują drobne różnice) podzielone na 13 kanałów o szerokości 22MHz, które częściowo nachodzą na siebie. Ma to poważne konsekwencje w planowaniu sieci Wi-Fi – z zestawu 13 dostępnych kanałów trzeba wybierać takie kombinacje, które są od siebie odseparowane. Począwszy od wersji 802.11n kanały można łączyć w takie o szerokości 40MHz, co radykalnie poprawiło osiągane prędkości. Niestety, jak łatwo zauważyć, w dostępnym paśmie mieszczą się zaledwie 2 kanały, co w zasadzie uniemożliwia projektowanie rozległych instalacji Wi-Fi w takiej architekturze. Dlatego zaczęto używać wyższe częstotliwości – 5GHz (długość fali 5 cm). Tutaj częstotliwości graniczne to 5,150GHz oraz 5,875GHz, więc dostępne spektrum jest daleko szersze – 725MHz. Dlatego standard 802.11ac wykorzystuje kanały o szerokości nawet 40, 80, 160MHz oraz parę kanałów 80 + 80MHz. Wersja najnowsza – 802.11ax nie wprowadza zmian w tym obszarze, otwiera się natomiast na nowe, jeszcze wyższe pasmo – 6GHz. Urządzenia pracujące w tym zakresie będą oznaczane jako Wi-Fi 6E. W połowie tego roku Komisja Europejska przeznaczyła w tym celu 480MHz pomiędzy częstotliwościami granicznymi 5,925 i 6,425GHz (niestety dopiero jako ostatnia ze światowych potęg ekonomicznych).
Wielodostęp i modulacje sygnałów
Cechą charakterystyczną pasm mikrofalowych, a na takich właśnie pracuje Wi-Fi, jest wielodrogowość transmisji – sygnał z nadajnika odbija się od przeszkód, rozchodzi się wieloma ścieżkami i dociera do odbiornika w różnym czasie. Może to powodować, że symbol, który pokonał dłuższą ścieżkę, zostanie zinterpretowany przez odbiornik jako następny. Zjawisko to nosi nazwę interferencji międzysymbolowej. Istnieje dość prosty sposób radzenia sobie z tym problemem – wystarczy podzielić jeden duży strumień danych na kilka mniejszych, nadawanych równolegle. Pojedynczy symbol będzie trwał dłużej, ale prawdopodobieństwo niepoprawnej interpretacji maleje. Dlatego należy podzielić cały wykorzystywany szeroki kanał radiowy (nośną) na odpowiednią ilość wąskopasmowych kanałów (podnośnych). Zauważono jednak, że choć rozwiązanie najprostsze, tj. podział na kilka odseparowanych na siebie kanałów jest skuteczne, to w bardzo nieefektywny sposób wykorzystuje zasoby radiowe. Tutaj pomocna okazuje się technika OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) – wykorzystywana przez wszystkie omawiane tu klasy Wi-Fi oraz w sieciach 4G i 5G. W tej technice zwielokrotnienia w dziedzinie częstotliwości kanały radiowe częściowo nakładają się na siebie, a mimo to nie dochodzi do wzajemnego zakłócania. Warunkiem poprawnego działania OFDM jest spełnienie warunku ortogonalności sygnałów – nie wnikając w stojący za tym aparat matematyczny oznacza to, że odstępy między kolejnymi częstotliwościami nośnymi są równe odwrotności czasu trwania pojedynczego symbolu.
Nowością w wersji 802.11ax jest wykorzystanie tego mechanizmu także w transmisji danych od urządzeń końcowych do Access Point (uplink) – mówimy wtedy o wielodostępie OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). I tak kanał radiowy 20, 40, 80, 160MHz dzielony jest na podkanały o szerokości dokładnie 78,125kHz. Grupa takich podkanałów (tones) nosi nazwę Resource Unit (RU) i może być przydzielana do określonego urządzenia w celu wysłania przez nie danych. RU może mieć jeden z kilku predefiniowanych rozmiarów: 26-, 52-, 106-, 242-, 484-, 996-tone. Jednostką koordynującą nadawanie i odbiór jest oczywiście Access Point 802.11ax, który przydziela poszczególnym urządzeniom określone RU do nadawania lub odbioru. Oznacza to, że w danej chwili kilku użytkowników może wysyłać dane bez ryzyka kolizji. W poprzednich wersjach standardu było to niemożliwe – każde z urządzeń musiało czekać na swoją kolej. To swoiste centralne planowanie, choć skomplikowane, czyni jednak ten standard niezwykle elastycznym i wydajnym w środowisku UHD. Co ciekawe, jest to kopia mechanizmu wielodostępu stosowanego już w sieciach 4G i 5G.
802.11ax oferuje także bardziej zaawansowane niż poprzednicy metody modulacji sygnału w celu zakodowania w pojedynczym symbolu możliwie dużej liczby użytecznych bitów. Każdy ze standardów ma zdefiniowane kilka metod modulacji – za każdym razem urządzenia dobierają najlepszą z nich, stosownie do jakości sygnału i szerokości kanału. W 802.11n najlepszą dostępną modulacją było 64 QAM (6 bitów na symbol), w 802.11ac – 256 QAM (8 bitów), w 802.11ax – 1024 QAM (10 bitów). Czyli sama tylko zmiana modulacji pomiędzy 5 i 6 kategorią Wi-Fi skutkuje poprawą prędkości transmisji o 25%. Oczywiście najlepsza modulacja używana jest w najlepszym środowisku – na krótkim dystansie i z niskim poziomem zakłóceń. Jest to kolejny argument na rzecz elastyczności nowego standardu.
MIMO oraz MU-MIMO
Praca na częstotliwościach ortogonalnych i wydajniejsze kodowanie to nie jedyne narzędzia użyte do zwiększania efektywności sieci Wi-Fi. Kolejne z nich wykorzystuje wielodrogowość transmisji, czyli wspominane już zjawisko, które do tej pory traktowano jako źródło potencjalnych problemów. Tymczasem użycie go w sposób zaplanowany daje możliwość kolejnej poprawy osiągalnej prędkości – dane wysyłane są kilkoma drogami jednocześnie. Technologia ta nosi nazwę MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) a urządzenia, które z niej korzystają łatwo poznać po co najmniej dwóch widocznych antenach. Ich umiejscowienie nie jest przypadkowe – odległość między antenami musi wynosić co najmniej 1/3 długości fali, która w paśmie 5GHz ma około 5cm. Pracując w trybie MIMO Access Point wysyła do urządzenia końcowego (downlink) kilka równoległych strumieni danych, każdy przez inną antenę tworząc tzw. strumienie przestrzenne (spatial streams), które wędrując różnymi ścieżkami nie zakłócają się wzajemnie i jednocześnie zwielokrotniają maksymalną prędkość. Oczywiście urządzenie końcowe potrzebuje oddzielnej anteny do każdego odbieranego strumienia przestrzennego, stąd w specyfikacjach urządzeń pojawiają się opisy typu 2×2 MIMO lub 3×3 MIMO. To odpowiednio możliwość nadawania (Access Point) lub odbioru (urządzenie końcowe) 2 lub 3 strumieni danych jednocześnie. Mechanizm ten wprowadzono już w Wi-Fi 4, niestety miał poważne ograniczenie – cała transmisja mogła być skierowana tylko do jednego odbiorcy. Urządzenia wyposażone tylko w jedną antenę odbiorczą po prostu „marnowały” dostępną pojemność. Dlatego w kolejnej wersji (Wi-Fi 5) pojawiło się rozwiązanie MU MIMO (Multi-User MIMO). Poszczególne strumienie przestrzenne nadawane przez Access Point mogą być kierowane równocześnie do różnych odbiorców, nawet jeżeli urządzenia odbiorcze nie wspierają tej technologii. Powstaje zatem pytanie, czy w takim trybie może pracować też urządzenie końcowe i wysyłać w górę sieci (uplink) kilka strumieni przestrzennych jednocześnie? Owszem, ale dopiero w wersji Wi-Fi 6. Mamy wtedy zupełnie unikalną sytuację, gdy Access Point jednocześnie wysyła i odbiera równoległe strumienie danych do i od wielu urządzeń. Dobrą analogią z sieci Ethernet byłby tutaj prawie już zapomniany hub (Wi-Fi 4) oraz elastyczny switch (Wi-Fi 6).
Tab. 2. Charakterystyka kategorii sieci Wi-Fi
Kategoria | Standard IEEE | Szerokość kanału | Wielodostęp | Modulacja | MIMO | MU-MIMO |
---|---|---|---|---|---|---|
Wi-Fi 4 | 802.11n | 40 MHz | OFDM | 64 QAM | 3×3 @20 MHz 3×3 @40 MHz 4×4 @40 MHz | brak |
Wi-Fi 5 | 802.11ac Wave 1 | Agregacja do 80MHz | OFDM | 256 QAM | 2×2 @80 MHz 3×3 @80 MHz 4×4 @80 MHz | brak |
Wi-Fi 5 | 802.11ac Wave 2 | Agregacja do 160MHz | OFDM | 256 QAM | 2×2 @160 MHz 3×3 @160 MHz 4×4 @160 MHz | Transmisja do max. 4 urządzeń |
Wi-Fi 6 | 802.11ax | Agregacja do 160MHz | OFDMA | 1024 QAM | 8×8 @160 MHz | Transmisja do/od max. 8 urządzeń |
Omawiane do tej pory różnice wskazują na ewolucyjne zmiany w standardzie IEEE 802.11ax. Są też jednak rozwiązania zupełnie nowe, nieobecne we wcześniejszych wersjach. Są one związane ze sterowaniem nadawaną mocą i wprowadzeniem trybu oszczędzania energii. To kolejne z rozwiązań od dawna używane w sieciach mobilnych (w tym przypadku już w 2G/GSM) z sukcesem zaadaptowane do Wi-Fi.
Nawet jeżeli wszystkie urządzenia końcowe nadają sygnał o tej samej mocy, to już po stronie Access Point ich odbierana moc będzie się istotnie różnić – czy to z powodu przeszkód po drodze, czy to z powodu odległości. Takie różnice w poziomach odbioru powodują niekorzystne interferencje między nośnymi oraz różnego rodzaju zniekształcenia powstające w odbiorniku. Najlepszą sytuacją jest, gdy sygnały odbierane przez Access Point mają możliwie zbliżoną moc. W tym celu standard IEEE 802.11ax wprowadził mechanizm DTPC (Dynamic Transmit Power Control) – Access Point wysyła do urządzeń końcowych polecenia zwiększenia lub zmniejszenia nadawanej mocy. W przypadku urządzeń najbardziej czułych, tzw. klasy A zmiana może wynosić ±3 dB, a w przypadku urządzeń klasy B ±9 dB. Urządzenia Wi-Fi poprzednich generacji lub bez zaimplementowanego mechanizmu DTPC będą te polecenia po prostu ignorować.
Ostatnią rzeczą, na którą warto zwrócić uwagę jest tryb oszczędzania energii – TWT (Target Wake Time) dedykowany dla urządzeń Internetu Rzeczy (IoT) zasilanych baterią. Access Point może uzgodnić z urządzeniem końcowym „wybudzenie” go po upływie określonego czasu za pomocą specjalnie spreparowanej wiadomości sygnalizacyjnej (tzw. trigger), co w międzyczasie pozwala na utrzymanie stanu uśpienia, a przez to na oszczędzanie energii. Odpowiednie przypisywanie urządzeń IoT do grup z różną wartością TWT może też pomóc w zmniejszeniu rywalizacji w dostępie do zasobów radiowych.
Podsumowanie
Wi-Fi klasy 6 jest to bardzo zaawansowana technologia bezprzewodowa. Zaskakująco dużo zaimplementowanych w niej nowości ma swój rodowód i potwierdzoną użyteczność w sieciach 4G i 5G, co poniekąd wskazuje na dojrzałość technologiczną tych drugich. Bardzo wiele wysiłku włożono w poprawę wydajności pracy z wieloma użytkownikami. Natomiast nie koncentrowano się na poprawie (teoretycznie) osiągalnej maksymalnej prędkości przesyłu danych. Dostępne mechanizmy elastycznego zarządzania zasobami adresują też potrzeby nowych wymagających aplikacji, jak AR/VR. Istotnie poprawiono też transmisję danych w kierunku do Access Point (uplink). Wszystko to powoduje, że warto rozważyć zastosowanie tej technologii do zadań profesjonalnych. Póki co, oferta urządzeń sieciowych nie jest zbyt duża, ale szybko się to zmienia. Jednak budując sieć Wi-Fi 6 trzeba pamiętać o urządzeniach końcowych – stosowanie tych z poprzednich generacji jest oczywiście możliwe (zapewniona jest kompatybilność wstecz), lecz wtedy większość z omawianych nowości po prostu nie będzie działać i pomimo poniesionych wydatków inwestycyjnych rzeczywista poprawa jakości będzie znacznie poniżej oczekiwań.