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，主要是因為擔(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)的開放的基于標準的無線結(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)中的通訊達到極高的可靠性。在實際應(yīng)用中進行的共存測試證明：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(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)頻道運行。在實際應(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、標準化的無線結(jié)構(gòu)正是采用了這些先進技術(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。進一步對該結(jié)構(gòu)的多種應(yīng)用進行測試表明，即使在最嚴酷的工況中，這些技術(shù)也完全可以共存。
在使用一個綜合性的無線網(wǎng)絡(luò)時，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(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準都可以各自工作�！边@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(luò)本身的設(shè)計就是抗干擾的），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
􀂃 時間多樣性—時分多路復(fù)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)通過多組跳頻而不是輸出功率來進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
􀂃 編碼多樣性—采用先進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(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)都歸到一種叫時間同步網(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)出一個開放的、基于標準的工廠內(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，因而在進行設(shè)計的時候，特別為現(xiàn)場級和工廠級的無線網(wǎng)絡(luò)提供了強勁可靠的通訊能力。
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(shè)備之間直接的有線通訊或通過網(wǎng)關(guān)通訊相比，這樣可以實現(xiàn)更好的可靠性。任何時候由于網(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(shè)備發(fā)送信號。低電耗設(shè)備實現(xiàn)功率分集。直接序列展頻技術(shù)（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(shè)備的電子干擾。在諸多過程控制工廠的實際應(yīng)用中，艾默生的無線設(shè)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(luò)
思科無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)方案基于思科的Aironet®1500系列，這是一種戶外Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)訪問接入點，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標準的基礎(chǔ)。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(fù)，當有新的部件加入網(wǎng)絡(luò)時還可進行動態(tài)再優(yōu)化。
為了滿足地形復(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(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標準的技術(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無線標準工作小組和共存技術(shù)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(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)的實際效果。
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思科 – IEEE 802.11b/g |
艾默生- IEEE 802.15.4 |
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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(luò)最高達4瓦
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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
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