工業(yè)無線網絡WIA的技術解析

工業(yè)無線網絡WIA技術

工業(yè)無線網絡WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技術是由中科院沈陽自動化所推出的具有自主知識產權的高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網絡技術，該技術提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網絡路由機制，能夠針對應用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，保持網絡性能的高可靠性和強穩(wěn)定性。

工業(yè)無線網絡WIA技術基于短程無線通信IEEE 802.15.4標準，使用符合中國無線委會規(guī)定的自由頻帶，解決工廠環(huán)境下遍布的各種大型器械、金屬管道等對無線信號的反射、散射造成的多徑效應，以及馬達、器械運轉時產生電磁噪聲對無線通信的干擾，提供能夠滿足工業(yè)應用需求的高可靠、實時無線通信服務。

通過使用工業(yè)無線網絡WIA技術，用戶可以以較低的投資和使用成本實現對工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數，并以此為基礎實施優(yōu)化控制，來達到提高產品質量和節(jié)能降耗的目標。

工業(yè)無線網絡WIA技術主要應用于石油、石化、冶金、環(huán)保、污水處理等領域。

選擇工業(yè)無線技術最重要的五個準則

無線應用把眾多的新能力(如實現新型的監(jiān)控、增加現有設備的靈活性、降低運營和流程管理成本)帶入它們所服務的行業(yè)。反過來，許多不同類型的無線技術和應用迅速涌現出來以滿足這個日益增長的需求。

需要強調的是，工業(yè)領域存在一些特有的挑戰(zhàn)，但許多傳統(tǒng)的無線技術并非是專門為應對這些挑戰(zhàn)而設計的。這些挑戰(zhàn)包括要求可靠性高、系統(tǒng)功耗低并具有在RF干擾嚴重的物理環(huán)境中良好工作的能力，當然，同時還須具有高性價比。

無線技術應用數量的不斷增加也已成為一個挑戰(zhàn)，眾多的無線應用爭奪同一個RF空間，導致頻譜過于擁擠，并與業(yè)已存在的挑戰(zhàn)交織在一起。要為某個特定的應用選擇一個合適的、足以應對這些挑戰(zhàn)的技術，工程師需要考量可靠性、簡單性、功效、傳輸范圍和成本等多個重要指標。

可靠性

在這里，可靠性是指無線系統(tǒng)在存在各種工業(yè)障礙的情況下成功完成通信的能力。我們可以根據無線系統(tǒng)的某些特征參數來評價其可靠性。

* 所使用的RF頻譜：無線系統(tǒng)通信所使用的物理RF頻譜

* 接收靈敏度：收發(fā)器完成通信需接收到的最小信號水平

* 輸出功率：能夠輸出的信號水平

* RF捷變能力：為避免干擾而在RF頻譜中移動的能力

* 抗干擾度：在存在干擾的情況下在給定頻道中通信的能力。

RF波的物理特性造成其頻譜使用高度依賴于環(huán)境。頻率越低，波長越長，越不容易被液體和加固混凝土等典型的生活與建筑材料所吸收。

但是，為減小與其它無線通信技術的干擾，RF頻譜及其使用受到很強的管制。在RF頻譜中，地方或國際組織只為免許可通信保留了幾個頻段，并稱之為工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)頻段。在這些頻段中，主要使用的頻段是2.4GHz部分。在這個頻段，由于波長短，信號迅速被不利于RF傳輸的工業(yè)環(huán)境所吸收，我們需要對其它可靠性評估指標給予更多的關注。

我們可以把接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度結合起來，形成一個更為宏觀也更為重要的可靠性指標——鏈路預算。鏈路預算是接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度的綜合值。系統(tǒng)的接收靈敏度越高、輸出功率和抗干擾度越大，則鏈路預算越大。鏈路預算越大，RF吸收和RF干擾給系統(tǒng)帶來影響的可能性越小，實現可靠通信的潛力越大。

收發(fā)器的接收靈敏度和輸出功率強烈依賴于所使用的元器件，較易于進行評估和比較，但抗干擾度在很大程度上依賴于無線收發(fā)器為提高其生命力而使用的技術。目前使用的可直接改善抗干擾度的最好技術之一是直接序列擴頻(DSSS)調制。

DSSS調制的本質是通過向傳輸信號中引入前向誤差校正，來減少因信號干擾而造成的數據損失。特別地，DSSS基于發(fā)射器和接收器共享的偽隨機噪聲碼，把數據編制成規(guī)模更大的比特流。

圖1展示了把8比特數據編制成32碼片(Chip)數據的過程，在這里，4個碼片等價于一個比特。

這些碼片被調制成RF信號并發(fā)射出去。接收器從接收到的信號中解調出這些碼片并逆向執(zhí)行DSSS編碼方案。盡管由于信號噪聲或干擾而存在解調錯誤，我們仍可以復現原始數據。

RF捷變通過干擾避免技術(在RF頻譜內跳動或移動等)來改善可靠性。系統(tǒng)在頻譜中移動的自由度越大，找到干擾較小的RF靜謐環(huán)境的能力越強。包括偽隨機跳頻方案或基于算法的跳頻方案在內，目前使用的各種RF捷變技術通過不斷地在頻譜中跳變來最大限度地減小干擾(見圖2)。

從可靠性的角度來說，不斷跳頻存在的一個問題是，在繁忙的RF頻譜中，系統(tǒng)可能會無意地連續(xù)跳到頻譜中包含強干擾的頻道。更智能的方案只在遇到干擾時跳頻。一旦找到安靜無干擾的頻率時則停止跳頻。

不管使用哪種捷變方案，RF捷變同樣依賴于所使用的RF頻譜和通道規(guī)模。所使用的RF頻譜會影響可用捷變空間。例如，由于受到頻率分配的制約，同工作頻率較高的系統(tǒng)相比，工作頻率較低的系統(tǒng)的捷變空間較小。例如，2.4GHz系統(tǒng)約有100MHz的可用頻譜，而900MHz系統(tǒng)只有大約26MHz。

通道寬度也是影響RF捷變能力的一個重要因素。通道寬度越小，則在頻譜中捷變的空間越大，RF捷變能力越強，避免干擾并在干擾之間找到合適位置的能力越強。例如基于802.15.4的系統(tǒng)的通道寬度為5MHz，只有16個可用通道，而通道寬度為1MHz的系統(tǒng)通常有80個可用的通道，因而有更多可用的避擾位置。

因而，可靠性是由鏈路預算、RF捷變能力和所使用的RF頻譜所共同決定的。在相同的RF頻譜上，無線系統(tǒng)的可靠性與鏈路預算和RF捷變能力正相關。

另外，盡管低頻技術對某些特定環(huán)境有出眾的表現(如某個較低頻率的技術應用于遍布水管的工廠時)，但同可提高鏈路預算和RF捷變能力的頻率較高的技術相比，仍相形見絀。

簡單性

理想地，工業(yè)領域的無線系統(tǒng)應能夠完成與有線系統(tǒng)相同的功能，且要能簡單地加以實現。我們應該從兩個不同的角度來考慮簡單性問題：其一是從設計終端產品以替代有線產品的工程師的角度;其二是從安裝和使用這些產品的用戶的角度。

從工程師的角度，可以把簡單性定義為設計、開發(fā)和實現無線系統(tǒng)的容易程度。在這一點上，簡單性涉及所包含的元件易用性、有哪些可用于設計和開發(fā)的輔助工具、以及是否有經認證的元件以消除或減小令人畏懼的當地無線認證過程。靈活的可編程技術可使工程師最大限度地調整所設計的系統(tǒng)，提高無線系統(tǒng)的易用性。

然而，靈活性和可編程能力通常會增加復雜性;因而，開發(fā)環(huán)境和工具(包括硬件工具和軟件工具)必須便于使用和理解。包含開發(fā)和評估套件的工具可幫助全面地評估和理解硬件及軟件。理想地，工程師應獲得完整的無線協議棧及應用示例庫、幫助文檔和實例代碼以便加快學習進程。

從用戶的角度來說，簡單性涉及在目標環(huán)境中安置和激活無線設備的簡便性及對相關業(yè)務流程的影響。例如，系統(tǒng)可靠性和傳輸范圍影響無線技術的試運行故障率。存在試運行故障的系統(tǒng)將最終要通過現場考察來確定最優(yōu)的位置和通信路徑。

另外，適應業(yè)務流程的技術可以使用戶迅速地把該技術帶來的好處整合到日常操作中。這些技術包括用于監(jiān)視和遙控無線執(zhí)行器的可編程的靈活性接口及其對自動響應系統(tǒng)的支持邏輯。這些接口通常被稱為儀表盤(dashboard)，可以方便地把無線網絡的狀態(tài)信息整合到現有的報告和分析過程中。

總的來說，無線系統(tǒng)最終須變得與有線系統(tǒng)同樣易于管理和使用。從工程師和用戶角度對系統(tǒng)做出定性的評價有助于理解和實現這個目標。

功效

功效是對無線系統(tǒng)功耗水平的一種度量。衡量無線方案優(yōu)劣的較為傳統(tǒng)的方式是測量系統(tǒng)所用元件的功耗，但這并不是問題的全部。例如，一個大部分時間處在最低功耗狀態(tài)(睡眠模式)的高可靠性系統(tǒng)通常將比只在收發(fā)狀態(tài)功耗低但不太可靠的系統(tǒng)功效更高，因為這些不太可靠的系統(tǒng)處在睡眠模式的時間較少，而更多時間處在高功耗的轉發(fā)模式。因而，可靠性是衡量系統(tǒng)實際功效的一個重要指標。

除可靠性之外，主動電源管理(動態(tài)地控制輸出功率)等系統(tǒng)行為也可以降低功耗和提高功效。一直致力于把輸出功率降低到通信所必需使用的最低水平的系統(tǒng)將不僅是可靠的而且是高功效的。這種意義的功效，盡管對無線電技術而言并不是新概念，但從保證系統(tǒng)切實減小系統(tǒng)功耗方面，卻是一個新概念。

傳輸范圍

傳輸范圍是無線電信號可以傳輸且被接收器可靠編譯成數據的距離?？紤]到工業(yè)領域不斷改變且不利于RF傳輸的環(huán)境，在確定什么技術可以得到最佳傳輸范圍時，最重要的指標是鏈路預算和可靠性。

無線系統(tǒng)也可以通過片上和非片上功率放大器來提高其鏈路預算。如果實現過程中使用上述功率放大器，高度可靠系統(tǒng)的傳輸范圍會更大。另需指出，高功效系統(tǒng)只在絕對必要時才使用這些導致功耗增大的放大器。

其它擴展無線系統(tǒng)傳輸范圍的方法包括使用中繼器、路由器和對等通信等技術。由于在延遲和通信路徑方面存在較大的不確定性，這些基于無線協議的技術增加了復雜性，提高了功耗并降低了可靠性。

因而，保持所有指標不變而提高傳輸范圍的最佳方式是提高可靠性或用功率放大器進一步提升信號的幅度，但這受到當地頻率使用條例的限制。

成本

由于無線系統(tǒng)涉及眾多指標，對某個特定的操作環(huán)境，最低成本并不總是最優(yōu)的。相反，我們關注的應該是整個系統(tǒng)的成本。例如，如果由于可靠性低而使用了高成本的權宜方案(如由于鏈路預算低而增加功率放大器的數量、使用有線后援系統(tǒng)等)，那么，在評價無線系統(tǒng)時，也需把這些成本包含進來。

另外，如果系統(tǒng)可以完成更多的功能和從總體上給系統(tǒng)帶來進一步的好處，也應該把這些新能力的價值考慮進來——實際上，應從該系統(tǒng)的總成本中減去這個價值。

假定所有其它指標不變，降低無線系統(tǒng)成本的一種技術方式是提高系統(tǒng)對用戶的價值或降低系統(tǒng)的實際獲取成本。元件成本通常需要由開發(fā)商和供應商協商解決，但某些應用系統(tǒng)可能對性能(閃存、RAM、處理能力等)的要求相對較低，因而可降低元件的成本。

例如，同簡單的星形聯網協議相比，復雜的網格聯網協議通常需要更多的閃存，因為網格網絡需要在整個網絡中為通信分配路由，星形網絡則是簡單的點到點協議，只有集線器真正需要某種水平的路由功能。這個比較是在其它指標不變的條件下進行的。如果網格型方案比星型方案更為可靠或反之，這就不是一個合理的比較。

可靠性、簡單性、功效、傳輸范圍和成本是比較、評估和選擇工業(yè)無線技術的五個最重要的指標。每個指標都以獨特的視角展示了某個技術的優(yōu)點。為確保針對給定應用選出了最合適的無線技術，在比較不同技術的優(yōu)缺點時，須對這些指標逐一進行考察。