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(jīng)濟與管理學院 上海 200092

我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃提出加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等的建設,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)展行動計劃(2021—2023年)》,提出五大促進發(fā)展目標,特別強調(diào)5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用價值,加快推進智能制造,促進我國整個產(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)議的技術更新點,以及與5G網(wǎng)絡的異同,并結合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部分場景的應用進行探討。

1 IEEE 802.11ax協(xié)議

高效率無線標準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、第三代合作計劃等定義的蜂窩移動通信協(xié)議族不同。電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)最早在無線協(xié)議部分側重于無線局域網(wǎng),但是隨著終端射頻及基帶能力的整體提升,加之整個終端市場對無線網(wǎng)絡需求的多元化,電氣與電子工程師協(xié)會組織定義的無線標準近幾年也迎來了突飛猛進的發(fā)展。

IEEE 802.11ax協(xié)議在上一代IEEE 802.11ac協(xié)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(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(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)點能做到同時傳輸。不僅如此,使用IEEE 802.11ac協(xié)議的用戶還能同時使用不同的調(diào)制與編碼策略,使整個網(wǎng)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?shù)臓顟B(tài)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(xiàn)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(wǎng)絡大規(guī)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(xié)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(wǎng)絡的模式。

在IEEE 802.11ac協(xié)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(jié)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(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了。

在IEEE 802.11ax協(xié)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?yōu)橐粋€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(nèi)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(nèi)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(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],單個符號所帶字節(jié)從8位增大為10位,更多的比特位相當于更多的數(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。

以上三項主要技術的應用,使支持IEEE 802.11ax協(xié)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(xié)議的設備,無線傳輸速率已遠超普通有線網(wǎng)絡的網(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)絡對比

5G網(wǎng)絡核心技術主要包括新空口改進、大規(guī)模天線、核心網(wǎng)架構分離、網(wǎng)絡切片[5],這些技術將5G網(wǎng)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(wǎng)絡由運營商組網(wǎng)、建網(wǎng)和維護,因此使用5G網(wǎng)絡將會省去用戶組網(wǎng)的麻煩,只要購買終端設備即可付費接入。當然,無論是企業(yè)還是個人,只要接入5G公網(wǎng),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(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,或者網(wǎng)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(nèi)存在多用戶大吞吐量接入請求,那么每個獨立用戶的網(wǎng)絡體驗很可能會下降。另一方面,如果企業(yè)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(wǎng)絡在工業(yè)領域的應用更適合遠距離、多移動、中小吞吐量、數(shù)據(jù)保密要求相對較低的領域,比如物流公司各節(jié)點信息實時錄入、車載設備數(shù)據(jù)交互、近海運輸船實時匯報、遠距離人工智能圖像傳輸?shù)取?G網(wǎng)絡與IEEE 802.11ax協(xié)議對比見表2。

表2 5G網(wǎng)絡與IEEE 802.11ax協(xié)議對比

相比運營商網(wǎng)絡,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。在這一模式下,用戶需要購買支持IEEE 802.11ax協(xié)議的終端設備,并完成組網(wǎng)。網(wǎng)絡內(nèi)部屬于私有局域網(wǎng),網(wǎng)絡資源獨享,使用網(wǎng)絡不存在流量費。對于網(wǎng)絡實際性能,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(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),由于建設年代久遠,建設初期并沒有對網(wǎng)絡工程做全局規(guī)劃,大部分區(qū)域要增加網(wǎng)絡資源,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,廠方希望整個廠區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)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(lián)網(wǎng)設備或者進行互聯(lián)網(wǎng)改造會出現(xiàn)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(wǎng)絡接入,明顯不合理也不經(jīng)濟。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,僅一天一個上午的直播流量就達到150 TByte[8],這種模式下使用5G網(wǎng)絡接入是不現(xiàn)實的。

鑒于以上情況,在考慮網(wǎng)絡建設方案時可以選用支持IEEE 802.11ax協(xié)議的設備與5G網(wǎng)絡混合組網(wǎng),這樣能夠發(fā)揮兩種網(wǎng)絡各自的不同優(yōu)勢。使用支持IEEE 802.11ax協(xié)議的設備形成局域網(wǎng),依賴終端的大吞吐量無線訪問接入點設備將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。通過控制中心進行分類,將需要外傳的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關外發(fā),不需要外發(fā)的數(shù)據(jù)在本地服務器內(nèi)處理。在這種情況下,只有外發(fā)的數(shù)據(jù)可能會用到5G公網(wǎng),這樣可以節(jié)省不少網(wǎng)絡費用,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

在實際應用場景中,有時會出現(xiàn)整個組網(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面臨較高的建設費用及較長的工期,如果使用運營商網(wǎng)絡接入,那么會在局部區(qū)域形成多個傳輸設備同時要求大吞吐量持續(xù)性的公網(wǎng)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(xié)議的設備和現(xiàn)有網(wǎng)絡,將使組網(wǎng)靈活多變,縮短項目實施周期。

線性場景組網(wǎng)如圖4所示。各節(jié)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(jié)點進行橋接,并且在每個節(jié)點上匯聚該節(jié)點采集的數(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)絡費用,整個網(wǎng)絡也能處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 線性場景組網(wǎng)

3.3 野外及應急救援場景

荒野地區(qū)、邊遠山區(qū),以及某些需要緊急救援的場合不容易找到網(wǎng)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(wǎng)絡遭到破壞。針對這種情況,采用IEEE 802.11ax協(xié)議自建網(wǎng)絡不僅適合,而且也可以說是為數(shù)不多的選擇。

一些支持IEEE 802.11ax協(xié)議的設備還推出了低功耗帶電池版本,結合無線網(wǎng)格網(wǎng)絡技術后,變?yōu)橐慌_隨到隨用、通電即可組網(wǎng)的救援設備。在公網(wǎng)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(wǎng)絡建設從2019年開始大規(guī)模鋪開,6G網(wǎng)絡的標準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,彌補對方的不足。這種協(xié)作能解決許多當前產(chǎn)業(yè)升級的難點、痛點,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)技術提升到新的水平。