无线技术的共存性在开放的工厂内应用结构体系中
介绍
新建工厂的无线技术应用已逐步在过程工业领域获得认可，与传统的有线方案相比，它的安装成本更低、安装速度更快。无线应用包括监测过程和设备状态、使工厂人员更方便地获得工厂任何地方的信息、可跟踪到远程设备和人员的情况。
然而，还有一些过程工业对采用这项新技术或其它新的解决方案存有疑虑，主要担心多种无线技术互相之间可能存在射频干扰而影响主要通讯的可靠性，例如使用IEEE 802.11b/g 和IEEE 802.15.4[1] 协议的无线电。
因为802.11和802.15.4无线电通讯采用的也是用于工业、科技和医疗的2.4GHz波段，业内人士曾提出这样一个问题：这些技术是否能够共存？以往对这些问题的诸多研究主要针对这2种无线电通讯方式的静态频道运行。在实际应用中，还没有数据可以证明采用跳频和全网格网络等先进技术的设备是否可以共存。
来自于艾默生过程管理公司和思科系统公司的基于开放的、标准化的无线结构正是采用了这些先进技术为现场网络和工厂网络提供具有高可靠性的通讯。进一步对该结构的多种应用进行测试表明，即使在最严酷的工况中，这些技术也完全可以共存。
在使用一个综合性的无线网络时，还需要考虑网络设计的其它一些方面，如安全和网络管理。本文主要介绍无线电频率的兼容性以及它如何在艾默生/思科的方案中实施。思科和艾默生可提供针对安全和网络管理方面的方案，并将继续致力于测试和发布最佳的过程工业无线网络方案。
笔者作者衷心感谢Dust Networks公司的Kris Pister先生为本文提供数据和相关信息。
共存性的基本知识
共存的意思就是“一套系统可在共享环境中工作，在此共享环境中，其它系统无论是否使用相同的标准都可以各自工作。”这是根据点到点数据传递成功率来衡量的。
当2个以上的传送包具有足够的干扰能量或频率（除非网络本身的设计就是抗干扰的），设备的共存就有问题了。人们处理这种问题的方法包括以下几种：
􀂃 频率多样性--跳频
􀂃 时间多样性—时分多路复用和空频道检测
􀂃 功率多样性—低功率输出( <= 10dBm)
􀂃 空间多样性—网状技术通过多组跳频而不是输出功率来进行网络覆盖。
􀂃 编码多样性—采用先进的直接序列展频技术
室外网格
下图显示的是使用IEEE802.11b/g (Wi-Fi)和IEEE 802.15.4无线电传输中存在的潜在干扰。
如果是重叠频道，室内的802.11b/g辐射功率是802.15.4的10到100倍，而在室外将达到400倍。
对于非重叠通道，802.11 b/g的侧斜率会影响802.15.4通道，使之落入802.11 b/g通道之间的保护频带（上图中紫色区域），但其程度较小。在北美洲，这些通道编号为15、20、25和26；在欧洲，这些通道编号为15、16、21和22。
尽管之前在这个领域的研究和测试表明，802.11b/g对于802.15.4是有影响的，但必须声明，所有这些测试中的无线电通讯都没有采用以上提到的技术，我们将这些技术都归到一种叫时间同步网络协议的方式中，通过这种方式可以减少干扰的影响。
低功率802.15.4无线电对于802.11b/g的影响应该会降到最低。
无线结构
得益于艾默生在过程自动化工业中的领先技术和思科在网络协议设备方面的领先技术，2家公司共同开创出一个开放的、基于标准的工厂内无线构架。
对于用户在共存方面的担心，2家公司都非常了解，因而在进行设计的时候，特别为现场级和工厂级的无线网络提供了强劲可靠的通讯能力。
无线现场网络
艾默生的智能无线方案利用自组网络技术的优势采用IEEE 802.15.4无线电频率，这符合WirelessHART标准。
网络技术提供冗余的通讯路径（路径的多样性），与设备之间直接的有线通讯或通过网关通讯相比，这样可以实现更好的可靠性。任何时候由于网络或环境发生变化而影响到通讯，设备和网关会一起寻找其它路径，以最低的耗电量确保数据的可靠性。
还有一些其它的功能有助于提高通讯可靠性。随机频道跳频实现了频率分集。时分多址（TDMA）可实现时间分集，确保了一个频道同时只允许一台设备发送信号。低电耗设备实现功率分集。直接序列展频技术（DSSS）可实现+8dB的编码增益或分集。
这些功能不仅避免了无线电频率的干扰，同时也防止了来自于工厂的马达、电灯或其它设备的电子干扰。在诸多过程控制工厂的实际应用中，艾默生的无线设备已经被证实具有以上这些功能，而且数据可靠性达到99.9%以上。
无线工厂网络
思科无线网状网络方案基于思科的Aironet®1500系列，这是一种户外Wi-Fi网络访问接入点，它采用思科正在申请专利的适应无线路径协议（AWPP），该协议正是现行IEEE 802.11s标准的基础。思科Aironet 1500系列可进行通道优化，并可从射频干扰、终断、跳频中自行恢复，当有新的部件加入网络时还可进行动态再优化。
为了满足地形复杂以及危险工业工况的需求，思科研发出了Aironet 1520系列专门应用于这种工厂环境。该系列产品可实现零接触组态，从而使组网更方便、更安全。灵活、高功率，且灵敏的无线电频率，再加上高增益天线，就可根据需求扩大信号覆盖范围。思科Aironet 1520由思科无线局域网控制器和思科无线控制系统（WCS）进行监控和管理。
思科1500无线接入器采用适应无线路径协议，能够自动进行互相寻址，选择最佳的路径，以最短的响应时间使系统容量最大化。如果其中一个路径信号减弱，那么无线接入点就会判断是否有更好的路径存在，并与这个最佳的节点建立连接路线。
标准的优势
用于现场级网络的802.15.4和用于工厂级网络的802.11都是采用基于IEEE 802标准的技术，它在处理共存问题具有绝对的优势。IEEE学会联合802无线标准工作小组和共存技术专家顾问团（802.19）建立一个可在现行标准（包括正在开发的标准）中共存的框架。
共存性测试
测试的目的是为了对比在同一个工过程工厂中使用思科IEEE 802.11b/g工厂级网络和相关应用程序，以及使用由Dust Networks公司提供的网状网络和IEEE 802.15.4技术的艾默生智能无线现场级网络的实际效果。
思科 – IEEE 802.11b/g | 艾默生- IEEE 802.15.4 |
l 物理层 o 14通道，5 MHz通道间隔，22 MHz频宽 o 最高数据传输速率54兆比特每秒 l 仅有3个非重叠通道 o 在北美用1、6、11 o 在欧洲用1、7、13 l 无线电功率输出 O 室内最大功率100兆瓦 O 户外网状网络最高达4瓦 | l 物理层 o 16通道，5 MHz通道间隔，2 MHz频宽 o 数据传输速率250兆比特每秒 l 使用物理通道 o 允许跳频 o 允许通道调整（时分多址） l 艾默生（以及WirelessHART）采用跳频和通道调整 o 使用15个通道 |
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