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    無線拓撲結構

　  無線網絡的拓撲結構指的是網絡組件的布置方式。包括無線設備、路由器和網關的物理排列方式，以及數據在他們之間的傳輸路徑。

　　三種常用于工廠內部無線現場網絡的無線拓撲結構形式為星狀、網狀和簇－樹狀拓撲結構。

　  星狀拓撲結構

　　星狀拓撲結構是一種點對點結構形式，在其中單個的無線設備，或節點直接與處于中央位置的“集線器”或網關進行通信。

星狀拓撲結構中的設備只與網關進行通信——而彼此之間不能通信

　　網關然后將數據發送到中央數據采集點，例如一個控制室——通過直接方式，或連接到其他網絡。網關也會從中央數據點收到數據，然后將它們轉發到相應的無線設備。

　　由于每個設備都直接同網關進行通信，有時星狀拓撲結構也被描述為“點對點”或“視線”結構。

　　星狀結構簡單直接的無線連接方式使它可以應用于相對簡單或低功率的應用中，這是因為在所有的結構中星狀拓撲結構潛在的能耗最少。 然而這種結構的數據傳輸距離（從無線設備到網關）也十分有限：通常為從30到100米不等，這還是特別選用低功率無線設備以便延長電池壽命時的情況。

　　假如有什么東西擋在了無線設備和它的網關之間，對于這種直接，靠視線傳輸的路徑來說，將很容易被阻塞并造成數據丟失。工廠里有很多東西都會造成這種不良后果：例如無線射頻干擾，實體結構如容器、管道和設備等。即使暫時性障礙，例如卡車、建筑設備或腳手架也可能個會導致通信中斷，而環境因素，雨，霧，潮濕等等也有同樣的破壞作用。

在星狀拓撲結構中，當有某種物體處于設備和網關之間，擋住了視線傳輸路徑的時候，可能導致通信中斷。

　　這就是為什么基于星狀拓撲結構的無線網絡作為安裝計劃的一部分而需要進行的現場勘測十分重要的原因。通過勘測可以確定無線設備放置在哪個位置可以為到網關的視線傳輸（和適當范圍）提供最大的成功的可能性。

　　不幸的是，現場勘測費用高昂，并且只能維持于一時。因為這種勘測不能預測未來的變化，例如新建筑的建設或其他的環境變化，而這些變化會打斷信號的視線傳輸。

　　當這些變化對通信造成干擾的時候，您會有三種選擇：

　　· 移動設備 這可能會導致測量質量或數據可靠性的降低。

　　· 移動網關 如果網關是通過有線連接來進行通信和接通電源，或者移動網關會中斷到其他設備的通信路徑，移動將會十分困難。

　　· 增加設備信號的強度 這樣會降低電池壽命，而提供的信號強度可能仍然不足以克服干擾。（這也是為何傳統的點對點無線設備經常電池壽命短于一年的原因）。
當拓撲結構允許提供設備到網關之間的多條通信路徑的時候，這些局限性大部分都可以克服。
　
　　網狀拓撲結構

　　與星狀拓撲結構不同，星狀結構中每個設備都只能同網關對話，但是在網狀結構中卻可以同網絡中其他的節點對話。 在網狀拓撲結構中，信號可以從一個節點“跳”到另外一個節點，直到抵達分配的網關為止——這種能力稱作多跳頻。

網狀結構中的無線設備可以同任何處于發射范圍中的其他網絡節點進行通信。

　　同星狀拓撲結構相比，這種布局既有優點，亦有缺點：

　　· 便于擴展 當網絡擴張時，無需增加新的網關，或者對現有的網關重新定位。只要新增加的設備處于任何一個已有的節點發射范圍內，就可以在網絡上進行通信。

　　· 更高的容錯率 每臺無線設備都有多條通向網關和其他節點的傳輸路徑。如果一條路徑堵塞，或者一個中間節點失靈，信號仍然可以通過其他路徑前進。 這就提供了冗余度。

狀拓撲結構的多傳輸路徑和多跳頻能力使信號可以“繞過”障礙或者失靈的節點

　　· 潛在功耗更高  傳統的網狀拓撲結構要求傳感器節點持續“聽取”來自于其他設備的信號，這種“一直待命”的工作周期降低了電池的壽命。

　　新型的網絡技術可以避免這種缺點，方法是，只有當需要發送或接收信號時方才激活各個設備。

　　· 網絡等待時間  隨著設備要求發送信號需要的跳頻次數變化，等待時間也隨之變化。每次跳頻都會增加等待時間，但是測量數據的更新經常每分鐘才進行一次，所以這個等待的時間是可以容忍的。

　　簇－樹狀拓撲結構

　　簇－樹狀拓撲結構是星狀和網狀結構的混血兒。其中無線設備以星狀連接（點對點）簇擁在路由器或中繼器周圍，而路由器或中繼器則同網關進行網狀連接（一點對多點），彼此之間進行通信。

簇－樹狀拓撲結構結合了設備到路由器之間的點對點連接方式和路由器到網關之間的一點對多點連接方式。

　　這種方式試圖融合兩種拓撲結構的優點：星狀拓撲的潛在的低功耗優勢，和網狀部分的更大的擴展范圍以及更高的容錯能力。

如果從路由器到網關之間的直接的、單跳頻傳輸路徑中斷，信號則通過多跳頻通過其他路由器抵達目的地。

　　然而，星狀拓撲的缺點仍然存在。仍然需要現場勘測來保證每個末端的設備到他們分配的路由器之間有一條清晰無礙的視線路徑，仍然在出現變化或干擾時沒有設備到路由器之間的備用路徑。

　　選擇正確的拓撲結構

　　每種拓撲結構都有獨特優勢和面臨的挑戰。那么用戶應如何選擇呢? 答案很簡單：若其特性最適合于應用中最重要的要求，那就是最好的。

　　在相對簡單的應用場合，通信即使中斷也不會阻止您獲得需要的結果，這時候星狀拓撲結構可以接受。

　　如果數據可靠性極其重要，那么網狀拓撲結構最適合。既可以保護數據不丟失，信號不會減弱，又可以方便擴展，帶來額外的收獲。

　　如果您想在網絡中的不同部分應用不同的拓撲結構，那么可以選擇簇－樹狀結構。例如，由電池供電的測量設備可以按照星狀結構連接到由電網電源供電的路由器，而路由器則可以連接成網狀拓撲結構。

　　但是，假如您又想得到很高的數據可靠度，方便的網絡擴展，又想要很長的電池壽命，該怎么辦呢？

　　自組網絡

　　由于過程工業的環境是動態的，任何單一的拓撲結構都不可能總是最適合于某個應用。但是自組網絡具有內置式的智能和靈活性，可以自動地選用星狀、網狀或者簇－樹狀拓撲結構，或者三種都用，根據需要在任何給定的時刻提供最大工作效率。

　　在自組網絡中，所有的無線設備和網關都具有作為路由器為附近設備提供服務的能力。但是并不是所有的設備都在所有時間內同其他所有的設備進行通信。這些設備和網關會協同工作，通過鑒別為每條信息選用效率最高的通信路徑。
　
　　如果設備處于網關發射范圍以內，直接的點對點傳輸將降低功耗（尤其當結合其他技術，減少通信再試需求的時候）。

　　網絡擴展很容易。新設備可以同最近的已有的設備或網關進行通信，這些已有設備可以將新設備認作網絡上的授權節點，并知道何時接收和發送信息。

　　當通信路徑中斷時，網絡通過“自愈” 的能力自動為信號尋找下一條最優路徑。

　　這種能夠動態地自行重新配置，選擇效率最高的路徑的能力，不需要手動干預，也不會打斷數據傳輸過程，將自組網絡同過程自動化無線應用的其他技術方案區別開來。 自組網絡帶來的好處包括整體功耗更低，信號等待時間減少，數據可靠性更高和無線網絡的性能更強勁等等。

　　基本原理

　　自組織網絡綜合了有線網絡的高可靠性和無線網絡的靈活性以及低成本的優勢。

　　有兩個基本的概念決定了這種可能性：多通信路徑和自動路徑配置。

　　· 多通信路徑 網絡內的每個無線裝置都同時作為附近其它設備的路由器，用來傳遞信號直到它們抵達目的地為止。這種能力提供了冗余的通信路徑，同其它的要求在設備和網關之間具有直接視線路徑的技術方案相比也就因而具有了更高的可靠性。
　
　　· 自動通信路徑配置 每當網絡或其環境發生變化并對通信過程產生影響時，網絡中的設備和網關會協同工作，為每條信息找到并適用最有效的路徑，這條路徑將優化數據的可靠性并使功耗降到最低。

　　這條路徑可以隨需要而變化。例如，當有卡車或腳手架擋住兩個路由器之間的跳頻的時候，路由器將找到替代路徑來繞過障礙。

　　自組織網絡技術的美妙之處在于這種重新配置是自動產生而無需手動干預，無論是當有新設備加入網絡時，還是當發生障礙或是其它通信問題而需要改道發送信息的時候。
 
　　網絡構成部件

　　自組織網絡有三個基本構成部件：

　　· 無線設備 無線設備包含一個傳感器，用來獲得測量數據；一個無線收發裝置，來傳達信息。除了作為網絡中的終點設備以外，無線設備還同時作為其它設備的路由器來工作。

　　他們可以識別一個網絡，加入網絡，并自行組織成為通信路徑。

　　· 網關 無線網關是一個電腦聯網設備，為自組織網絡中的設備和主機信息系統提供一個界面。它應該能夠提供來自于無線網絡的信息到現有主機系統的無縫整合。

　　· 主機信息系統 大多數用戶通過主機信息系統來訪問無線設備提供的信息。主機系統可能是一個控制系統、一臺PLC、一個網絡界面或者一個歷史數據記錄器等等。

　　同步信息

　　當所有的信息都在網絡上的無線設備之間穿行的時候，就會產生一種“碰撞”的風險，即多條信息在同一時間里抵達某個設備或者網關。這時候信息就會被延誤或者丟失。

　　為了防止這個問題的發生，自組織網絡將通信過程進行同步。通過認真仔細的信息傳輸定時，潛在的碰撞就可以在他們發生之前避免。

　　同步信息有兩種方法：CSMA（載波偵聽多路訪問）和TDMA（時分多址）。

　　利用 CSMA 時，所有的網絡設備都試圖在同一時間內發送信息。 如果有兩個信息發生碰撞，每臺設備都會試圖沿著另外的路徑和/或者不同的時間來重新發送信息。

　　CSMA 的主要缺點是，網絡越大，通信量也就越大，最終碰撞也就越多。在某些點上，幾乎所有的網絡通信都會包含信息的重新發送。

　　碰撞越多當然也就意味著需要越多的能量以便重新發送碰撞信息。有技術分析表明，基于 CSMA 的，由電池供電的網絡當設備數量超過 50 時，就不能再增加了。 

　　另一方面，對于 TDMA 來說，網絡內的每個設備都確切知道它們會在什么時間，需要多久進行一次通信。任何需要發送到其它設備或者網關的信息都會處于被儲存的狀態，直到這個節點預定的通信時間到來。

　　由于每一條信息都有一個特定的時隙，并在這個期間穿越網絡，所以不會有碰撞和由碰撞引起的再發送的產生。

　　TDMA 網絡還可以通過利用許多不同的頻率進行操作以增加可靠性。如果某個頻率處于繁忙狀態，信息可以跳轉到另外一個比較清閑的頻率，這樣可以避免干擾或者“堵塞”。

　　由于 TDMA 網絡的可靠性更高，信息等待時間更短，耗能比CSMA更少，具有可以自動探測新設備的能力，對于自組織網絡來說，TDMA 無疑是正確的選擇。

　　自組織網絡的優勢

　　* 高可靠性

　　網絡可靠性指的是在設備和網關之間進行傳遞并最后實際到達目的地的信息的比例。通過這種方法， 可以衡量您能夠獲取來自于無線設備數據的能力。

　　自組織網絡通常可以有超過 99％ 的可靠性。 而在有些網絡中由于不能產生可以由自組織網絡提供的冗余通信路徑，所以可靠性甚至低到只有44％。 

　　在點對點無線網絡中，例如， 任何從設備到網關之間的通信路徑的中斷都會導致數據的損失。在工廠的環境中，潛在的中斷威脅從臨時障礙像建筑設備到射頻干擾等等都時常存在。

　　然而，當有這樣的中斷故障發生在自組織網絡中時， 它只是會很簡單地重新組織一下，然后通過另外一條路徑或以不同的頻率來進行通信。

　　即使沒有一個單一的通信跳頻可以提供高達 99％ 的可靠性，通過經常性地選擇能夠提供當時最佳可靠性的路徑，自組織網絡也可以同樣達到這么高的性能。

一個自組織網絡——即使單條路徑的可靠性低于 99％——仍然可創造可靠的路徑來進行通信。

　　最妙的是，可靠性會隨著網絡的擴展而增加。這是因為更多的設備意味著更多潛在的通信路徑，也就意味著為信息能夠順利抵達目的地所提供的保證越大。

　　* 無需現場勘測

　　現場勘測是指對您的工廠進行物理性檢查，以便確定暢通無礙的視線路徑，從而在網關和無線設備之間生成通信鏈路。勘測時還要分析潛在的鏈路帶寬和速度，以及可能的干擾源。

　　現場勘測可能需要幾百個小時之多，尤其當工廠的建筑、設備以及其它的障礙限制了通信路徑的時候。同時這種現場勘測仍然不能預測未來可能導致通信中斷的狀況。
 
　　但是利用自組織網絡您不再需要費用高昂的現場勘測。事實上，所有您需要了解的僅僅是網絡可以支持的最多的無線設備數量，以及網關和路由器的信號覆蓋范圍而已。

　　如果某個設備的合理位置（譬如，需要貼近它的測量點）距離它的網關太遠而不能直接通信，或者有什么物體對信號產生了干擾， 其它在信號范圍內的設備可以將信息進行中轉，以保證信息傳輸的連續性。

　　* 能量效率高

　　自組織網絡同傳統的點對點網絡相比，能量效率更高。

　　例如，在點對點網絡中，一個 1W 的無線信號可以覆蓋的距離范圍是 1'500米；而在一個自組織網絡中，十個0.001W (1mW) 的設備就可以通過 150 米長的跳頻達到同樣的覆蓋范圍。

　　為什么會產生 100 比1的這么大的差別呢？ 對于自組織網絡而言，用不著利用一個單一設備“一路呼嘯”著直到網關，只需“靜悄悄”地從設備到設備進行傳播，直到信號抵達目的地即可。
　
　　有些自組織網絡還使用先進的能源管理功能來保存能量。 在這種方法中，無線設備不會持續處于通電狀態。 當不需要發送信息的時候， 他們就會處于“睡眠”模式，通過對所有的電子部件斷電來使耗電達到最少，直到設定的機制在預定的通信時間將設備“警醒”為止。 并且由于使用了有效的 TDMA 通信方式，“警醒”的時間短暫而高效。

　　能量效率高意味著電池可以持續更長的時間。 這一點十分重要，因為電池壽命對維護費用有很大的影響。

　　* 自行組網

　　您無需告訴一個自組織網絡如何將信息送達目的地，也無需擔心當添加一個新設備的時候通信如何進行。

　　因為每當一個新設備加入網絡的時候，網絡便會自動進行調整或自行組織，然后將新設備帶入到網絡中去。如果有設備或者通信路徑失靈，那么信息會自動改變方向，通過網絡內另外的設備進行傳遞。

　　而且，當加入一個新設備后產生了一條更好的路徑，網絡將重新組織以對其加以充分利用。

　　在效果方面，網絡可以自動“治愈”自己，所以任何環境變化都不會阻止信息抵達它的目的地。

　　* 安裝容易

　　自組織網絡很容易進行安裝和管理——沒有必要再進行復雜的計劃或者費用不菲的現場勘測。所有您需要知道的無非是網絡可以支持的無線設備的最大數量，以及設備和網關的無線信號的覆蓋范圍而已。只要每個設備或網關都至少處于另外一個的范圍之內，您的網絡就會可靠、有效地工作。

　　自組織網絡還可以對應變化自動調整。即使剛剛安裝完成，你也可以很簡單地進行設備和網關的添加、移出、更換或者重新定位。

　　設備一旦完成安裝，即會自動加入網絡、自行組織，然后傳輸數據。

　　* 具有診斷功能

　　想象一下，您能否在同一時間內，不但通過無線網絡接收測量數據，而且可以檢修設備故障，還可以上傳修改的軟件？

　　您當然可以！基于新興的、以無線方式訪問HART信息之標準的自組織網絡有望具備所有的這些能力。這個標準目前正在由 HART 通信基金會 (HCF) 的無線 HART 工作團隊進行的開發之中。
　
　　利用無線技術的 HART 設備可以無線方式傳達重要的故障診斷數據，例如設備或者過程的健康狀況。 診斷信息也可以動態發送到其它的無線設備，所以相鄰設備可以對失靈設備“報警”做出反應。

　　診斷數據的價值具有重要意義。例如，利用診斷數據可以從控制室通過安全設備來診斷儀器警報， 或者在維修車間就可以減少 60％以上典型的儀表巡檢。

　　目標應用 

　　第一代自組織網絡針對的是數據更新率在每數秒一次到每分鐘一次的應用場合。這與有線技術方案有所不同，有線方案的更新率通常在十分之一秒左右。

　　在安全方面，自組織網絡非常適合于典型的監測用途。例如，大多數工廠都有幾百個甚至幾千個測量點由人工來進行監測。 人工數據收集的時間常為每班、每天、每周、每月一次甚或根本沒有，所以與此相比，每數秒一次的頻率看上去和實時監測幾乎沒有什么兩樣。

　　自動化的無線監測還可以消除許多在手動數據收集中產生的錯誤，包括抄錄板記錄的誤差，表盤式指示的不準確，以及手持式測量設備操作的可重復性較差等等。

　　這些網絡還可以支持開環控制和某些形式的耐時間延遲控制。潛在的開環控制應用包括， 啟動一臺泵或者關閉一只手動切換閥等等，而進行這些動作的操作人員可能需要花費一個小時甚至更多的時間以獲取合適的工作許可，或者來到現場來完成合適的控制動作。 在這種情況下，一分鐘的數據更新率已經可以提供大量的響應時間了。