Wi-Fi 6: cómo cubrir las necesidades cambiantes de las actuales fábricas inteligentes

Pelle Svensson

Market Development Manager, Product Center Short Range Radio, u-blox

Las fábricas inteligentes son entornos adversos para las tecnologías de comunicación inalámbrica. Veamos cómo sigue evolucionando Wi-Fi para seguir siendo capaz de superar este reto.

Cuando se empezó a instalar Wi-Fi en las fábricas conectadas su tarea era sencilla: lograr que unos pocos dispositivos se comunicaran entre sí. Hoy la situación es completamente distinta. Si hace solo una década la fábrica inteligente era como una plaza vacía, ahora es más bien como un mercado bullicioso. El lugar es el mismo, pero el contexto ha cambiado de manera radical. Al igual que en un mercado ruidoso, el aire está atestado de ondas y los dispositivos tienen que recorrer largas distancias para hacerse oír.

Afortunadamente, las tecnologías inalámbricas han seguido evolucionando con el fin de cubrir las necesidades cada vez más exigentes de los mercados que atienden. Y el Wi-Fi no es una excepción. En este artículo veremos cómo el avance de la digitalización en las fábricas y las nuevas aplicaciones impulsan la demanda de Wi-Fi, la tecnología inalámbrica que transporta alrededor del 45% del tráfico global de IP y el 60-80% del tráfico inalámbrico.

Wi-Fi ha recorrido un largo camino desde los días (hace solo dos décadas) en que apenas ofrecía 54 Mbps. En 2009, Wi-Fi 4 (o IEEE 802.11n como se conocía anteriormente) dio un gran salto en su rendimiento junto con la banda de 5 GHz introducida en IEEE 802.11a y las mayores velocidades de transmisión de los datos en ambas bandas. La compatibilidad de los puntos de acceso del Wi-Fi 4 con dispositivos que incorporaban versiones anteriores de la tecnología,  ayudó a impulsar la adopción de esta tecnología.

En 2013, Wi-Fi 5 (o IEEE 802.11ac) dio otro salto en su rendimiento hasta alcanzar 6,8 Gbps, si bien solo en la banda de 5 GHz. Más recientemente, Wi-Fi 6 redobló la apuesta con mejoras de su rendimiento en todos los frentes, en concreto su capacidad para manejar más tráfico,un número mucho mayor de clientes con más eficiencia, de ahí que en ocasiones también se le denomine High-Efficiency Wireless (HEW).

En este artículo exploraremos los innovadores avances que ha aportado Wi-Fi 6 para cubrir los requisitos actuales en cuanto a alto rendimiento (cerca de 10 Gbps), así como de proporcionar un rendimiento fiable a larga distancia, con baja latencia, mínimo consumo, coexistencia y traspaso rápido.

Expectativas de la industria hacia Wi-Fi

Dado que cada nueva versión del estándar Wi-Fi ha elevado el rendimiento hasta nuevas alturas, la tecnología ha encontrado hueco en aplicaciones cada vez más sofisticadas y exigentes. Al mismo tiempo ha seguido impulsando la demanda de nuevas mejoras en el estándar con el fin de cubrir las necesidades de comunicación inalámbrica que han ido surgiendo, incluidas las habituales en las instalaciones industriales.

La alta disponibilidad es primordial en las plantas industriales donde el tiempo de inactividad se traduce directamente en pérdida de ingresos. En los abarrotados entornos de RF esto exige robustez frente a las interferencias de otros dispositivos, así como un alto rendimiento que permita acortar los tiempos de transmisión y liberar ancho de banda con rapidez tras cada comunicación. Garantizar la escalabilidad, es decir, la capacidad de conectar a clientes adicionales a la red sin necesidad de añadir puntos de acceso, es clave para que Wi-Fi ofrezca conectividad a la red a un número de dispositivos en constante aumento.

Los rápidos tiempos de respuesta son esenciales para los sistemas de automatización industrial utilizados, por ejemplo, para organizar procesos en líneas de producción complejas. Como hay cada vez más dispositivos móviles conectados a la red, desde robots hasta herramientas eléctricas inteligentes, la fluidez de la itinerancia está ganando importancia con el fin de evitar largos intentos de reconexión cuando el dispositivo entra dentro del área cubierta por un nuevo punto de acceso. Además para simplificar las operaciones y mantener unos costes bajos son primordiales una puesta en marcha y un mantenimiento sencillos.

Ventajas de Wi-Fi 6

Si Wi-Fi 4 proporcionaba un “alto rendimiento” y Wi-Fi 5 un “muy alto rendimiento”, Wi-Fi 6, que fue presentada en 2018, se ha centrado en una “alta eficiencia”. El salto de 6,8 Gbps a 9,6 Gbps puede ser menos espectacular que algunos incrementos en un orden de magnitud de versiones anteriores, pero donde Wi-Fi 6 brilla de verdad es en su uso más eficiente del ancho de banda disponible ya que permite albergar más clientes por punto de acceso sin que ello afecte a las prestaciones de la red.

La clave para el manejo eficiente de un mayor número de clientes es una serie de innovaciones tecnológicas:

• MU-OFDMA (Multi-user orthogonal frequency division multiple access), una técnica utilizada para cortar y fragmentar el ancho de banda disponible en unidades de recursos de diversos tamaños, proporcionando así a los puntos de acceso la flexibilidad de atender simultáneamente a diversos clientes con los recursos precisos que requieran.

MU-OFDMA multiplica por cuatro el número de clientes que puede manejar un determinado número de puntos de acceso.

• MU-MIMO (Multi-user multiple input multiple output) permite que los puntos de acceso dirijan flujos de datos únicos a diversos clientes de manera simultánea, tanto en el enlace ascendente como en el descendente.
• 1024 QAM (1024 quadrature amplitude modulation) ofrece la posibilidad de codificar más información en cada símbolo. Wi-Fi 6 puede introducir 10 bits en un símbolo, es decir, una capacidad un 25% más alta que Wi-Fi 5, que utiliza 256 QAM.
• Además el coloreado BSS ayuda a asegurar que los canales con diferentes “colores” no interfieran entre sí.
• Finalmente, el TWT (target wake time) permite que los dispositivos ahorren batería y aumenten la autonomía.

Las mismas tecnologías que han permitido incrementar las densidades de clientes también han aumentado el rendimiento: en lugar de cortar el ancho de banda para atender a varios dispositivos, MIMO puede agrupar el ancho de banda y poner varios flujos a disposición de un solo cliente.

Al permitir la transferencia simultánea de datos hacia o desde varios clientes, MU-OFDMA ayuda a reducir la congestión, un problema común en las redes densas, con el fin de garantizar la entrega de los datos con la mínima latencia.

Y gracias a la nueva función TWT, los puntos de acceso pueden ordenar a los dispositivos que pasen a un modo de bajo consumo con tiempos de activación preprogramados. Los tiempos muy largos de reposo factibles pueden mejorar considerablemente la duración de la batería, sobre todo en sensores inalámbricos que solo transmiten datos de forma esporádica.

Aprovechamiento del espectro de 6 GHz con Wi-Fi 6E

Para superar la principal limitación de recursos, que es el espectro disponible, organismos reguladores como la FCC en EE.UU. han abierto la banda de 6 GHz para comunicación Wi-Fi sin licencia, duplicando o más en algunos casos el espectro anteriormente disponible sumando las bandas de 2,4 y 5 GHz. Los puntos de acceso y los dispositivos finales capades de usar los 1200 MHz del nuevo espectro se denominarán Wi-Fi 6E.

Entre las ventajas de la banda de 6 GHz se encuentran su proximidad a la banda de 5 GHz ya muy utilizada así como la abundancia de canales no superpuestos con diversos tamaños del canal. Y debido a que el nuevo espectro está muy desaprovechado, los dispositivos no tendrán que competir con clientes anteriores que llenan las ondas.

Wi-Fi 6 en las actuales fábricas inteligentes

Wi-Fi se ha convertido en un pilar en las fábricas inteligentes, en la tecnología inalámbrica favorita, a menudo complementada con Bluetooth, así como con tecnologías de comunicación celular, tanto propietarias como no propietarias. Es probable que
Wi-Fi 6 consolide su posición gracias a muchas de las nuevas funciones indicadas con anterioridad.

La imagen inferior muestra las aplicaciones que probablemente se vean más favorecidas por las mejoras de Wi-Fi 6.

Redes de sensores industriales: Los sensores conectados de forma inalámbrica se han extendido en las plantas industriales y se usan, por ejemplo, para monitorizar las vibraciones y la temperatura en mantenimiento predictivo. En la actualidad se suelen basar en protocolos de comunicación con un consumo optimizado, como Bluetooth low energy o IEEE 801.15.4.

El bajo consumo Wi-Fi 6 se debe a que permite a los dispositivos entrar en reposo durante largos períodos de tiempo por medio de la nueva función TWT. Reducir su demanda de energía hace que los sensores Wi-Fi aumenten su autonomía y simplifiquen su mantenimiento. Además la desconexión de los dispositivos disminuye la congestión del espectro.

Control de movimiento: Las mejoras en la latencia y la calidad de servicio que ofrece OFDMA convierten a Wi-Fi 6 en una prometedora tecnología de comunicación inalámbrica para aplicaciones de control. Al mismo tiempo, es probable que la configuración del dispositivo se siga beneficiando del bajo consumo y la ubicuidad de Bluetooth.

Interfaces hombre-máquina (HMI): La capacidad de los puntos de acceso a Wi-Fi 6 de manejar una mayor densidad de dispositivos, conservando un buen rendimiento en cada dispositivo,junto con una baja latencia, hacen de Wi-Fi 6 una prometedora tecnología capaz de dar lugar a sencillas HMI basadas en tablets y utilizadas para leer los datos procedentes de máquinas conectadas e incluso de HMI más avanzadas de realidad aumentada.

Realidad Aumentada (AR): El avance natural de las HMI que utilizan interfaces gráficas de usuario de tipo estático o portátil es la realidad aumentada. Bien sea a través de tablets o de gafas inteligentes, la realidad aumentada puede superponer información en tiempo real, documentación o planos sobre la imagen de una cámara en la tablet o, mediante gafas inteligentes, en el campo de visión del usuario. La realidad aumentada puede lograr que los ingenieros visualicen esquemáticamente el funcionamiento interior de sus máquinas y evalúen problemas sin necesidad de interrumpir los procesos de producción.

Redes de malla (mesh): La tecnología de malla tiene diversas aplicaciones en las plantas industriales, como el control centralizado de luces inteligentes en las instalaciones y la recogida de datos de sensores distribuidos para su procesamiento en la nube. Si bien Bluetooth continúa siendo la tecnología inalámbrica más utilizada para enviar datos entre nodos y hasta la puerta de enlace, Wi-Fi está mejor adaptada para el tramo final de la transmisión entre la puerta de enlace y la nube de la empresa. Queda por ver si el bajo consumo de Wi-Fi 6 logra facilitar la adopción más generalizada de las soluciones de malla
Wi-Fi en el segmento industrial.

Otros tipos de fábricas conectadas por Wi-Fi

Si bien Wi-Fi 6 supera a Wi-Fi 4 prácticamente en todos los aspectos, muchas aplicaciones estáncubiertas a la perfección por la antigua versión de la tecnología. En estos casos, ocurra, los directores de planta pueden aprovechar el menor coste y el desarrollo simplificado de Wi-Fi 4.

Del mismo modo que Wi-Fi 6 se consolida en su nuevo nicho, se están destinando esfuerzos para elevar las prestaciones aún más con la versión Wi-Fi 7, prevista para después de 2024. Según el IEEE y la Wi-Fi Alliance, que impulsan el desarrollo de los estándares Wi-Fi, Wi-Fi 7 se centrará mucho en prestaciones de vídeo como la latencia determinística, la alta fiabilidad y la calidad de servicio. Además multiplicará por tres el rendimiento (30 Gbps) gracias a sus canales más anchos (hasta 320 MHz) y a los órdenes de modulación QAM más elevados.

Wi-Fi: seguir cubriendo la demanda a través de la innovación

Las fábricas inteligentes siguen cobrando impulso y en paralelo seguirán dependiendo de un conjunto de tecnologías de comunicación inalámbrica complementarias y basadas en Wi-Fi, Bluetooth, 4G LTE, 5G y otras. Las nuevas funciones que ofrece Wi-Fi 6 (velocidades más altas de transmisión de los datos, menores latencias, consumo más bajo, mayor capacidad de la red y mayor alcance) tienen el potencial de expandir la introducción de esta tecnología en las fábricas inteligentes. Gracias a la proximidad de la Wi-Fi Alliance a la industria conoce bien sus necesidades por lo que es de prever que Wi-Fi continúe cubriendo las necesidades de las aplicaciones industriales que surjan con el paso del tiempo.