無線技術(shù)的共存性在開放的工廠內(nèi)應(yīng)用結(jié)構(gòu)體系中

在某些過程工業(yè)應(yīng)用中，人們對于工廠內(nèi)無線技術(shù)的應(yīng)用還存在一些顧慮，主要是因?yàn)閾?dān)心采用無線方案后，無線電頻率會干撓某些重要通訊的可靠性。由艾默生過程管理公司和思科系統(tǒng)公司共同開發(fā)的開放的基于標(biāo)準(zhǔn)的無線結(jié)構(gòu)解決了這方面的問題，它采用全網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和其它技術(shù)，確保在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)中的通訊達(dá)到極高的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行的共存測試證明：這種結(jié)構(gòu)體系對網(wǎng)絡(luò)可靠性無明顯影響。

介紹
新建工廠的無線技術(shù)應(yīng)用已逐步在過程工業(yè)領(lǐng)域獲得認(rèn)可，與傳統(tǒng)的有線方案相比，它的安裝成本更低、安裝速度更快。無線應(yīng)用包括監(jiān)測過程和設(shè)備狀態(tài)、使工廠人員更方便地獲得工廠任何地方的信息、可跟蹤到遠(yuǎn)程設(shè)備和人員的情況。

然而，還有一些過程工業(yè)對采用這項(xiàng)新技術(shù)或其它新的解決方案存有疑慮，主要擔(dān)心多種無線技術(shù)互相之間可能存在射頻干擾而影響主要通訊的可靠性，例如使用IEEE 802.11b/g 和IEEE 802.15.4[1] 協(xié)議的無線電。

因?yàn)?02.11和802.15.4無線電通訊采用的也是用于工業(yè)、科技和醫(yī)療的2.4GHz波段，業(yè)內(nèi)人士曾提出這樣一個(gè)問題：這些技術(shù)是否能夠共存？以往對這些問題的諸多研究主要針對這2種無線電通訊方式的靜態(tài)頻道運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，還沒有數(shù)據(jù)可以證明采用跳頻和全網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)的設(shè)備是否可以共存。

來自于艾默生過程管理公司和思科系統(tǒng)公司的基于開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的無線結(jié)構(gòu)正是采用了這些先進(jìn)技術(shù)為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)提供具有高可靠性的通訊。進(jìn)一步對該結(jié)構(gòu)的多種應(yīng)用進(jìn)行測試表明，即使在最嚴(yán)酷的工況中，這些技術(shù)也完全可以共存。

在使用一個(gè)綜合性的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的其它一些方面，如安全和網(wǎng)絡(luò)管理。本文主要介紹無線電頻率的兼容性以及它如何在艾默生/思科的方案中實(shí)施。思科和艾默生可提供針對安全和網(wǎng)絡(luò)管理方面的方案，并將繼續(xù)致力于測試和發(fā)布最佳的過程工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)方案。
筆者作者衷心感謝Dust Networks公司的Kris Pister先生為本文提供數(shù)據(jù)和相關(guān)信息。

共存性的基本知識

共存的意思就是“一套系統(tǒng)可在共享環(huán)境中工作，在此共享環(huán)境中，其它系統(tǒng)無論是否使用相同的標(biāo)準(zhǔn)都可以各自工作。”這是根據(jù)點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞成功率來衡量的。

當(dāng)2個(gè)以上的傳送包具有足夠的干擾能量或頻率（除非網(wǎng)絡(luò)本身的設(shè)計(jì)就是抗干擾的），設(shè)備的共存就有問題了。人們處理這種問題的方法包括以下幾種：
􀂃 頻率多樣性--跳頻
􀂃 時(shí)間多樣性—時(shí)分多路復(fù)用和空頻道檢測
&#1048707; 功率多樣性—低功率輸出( <= 10dBm)
&#1048707; 空間多樣性—網(wǎng)狀技術(shù)通過多組跳頻而不是輸出功率來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
&#1048707; 編碼多樣性—采用先進(jìn)的直接序列展頻技術(shù)

室外網(wǎng)格
下圖顯示的是使用IEEE802.11b/g (Wi-Fi)和IEEE 802.15.4無線電傳輸中存在的潛在干擾。

如果是重疊頻道，室內(nèi)的802.11b/g輻射功率是802.15.4的10到100倍，而在室外將達(dá)到400倍。

對于非重疊通道，802.11 b/g的側(cè)斜率會影響802.15.4通道，使之落入802.11 b/g通道之間的保護(hù)頻帶（上圖中紫色區(qū)域），但其程度較小。在北美洲，這些通道編號為15、20、25和26；在歐洲，這些通道編號為15、16、21和22。

盡管之前在這個(gè)領(lǐng)域的研究和測試表明，802.11b/g對于802.15.4是有影響的，但必須聲明，所有這些測試中的無線電通訊都沒有采用以上提到的技術(shù)，我們將這些技術(shù)都?xì)w到一種叫時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式中，通過這種方式可以減少干擾的影響。

低功率802.15.4無線電對于802.11b/g的影響應(yīng)該會降到最低。

無線結(jié)構(gòu)

得益于艾默生在過程自動化工業(yè)中的領(lǐng)先技術(shù)和思科在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)備方面的領(lǐng)先技術(shù)，2家公司共同開創(chuàng)出一個(gè)開放的、基于標(biāo)準(zhǔn)的工廠內(nèi)無線構(gòu)架。

對于用戶在共存方面的擔(dān)心，2家公司都非常了解，因而在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，特別為現(xiàn)場級和工廠級的無線網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)勁可靠的通訊能力。


無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)

艾默生的智能無線方案利用自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢采用IEEE 802.15.4無線電頻率，這符合WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供冗余的通訊路徑（路徑的多樣性），與設(shè)備之間直接的有線通訊或通過網(wǎng)關(guān)通訊相比，這樣可以實(shí)現(xiàn)更好的可靠性。任何時(shí)候由于網(wǎng)絡(luò)或環(huán)境發(fā)生變化而影響到通訊，設(shè)備和網(wǎng)關(guān)會一起尋找其它路徑，以最低的耗電量確保數(shù)據(jù)的可靠性。

還有一些其它的功能有助于提高通訊可靠性。隨機(jī)頻道跳頻實(shí)現(xiàn)了頻率分集。時(shí)分多址（TDMA）可實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集，確保了一個(gè)頻道同時(shí)只允許一臺設(shè)備發(fā)送信號。低電耗設(shè)備實(shí)現(xiàn)功率分集。直接序列展頻技術(shù)（DSSS）可實(shí)現(xiàn)+8dB的編碼增益或分集。

這些功能不僅避免了無線電頻率的干擾，同時(shí)也防止了來自于工廠的馬達(dá)、電燈或其它設(shè)備的電子干擾。在諸多過程控制工廠的實(shí)際應(yīng)用中，艾默生的無線設(shè)備已經(jīng)被證實(shí)具有以上這些功能，而且數(shù)據(jù)可靠性達(dá)到99.9%以上。

無線工廠網(wǎng)絡(luò)
思科無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)方案基于思科的Aironet&reg;1500系列，這是一種戶外Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)訪問接入點(diǎn)，它采用思科正在申請專利的適應(yīng)無線路徑協(xié)議（AWPP），該協(xié)議正是現(xiàn)行IEEE 802.11s標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。思科Aironet 1500系列可進(jìn)行通道優(yōu)化，并可從射頻干擾、終斷、跳頻中自行恢復(fù)，當(dāng)有新的部件加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)還可進(jìn)行動態(tài)再優(yōu)化。

為了滿足地形復(fù)雜以及危險(xiǎn)工業(yè)工況的需求，思科研發(fā)出了Aironet 1520系列專門應(yīng)用于這種工廠環(huán)境。該系列產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)零接觸組態(tài)，從而使組網(wǎng)更方便、更安全。靈活、高功率，且靈敏的無線電頻率，再加上高增益天線，就可根據(jù)需求擴(kuò)大信號覆蓋范圍。思科Aironet 1520由思科無線局域網(wǎng)控制器和思科無線控制系統(tǒng)（WCS）進(jìn)行監(jiān)控和管理。

思科1500無線接入器采用適應(yīng)無線路徑協(xié)議，能夠自動進(jìn)行互相尋址，選擇最佳的路徑，以最短的響應(yīng)時(shí)間使系統(tǒng)容量最大化。如果其中一個(gè)路徑信號減弱，那么無線接入點(diǎn)就會判斷是否有更好的路徑存在，并與這個(gè)最佳的節(jié)點(diǎn)建立連接路線。

標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢

用于現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)的802.15.4和用于工廠級網(wǎng)絡(luò)的802.11都是采用基于IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，它在處理共存問題具有絕對的優(yōu)勢。IEEE學(xué)會聯(lián)合802無線標(biāo)準(zhǔn)工作小組和共存技術(shù)專家顧問團(tuán)（802.19）建立一個(gè)可在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（包括正在開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)）中共存的框架。

共存性測試

測試的目的是為了對比在同一個(gè)工過程工廠中使用思科IEEE 802.11b/g工廠級網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)應(yīng)用程序，以及使用由Dust Networks公司提供的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和IEEE 802.15.4技術(shù)的艾默生智能無線現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際效果。

思科 – IEEE 802.11b/g	艾默生- IEEE 802.15.4
l 物理層 o 14通道，5 MHz通道間隔，22 MHz頻寬 o 最高數(shù)據(jù)傳輸速率54兆比特每秒 l 僅有3個(gè)非重疊通道 o 在北美用1、6、11 o 在歐洲用1、7、13 l 無線電功率輸出 O 室內(nèi)最大功率100兆瓦 O 戶外網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)最高達(dá)4瓦	l 物理層 o 16通道，5 MHz通道間隔，2 MHz頻寬 o 數(shù)據(jù)傳輸速率250兆比特每秒 l 使用物理通道 o 允許跳頻 o 允許通道調(diào)整（時(shí)分多址） l 艾默生（以及WirelessHART）采用跳頻和通道調(diào)整 o 使用15個(gè)通道