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Rajiv Singhal, Cisco Systems
Eric Rotvold, Emerson Process Management

    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。”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(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)

    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。

測試經(jīng)過

    測試是在艾默生的工廠內(nèi)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(guān)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(luò)的附近。

    我們將網(wǎng)絡(luò)性能分析工具（Iperf）連到需要測試的接入器，并在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上進行數(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移動通訊平臺。

    網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計是在802.15.4網(wǎng)絡(luò)上進行監(jiān)測的，Iperf網(wǎng)絡(luò)測試工具則用于檢測802.11b/g網(wǎng)絡(luò)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(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)中進行測試。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）。

    在測試期間，從802.15.4網(wǎng)關(guān)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(shè)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(jié)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(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自于802.15.4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信號的損失，但是艾默生的現(xiàn)場網(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(luò)（用Iperf進行監(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，吞吐量在整個測試期間也在此圍內(nèi)變化。基于測試結(jié)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(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(yīng)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(zhì)有任何影響。

無線應(yīng)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(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(yīng)用帶寬，20%系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

    例如，若802.11 b/g平均應(yīng)用帶寬為20%（對于典型Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，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(luò)的數(shù)據(jù)可靠性。這是因為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有內(nèi)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(fù)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(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(shù)，故設(shè)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(luò)會對802.11 b/g網(wǎng)絡(luò)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(luò)中總帶寬應(yīng)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(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。

    對于在802.11 b/g訪問點范圍內(nèi)的每一臺設(shè)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(jīng)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(guān)的帶寬應(yīng)用可能近似于大型網(wǎng)絡(luò)的41％。41％這個系數(shù)來自在10 ms時間間隔內(nèi)，可以產(chǎn)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(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。即使是對時間極其敏感的應(yīng)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(shè)備和IEEE 802.15.4設(shè)備中，用戶可能遇到的最不利條件。在實際安裝中，不大可能這兩類網(wǎng)絡(luò)均大于40%帶寬應(yīng)用。即使在此項測試的極端條件下，這兩類網(wǎng)絡(luò)也未發(fā)現(xiàn)明顯影響。由于進入網(wǎng)關(guān)的最大通訊量在較低功率水平（功率多樣性）上進行，在實際應(yīng)用中已顯示對網(wǎng)絡(luò)並無影響。

總結(jié)

    無線技術(shù)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(shù)存有的任何疑慮。尤其是Emerson和Cisco的無線結(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題。

    這種在實際條件下的結(jié)構(gòu)體系測試證明：即使在極端應(yīng)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(jié)論：過程工業(yè)用戶可以完全相信這項技術(shù)一定能夠成功。實際上，可能會有許多充足的理由來開始設(shè)計新的無線技術(shù)應(yīng)用。

    本文只涉及射頻兼容性，但其它問題，如安全性和網(wǎng)絡(luò)管理等，也是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(yīng)予關(guān)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(luò)過程工業(yè)用戶的典型應(yīng)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

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    [4] WirelessHART技術(shù)規(guī)范