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Rajiv Singhal, Cisco Systems
Eric Rotvold, Emerson Process Management

    在某些過程工業(yè)應用中，人們對于工廠內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

    □ 功率多樣性—低功率輸出( <= 10dBm)

    □ 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。

    □ 編碼多樣性—采用先進的直接序列展頻技術

    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?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。

測試經過

    測試是在艾默生的工廠內進行的。測試包括2臺思科的1510戶外網(wǎng)狀式接入器，1臺艾默生1420無線網(wǎng)關分別與思科1510網(wǎng)狀式接入器以及8臺艾默生智能無線現(xiàn)場儀表相連。此外，還有一些艾默生的Wi-Fi接入器擺在測試網(wǎng)絡的附近。

    我們將網(wǎng)絡性能分析工具（Iperf）連到需要測試的接入器，并在Wi-Fi網(wǎng)絡上進行數(shù)據(jù)裝載。網(wǎng)絡電話（VoIP）采用的是思科7921IP電話和裝有聲音軟件的Intermec CK60移動通訊平臺。

    網(wǎng)絡統(tǒng)計是在802.15.4網(wǎng)絡上進行監(jiān)測的，Iperf網(wǎng)絡測試工具則用于檢測802.11b/g網(wǎng)絡的流量。lperf用戶端通過802.11g連接。我們定期監(jiān)測lperf數(shù)據(jù)的輸出，以判斷對802.11b/g網(wǎng)絡現(xiàn)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)絡中進行測試。802.15.4網(wǎng)絡中的設備數(shù)據(jù)更新頻率設置在每15秒（常規(guī)配置）。

    在測試期間，從802.15.4網(wǎng)關到802.11 b/g網(wǎng)格訪問點近似于1 m，從大多數(shù)802.15.4設備到任何地點為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。在整個測試過程中，802.15.4現(xiàn)場網(wǎng)絡的可靠性保持在100%。僅管802.11b/g的干擾引起一小部分的來自于802.15.4網(wǎng)絡設備信號的損失，但是艾默生的現(xiàn)場網(wǎng)絡具有一些功能（例如重新連接和路徑多樣性）可以抵沖這種損失，使整個數(shù)據(jù)的可靠性不至于受到太大影響。

    802.15.4對802.11b/g的影響。在基線測試期間不存在802.15.4通訊量時，802.11 b/g網(wǎng)絡（用Iperf進行監(jiān)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，吞吐量在整個測試期間也在此圍內變化。基于測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)絡的數(shù)據(jù)吞吐量發(fā)生的絕大部分變化，很可能是由處于周圍環(huán)境中、但不屬于測試組成部分的其它802.11 b/g訪問點所引起的。

    在進行IP上聲音測試時，使用帶IP聲音應用程序和Cisco 7921電話的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)境的整個測試過程中，未檢測出對音質有任何影響。

無線應用問題

    802.11 b/g對802.15.4的影響 － 任何在802.11 b/g網(wǎng)格訪問點不大于1 m范圍內的802.15.4設備，其路徑穩(wěn)定性影響取決于距離和應用帶寬。對數(shù)據(jù)包出錯率的影響為

    數(shù)據(jù)包出錯率 ＝ BWU * 20%

    式中，BWU為802.11 b/g網(wǎng)格訪問點的應用帶寬，20%系數(shù)為經驗數(shù)據(jù)。

    例如，若802.11 b/g平均應用帶寬為20%（對于典型Wi-Fi網(wǎng)絡，這個數(shù)字屬于較高水平），則單個路徑穩(wěn)定性的影響為4%。這一數(shù)據(jù)包出錯率水平還不足以大到影響總體802.15.4網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)可靠性。這是因為網(wǎng)絡協(xié)議具有內置的自動重試功能，盡管造成使某些數(shù)據(jù)包遺失，但仍能保持非常高的數(shù)據(jù)穩(wěn)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。

    以前進行的研究和測試表明：在802.11 b/g網(wǎng)格訪問點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無線電的大功率輸出。但在Emerson Smart Wireless（智能無線）解決方案中并未發(fā)現(xiàn)，其原因是這項解決方案使用通道跳躍，以便在干擾周圍移動。“黑色列表”重疊通道是這次測試中未使用的一項技術，故設備未使用這些通道，這也是緩解問題的一種方法。

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

    對于在802.11 b/g訪問點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(shù)為經驗數(shù)據(jù)；4/15為1個802.11 b/g通道占用的802.15.4通道數(shù)量。接近802.15.4網(wǎng)關的帶寬應用可能近似于大型網(wǎng)絡的41％。41％這個系數(shù)來自在10 ms時間間隔內，可以產生最大尺寸數(shù)據(jù)包（128個字節(jié)）的2.4 GHz 802.15.4網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)率。

    假設802.11 b/g設備接近802.15.4/WirelessHART網(wǎng)關，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。即使是對時間極其敏感的應用，如VolP通訊，這個減少幅度也可以忽略不計；且測試證明未出現(xiàn)性能下降現(xiàn)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，用戶可能遇到的最不利條件。在實際安裝中，不大可能這兩類網(wǎng)絡均大于40%帶寬應用。即使在此項測試的極端條件下，這兩類網(wǎng)絡也未發(fā)現(xiàn)明顯影響。由于進入網(wǎng)關的最大通訊量在較低功率水平（功率多樣性）上進行，在實際應用中已顯示對網(wǎng)絡並無影響。

總結

    無線技術的飛速發(fā)展已消除人們以前對過程運行中使用無線技術存有的任何疑慮。尤其是Emerson和Cisco的無線結構體系，如通道跳躍和網(wǎng)格網(wǎng)絡等，可以減少或防止802.11與802.15.4技術之間潛在的共存性問題。

    這種在實際條件下的結構體系測試證明：即使在極端應用條件下，共存性問題在事實上也是非常小的。從這些發(fā)現(xiàn)中可以得出下列結論：過程工業(yè)用戶可以完全相信這項技術一定能夠成功。實際上，可能會有許多充足的理由來開始設計新的無線技術應用。

    本文只涉及射頻兼容性，但其它問題，如安全性和網(wǎng)絡管理等，也是網(wǎng)絡設計應予關注的問題。Cisco和Emerson提出一個解決方案的范圍，涉及基于各種項目環(huán)境的這些問題。Cisco和Emerson還將發(fā)表白皮書，介紹工廠環(huán)境中無線網(wǎng)絡過程工業(yè)用戶的典型應用范例。若要求其它信息，請訪問www.EmersonProcess.com/SmartWireless，或與Emerson或Cisco銷售代表聯(lián)系。

參考文獻

    [1] IEEE 標準802.15.4-2006，第15.4部分：小功率無線人員區(qū)域網(wǎng)絡（WPAN）的無線載體訪問控制（MAC）和物理層（PHY）技術條件

    [2] IEEE 標準802.15.2-2003，第15.2部分：無線人員區(qū)域網(wǎng)絡與其它運行于未許可頻帶的無線設備之間的共存性

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

    [4] WirelessHART技術規(guī)范