802.11 限制和注意事项

如今，无线技术被部署在一些具有挑战性的应用中，但与任何其他通信技术一样，在实施时必须考虑性能方面的限制。在本文中，我们将考虑影响基于802.11的网络的可扩展性和可靠性的因素。

有几个因素会影响基于802.11的网络的可扩展性。虽然单个基于IP的子网段的理论连接上线是255个设备，但实际限制会比理论值少很多。这部分差距是由于2.4或5 GHz的802.11信道通常是20 MHz或40 MHz宽，网络上的所有设备都需要共享该信道。随着设备数量的增加，可供每个设备传输关键系统数据的带宽就越窄。具体来说，对于安全数据，这可能

意味着使用更长的超时设定，并且最小安全反应时间可能比相关应用的期望时间更长。在这些情况下，可能需要缩小网络规模，以便为网络上的设备提供足够的带宽。

此外，802.11基于可公开获得的非受限频率，这意味着这些频道可能被多个网络共享，进一步减少了可用带宽。在2.4 GHz频率下，这是很难避免的，因为只有4个可用于网络的非重叠信道，2.4 GHz的信道可能将被共享。5 GHz频谱的高吞吐量信道更容易获得，重叠频率更少，并且越来越多地用于关键应用。随着5 GHz空间中配置更多的网络，这将承受很大的压力。在使用基于802.11的网络时，可靠性也是一个挑战。影响网络可靠性的最大因素是信号干扰，特别是在2.4 GHz频率下。

如前所述，这些频率是公开提供的，虽然2.4 GHz与802.11网络最为密切相关，但该频率也被其他设备和通信技术使用，包括无绳手持设备、微波炉、蓝牙和Zigbee等。除了考虑频谱中网络的密度外，这些其他设备产生的噪声也会对通信质量产生重大影响。

图4展示了一家制造厂的频谱分析仪的示例，该示例既反映出在2.4GHz信道上出现严重的拥塞，并且还存在有频谱中其他信号产生（包括附近频率上的其他802.11网络）的大量噪声。这些次级信号的和称为本底噪声，本底噪声与整体信号强度之间的差称为信噪比(SNR)。当信噪比过低时，会出现数据包丢失和位错误，从而导致故障状态或关键数据丢失。这在数据安全方面尤为重要，如前所述，数据对位错误非常敏感，而且是移动机器人系统的关键数据部分。

除了拥塞之外，物理对象的存在也会影响无线通信的可靠性。在理想的环境中，无线收发器在露天相互连接，但这在制造环境中是不实际的，因为将要面对机械和建筑结构。这些对无线信号的吸收或反射会大大降低网络的覆盖范围，并且可能造成信号丢失的情况。固态金属和混凝土等材料是无线信号传输的最大障碍。信号丢失会导致位错误和超时，这将对通信质量产生负面影响。

在接入点之间漫游的做法在大多数制造设施中都是意料之中的，但其也会对关键通信产生负面影响。802.11r可以显著缓解这一问题，但如果在重新身份验证期间出现任何问题，使得切换时间大大超过正常的30-50毫秒时间段，就会造成数据包丢失和误码，从而显著影响控制数据和安全数据。

利用5G蜂窝技术应对挑战

需要指出的是，5G蜂窝网络技术仍处于新兴阶段，目前的实施还很有限，然而，这个网络中内置了许多功能，可以解决目前其他无线网络所面临的许多挑战。此外，关于eMBB(增强移动宽带)、uRLLC(超可靠低延迟通信)和mMTC(大型机器类型通信)的核心功能已经有了很多报道。

首先需要关注的挑战是在未经许可的频率下运行移动机器人，其关键通信所带来的复杂性。对于5G，您将混合使用许可频段和未授权的频段(5 GHz频谱)。图5显示了将成为5G频谱一部分的频率范围。在北美需要注意的是3.5 (3.55-3.7)GHz频段，即CBRS(公民宽带无线电服务)，这一频段传统上是预留给海军雷达通信的。

这已经被发布用于半私有网络。制造商不必向政府机构申请频谱许可证，也不必向公共提供商购买专用网络，他们可以向频谱分配服务器申请频段，然后由服务器根据地域和射频密度计算分配频段。对制造商来说，这样做的好处是，只要使用低功率无线电，他们就可以拥有专门分配给他们设备的无线频谱，而不受其他网络的干扰。这与5G的高速(<20 GBPS)和低延迟(<1ms)特性相结合，使得它可以传输与移动机器人相关的关键控制和安全数据。

5G技术帮助解决的另一个挑战是物理结构对无线通信可靠性的影响。尽管任何无线信号都会受到结构的影响，但5G可以以一种有益的方式利用反射信号。5G支持被称为海量MIMO(Multi-Input Multi-Output)的高密度天线结构和波束形成来优化连接路径。发射端可以向多个方向广播信号，而接收端可以收到同一信号的多个副本，如果相位不一致则进行差值平均，相位相同则进行相加求和。这增加了连接的可靠性，额外的好处是也增大了吞吐量。 通过更可靠的连接，控制和安全的关键通信可以得到维护。图6显示了制造环境中基站(BS)和终端设备(如AGV)的多路径系统的简化视图。

我们要解决的最后一个问题是与漫游相关的切换时间。虽然基于802.11的网络支持802.11r，将切换时间缩短到几毫秒，但这仍然会影响关键通信。5G技术解决了这个问题，它允许设备在与以前的基站分离之前连接到其他基站，如图7所示。这允许在5G网络上进行无缝通信，并消除了切换过程中可能出现的超时和误码问题。

最后一个问题是，它是否可以扩大规模，以满足日益增长的移动机器人市场。虽然移动机器人不会被部署到这种规模，但在5G上支持mMTC(大型机器类型通信)服务的情况下，网络密度可以达到10 devices/km。

无线技术在制造业中越来越受欢迎，因为需要在有限的物理空间内提高产能，这推动了对可以灵活部署的移动机器人系统的需求。在现有的无线技术仍存在一些技术障碍的情况下，如何最大程度地提高这些系统的生产率是一项挑战。5G通信解决了许多这些挑战，并有望对制造业的通信产生重大的长期影响。在解决移动设备上的连接问题时需要考虑很多因素，但幸运的是，确保关键数据可用的解决方案是存在的。自动导引车辆(AGV)正越来越多地用于制造和仓储作业，用于原材料和成品的调配。他们采用复杂的系统进行运动、安全、电源管理和交通管理，通常使用多种通信技术。最大的挑战之一是确保这些系统相互连接，以便数据能够在不同的控制任务之间无缝移动。

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