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Rajiv Singhal, Cisco Systems
Eric Rotvold, Emerson Process Management

    在某些過程工業應用中，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公司共同開發的開放的基于標準的無線結構解決了這方面的問題，它采用全網格的網絡通訊技術和其它技術，確保在現場網絡和工廠網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領域獲得認可，與傳統的有線方案相比，它的安裝成本更低、安裝速度更快。無線應用包括監測過程和設備狀態、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、科技和醫療的2.4GHz波段，業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頻道運行。在實際應用中，還沒有數據可以證明采用跳頻和全網格網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場網絡和工廠網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絡時，還需要考慮網絡設計的其它一些方面，如安全和網絡管理。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絡管理方面的方案，并將繼續致力于測試和發布最佳的過程工業無線網絡方案。

    筆者作者衷心感謝Dust Networks公司的Kris Pister先生為本文提供數據和相關信息。

共存性的基本知識

    共存的意思就是“一套系統可在共享環境中工作，在此共享環境中，其它系統無論是否使用相同的標準都可以各自工作。”這是根據點到點數據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—網狀技術通過多組跳頻而不是輸出功率來進行網絡覆蓋。

    □ 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絡協議的方式中，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中的領先技術和思科在網絡協議設備方面的領先技術，2家公司共同開創出一個開放的、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，特別為現場級和工廠級的無線網絡提供了強勁可靠的通訊能力。

無線現場網絡

    艾默生的智能無線方案利用自組網絡技術的優勢采用IEEE 802.15.4無線電頻率，這符合WirelessHART標準。

    網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關通訊相比，這樣可以實現更好的可靠性。任何時候由于網絡或環境發生變化而影響到通訊，設備和網關會一起尋找其它路徑，以最低的耗電量確保數據的可靠性。

    還有一些其它的功能有助于提高通訊可靠性。隨機頻道跳頻實現了頻率分集。時分多址（TDMA）可實現時間分集，確保了一個頻道同時只允許一臺設備發送信號。低電耗設備實現功率分集。直接序列展頻技術（DSSS）可實現+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，而且數據可靠性達到99.9%以上。

無線工廠網絡

    思科無線網狀網絡方案基于思科的Aironet?1500系列，這是一種戶外Wi-Fi網絡訪問接入點，它采用思科正在申請專利的適應無線路徑協議（AWPP），該協議正是現行IEEE 802.11s標準的基礎。思科Aironet 1500系列可進行通道優化，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絡時還可進行動態再優化。

    為了滿足地形復雜以及危險工業工況的需求，思科研發出了Aironet 1520系列專門應用于這種工廠環境。該系列產品可實現零接觸組態，從而使組網更方便、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，就可根據需求擴大信號覆蓋范圍。思科Aironet 1520由思科無線局域網控制器和思科無線控制系統（WCS）進行監控和管理。

    思科1500無線接入器采用適應無線路徑協議，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，并與這個最佳的節點建立連接路線。

標準的優勢

    用于現場級網絡的802.15.4和用于工廠級網絡的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勢。IEEE學會聯合802無線標準工作小組和共存技術專家顧問團（802.19）建立一個可在現行標準（包括正在開發的標準）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工廠級網絡和相關應用程序，以及使用由Dust Networks公司提供的網狀網絡和IEEE 802.15.4技術的艾默生智能無線現場級網絡的實際效果。

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戶外網狀式接入器，1臺艾默生1420無線網關分別與思科1510網狀式接入器以及8臺艾默生智能無線現場儀表相連。此外，還有一些艾默生的Wi-Fi接入器擺在測試網絡的附近。

    我們將網絡性能分析工具（Iperf）連到需要測試的接入器，并在Wi-Fi網絡上進行數據裝載。網絡電話（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。

    網絡統計是在802.15.4網絡上進行監測的，Iperf網絡測試工具則用于檢測802.11b/g網絡的流量。lperf用戶端通過802.11g連接。我們定期監測lperf數據的輸出，以判斷對802.11b/g網絡現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網絡中進行測試。802.15.4網絡中的設備數據更新頻率設置在每15秒（常規配置）。

    在測試期間，從802.15.4網關到802.11 b/g網格訪問點近似于1 m，從大多數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造最不利的測試環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現場網絡的可靠性保持在100%。僅管802.11b/g的干擾引起一小部分的來自于802.15.4網絡設備信號的損失，但是艾默生的現場網絡具有一些功能（例如重新連接和路徑多樣性）可以抵沖這種損失，使整個數據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網絡（用Iperf進行監視）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網絡的數據吞吐量發生的絕大部分變化，很可能是由處于周圍環境中、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。在測試環境條件下，在802.15.4通訊量引入測試環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網格訪問點不大于1 m范圍內的802.15.4設備，其路徑穩定性影響取決于距離和應用帶寬。對數據包出錯率的影響為

    數據包出錯率 ＝ BWU * 20%

    式中，BWU為802.11 b/g網格訪問點的應用帶寬，20%系數為經驗數據。

    例如，若802.11 b/g平均應用帶寬為20%（對于典型Wi-Fi網絡，這個數字屬于較高水平），則單個路徑穩定性的影響為4%。這一數據包出錯率水平還不足以大到影響總體802.15.4網絡的數據可靠性。這是因為網絡協議具有內置的自動重試功能，盡管造成使某些數據包遺失，但仍能保持非常高的數據穩定性。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網格訪問點10 cm范圍內的靜態通道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）解決方案中并未發現，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網絡會對802.11 b/g網絡有影響，這個影響正比于其通道使用性。通道使用性是網絡中總帶寬應用和通道駐留時間的函數。通道使用性范圍從典型網絡0％一直到由線路供電設備組成的大型網絡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%系數為經驗數據；4/15為1個802.11 b/g通道占用的802.15.4通道數量。接近802.15.4網關的帶寬應用可能近似于大型網絡的41％。41％這個系數來自在10 ms時間間隔內，可以產生最大尺寸數據包（128個字節）的2.4 GHz 802.15.4網絡的數據率。

    假設802.11 b/g設備接近802.15.4/WirelessHART網關，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；且測試證明未出現性能下降現象。

    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，這兩類網絡也未發現明顯影響。由于進入網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絡並無影響。

總結

    無線技術的飛速發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，如通道跳躍和網格網絡等，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。從這些發現中可以得出下列結論：過程工業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，如安全性和網絡管理等，也是網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境的這些問題。Cisco和Emerson還將發表白皮書，介紹工廠環境中無線網絡過程工業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：小功率無線人員區域網絡（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：無線人員區域網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，時間同步化網格協議（TSMP）技術概述，2006年6月20日 鏈接：www. dustnetworks.com/docs/TSMP_Whitepater.pdf

    [4] WirelessHART技術規范