Wi-Fi 6 : Répondre aux besoins changeants des usines intelligentes

Pelle Svensson, responsable du développement, en charge des produits radio courte portée chez u-blox explique la manière dont le Wi-Fi continue d'évoluer pour rester à la hauteur du défi posé par les usines intelligentes.

  • par U-Blox AG
  • 19 octobre 2023
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  • Pelle Svensson, responsable du développement, en charge des produits radio courte portée chez u-blox.
    Pelle Svensson, responsable du développement, en charge des produits radio courte portée chez u-blox.
  • Wi-Fi 6 : Répondre aux besoins changeants des usines intelligentes
    Wi-Fi 6 : Répondre aux besoins changeants des usines intelligentes

Lorsque le Wi-Fi a été déployé pour la première fois dans les usines connectées, sa tâche était simple : faire en sorte que quelques appareils communiquent entre eux. Aujourd'hui, la situation est complètement différente. Il y a à peine dix ans, l'usine intelligente ressemblait à une place vide. Aujourd'hui, elle ressemble davantage à un marché animé. Le lieu est le même, mais le contexte a radicalement changé. Comme sur un marché bruyant, l’environnement est fort encombré par les ondes et les appareils doivent se donner beaucoup de mal pour se faire entendre.

Heureusement, les technologies sans fil ont continué à évoluer pour répondre aux besoins de plus en plus exigeants des marchés qu'elles desservent. Et le Wi-Fi ne fait pas exception. La numérisation croissante des usines et les nouveaux cas d'utilisation augmentent les demandes en Wi-Fi, la technologie sans fil qui achemine environ 45% du trafic IP mondial et 60 à 80% du trafic sans fil.

 

Le Wi-Fi a beaucoup évolué

 

Le Wi-Fi a beaucoup évolué depuis l'époque où, il y a seulement deux décennies, il ne dépassait pas les 54 Mbps. En 2009, le Wi-Fi 4, ou IEEE 802.11n comme on l'appelait à l'époque, a permis une augmentation considérable du débit, avec l’introduction de la bande 5 GHz dans IEEE 802.11a et des débits de données plus élevés dans les deux bandes. La rétrocompatibilité des points d'accès Wi-Fi 4 avec les appareils dotés d'anciennes versions de Wi-Fi a contribué à stimuler l'adoption de cette technologie.

En 2013, le Wi-Fi 5, ou IEEE 802.11ac, a permis d'améliorer encore les performances, avec un débit maximal de 6,8 Gbit/s, et un fonctionnement limité à la bande 5 GHz. Plus récemment, le Wi-Fi 6 a poursuivi l’augmentation des performances sur tous les fronts, en particulier sa capacité à gérer plus efficacement plus de trafic provenant d'un plus grand nombre de clients. C'est pourquoi il est parfois également appelé High-Efficiency Wireless (HEW).

Les avancées innovantes apportées par le Wi-Fi 6 répondent aux exigences actuelles en termes de débit élevé (près de 10 Gbit/s), tout en offrant des performances fiables à longue portée, une faible latence, une consommation d'énergie minimale, la coexistence et un transfert rapide.

 

Les attentes de l'industrie en matière de Wi-Fi

 

Chaque version de la norme Wi-Fi ayant permis d'atteindre de nouveaux sommets en termes de performances, la technologie a trouvé sa place dans des application de plus en plus sophistiquées et exigeantes. Dans le même temps, la demande en termes d'améliorations de la norme n’a cessé de croître pour répondre aux besoins émergents en matière de communication sans fil, tels ceux qui sont devenus courants dans les déploiements industriels.

La haute disponibilité est primordiale dans les usines où les temps d'arrêt se traduisent directement par une perte de revenus. Dans les environnements RF encombrés, cela inclut la robustesse face aux interférences provenant des autres appareils, ainsi qu'un débit élevé, permettant de raccourcir les temps de transmission et de libérer rapidement de la bande passante après chaque communication. Garantir l'évolutivité - la capacité de connecter des clients supplémentaires au réseau sans avoir à ajouter de points d'accès - est majeure car le Wi-Fi offre une connectivité réseau à un nombre sans cesse croissant d'appareils.

Des temps de réponse rapides sont essentiels pour les systèmes d'automatisation industrielle utilisés, par exemple, pour orchestrer des processus dans les chaînes de production complexes. Comme de plus en plus d'appareils mobiles, des robots aux outils électriques intelligents, sont connectés au réseau, la fluidité itinérante (« seamless roaming ») gagne en importance pour éviter de longues tentatives de reconnexion lorsque l'appareil entre dans la zone couverte par un nouveau point d'accès. De plus, pour simplifier les opérations et maintenir des faibles coûts, il est important que la mise en service et la maintenance soient faciles.

 

Avantages du Wi-Fi 6

 

Si le Wi-Fi 4 offrait un « haut débit » et que le Wi-Fi 5 apportait un « très haut débit », le Wi-Fi 6, dont la première version est sortie en 2018, était axé sur la « haute efficacité ». Le saut de 6,8 Gbit/s à 9,6 Gbit/s peut être moins spectaculaire que certaines augmentations d'ordre de grandeur lors des versions précédentes. Mais là où le Wi-Fi 6 brille vraiment, c'est dans son utilisation plus efficace de la bande passante disponible, qui permet d'accueillir plus de clients par point d'accès sans dégrader les performances du réseau.

Une série d'innovations technologiques a été déterminante pour gérer efficacement plus de clients :

● L'accès multiple par répartition orthogonale de la fréquence multi-utilisateurs (Multi-user orthogonal frequency division multiple access, MU-OFDMA), est une technique utilisée pour découper la bande passante disponible en unités de ressources de tailles variables, ce qui donne aux points d'accès la souplesse nécessaire pour desservir simultanément plusieurs clients avec les ressources dont ils ont précisément besoin. MU-OFDMA quadruple le nombre de clients qu'un nombre donné de points d'accès peut gérer.

● La technologie Multi-user multiple input multiple output (MU-MIMO), permet aux points d'accès de diriger simultanément des flux de données uniques vers plusieurs clients, à la fois en liaison montante et en liaison descendante.

● La modulation d'amplitude en quadrature 1024 (1024 QAM) permet d'encoder plus d'informations sur chaque symbole. Le Wi-Fi 6 peut regrouper 10 bits par symbole, soit une capacité 25 % supérieure à celle du Wi-Fi 5, qui utilisait 256 QAM.

● De plus, la coloration BSS (basic service set) permet de s'assurer que les canaux de « couleur différente » n'interféreront pas les uns avec les autres.

● Enfin, le temps de réveil de cible (« target wake time », TWT) permet aux appareils d'économiser les batteries et d'augmenter l'autonomie.

 

Exploiter le spectre 6 GHz avec le Wi-Fi 6E

 

Pour surmonter la principale limitation des ressources, à savoir le spectre disponible, les agences de régulation telles que la FCC américaine ont ouvert la bande 6 GHz aux communications Wi-Fi sans licence, doublant (ou plus dans certains cas) la quantité de spectre précédemment disponible sur les bandes 2,4 et 5 GHz combinées. Les points d'accès et les terminaux capables d'utiliser les 1200 MHz du nouveau spectre seront étiquetés Wi-Fi 6E.

Les avantages de la bande 6 GHz incluent la proximité de la bande 5 GHz, déjà largement utilisée, ainsi qu'une abondance de canaux sans chevauchement et dont la taille est variable. Et parce que le nouveau spectre est encore largement inexploité, les appareils n'auront pas à faire face à de précédents clients encombrant les ondes.

Le Wi-Fi est devenu un pilier des usines intelligentes, la technologie sans fil de prédilection, souvent complétée par la technologie Bluetooth, ainsi que des technologies de communication cellulaire propriétaires ou non. Le Wi-Fi 6 renforcera probablement sa position grâce aux nombreuses nouvelles fonctionnalités énumérées ci-dessus.

 

Autres variantes de Wi-Fi dans les usines connectées

 

Bien que le Wi-Fi 6 soit plus performant que le Wi-Fi 4 dans presque tous les domaines, de nombreuses applications sont parfaitement compatibles avec l'ancienne version de la technologie. Dans ce cas, les directeurs d'usine peuvent tirer parti du faible coût et du développement simplifié du Wi-Fi 4.

Alors que le Wi-Fi 6 s'installe dans son nouveau créneau, des efforts sont en cours pour améliorer encore les performances avec la sortie du Wi-Fi 7, attendue après 2024. Selon l'IEEE et la Wi-Fi Alliance, qui pilotent le développement des normes Wi-Fi, le Wi-Fi 7 se concentrera fortement sur les performances vidéo, notamment la latence déterministe, la haute fiabilité et la qualité de service. De plus, il offrira un débit trois fois plus rapide (30 Gbps) grâce à des canaux plus larges (jusqu'à 320 MHz) et des ordres de modulation QAM plus élevés.

 

Continuer à répondre aux demandes grâce à l'innovation

 

À mesure que les usines intelligentes prennent de l'ampleur, elles continueront à s’appuyer sur un patchwork de technologies de communication sans fil complémentaires, basé sur le Wi-Fi, le Bluetooth, la 4G LTE, la 5G et d'autres. Les nouvelles fonctionnalités offertes par le Wi-Fi 6 - débits de données plus rapides, latences plus faibles, consommation d'énergie réduite, capacité de réseau accrue et portée augmentée - ont le potentiel d'étendre l'empreinte de la technologie dans les usines intelligentes. Grâce à sa proximité avec l'industrie, la Wi-Fi Alliance est bien à l'écoute de ses besoins, et nous pouvons nous attendre à ce que le Wi-Fi continue de répondre aux besoins des applications industrielles émergentes au fil du temps.

Journaliste business, technologies de l'information, usine 4.0, véhicules autonomes, santé connectée

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