Rajiv Singhal, Cisco Systems
Eric Rotvold, Emerson Process Management

    在某些過(guò)程工業(yè)應用中，人們對于工廠(chǎng)內無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用還存在一些顧慮，主要是因為擔心采用無(wú)線(xiàn)方案后，無(wú)線(xiàn)電頻率會(huì )干撓某些重要通訊的可靠性。由艾默生過(guò)程管理公司和思科系統公司共同開(kāi)發(fā)的開(kāi)放的基于標準的無(wú)線(xiàn)結構解決了這方面的問(wèn)題，它采用全網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)和其它技術(shù)，確保在現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )和工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )中的通訊達到極高的可靠性。在實(shí)際應用中進(jìn)行的共存測試證明：這種結構體系對網(wǎng)絡(luò )可靠性無(wú)明顯影響。

介紹

    新建工廠(chǎng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用已逐步在過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域獲得認可，與傳統的有線(xiàn)方案相比，它的安裝成本更低、安裝速度更快。無(wú)線(xiàn)應用包括監測過(guò)程和設備狀態(tài)、使工廠(chǎng)人員更方便地獲得工廠(chǎng)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(guò)程工業(yè)對采用這項新技術(shù)或其它新的解決方案存有疑慮，主要擔心多種無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電。

    因為802.11和802.15.4無(wú)線(xiàn)電通訊采用的也是用于工業(yè)、科技和醫療的2.4GHz波段，業(yè)內人士曾提出這樣一個(gè)問(wèn)題：這些技術(shù)是否能夠共存？以往對這些問(wèn)題的諸多研究主要針對這2種無(wú)線(xiàn)電通訊方式的靜態(tài)頻道運行。在實(shí)際應用中，還沒(méi)有數據可以證明采用跳頻和全網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )等先進(jìn)技術(shù)的設備是否可以共存。

    來(lái)自于艾默生過(guò)程管理公司和思科系統公司的基于開(kāi)放的、標準化的無(wú)線(xiàn)結構正是采用了這些先進(jìn)技術(shù)為現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )和工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )提供具有高可靠性的通訊。進(jìn)一步對該結構的多種應用進(jìn)行測試表明，即使在最嚴酷的工況中，這些技術(shù)也完全可以共存。

    在使用一個(gè)綜合性的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，還需要考慮網(wǎng)絡(luò )設計的其它一些方面，如安全和網(wǎng)絡(luò )管理。本文主要介紹無(wú)線(xiàn)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，并將繼續致力于測試和發(fā)布最佳的過(guò)程工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方案。

    筆者作者衷心感謝Dust Networks公司的Kris Pister先生為本文提供數據和相關(guān)信息。

共存性的基本知識

    共存的意思就是“一套系統可在共享環(huán)境中工作，在此共享環(huán)境中，其它系統無(wú)論是否使用相同的標準都可以各自工作?！边@是根據點(diǎn)到點(diǎn)數據傳遞成功率來(lái)衡量的。

    當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 )本身的設計就是抗干擾的），設備的共存就有問(wèn)題了。人們處理這種問(wèn)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)分多路復用和空頻道檢測

    □ 功率多樣性—低功率輸出( <= 10dBm)

    □ 空間多樣性—網(wǎng)狀技術(shù)通過(guò)多組跳頻而不是輸出功率來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )覆蓋。

    □ 編碼多樣性—采用先進(jìn)的直接序列展頻技術(shù)

    下圖顯示的是使用IEEE802.11b/g (Wi-Fi)和IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)電傳輸中存在的潛在干擾。

    如果是重疊頻道，室內的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的側斜率會(huì )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(wú)線(xiàn)電通訊都沒(méi)有采用以上提到的技術(shù)，我們將這些技術(shù)都歸到一種叫時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的方式中，通過(guò)這種方式可以減少干擾的影響。

    低功率802.15.4無(wú)線(xiàn)電對于802.11b/g的影響應該會(huì )降到最低。

無(wú)線(xiàn)結構

    得益于艾默生在過(guò)程自動(dòng)化工業(yè)中的領(lǐng)先技術(shù)和思科在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議設備方面的領(lǐng)先技術(shù)，2家公司共同開(kāi)創(chuàng )出一個(gè)開(kāi)放的、基于標準的工廠(chǎng)內無(wú)線(xiàn)構架。

    對于用戶(hù)在共存方面的擔心，2家公司都非常了解，因而在進(jìn)行設計的時(shí)候，特別為現場(chǎng)級和工廠(chǎng)級的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供了強勁可靠的通訊能力。

無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )

    艾默生的智能無(wú)線(xiàn)方案利用自組網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的優(yōu)勢采用IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)電頻率，這符合WirelessHART標準。

    網(wǎng)絡(luò )技術(shù)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(xiàn)通訊或通過(guò)網(wǎng)關(guān)通訊相比，這樣可以實(shí)現更好的可靠性。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，設備和網(wǎng)關(guān)會(huì )一起尋找其它路徑，以最低的耗電量確保數據的可靠性。

    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(shí)現了頻率分集。時(shí)分多址（TDMA）可實(shí)現時(shí)間分集，確保了一個(gè)頻道同時(shí)只允許一臺設備發(fā)送信號。低電耗設備實(shí)現功率分集。直接序列展頻技術(shù)（DSSS）可實(shí)現+8dB的編碼增益或分集。

    這些功能不僅避免了無(wú)線(xiàn)電頻率的干擾，同時(shí)也防止了來(lái)自于工廠(chǎng)的馬達、電燈或其它設備的電子干擾。在諸多過(guò)程控制工廠(chǎng)的實(shí)際應用中，艾默生的無(wú)線(xiàn)設備已經(jīng)被證實(shí)具有以上這些功能，而且數據可靠性達到99.9%以上。

無(wú)線(xiàn)工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )

    思科無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )方案基于思科的Aironet?1500系列，這是一種戶(hù)外Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)，它采用思科正在申請專(zhuān)利的適應無(wú)線(xiàn)路徑協(xié)議（AWPP），該協(xié)議正是現行IEEE 802.11s標準的基礎。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，當有新的部件加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)還可進(jìn)行動(dòng)態(tài)再優(yōu)化。

    為了滿(mǎn)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(zhuān)門(mén)應用于這種工廠(chǎng)環(huán)境。該系列產(chǎn)品可實(shí)現零接觸組態(tài)，從而使組網(wǎng)更方便、更安全。靈活、高功率，且靈敏的無(wú)線(xiàn)電頻率，再加上高增益天線(xiàn)，就可根據需求擴大信號覆蓋范圍。思科Aironet 1520由思科無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)控制器和思科無(wú)線(xiàn)控制系統（WCS）進(jìn)行監控和管理。

    思科1500無(wú)線(xiàn)接入器采用適應無(wú)線(xiàn)路徑協(xié)議，能夠自動(dòng)進(jìn)行互相尋址，選擇最佳的路徑，以最短的響應時(shí)間使系統容量最大化。如果其中一個(gè)路徑信號減弱，那么無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)就會(huì )判斷是否有更好的路徑存在，并與這個(gè)最佳的節點(diǎn)建立連接路線(xiàn)。

標準的優(yōu)勢

    用于現場(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )的802.15.4和用于工廠(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )的802.11都是采用基于IEEE 802標準的技術(shù)，它在處理共存問(wèn)題具有絕對的優(yōu)勢。IEEE學(xué)會(huì )聯(lián)合802無(wú)線(xiàn)標準工作小組和共存技術(shù)專(zhuān)家顧問(wèn)團（802.19）建立一個(gè)可在現行標準（包括正在開(kāi)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(gè)工過(guò)程工廠(chǎng)中使用思科IEEE 802.11b/g工廠(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )和相關(guān)應用程序，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(wú)線(xiàn)現場(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際效果。

測試經(jīng)過(guò)

    測試是在艾默生的工廠(chǎng)內進(jìn)行的。測試包括2臺思科的1510戶(hù)外網(wǎng)狀式接入器，1臺艾默生1420無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)分別與思科1510網(wǎng)狀式接入器以及8臺艾默生智能無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)儀表相連。此外，還有一些艾默生的Wi-Fi接入器擺在測試網(wǎng)絡(luò )的附近。

    我們將網(wǎng)絡(luò )性能分析工具（Iperf）連到需要測試的接入器，并在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行數據裝載。網(wǎng)絡(luò )電話(huà)（VoIP）采用的是思科7921IP電話(huà)和裝有聲音軟件的Intermec CK60移動(dòng)通訊平臺。

    網(wǎng)絡(luò )統計是在802.15.4網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行監測的，Iperf網(wǎng)絡(luò )測試工具則用于檢測802.11b/g網(wǎng)絡(luò )的流量。lperf用戶(hù)端通過(guò)802.11g連接。我們定期監測lperf數據的輸出，以判斷對802.11b/g網(wǎng)絡(luò )現有的帶寬的總體影響。

    我們選擇了3種頻道1、6、11在802.11b/g網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行測試。802.15.4網(wǎng)絡(luò )中的設備數據更新頻率設置在每15秒（常規配置）。

    在測試期間，從802.15.4網(wǎng)關(guān)到802.11 b/g網(wǎng)格訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)近似于1 m，從大多數802.15.4設備到任何地點(diǎn)為30 cm 至1 m。如此可以盡可能地創(chuàng )造最不利的測試環(huán)境條件下給定和已知的射頻特性。

測試結果

    802.11b/g對802.15.4.的影響。在整個(gè)測試過(guò)程中，802.15.4現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的可靠性保持在100%。僅管802.11b/g的干擾引起一小部分的來(lái)自于802.15.4網(wǎng)絡(luò )設備信號的損失，但是艾默生的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )具有一些功能（例如重新連接和路徑多樣性）可以抵沖這種損失，使整個(gè)數據的可靠性不至于受到太大影響。

    802.15.4對802.11b/g的影響。在基線(xiàn)測試期間不存在802.15.4通訊量時(shí)，802.11 b/g網(wǎng)絡(luò )（用Iperf進(jìn)行監視）的吞吐量在4 MB/s至8 MB/s范圍內變化；存在802.15.4通訊量時(shí)，吞吐量在整個(gè)測試期間也在此圍內變化?；跍y試結果和已知的射頻干擾（重疊通道、輸出功率），測試802.11 b/g網(wǎng)絡(luò )的數據吞吐量發(fā)生的絕大部分變化，很可能是由處于周?chē)h(huán)境中、但不屬于測試組成部分的其它802.11 b/g訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)所引起的。

    在進(jìn)行IP上聲音測試時(shí)，使用帶IP聲音應用程序和Cisco 7921電話(huà)的Intermec CK60便攜式計算機。在測試環(huán)境條件下，在802.15.4通訊量引入測試環(huán)境的整個(gè)測試過(guò)程中，未檢測出對音質(zhì)有任何影響。

無(wú)線(xiàn)應用問(wèn)題

    802.11 b/g對802.15.4的影響 － 任何在802.11 b/g網(wǎng)格訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)不大于1 m范圍內的802.15.4設備，其路徑穩定性影響取決于距離和應用帶寬。對數據包出錯率的影響為

    數據包出錯率 ＝ BWU * 20%

    式中，BWU為802.11 b/g網(wǎng)格訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)的應用帶寬，20%系數為經(jīng)驗數據。

    例如，若802.11 b/g平均應用帶寬為20%（對于典型Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)數字屬于較高水平），則單個(gè)路徑穩定性的影響為4%。這一數據包出錯率水平還不足以大到影響總體802.15.4網(wǎng)絡(luò )的數據可靠性。這是因為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議具有內置的自動(dòng)重試功能，盡管造成使某些數據包遺失，但仍能保持非常高的數據穩定性。而且，路徑多樣性和通道跳躍功能有助于使這種干擾影響不復存在。

    以前進(jìn)行的研究和測試表明：在802.11 b/g網(wǎng)格訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)10 cm范圍內的靜態(tài)通道802.15.4設備受到明顯的影響，其原因在很大程度上應歸于802.11 b/g無(wú)線(xiàn)電的大功率輸出。但在Emerson Smart Wireless（智能無(wú)線(xiàn)）解決方案中并未發(fā)現，其原因是這項解決方案使用通道跳躍，以便在干擾周?chē)苿?dòng)?！昂谏斜怼敝丿B通道是這次測試中未使用的一項技術(shù)，故設備未使用這些通道，這也是緩解問(wèn)題的一種方法。

    802.15.4對802.11 b/g的影響 － 802.15.4網(wǎng)絡(luò )會(huì )對802.11 b/g網(wǎng)絡(luò )有影響，這個(gè)影響正比于其通道使用性。通道使用性是網(wǎng)絡(luò )中總帶寬應用和通道駐留時(shí)間的函數。通道使用性范圍從典型網(wǎng)絡(luò )0％一直到由線(xiàn)路供電設備組成的大型網(wǎng)絡(luò )100％不等。

    對于在802.11 b/g訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)范圍內的每一臺設備，對吞吐量的最大可能影響為

    802.11 b/g帶寬減少 = 25% * BWU * 4/15

    式中，25%系數為經(jīng)驗數據；4/15為1個(gè)802.11 b/g通道占用的802.15.4通道數量。接近802.15.4網(wǎng)關(guān)的帶寬應用可能近似于大型網(wǎng)絡(luò )的41％。41％這個(gè)系數來(lái)自在10 ms時(shí)間間隔內，可以產(chǎn)生最大尺寸數據包（128個(gè)字節）的2.4 GHz 802.15.4網(wǎng)絡(luò )的數據率。

    假設802.11 b/g設備接近802.15.4/WirelessHART網(wǎng)關(guān)，則最不利影響為25% * 41％* 4/15 ＝ 2.73％，即減少20 Mbps（典型吞吐量）至19.45 Mbps。即使是對時(shí)間極其敏感的應用，如VolP通訊，這個(gè)減少幅度也可以忽略不計；且測試證明未出現性能下降現象。

    此項測試旨在描述在使用IEEE 802.11b/g設備和IEEE 802.15.4設備中，用戶(hù)可能遇到的最不利條件。在實(shí)際安裝中，不大可能這兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò )均大于40%帶寬應用。即使在此項測試的極端條件下，這兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò )也未發(fā)現明顯影響。由于進(jìn)入網(wǎng)關(guān)的最大通訊量在較低功率水平（功率多樣性）上進(jìn)行，在實(shí)際應用中已顯示對網(wǎng)絡(luò )並無(wú)影響。

總結

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)的飛速發(fā)展已消除人們以前對過(guò)程運行中使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)存有的任何疑慮。尤其是Emerson和Cisco的無(wú)線(xiàn)結構體系，如通道跳躍和網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )等，可以減少或防止802.11與802.15.4技術(shù)之間潛在的共存性問(wèn)題。

    這種在實(shí)際條件下的結構體系測試證明：即使在極端應用條件下，共存性問(wèn)題在事實(shí)上也是非常小的。從這些發(fā)現中可以得出下列結論：過(guò)程工業(yè)用戶(hù)可以完全相信這項技術(shù)一定能夠成功。實(shí)際上，可能會(huì )有許多充足的理由來(lái)開(kāi)始設計新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用。

    本文只涉及射頻兼容性，但其它問(wèn)題，如安全性和網(wǎng)絡(luò )管理等，也是網(wǎng)絡(luò )設計應予關(guān)注的問(wèn)題。Cisco和Emerson提出一個(gè)解決方案的范圍，涉及基于各種項目環(huán)境的這些問(wèn)題。Cisco和Emerson還將發(fā)表白皮書(shū)，介紹工廠(chǎng)環(huán)境中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )過(guò)程工業(yè)用戶(hù)的典型應用范例。若要求其它信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.EmersonProcess.com/SmartWireless，或與Emerson或Cisco銷(xiāo)售代表聯(lián)系。

參考文獻

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    [2] IEEE 標準802.15.2-2003，第15.2部分：無(wú)線(xiàn)人員區域網(wǎng)絡(luò )與其它運行于未許可頻帶的無(wú)線(xiàn)設備之間的共存性

    [3] Dust Networks，時(shí)間同步化網(wǎng)格協(xié)議（TSMP）技術(shù)概述，2006年6月20日 鏈接：www. dustnetworks.com/docs/TSMP_Whitepater.pdf

    [4] WirelessHART技術(shù)規范