工业无线通讯技术的最新进展

发布时间：2016-06-28 来源：控制工程网

　　目前，工业Wi-Fi网络，主要部署在2.4GHz频段。这些无线网，在5GHz芯片被广泛接受之前就已经设计完成了。2.4GHz设计具有较低的成本，因此被广泛应用于客户端设备，成为现有Wi-Fi应用的主流。
　　除了工业场合，在其它很多地方，也可以见到2.4GHz无线技术的应用。例如，在车辆收费系统，以及车辆快速识别系统中使用的有源射频识别(RFID)，都运行在2.4GHz频段。IEEE802.15.4包括ZigBee，这是一种应用于监控的低带宽无线网络，也运行在ISM 2.4GHz频段。很多IEEE802.11b/g接入点，被部署在不同的工业应用中。该频段可由企业和客户网络、以及工业监测和控制网络共享。IEEE 802.11标准系列是无线局域网络标准的一个集合。
　　很多老的工业控制网络，使用的是IEEE 802.11b标准，在实际应用中会出现很多问题。这些接入点和客户端，在与其它更高速度的网络共享的通信信道上传输数据时，比如IEEE 802.11n网络，会降低在共享信道上所传信息的传输速率。事实上，只要有一个客户端频繁的连接并以1 MB/秒的速度传输，高速网络共享信道的性能就会非常明显的降低。

图1：工业环境产生了多路径干扰，如图所示的是由Moxa AWK-1127构建的无线接入点。对于支持介质访问控制（MAC）克隆或MAC透明特性的无线射频，比如Moxa AWK-1127，从启动时开始，无线射频就能够识别在其局域网（LAN）端口上的设备，复制其在无线网络上的MAC地址。图片来源：Moxa。

　　在2.4GHz频段，只有3个没有相互重叠的通道。如果其中一个IEEE 802.11b网络在一个相互重叠、非常接近的通道上，就会对通讯性能产生巨大影响，因为在相互重叠的通道上的冲突，会造成性能的降低。也可能会导致现有装置出现数不清的问题，因为这些网络可以被各个不同的个人或部门管理。这就是为什么大多数无线局域网（WLAN）的专业人士，不推荐在2.4GHz频段部署新的无线网络。
　　IEEE 802.11n: 更高吞吐量与速度
　　IEEE 802.11a标准主要用于工业应用场合，在商业领域内的接受度比较低。随着对IEEE 802.11a标准的接受，越来越多的应用开始向2.4GHz频段转移，到现在，已经进行了相当一段时间了。现在，随着IEEE 802.11n以及低成本5GHz芯片的发展，在工业领域内，正在经历着一场大规模的向主要应用于企业和工业的5GHz技术的转移。5GHz信道相当清净，几乎没有干扰。通道规划做的非常出色，20MHz的信道之间没有相互重叠。
　　IEEE 802.11n提高了吞吐量。IEEE 802.11a的通讯速度最高可达54Mbps。利用IEEE 802.11n，带宽为20MHz的通道和单空间流，其最大传输速度可达72Mbps。IEEE 802.11n还使得使用多个天线（MIMO:多入，多出）、发送和接收链、以及利用40MHz的带宽实现理论上最大为600Mbps的通讯成为可能，这种数据传输速率的提升令人吃惊。十分关键的一点是要做好规划，小心谨慎的防止这些更宽信道的重叠，避免以前2.4GHz应用所面临的问题。
　　IEEE 802.11ac: 千兆Wi-Fi
　　Wi-Fi的下一波浪潮将是IEEE 802.11ac，它带来了实现千兆无线传输以及其它方面改进的希望。为了更快地利用这项技术，工业领域已经开始分期部署IEEE 802.11ac标准。第一波基于IEEE 802.11ac技术的部署出现在2014年。
　　与IEEE 802.11n支持2.4 GHz 和5 GHz不同，IEEE 802.11ac只支持5 GHz。它支持20Mhz和40Mhz带宽的信道，也支持在80Mhz带宽下更高的数据传输速率。尽管允许进行更高的数据传输速率，却也减少了在整个频段内可用的信道数量，因此必须进行信道的规划，以避免彼此间的相互重叠。IEEE 802.11ac还提供了被称之为QAM-256的更高密度的调制技术，可以实现更高的性能。由于该技术需要非常高的信噪比，使用该调制技术时，客户端离接入点必须非常近，尤其是在车间等存在严重干扰或者高噪音的场合，更是如此。
　　第二波关于IEEE 802.11ac技术的发展出现在2015年，它引入了160MHz的信道宽度，实现更高的带宽和多用户MIMO，或者MU-MIMO，可以同时服务于多个客户。

图2：公共汽车停车场展示了典型的智能、无线运输（电子化汽车或eBus）应用方案的组成部分。图中所示的是Moxa AWK-4131A，一种兼容IEEE 802.11n、防护等级为IP68的无线接入点，以及兼容IEEE 802.11n的Moxa AWL-3131A 无线客户端。

　　工业应用环境的考量
　　最新的无线标准，能够改善数据吞吐量，但是这并不是其被工业领域所接受的主要因素。IEEE 802.11n持续为工业用户提供更多的价值，并且由于其适用性，它已经成为工业无线应用的共同标准。在工业环境中，无线网络经常被用于监视或数据采集和监控系统（SCADA）。从某个客户端发送的数据，相对较少，有可能要少于数百个字节。这些数据轮询的频率也比较低。对高速传递数据块的支持，对大数据文件的传递也许有效，但是对此类应用并没有太多的实际意义。与工业用户关系更密切的，是对信道数据传输时间的优化，这样在同一信道内就可以支持更多的用户。
　　IEEE 802.11n的特点之一，就是在大量多通道干扰存在的环境下，可以对信号进行重构的能力，这一点和工业用户关系比较密切。在工业环境下，金属结构可能导致大量的多路径干扰。既然典型的IEEE 802.11n无线系统，包括两个以2x2结构布置的天线，那它们就可以支持多空间流和多通道反射的信号重构。
　　冗余与回路保护
　　除了芯片生产制造商所提供的基本技术以外，工业应用有时还需要某些特殊的功能，来确保为不同应用提供优化和可靠的性能。例如，在轨道应用中，如果需要列车无线通讯，那么设计人员就需要设置多个主动式无线连接，以便实现冗余。这就需要多个无线电发射、创建可能的网络回路，实现列车和地面的通信，必须使用冗余和具有回路预防功能的通信协议。在过去，生成树协议被用于处理该类问题，但是在这种环境下有点无能为力，主要原因在于无线网络的失真特性（这意味着减弱或耗散），以及在漫游过程中可能发生的恒重现象。
　　总之，用于工业应用的无线网络技术的发展，大大超过了工业标准组织之前在芯片创新方面所达成的共识。无线技术能够满足最新的工业标准，为特定的工业应用场景提供附加值。（作者：Mike Werning）