無線技術的共存性在開放的工廠內(nèi)應用結構體系中

在某些過程工業(yè)應用中，人們對于工廠內(nèi)無線技術的應用還存在一些顧慮，主要是因為擔心采用無線方案后，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)的開放的基于標準的無線結構解決了這方面的問題，它采用全網(wǎng)格的網(wǎng)絡通訊技術和其它技術，確保在現(xiàn)場網(wǎng)絡和工廠網(wǎng)絡中的通訊達到極高的可靠性。在實際應用中進行的共存測試證明：這種結構體系對網(wǎng)絡可靠性無明顯影響。

介紹
新建工廠的無線技術應用已逐步在過程工業(yè)領域獲得認可，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。無線應用包括監(jiān)測過程和設備狀態(tài)、使工廠人員更方便地獲得工廠任何地方的信息、可跟蹤到遠程設備和人員的情況。

然而，還有一些過程工業(yè)對采用這項新技術或其它新的解決方案存有疑慮，主要擔心多種無線技術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。

因為802.11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問題：這些技術是否能夠共存？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)頻道運行。在實際應用中，還沒有數(shù)據(jù)可以證明采用跳頻和全網(wǎng)格網(wǎng)絡等先進技術的設備是否可以共存。

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、標準化的無線結構正是采用了這些先進技術為現(xiàn)場網(wǎng)絡和工廠網(wǎng)絡提供具有高可靠性的通訊。進一步對該結構的多種應用進行測試表明，即使在最嚴酷的工況中，這些技術也完全可以共存。

在使用一個綜合性的無線網(wǎng)絡時，還需要考慮網(wǎng)絡設計的其它一些方面，如安全和網(wǎng)絡管理。本文主要介紹無線電頻率的兼容性以及它如何在艾默生/思科的方案中實施。思科和艾默生可提供針對安全和網(wǎng)絡管理方面的方案，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準都可以各自工作。”這是根據(jù)點到點數(shù)據(jù)傳遞成功率來衡量的。

當2個以上的傳送包具有足夠的干擾能量或頻率（除非網(wǎng)絡本身的設計就是抗干擾的），設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
􀂃 時間多樣性—時分多路復用和空頻道檢測
&#1048707; 功率多樣性—低功率輸出( <= 10dBm)
&#1048707; 空間多樣性—網(wǎng)狀技術通過多組跳頻而不是輸出功率來進行網(wǎng)絡覆蓋。
&#1048707; 編碼多樣性—采用先進的直接序列展頻技術

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。

盡管之前在這個領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，我們將這些技術都歸到一種叫時間同步網(wǎng)絡協(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的影響應該會降到最低。

無線結構

得益于艾默生在過程自動化工業(yè)中的領先技術和思科在網(wǎng)絡協(xié)議設備方面的領先技術，2家公司共同開創(chuàng)出一個開放的、基于標準的工廠內(nèi)無線構架。

對于用戶在共存方面的擔心，2家公司都非常了解，因而在進行設計的時候，特別為現(xiàn)場級和工廠級的無線網(wǎng)絡提供了強勁可靠的通訊能力。


無線現(xiàn)場網(wǎng)絡

艾默生的智能無線方案利用自組網(wǎng)絡技術的優(yōu)勢采用IEEE 802.15.4無線電頻率，這符合WirelessHART標準。

網(wǎng)絡技術提供冗余的通訊路徑（路徑的多樣性），與設備之間直接的有線通訊或通過網(wǎng)關通訊相比，這樣可以實現(xiàn)更好的可靠性。任何時候由于網(wǎng)絡或環(huán)境發(fā)生變化而影響到通訊，設備和網(wǎng)關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。隨機頻道跳頻實現(xiàn)了頻率分集。時分多址（TDMA）可實現(xiàn)時間分集，確保了一個頻道同時只允許一臺設備發(fā)送信號。低電耗設備實現(xiàn)功率分集。直接序列展頻技術（DSSS）可實現(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，同時也防止了來自于工廠的馬達、電燈或其它設備的電子干擾。在諸多過程控制工廠的實際應用中，艾默生的無線設備已經(jīng)被證實具有以上這些功能，而且數(shù)據(jù)可靠性達到99.9%以上。

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

為了滿足地形復雜以及危險工業(yè)工況的需求，思科研發(fā)出了Aironet 1520系列專門應用于這種工廠環(huán)境。該系列產(chǎn)品可實現(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）進行監(jiān)控和管理。

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

標準的優(yōu)勢

用于現(xiàn)場級網(wǎng)絡的802.15.4和用于工廠級網(wǎng)絡的802.11都是采用基于IEEE 802標準的技術，它在處理共存問題具有絕對的優(yōu)勢。IEEE學會聯(lián)合802無線標準工作小組和共存技術專家顧問團（802.19）建立一個可在現(xiàn)行標準（包括正在開發(fā)的標準）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工過程工廠中使用思科IEEE 802.11b/g工廠級網(wǎng)絡和相關應用程序，以及使用由Dust Networks公司提供的網(wǎng)狀網(wǎng)絡和IEEE 802.15.4技術的艾默生智能無線現(xiàn)場級網(wǎng)絡的實際效果。

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)絡最高達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個通道