WIA-FA、 WiFi、5G技术通信性能对比报告

作者：杨雨沱中科院沈阳自动化研究所；张心岸沈阳师范大学；张少伟辽宁工控科技有限公司

摘要：本文撰写目的在于面向离散制造业无线通信高实时与高可靠的要求，通过实际测试全面对比WIA-FA网络与WiFi 4网络之间的传输时延、传输可靠性，同时初步对比WIA-FA与WiFi 6和5G-NR之间的传输性能，其对比结果能够最终便于用户在不同工业应用下选择合适的无线技术。

1.引言

信息和通信技术的迅速发展将引发一场新的工业革命，它将实现传统工业向智能制造的转变，其中离散制造是智能制造的关键一环。无线网络具有成本低、维护费用少、可扩展性好以及适用于移动和旋转设备等优势，因此无线网络是实现离散制造必不可少的关键技术之一。

离散制造业对确定性传输敏感，并且在传输可靠性、时延和抖动方面对无线技术提出了严格的要求。其中WIA-FA（GB/T 26790.2 -2015）是唯一面向离散制造业工厂自动化应用的技术规范，是由中国科学院沈阳自动化研究所牵头研发的具有完全自主知识产权的国产无线通信技术，目前在离散制造业领域已逐步替代了部分IEEE 802.11n (WiFi 4)的市场，同时一些新兴高性能的无线网络包括IEEE 802.11ax (WiFi 6)和5G-NR也同样适用于工业应用。

通过对WIA-FA、WiFi以及5G标准的分析与理解，WIA-FA技术更侧重于通信实时性与可靠性的保障，而WiFi与5G技术更侧重于对高带宽性能的保障。

2.WIA-FA网络与WiFi 4网络性能对比测试

2.1 测试环境

测试环境如图1所示，测试在一个7m×10m的空办公环境中进行，所有现场设备部署在一个铁架上，设备间距离约为5-10cm，一个接入设备放置在距离铁架5 m的桌子上，且铁架与桌子间无障碍物。

图1 测试平台环境

考虑到无线通信质量对环境变化十分敏感，因此对于测试环境进行精确监测时十分必要的。本测试平台在2.462GHz频段操作，采用第三方设备NetScout AirCheck G2对信道状态进行监测，设备如图2所示，可用于监控信道的利用率、信号强度和噪声。

图2 第三方监控设备用于信道状态监测

环境监测从上午的6点持续到下午11点，其信道状态变化趋势如图3所示，信道状态随着时间段推移而产生剧烈波动，但是由于测试环境为较为规律的办公环境，每天信道的状态变化趋势相近，因此利用这些特征在不同的时间段进行多次测试，取平均值，以保证实验的公平性。此外，由于空间多样性，即使在相同时间，不同现场设备位置监测到的信道条件也会不相同，并且上下行传输链路也是不对称的。

(a) 信道利用率 (b) 信号强度和噪声

图3 信道状态变化

(a) 空间多样性 (b) 非对称链路

图4 信道条件

2.2 测试平台

根据工业无线网络的实际应用，测试系统考虑两种测试场景：一种是无顺序约束场景；另外一种是有顺序约束场景。针对于无顺序约束的场景，WIA-FA网络和IEEE 802.11n网络架构如图5所示，架构分为上下两层，上层包含主机、交换机、网关、接入设备、接入控制设备，通过有线进行连接；下层包含现场设备，与接入设备通过无线进行连接。其中，主机负责周期性生成测试数据包，并将数据包通过有线经由交换机传输到网关或者接入控制器；网关或者接入控制器实现协议转换、网络管理器和安全管理器的功能，负责对网络中的通信资源进行集中调度分配；接入设备负责网关设备与现场设备之间的数据转发；现场设备工作于工业现场，与传感器、执行器等相连，能够根据分配的通信链路进行无冲突的数据传输。此外，为保证测试对比的全面性，测试系统考虑了IEEE 802.11n (WiFi 4)网络的两种AP模式：瘦AP模式（接入设备与接入控制设备共同协作执行网关工作）和胖AP模式（接入设备独立执行网关工作）。每种模式的WiFi网络考虑两种通信方式：广播和单播。因此，总结来说WiFi 4一共有4种模式：FAM-B（胖AP模式广播）、FAM-U（胖AP模式单播）、TAM-B（瘦AP模式广播）、TAM-U（瘦AP模式单播）。

图示

描述已自动生成

(a) WIA-FA/瘦AP模式WiFi架构 (b) 胖AP模式WiFi架构

图5无顺序约束场景下网络架构

针对有顺序约束场景，关注于现场设备接收到的数据包顺序是否满足约束，因此在现场设备端采用无线和有线相结合的方式完成测试。该场景下，WIA-FA网络和WiFi网络架构如图6所示。主机周期性产生测试数据包，经由交换机到达网关/接入控制器，再通过有线方式传输给接入设备，接入设备将测试数据包通过无线的方式传输给现场设备，现场设备在接收到测试数据包后通过有线方式将数据包传回至主机。

图示

描述已自动生成

(a) WIA-FA/瘦AP模式WiFi架构 (b) 胖AP模式WiFi架构

图6 有顺序约束场景下网络架构

2.3 无顺序约束场景测试过程及测试结果

2.3.1测试过程

无顺序约束场景测试系统对不同规模网络进行详细测试，其中网络规模包括16节点、32节点、48节点、64节点和96节点。测试过程中所使用的超帧一共包含256个时隙，每个时隙128 μs。主机周期性生成一组数据包，依次在超帧中的下行时隙发送给节点，节点接收到数据包后在对应的上行时隙中将数据包传回至主机，由主机记录数据包的发送、接收时间和数据包数量。每个数据包最多可以重传10次。令N为网络中的现场设备数量，为主机向节点i传输的数据包数量，为节点接收到的数据包数量，T表示数据包产生周期，P代表一次实验进行传输的周期数。

无顺序约束场景：令和分别表示主机传输数据包和现场设备接收数据包的时间。在工业无线网络中，两个重要的性能指标（传输可靠性R和传输时延）被用于评估传输性能。其中，测试系统中考虑的可靠性为数据包在给定截止时间前被成功接收的比率，也就是同时考虑数据包丢失和超时失败两种情况。数据包丢失一般发生在主机没能成功接收到现场设备返回的数据包，可以表示为

超时失败表示当数据包被成功返回给主机设备，但是其传输时延超过了截止时间，那么也认为该数据包传输失败，可以表示为

其中为1当数据包的传输时延大于截止时间，也就意味着数据包超时失败，否则为0。

则在无顺序约束场景下，数据包传输可靠性可以表示为

测试系统中涉及的传输时延指标对应的是数据包上下行的往返时延，一个成功传输数据包的时延可以表示为

基于工业应用需求，测试系统采用多个方面来反应数据包的传输时延，包括：平均传输时延，传输时延的标准差、极差和抖动，可以分别表示为

平均传输时延：

传输时延的标准差：

传输时延的极差：

传输时延的抖动：

2.3.2测试结论

通过多轮测试，对WIA-FA网络和WiFi网络的可靠性和时延进行全面对比，对比结果如图7所示。WIA-FA网络的传输可靠性，平均时延和可靠性增益明显优于WiFi网络。针对可靠性指标，随着数据生成周期降低到临界值一下，我们可以观察到网络传输可靠性几句下降且接近0。此外随着数据生成周期增加，用于数据传输的资源足够时，无论数据生成周期如何变化，WIA-FA网络的性能都基本保持不变，WiFi网络的性能也显著增长，但始终低于WIA-FA网络。

(a) 16节点网络可靠性 (b) 16节点网络时延

(e) 48节点网络可靠性 (f) 48节点网络时延

(g) 64节点网络可靠性 (h) 64节点网络时延

(i) 96节点网络可靠性 (j) 96节点网络时延

图7

测试系统进一步考虑变化网络规模对网络性能的影响，如图8所示，测试系统固定数据包生成周期为90ms，随着网络规模增加，WIA-FA网络和WiFi网络的传输可靠性降低，这是由于有限的时隙资源不足以支持大规模网络中的多次重传。同时，WIA-FA网络的可靠性下降比WiFi网络可靠性下降明显少。此外，对于超时数据包的占比来说，WiFi网络中的超时数据包比例远大于WIA-FA网络，另外，采用接入控制器的WiFi网络（瘦AP模型的WiFi网络）可以提高重传效率，从而减少超时数据包比例。最后，WIA-FA的平均传输时延，传输时延的标准差，极差和抖动明显低于WiFi网络。从而，我们可以得到WiFi网络的传输时延的大幅波动将给工业应用带来潜在的不稳定问题。

(a) 可靠性 (b) 平均传输时延

(a) 超时数据包比例 (b) 传输时延标准差

(a) 传输时延极差 (b) 传输时延抖动

图 8

2.4.有顺序约束场景测试过程及测试结果

2.4.1测试过程

有顺序约束场景测试系统对不同规模网络进行详细测试，其中网络规模包括16节点、32节点、48节点、64节点和96节点。测试过程中所使用的超帧一共包含256个时隙，每个时隙128 μs。主机周期性生成一组数据包，依次在超帧中的下行时隙发送给节点，节点接收到数据包后直接通过有线传回到主机，由主机记录数据包的发送、接收时间和数据包数量。数据包最多重传10次。

有顺序约束场景：测试系统着眼于数据包的到达顺序特征来定义错序率指标进而反应该场景下的数据包传输可靠性。令表示现场设备接收到数据包的顺序，表示接收数据包的现场设备标号。测试系统考虑两种顺序约束包括严格顺序约束和最大递增顺序约束。

严格顺序约束指的是接收的数据包顺序必须与现场设备的标号完全对应，否则记为错序数据包，则满足严格顺序约束的数据包数量可以表示为

其中为一个指示函数用于过滤未在截止时间前成功传输的数据包（也就是过滤超时数据包），为另一个指示函数来过滤符合严格顺序约束的数据包，具体表示为：

最大递增顺序约束指的是现场设备接收数据包的顺序应满足递增约束，否则判定为错序数据包，满足最大递增顺序约束的数据包数量可以表示为

其中为一个指示函数用于过滤最大递增顺序约束的数据包，具体表示为：

考虑顺序约束条件下，测试系统采用错序率指标评估网络性能，依据不同的约束的错序率可以分别表示为

2.4.2测试结论

多轮测试后，对WIA-FA网络和WiFi网络在不同顺序约束下的可靠性进行全面对比，对比结果如图8所示。其中，瘦AP模式的WiFi网络性能非常差，几乎都发生了错序情况，这是由于数据包通过接入控制器后，导致数据包传输顺序产生错误。除此以外，针对于固定规模的网络，随着数据生成周期的增加，相应的错序率会降低。而随着网络规模、数据生成周期等因素的变化，WIA-FA网络的严格错序率和最大增量错序率始终低于胖AP模式的WiFi网络，并且其波动幅度更小。

(a) 16节点网络可靠性 (b) 32节点网络可靠性

(e) 96节点网络错序率

图8 WIA-FA网络与WiFi网络错序率对比

3.WIA-FA网络与WiFi 6网络性能对比测试

3.1 测试环境

测试环境如图9所示，在一个法拉第笼（也称为暗室）中进行，所有的现场设备放在一个木桌上，设备间距离约为15cm，一个接入设备放置在距离木桌6.5m的桌子上，且接入设备与现场设备之间无障碍。并且，在暗室环境下，完全无干扰、无噪声。

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图9 暗室测试环境

3.2 测试平台

测试系统在无顺序约束场景下完成，WIA-FA网络架构如图5(a)所示，IEEE 802.11ax (WiFi 6)网络使用胖AP模式广播和单播(WiFi 6-B和WiFi 6-U)，其网络架构如图5(b)所示。

3.3无顺序约束场景测试过程及测试结果

3.3.1测试过程

在无顺序约束场景下对16节点网络进行测试，测试过程中使用的超帧一共包含256个时隙，每个时隙128 μs。主机周期性生成一组数据包，主机周期性生成一组数据包，依次在超帧中的下行时隙发送给节点，节点接收到数据包后在对应的上行时隙中将数据包传回至主机，由主机记录数据包的发送、接收时间和数据包数量。每个数据包最多可以重传10次。测试系统对比在完全无噪声和干扰的条件下，网络的可靠性和平均时延。

3.3.2测试结论

测试结果如图10所示，当数据生成周期小于5ms时，WIA-FA网络的传输可靠性低于WiFi6网络的传输可靠性，而随着数据生成周期增加，所有比较网络的传输可靠性急剧上升，并且WIA-FA网络具有更高的可靠性。考虑到平均传输时延，WIA-FA网络基本上时稳定的，而WiFi 6网络的平均传输时延明显高于WIA-FA网络。

(a) 16节点网络可靠性 (b) 16节点网络平均时延

图10 WIA-FA网络与WiFi 6网络性能对比

4.WIA-FA网络与5G网络性能对比测试

4.1 测试环境描述

测试环境如图11所示，在一个35m×17m的工厂环境中，部署了3个客户终端设备单元(CPE)和6个射频拉远单元(RRU)。RRU与CPE单元之间无障碍。测试系统中部署的5G设备都是专门提供给工厂中的，因此无其他设备与测试设备产生干扰和资源共享。在相同位置下，WIA-FA网络部署了1个接入设备和3个现场设备，进行对比。

图11 5G网络测试环境

4.2 测试平台描述

测试系统在无顺序约束场景下完成，WIA-FA网络架构如图5(a)所示，5G网络架构如图12所示，由主机、基带单元(BBU)、用户终端设备单元和远端射频单元组成。其中，主机周期性生成的下行数据包传输到接入服务器，再通过光纤通过核心网传输到BBU和RRU。最后，RRU将数据包无线发送到CPE。相反，来自CPE的上行链路数据包被传输到主机。