工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA的技術(shù)解析

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技術(shù)是由中科院沈陽自動化所推出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，能夠針對應(yīng)用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，保持網(wǎng)絡(luò)性能的高可靠性和強(qiáng)穩(wěn)定性。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)基于短程無線通信IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用符合中國無線委會規(guī)定的自由頻帶，解決工廠環(huán)境下遍布的各種大型器械、金屬管道等對無線信號的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及馬達(dá)、器械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲對無線通信的干擾，提供能夠滿足工業(yè)應(yīng)用需求的高可靠、實(shí)時(shí)無線通信服務(wù)。

通過使用工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)，用戶可以以較低的投資和使用成本實(shí)現(xiàn)對工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)施優(yōu)化控制，來達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標(biāo)。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)主要應(yīng)用于石油、石化、冶金、環(huán)保、污水處理等領(lǐng)域。

選擇工業(yè)無線技術(shù)最重要的五個(gè)準(zhǔn)則

無線應(yīng)用把眾多的新能力(如實(shí)現(xiàn)新型的監(jiān)控、增加現(xiàn)有設(shè)備的靈活性、降低運(yùn)營和流程管理成本)帶入它們所服務(wù)的行業(yè)。反過來，許多不同類型的無線技術(shù)和應(yīng)用迅速涌現(xiàn)出來以滿足這個(gè)日益增長的需求。

需要強(qiáng)調(diào)的是，工業(yè)領(lǐng)域存在一些特有的挑戰(zhàn)，但許多傳統(tǒng)的無線技術(shù)并非是專門為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的。這些挑戰(zhàn)包括要求可靠性高、系統(tǒng)功耗低并具有在RF干擾嚴(yán)重的物理環(huán)境中良好工作的能力，當(dāng)然，同時(shí)還須具有高性價(jià)比。

無線技術(shù)應(yīng)用數(shù)量的不斷增加也已成為一個(gè)挑戰(zhàn)，眾多的無線應(yīng)用爭奪同一個(gè)RF空間，導(dǎo)致頻譜過于擁擠，并與業(yè)已存在的挑戰(zhàn)交織在一起。要為某個(gè)特定的應(yīng)用選擇一個(gè)合適的、足以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的技術(shù)，工程師需要考量可靠性、簡單性、功效、傳輸范圍和成本等多個(gè)重要指標(biāo)。

可靠性

在這里，可靠性是指無線系統(tǒng)在存在各種工業(yè)障礙的情況下成功完成通信的能力。我們可以根據(jù)無線系統(tǒng)的某些特征參數(shù)來評價(jià)其可靠性。

* 所使用的RF頻譜：無線系統(tǒng)通信所使用的物理RF頻譜

* 接收靈敏度：收發(fā)器完成通信需接收到的最小信號水平

* 輸出功率：能夠輸出的信號水平

* RF捷變能力：為避免干擾而在RF頻譜中移動的能力

* 抗干擾度：在存在干擾的情況下在給定頻道中通信的能力。

RF波的物理特性造成其頻譜使用高度依賴于環(huán)境。頻率越低，波長越長，越不容易被液體和加固混凝土等典型的生活與建筑材料所吸收。

但是，為減小與其它無線通信技術(shù)的干擾，RF頻譜及其使用受到很強(qiáng)的管制。在RF頻譜中，地方或國際組織只為免許可通信保留了幾個(gè)頻段，并稱之為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。在這些頻段中，主要使用的頻段是2.4GHz部分。在這個(gè)頻段，由于波長短，信號迅速被不利于RF傳輸?shù)墓I(yè)環(huán)境所吸收，我們需要對其它可靠性評估指標(biāo)給予更多的關(guān)注。

我們可以把接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度結(jié)合起來，形成一個(gè)更為宏觀也更為重要的可靠性指標(biāo)——鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算是接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度的綜合值。系統(tǒng)的接收靈敏度越高、輸出功率和抗干擾度越大，則鏈路預(yù)算越大。鏈路預(yù)算越大，RF吸收和RF干擾給系統(tǒng)帶來影響的可能性越小，實(shí)現(xiàn)可靠通信的潛力越大。

收發(fā)器的接收靈敏度和輸出功率強(qiáng)烈依賴于所使用的元器件，較易于進(jìn)行評估和比較，但抗干擾度在很大程度上依賴于無線收發(fā)器為提高其生命力而使用的技術(shù)。目前使用的可直接改善抗干擾度的最好技術(shù)之一是直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制。

DSSS調(diào)制的本質(zhì)是通過向傳輸信號中引入前向誤差校正，來減少因信號干擾而造成的數(shù)據(jù)損失。特別地，DSSS基于發(fā)射器和接收器共享的偽隨機(jī)噪聲碼，把數(shù)據(jù)編制成規(guī)模更大的比特流。

圖1展示了把8比特?cái)?shù)據(jù)編制成32碼片(Chip)數(shù)據(jù)的過程，在這里，4個(gè)碼片等價(jià)于一個(gè)比特。

這些碼片被調(diào)制成RF信號并發(fā)射出去。接收器從接收到的信號中解調(diào)出這些碼片并逆向執(zhí)行DSSS編碼方案。盡管由于信號噪聲或干擾而存在解調(diào)錯誤，我們?nèi)钥梢詮?fù)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)。

RF捷變通過干擾避免技術(shù)(在RF頻譜內(nèi)跳動或移動等)來改善可靠性。系統(tǒng)在頻譜中移動的自由度越大，找到干擾較小的RF靜謐環(huán)境的能力越強(qiáng)。包括偽隨機(jī)跳頻方案或基于算法的跳頻方案在內(nèi)，目前使用的各種RF捷變技術(shù)通過不斷地在頻譜中跳變來最大限度地減小干擾(見圖2)。

從可靠性的角度來說，不斷跳頻存在的一個(gè)問題是，在繁忙的RF頻譜中，系統(tǒng)可能會無意地連續(xù)跳到頻譜中包含強(qiáng)干擾的頻道。更智能的方案只在遇到干擾時(shí)跳頻。一旦找到安靜無干擾的頻率時(shí)則停止跳頻。

不管使用哪種捷變方案，RF捷變同樣依賴于所使用的RF頻譜和通道規(guī)模。所使用的RF頻譜會影響可用捷變空間。例如，由于受到頻率分配的制約，同工作頻率較高的系統(tǒng)相比，工作頻率較低的系統(tǒng)的捷變空間較小。例如，2.4GHz系統(tǒng)約有100MHz的可用頻譜，而900MHz系統(tǒng)只有大約26MHz。

通道寬度也是影響RF捷變能力的一個(gè)重要因素。通道寬度越小，則在頻譜中捷變的空間越大，RF捷變能力越強(qiáng)，避免干擾并在干擾之間找到合適位置的能力越強(qiáng)。例如基于802.15.4的系統(tǒng)的通道寬度為5MHz，只有16個(gè)可用通道，而通道寬度為1MHz的系統(tǒng)通常有80個(gè)可用的通道，因而有更多可用的避擾位置。

因而，可靠性是由鏈路預(yù)算、RF捷變能力和所使用的RF頻譜所共同決定的。在相同的RF頻譜上，無線系統(tǒng)的可靠性與鏈路預(yù)算和RF捷變能力正相關(guān)。