用户中心

资讯 > 技术文章

工业无线通讯技术的最新进展

来源:控制工程网2016.06.28阅读 3419

  目前CONTROL ENGINEERING China版权所有工业Wi-Fi网络,主要部署在2.4GHz频段。这些无线网控制工程网版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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,在其它很多地方控制工程网版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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)

版权声明:版权归控制工程网所有,转载请注明出处!

频道推荐

关于我们

控制工程网 & CONTROL ENGINEERING China 全球工业控制、自动化和仪器仪表领域的先锋媒体

CE全球

联系我们

商务及广告合作
任小姐(北京)                 夏小姐(上海)
电话:010-82053688      电话:18616877918
rendongxue@cechina.cn      xiashuxian@cechina.cn
新闻投稿:王小姐

关注我们的微信

关于我们 | 网站地图 | 联系我们
© 2003-2020    经营许可编号:京ICP证120335号
公安机关备案号:110102002318  服务热线:010-82053688