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Rajiv Singhal, Cisco Systems
Eric Rotvold, Emerson Process Management

    在某些過(guò)程工業(yè)應(yīng)用中，人們對(duì)于工廠內(nèi)無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用還存在一些顧慮，主要是因?yàn)閾?dān)心采用無(wú)線方案后，無(wú)線電頻率會(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(tǒng)公司共同開(kāi)發(fā)的開(kāi)放的基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線結(jié)構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)中的通訊達(dá)到極高的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行的共存測(cè)試證明：這種結(jié)構(gòu)體系對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性無(wú)明顯影響。

介紹

    新建工廠的無(wú)線技術(shù)應(yīng)用已逐步在過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域獲得認(rèn)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(wú)線應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)過(guò)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(yuǎn)程設(shè)備和人員的情況。

    然而，還有一些過(guò)程工業(yè)對(duì)采用這項(xiàng)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(wú)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(wú)線電。

    因?yàn)?02.11和802.15.4無(wú)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(gè)問(wèn)題：這些技術(shù)是否能夠共存？以往對(duì)這些問(wèn)題的諸多研究主要針對(duì)這2種無(wú)線電通訊方式的靜態(tài)頻道運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，還沒(méi)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(jìn)技術(shù)的設(shè)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(tǒng)公司的基于開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)線結(jié)構(gòu)正是采用了這些先進(jìn)技術(shù)為現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)提供具有高可靠性的通訊。進(jìn)一步對(duì)該結(jié)構(gòu)的多種應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試表明，即使在最嚴(yán)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)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(duì)安全和網(wǎng)絡(luò)管理方面的方案，并將繼續(xù)致力于測(cè)試和發(fā)布最佳的過(guò)程工業(yè)無(wú)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(shí)

    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(wú)論是否使用相同的標(biāo)準(zhǔn)都可以各自工作?！边@是根據(jù)點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞成功率來(lái)衡量的。

    當(dāng)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(shè)計(jì)就是抗干擾的），設(shè)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(fù)用和空頻道檢測(cè)

    □ 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(dá)到400倍。

    對(duì)于非重疊通道，802.11 b/g的側(cè)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(hù)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(hào)為15、20、25和26；在歐洲，這些通道編號(hào)為15、16、21和22。

    盡管之前在這個(gè)領(lǐng)域的研究和測(cè)試表明，802.11b/g對(duì)于802.15.4是有影響的，但必須聲明，所有這些測(cè)試中的無(wú)線電通訊都沒(méi)有采用以上提到的技術(shù)，我們將這些技術(shù)都?xì)w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)線電對(duì)于802.11b/g的影響應(yīng)該會(huì)降到最低。

無(wú)線結(jié)構(gòu)

    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(shè)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(biāo)準(zhǔn)的工廠內(nèi)無(wú)線構(gòu)架。

    對(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，特別為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和工廠級(jí)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)勁可靠的通訊能力。

無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)

    艾默生的智能無(wú)線方案利用自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)采用IEEE 802.15.4無(wú)線電頻率，這符合WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)。

    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(guò)網(wǎng)關(guān)通訊相比，這樣可以實(shí)現(xiàn)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(shè)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(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(jī)頻道跳頻實(shí)現(xiàn)了頻率分集。時(shí)分多址（TDMA）可實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集，確保了一個(gè)頻道同時(shí)只允許一臺(tái)設(shè)備發(fā)送信號(hào)。低電耗設(shè)備實(shí)現(xiàn)功率分集。直接序列展頻技術(shù)（DSSS）可實(shí)現(xiàn)+8dB的編碼增益或分集。

    這些功能不僅避免了無(wú)線電頻率的干擾，同時(shí)也防止了來(lái)自于工廠的馬達(dá)、電燈或其它設(shè)備的電子干擾。在諸多過(guò)程控制工廠的實(shí)際應(yīng)用中，艾默生的無(wú)線設(shè)備已經(jīng)被證實(shí)具有以上這些功能，而且數(shù)據(jù)可靠性達(dá)到99.9%以上。

無(wú)線工廠網(wǎng)絡(luò)

    思科無(wú)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(wèn)接入點(diǎn)，它采用思科正在申請(qǐng)專(zhuān)利的適應(yīng)無(wú)線路徑協(xié)議（AWPP），該協(xié)議正是現(xiàn)行IEEE 802.11s標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。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(fù)，當(dāng)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。

    為了滿足地形復(fù)雜以及危險(xiǎn)工業(yè)工況的需求，思科研發(fā)出了Aironet 1520系列專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于這種工廠環(huán)境。該系列產(chǎn)品可實(shí)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(wú)線電頻率，再加上高增益天線，就可根據(jù)需求擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍。思科Aironet 1520由思科無(wú)線局域網(wǎng)控制器和思科無(wú)線控制系統(tǒng)（WCS）進(jìn)行監(jiān)控和管理。

    思科1500無(wú)線接入器采用適應(yīng)無(wú)線路徑協(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(yīng)時(shí)間使系統(tǒng)容量最大化。如果其中一個(gè)路徑信號(hào)減弱，那么無(wú)線接入點(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(jié)點(diǎn)建立連接路線。

標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)

    用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的802.15.4和用于工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)的802.11都是采用基于IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，它在處理共存問(wèn)題具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。IEEE學(xué)會(huì)聯(lián)合802無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)工作小組和共存技術(shù)專(zhuān)家顧問(wèn)團(tuán)（802.19）建立一個(gè)可在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（包括正在開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)）中共存的框架。

共存性測(cè)試

    測(cè)試的目的是為了對(duì)比在同一個(gè)工過(guò)程工廠中使用思科IEEE 802.11b/g工廠級(jí)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(wú)線現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際效果。

測(cè)試經(jīng)過(guò)

    測(cè)試是在艾默生的工廠內(nèi)進(jìn)行的。測(cè)試包括2臺(tái)思科的1510戶外網(wǎng)狀式接入器，1臺(tái)艾默生1420無(wú)線網(wǎng)關(guān)分別與思科1510網(wǎng)狀式接入器以及8臺(tái)艾默生智能無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)儀表相連。此外，還有一些艾默生的Wi-Fi接入器擺在測(cè)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(cè)試的接入器，并在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)裝載。網(wǎng)絡(luò)電話（VoIP）采用的是思科7921IP電話和裝有聲音軟件的Intermec CK60移動(dòng)通訊平臺(tái)。

    網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)是在802.15.4網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)的，Iperf網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工具則用于檢測(cè)802.11b/g網(wǎng)絡(luò)的流量。lperf用戶端通過(guò)802.11g連接。我們定期監(jiān)測(cè)lperf數(shù)據(jù)的輸出，以判斷對(duì)802.11b/g網(wǎng)絡(luò)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(luò)中進(jìn)行測(cè)試。802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備數(shù)據(jù)更新頻率設(shè)置在每15秒（常規(guī)配置）。

    在測(cè)試期間，從802.15.4網(wǎng)關(guān)到802.11 b/g網(wǎng)格訪問(wèn)點(diǎn)近似于1 m，從大多數(shù)802.15.4設(shè)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(cè)試環(huán)境條件下給定和已知的射頻特性。

測(cè)試結(jié)果

    802.11b/g對(duì)802.15.4.的影響。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，802.15.4現(xiàn)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(shè)備信號(hào)的損失，但是艾默生的現(xiàn)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(shù)據(jù)的可靠性不至于受到太大影響。

    802.15.4對(duì)802.11b/g的影響。在基線測(cè)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(jiān)視）的吞吐量在4 MB/s至8 MB/s范圍內(nèi)變化；存在802.15.4通訊量時(shí)，吞吐量在整個(gè)測(cè)試期間也在此圍內(nèi)變化。基于測(cè)試結(jié)果和已知的射頻干擾（重疊通道、輸出功率），測(cè)試802.11 b/g網(wǎng)絡(luò)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?chē)h(huán)境中、但不屬于測(cè)試組成部分的其它802.11 b/g訪問(wèn)點(diǎn)所引起的。

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

無(wú)線應(yīng)用問(wèn)題

    802.11 b/g對(duì)802.15.4的影響 － 任何在802.11 b/g網(wǎng)格訪問(wèn)點(diǎn)不大于1 m范圍內(nèi)的802.15.4設(shè)備，其路徑穩(wěn)定性影響取決于距離和應(yīng)用帶寬。對(duì)數(shù)據(jù)包出錯(cuò)率的影響為

    數(shù)據(jù)包出錯(cuò)率 ＝ BWU * 20%

    式中，BWU為802.11 b/g網(wǎng)格訪問(wèn)點(diǎn)的應(yīng)用帶寬，20%系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

    例如，若802.11 b/g平均應(yīng)用帶寬為20%（對(duì)于典型Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)數(shù)字屬于較高水平），則單個(gè)路徑穩(wěn)定性的影響為4%。這一數(shù)據(jù)包出錯(cuò)率水平還不足以大到影響總體802.15.4網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠性。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有內(nèi)置的自動(dòng)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(fù)存在。

    以前進(jìn)行的研究和測(cè)試表明：在802.11 b/g網(wǎng)格訪問(wèn)點(diǎn)10 cm范圍內(nèi)的靜態(tài)通道802.15.4設(shè)備受到明顯的影響，其原因在很大程度上應(yīng)歸于802.11 b/g無(wú)線電的大功率輸出。但在Emerson Smart Wireless（智能無(wú)線）解決方案中并未發(fā)現(xiàn)，其原因是這項(xiàng)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(cè)試中未使用的一項(xiàng)技術(shù)，故設(shè)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(duì)802.11 b/g的影響 － 802.15.4網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)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(yīng)用和通道駐留時(shí)間的函數(shù)。通道使用性范圍從典型網(wǎng)絡(luò)0％一直到由線路供電設(shè)備組成的大型網(wǎng)絡(luò)100％不等。

    對(duì)于在802.11 b/g訪問(wèn)點(diǎn)范圍內(nèi)的每一臺(tái)設(shè)備，對(duì)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(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；4/15為1個(gè)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(guān)的帶寬應(yīng)用可能近似于大型網(wǎng)絡(luò)的41％。41％這個(gè)系數(shù)來(lái)自在10 ms時(shí)間間隔內(nèi)，可以產(chǎn)生最大尺寸數(shù)據(jù)包（128個(gè)字節(jié)）的2.4 GHz 802.15.4網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)率。

    假設(shè)802.11 b/g設(shè)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(duì)時(shí)間極其敏感的應(yīng)用，如VolP通訊，這個(gè)減少幅度也可以忽略不計(jì)；且測(cè)試證明未出現(xiàn)性能下降現(xiàn)象。

    此項(xiàng)測(cè)試旨在描述在使用IEEE 802.11b/g設(shè)備和IEEE 802.15.4設(shè)備中，用戶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(yīng)用。即使在此項(xiàng)測(cè)試的極端條件下，這兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò)也未發(fā)現(xiàn)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(yīng)用中已顯示對(duì)網(wǎng)絡(luò)並無(wú)影響。

總結(jié)

    無(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展已消除人們以前對(duì)過(guò)程運(yùn)行中使用無(wú)線技術(shù)存有的任何疑慮。尤其是Emerson和Cisco的無(wú)線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系測(cè)試證明：即使在極端應(yīng)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(xiàn)中可以得出下列結(jié)論：過(guò)程工業(yè)用戶可以完全相信這項(xiàng)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(shè)計(jì)新的無(wú)線技術(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)應(yīng)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(xiàng)目環(huán)境的這些問(wèn)題。Cisco和Emerson還將發(fā)表白皮書(shū)，介紹工廠環(huán)境中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)過(guò)程工業(yè)用戶的典型應(yīng)用范例。若要求其它信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.EmersonProcess.com/SmartWireless，或與Emerson或Cisco銷(xiāo)售代表聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)

    [1] IEEE 標(biāo)準(zhǔn)802.15.4-2006，第15.4部分：小功率無(wú)線人員區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）的無(wú)線載體訪問(wèn)控制（MAC）和物理層（PHY）技術(shù)條件

    [2] IEEE 標(biāo)準(zhǔn)802.15.2-2003，第15.2部分：無(wú)線人員區(qū)域網(wǎng)絡(luò)與其它運(yùn)行于未許可頻帶的無(wú)線設(shè)備之間的共存性

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    [4] WirelessHART技術(shù)規(guī)范