多世代無線通訊系統混雜環境下工業物聯網應用探討

摘要：現今工業物聯網應用中，相較於有線通訊，無線通訊因建置及維護費用低廉而逐漸成為主流。發展工業物聯網應用多年的場域，因無線通訊技術快速進步及多期程的系統建置，常常混雜多世代無線通訊設備。在此狀況下，雖有較先進的無線通訊技術，頻譜使用效率仍因必須滿足多世代相容性而無法被充分提升。在本文中，我們比較行動通訊及Wi-Fi於多世代混雜環境中之傳輸延遲、延遲抖動和封包送達率。上述效能指標為評估聯網技術導入先進工業自動化及自主化應用可行性之重要參考。數據分析顯示，當混雜大量舊世代設備，Wi-Fi於傳輸延遲、延遲抖動和封包送達率表現不及行動通訊系統，且舊世代設備數量愈多時，效能差距愈大。
Abstract：In today's industrial IoT applications, wireless communication has gradually become the mainstream due to its low cost of construction and maintenance compared to wired communication. IoT applications have been developed for many years, due to the rapid advancement of wireless communication technology and multi-stage system construction; multiple generations of wireless communication devices are often mixed. In this situation, although there are more advanced wireless communication technologies, the efficiency of spectrum usage cannot be fully improved due to the need to meet compatibility among multi-generation devices. In this article, we compare the transmission delay, delay jitter and packet delivery rate of mobile communication and Wi-Fi in a multi-generational mixed environment. The above performance indicators are important references for evaluating the feasibility of introducing networking technologies into advanced industrial automation and autonomous applications. Data analysis shows that when a large number of old-generation devices are mixed, the performance of Wi-Fi in transmission delay, delay jitter and packet delivery rate is inferior to that of mobile communication systems, and the greater the number of old-generation devices, the greater the performance gap.

關鍵詞：無線通訊、工業物聯網、網路服務品質
Keywords：Wireless communication, Industrial internet of things (IIoT), Quality of service (QoS)

前言
隨著電機資訊科技的蓬勃發展，虛實整合系統( Cyber-Physical System, CPS)、雲端儲存及計算(Cloud storage & Computing)及工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)成為推升製造業革新的主要動力。導入虛實整合系統後，資訊需求大量被蒐集、處理及分析，系統決策完成後，需迅速反應至製造現場。前者需整合高效能雲端儲存及計算科技，後者需配備穩定的工業物聯網。
為達穩定聯網，過去製造業仰賴拉線建置通訊系統，隨無線通訊技術的發展與普及，實體線路通訊方式將逐漸被取代，主因為二：拉線成本高昂、維護負擔沉重。於製造場域拉線，須配合現場工安規定架設高架線槽避免線材遭現場機具輾壓而毀損。拉線於高架線槽需執行高空作業，其設備需求及工安流程所衍生成本相當可觀。若某製造應用需拉線涵蓋大範圍場域，拉線成本支出常常使得該應用難以導入。即使完成高架線槽拉線，雖通訊穩定度較高，後續線材也可能遭受腐蝕及動物咬斷。一旦線材毀損，複雜查線及系統回復也將耗費大量成本。
對比實體線路，無線通訊可避免繁複拉線工程，建置完成後，若系統停擺，維護僅需更換故障設備。因此，我們預期將有越來越多智慧製造應用採無線通訊作為工業物聯的系統基礎。例如：現場資料蒐集相關應用，若資料取得的即時性需求不高，採無線通訊是具體可行且建置成本低的導入方式。若遇突發性斷線，採本地備份、復歸續傳的作法依然可保有所蒐集資料的完整性。
雖然無線通訊將帶來革命性工業物聯方式轉變，隨著無線工業物聯網技術發展，可預期製造場域內將遍佈多世代通訊設備。多世代通訊設備的管理及向下相容將成為未來亟待解決的問題。單一通訊聯盟發展之先進通訊技術都須向下相容前一世代的同聯盟認證設備，舉例來說：Wi-Fi 6的基地台，需可接受Wi-Fi 4及Wi-Fi 5的終端連線。若多世代設備混合聯網，向下相容的結果將導致新世代通訊能力被限縮，可能影響智慧製造應用建置後的可行性。
在本文中，我們比較目前最熱門的兩種無線通訊技術：Wi-Fi 6及5G，在多世代通訊設備聯網且須向下相容的情境下，分析舊世代終端聯網對系統效能所帶來的負擔。透過南臺科大所提供之5G專網環境，我們建構多世代通訊評估平台，並以相同的環境、設備執行對比實驗。實驗結果指出，Wi-Fi在多世代通訊設備混合聯網情境下，由於基地台與各聯網設備運作於相同頻段，使得聯網服務品質(Quality of Service, QoS)參數：傳輸延遲(Latency)、延遲抖動(Delay Jitter)及封包送達率(Packet Delivery Rate)受到影響。反觀5G，由於與4G或3G的基地台運作於獨立頻段，影響較不明顯。
本文後續章節規劃如下：首先，我們將簡述Wi-Fi及5G的發展，並說明新、舊世代通訊技術差異及多世代系統混合聯網時，系統向下相容可能面臨的衝擊。接下來，我們會描述在南臺科大5G專網場域系統的建置及實驗導入方式，接著呈現實驗結果。最後，我們總結並提出後續可行的處理方式。
Wi-Fi
自1997年發布IEEE 802.11初版通訊標準以來，經歷了約25年的技術演進，除預計將會被定為Wi-Fi 7的IEEE 802.11be標準正修訂中尚未商轉外，其餘已商用之Wi-Fi技術 [1] 包含IEEE 802.11b/a/g/n/ac及目前主流的Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax)，最大傳輸速率從802.11a/g的54 Mbps、802.11n的600 Mbps，進展至最大傳輸速率可超過6.9 Gbps的802.11ac和9.6 Gbps的802.11ax。隨智慧製造場域傳輸需求上升，具有更大傳輸速率且相容於先前世代的Wi-Fi 6通訊設備，成為智慧製造的主要通訊方式之一。
由於Wi-Fi 6可運作於2.4 GHz或5 GHz頻段，因此同樣可運行於此二頻段的Wi-Fi 4 (IEEE 802.11n)及Wi-Fi 5 (IEEE 802.11ac)，將對Wi-Fi 6造成較為顯著的干擾。在多世代混雜的無線通訊環境中，除共用頻段所造成的干擾，不同的訊號調變方式也影響了各個世代的傳輸效能。相較Wi-Fi 5所使用的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)，Wi-Fi 6更進一步使用正交分頻多重存取（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA），能在相同頻寬及用戶數量條件下提升頻譜使用效率。如圖1，若採OFDM系統，單一時間，單一頻帶僅能分配給單一使用者，若該資源無法全數利用，將造成浪費。反觀採OFDMA系統，頻譜資源可拆分為資源單元(Resource Unit)供多使用者分時利用，資源浪費狀況將獲得有效改善。

圖1  OFDM與OFDMA頻譜使用效率示意圖

對於單一Wi-Fi 6基地台而言，若其負責多世代終端混合聯網資料接取，則需在接取舊世代設備傳輸時採舊世代調變技術，此舉將導致頻譜使用效率下降。