如何选择合适的工业无线技术

无线应用显然为相关产业带来了巨大优势,如支持全新监视与控制功能,在现有功能基础上增加了灵活性,降低了运营和进程管理成本等。作为响应,多种不同的无线解决方案和应用在不同领域应运而生,以满足不断增长的业界需求。也就是说,工业领域为许多传统无线解决方案带来了并非其设计之初所考虑要解决的一系列独特挑战,比如高可靠性、低系统功耗,以及要能在 RF 干扰较高的物理环境下工作,同时还要不断降低成本等。无线技术的使用范围不断扩大也成了一个新的挑战,由于许多不同的应用都要抢占相同的 RF 频率,因此会导致频谱过于拥挤,使现有的工业挑战变得更为复杂。面对工业领域及无线应用所带来的诸多挑战,我们怎样才能在现有的解决方案中做出明智的选择,确保满足环境需求呢?下面,让我们看一下解决上述问题所需的五大要素。 

可靠性

         就本文来说,可靠性就是指无线解决方案穿越工业领域所带来的诸多障碍实现通信的能力。无线系统有具体的特征,这些特征有助于决定在给定系统中如何可靠地工作。这些特征其中之一就是频谱应用,就是无线通信用什么 RF 频谱进行通信。另一个特征就是技术的接收灵敏度,即收发器识别出通信内容的最低程度。第三个特征是输出功率,即技术通信需要多大的功率。第四个特征是 RF 捷变性,也就是技术能否支持在 RF 频谱中移动以避免干扰。第五个特征是抗干扰性,即 RF 技术能否在面临干扰的情况下确保给定通道的通信。

         RF频谱应用在很大程度上取决于 RF 波物理特性决定的环境。频率越低,波长越大,也就越难被液体和混凝土等常见制造材料吸收。不过,RF 频谱及其应用是一个受政府高度管理的无线通信领域,只有少部分频谱预留给这些通信在本地和国际上非限制地使用,也就是所谓的工业、科学和医疗 (ISM) 波段。在此波段内,被接受和常用的最主要的频率是 ISM 波段的 2.4-GHz 部分,因为这是一个国际上通用的ISM频段。在此频率下,工业领域中恶劣的 RF 环境会很快吸收掉较小的波长,因此需要更需要关注剩余变量来测量可靠性。而在中国,还可以选择更加低频的230M、430MHz等频段,这些频段的衍射能力强。

         我们可将接收灵敏性、输出功率和抗干扰性全部量化,以形成定义可靠性的更大更重要的变量,即链路预算。链路预算可定义为接收灵敏性加上输出功率和抗干扰性的绝对值。接收灵敏性越高,输出功率越大,抗干扰性就越强,解决方案的链路预算就越高。而链路预算越高,无线解决方案受 RF 吸收和干扰影响的几率就越低,从而有助于提高可靠性。收发器的接收灵敏度和输出功率往往是决定链路预算的组件级鉴别器,我们可以方便地对其加以评估和比较。但是,抗干扰性很大程度上取决于无线收发器采用何种类型的技术来提高信号存活性。当前使用的、可以直接改善这一功能的最佳技术之一就是直接系列扩频 (DSSS) 调制技术。

         DSSS 调制技术基本上是一种对发送信号进行前向纠错的方法,用于减小信号干扰造成数据丢失的影响。具体而言,DSSS 根据发射器和接收器共享的伪随机噪声码将一组数据编码为较大的比特流。例如,在图 1 中,8 位数据编码为 32 个码片,在此情况下,4 个码片相当于 1 位。随后,码片在 RF 信号上调制发送。接收器将接收信号的码片解调,并反向执行 DSSS 编码方案。即便由于信号噪声或干扰会出现解调错误,原始数据仍然可以恢复。

         最后,RF 捷变性可通过避免干扰技术提高可靠性,也就是通过 RF 频谱跳频或者移动来避免干扰。解决方案的自由度越高,就越有利于找到 RF 干扰较小的环境,降低干扰。目前使用的不同 RF 捷变性技术主要分为两大类,一类是伪随机或算法型跳频方案,可在频谱内持续跳频,以尽量减少干扰,还有一类则是仅在需要时才移动的智能方案(见图 2)。从可靠性的角度来看,第一类捷变性方案的问题在于,如果 RF 频谱内比较繁忙,那么可能会无意中跳频到干扰较高的频谱部分中去,而智能型技术则会找到干扰较低的位置并随即停止移动。不管采用何种捷变性方案,RF 捷变性都取决于 RF 频谱的使用和通道的大小。依靠 RF 频谱应用,捷变性可以有或多或少的空间。例如,由于频率分配的缘故,低频解决方案相对于高频解决方案而言空间较小。2.4-GHz 解决方案支持约 100-MHz 的可用频谱,而 900-MHz 解决方案仅支持约 26-MHz 的空间。通道大小也是影响 RF 捷变性的一个重要因素。通道尺寸越小,频谱中捷变性的空间就越大,从而能以更高的 RF 捷变性来避免干扰,在干扰信号间找到干扰最小的工作频率。例如,就 2.4-GHz 无线解决方案而言,基于 802.15.4 的解决方案一般宽度为 5-MHz,只有 16 个可用的通道,而宽度为 1-MHz 的解决方案通常支持 80 个可用通道,因此就能在更多通道间移动以避免干扰。 

        因此,可靠性就是关于RF频谱应用的链路预算与 RF捷变性之和。链路预算越大,RF捷变性就越高,在同一RF频谱上的给定无线解决方案的可靠性就越高。此外,尽管某些解决方案在给定环境下针对某一 RF 频谱性能出色,如布满水管的工厂中的低频通信,但这种解决方案相对于最大化链路预算和RF捷变性的较高频率解决方案仍然逊色很多。

简单性

         工业领域中简单无线解决方案的测试与理想状态是其性能及执行的方便性要与有线解决方案相当。就简单性这个最终目标而言,有两点需要解决,一是要满足工程师的要求,他们设计的最终产品应用于工业环境中,替代了有线解决方案,二是要满足消费者的要求,他们将销售及使用相关产品。

         从工程师的角度来说,简单性就是指在最终消费产品中设计、开发和实施无线解决方案有多便捷。就此而言,简单性就是指相关组件简便易用的定量测量功能、有助于设计开发的可用工具,以及可减少甚至避免本地无线认证过程艰巨任务的现有认证组件的可用性。易用性最强的无线系统采用的是灵活的可编程技术,这些技术使得工程师可为他们想要解决的应用配置最好的解决方案。不过,灵活性和可编程性通常会造成复杂性的提高;因此,包括软硬件在内的开发环境和工具必须简单易用并易于理解,以确保全面支持简单性的优势。有关工具包括开发和评估套件,来全面支持对软硬件的评估和了解。理想的工具应当包括带有简单库、文档和示例代码的完整无线协议堆栈,以尽可能缩短学习曲线。如果软件开发环境本身就简单易用、便于理解,则也能让用户受益匪浅。

         从消费者的角度来说,简单性就是指定量测量的调试易用性,也就是无线解决方案在预定环境中能够方便地安放和激活,并能就对相关业务流程的影响方面为完整解决方案提供支持。例如,最小化无线解决方案调试影响的技术可能与系统的可靠性和连接功能直接关联。不受这些影响的系统将最终需要站点调查来确定最佳放置和通信路由。此外,符合商业进程要求的技术能帮助消费者快速将技术优势集成到日常运营工作中。这些技术包括用于无线执行器监视和遥控的可编程灵活接口,以及用于自动化响应系统的支持逻辑。我们通常讲这种功能称作控制面板或无线网络的视图功能,其可方便地集成到现有的报告和分析进程中去。

         不管从什么角度来说,无线系统的简单性最终要像有线技术一样方便好用。基于工程师和消费者角度的定量评估解决方案可简化理解,最终实现简单易用的目标。

功率效率

         功率效率是指无线解决方案在工作状态时最小化功耗效果的量度,就是系统中所使用组件的典型功耗的定量测量,此外与功率效率相关的可靠性,以及其他环境下电源管理响应机制的功率优势也能降低系统功耗(如可变的动态输出功率级别)。比较不同的无线解决方案性能如何,传统的方法是测量系统中使用组件的典型功耗,不过这不能全面反映出解决方案降低功耗的效果。例如,大多数时间都处于睡眠模式最低功耗状态下的高可靠性系统,其功率效率一般比拥有较低的发送和接收状态但可靠性不足的其他系统更高,因为这些系统处于休眠模式的时间较短。因此,可靠性是反映系统真实功率效率的主要指标。

         除了可靠性之外,最小化功耗和提升功率效率的其他系统级措施还包括可动态控制输出功率级别活动电源管理等系统行为。我们的解决方案应当持续关注最小化输出功率,确保通信工作状态下仅使用最低功耗,从而做到既可靠、又节能。这种节能技术尽管在无线电技术领域并不算新生事物,但在确保系统致力于真正最小化系统功耗方面确实是一项新技术。

覆盖范围

         覆盖范围是指接收机能够识别出传输数据情况下的无线电信号传输距离。考虑到工业环境中的 RF 干扰较大,而且不断发生变化,因此要想确定哪种解决方案最有利于加大覆盖范围,最好的办法就是比较链接预算和可靠性。此外,无线解决方案还能通过片上和片外功率放大器来提高链接预算。但是,假定所有解决方案都采用了相同的功率放大器,仅有高度可靠的解决方案才能实现最广的覆盖范围。此外,只有在绝对必需的情况下,解决方案才能使用上述功率放大器(其功耗极大),从而确保最佳节能性。 

       通过使用中继器、采用路由以及点对点通信等方式,我们还能让覆盖范围超越既定无线电的连接功能。上述方案建立在解决方案所提供的无线协议技术基础之上。采用这些技术方案会在时延与通信路径方面增加不确定性,从而提高解决方案的复杂性,进而导致功耗的增加、可靠性降低。因此,最好的办法还是保持所有因素不变,集中力量提高可靠性,或通过使用功率放大器进一步加强信号,以加大覆盖范围,但使用功率放大器会受本地频率使用监管方面的限制。

成本

         最后,在对不同解决方案进行比较时,成本是五大要素中的最后一个问题。在此讨论成本问题,并不是说成本最低的肯定就是最佳解决方案。成本问题的关键在于降低整体系统的成本。例如,如果由于可靠性较低,我们必须花大量成本来采取相关对策,如果由于链接预算较低的情况下通过增加功率放大器的数量来拓宽覆盖距离,或采用有线系统作为备份等,那么这些成本最后都会增加无线解决方案的整体成本。此外,如果系统的功能更加强大,可进一步让整体系统受益,那么其新增功能的价值也应该考虑进整体系统中去,这实际上有利于降低总体解决方案的成本。

         假定所有其他因素保持不变,降低无线解决方案成本的技术手段之一就是提高解决方案的价值,或者降低解决方案的实际采购成本。组件成本通常是开发商与供应商之间谈判的要点,不过,根据所选择无线解决方案的不同,有些技术可能相比较而言会要求较少的功能(如闪存存储器、RAM、处理能力等),因而可以视情况来降低组件级的成本。例如,复杂的网状网络协议所需的闪存开销通常大大高于结构简单的星形网络协议。网状网协议需要在整个网络上对通信进行路由,而星形协议只是简单的点对点协议,其中只有集线器才真正需要一定级别的路由功能。我们是在假定所有其他元素恒定不变的情况下做上述比较的。如果基于网状网的解决方案比基于星形的解决方案的可靠性更高,或情况相反,则上面的比较就不成立了。

结论

         可靠性、简单性、节能性、覆盖距离以及成本都是在比较和选择工业领域所需无线解决方案时需要考虑的五大因素。每种因素都有其各自独特的优势和特点,而且在比较不同解决方案以确保获得最佳无线解决方案时必须根据既定的应用分别加以考虑。开发无线解决方案的人员必须确保技术在这五大要素方面满足相关需求,能够充分应对工业领域的挑战。消费者与开发人员都需要能够满足上述标准的解决方案。


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