劉 洋 孫延旭 王東鵬

（成都蓉生藥業(yè)有限責(zé)任公司，四川成都 610023）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)分為有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)2大類。其中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有方便、快捷的特點(diǎn)，不需要復(fù)雜的布線，可以在覆蓋范圍內(nèi)自由移動(dòng)，相互通信連接快速。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存在這些優(yōu)勢(shì)，使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以更方便地照顧到有線網(wǎng)絡(luò)不能顧及的地方。對(duì)于經(jīng)常需要變動(dòng)網(wǎng)絡(luò)布線結(jié)構(gòu)和用戶需要大范圍移動(dòng)計(jì)算機(jī)的情況，使用無(wú)線局域網(wǎng)可以克服由于線纜限制而引起不便的問(wèn)題。對(duì)于時(shí)間緊又需要迅速建立通訊而使用有線網(wǎng)架設(shè)不便、成本高或耗時(shí)長(zhǎng)的情況，也可使用無(wú)線局域網(wǎng)。因此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也就逐漸運(yùn)用到了工業(yè)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)傳輸方面，而由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境以及工業(yè)應(yīng)用的特殊要求（如數(shù)據(jù)傳輸要求無(wú)縫、安全、可靠、實(shí)時(shí)），這就促使工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需進(jìn)一步提高。

1 工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作原理

圖1為工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作原理。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)Modbus接口連接至設(shè)備，定時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)（間隔時(shí)間可由服務(wù)器指定）并通過(guò)無(wú)線方式向外發(fā)送，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)既可以在mesh網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為其他節(jié)點(diǎn)傳輸路徑中的路由節(jié)點(diǎn)，并且可以通過(guò)無(wú)線方式接收服務(wù)器下發(fā)的控制命令。數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)端控制中心。對(duì)于信號(hào)弱或者障礙物較多的情況，可以通過(guò)安裝無(wú)線路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域的無(wú)線覆蓋，以提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。

圖1 工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作原理

2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性

在關(guān)鍵的工業(yè)無(wú)線應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的可用性和可靠性是非常重要的。通常工業(yè)環(huán)境中的EIM/RFI（電磁干擾/射頻干擾）會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)在特定頻率的傳輸過(guò)程中產(chǎn)生信號(hào)錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)丟失。因此，新一代雙射頻模塊可設(shè)定為冗余AP端或冗余客戶端，雙射頻通道同時(shí)運(yùn)作，防止數(shù)據(jù)傳輸中的相互干擾（圖2）。現(xiàn)在的無(wú)線設(shè)置支持RSTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)冗余，電源輸入和POE功能則實(shí)現(xiàn)了電源冗余。在這種擁有多種冗余機(jī)制的情況下，可以保證網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)在線。

圖2 雙射頻冗余

支持IP68等級(jí)以及寬溫設(shè)計(jì)，提供防塵、防水的雙射頻戶外型AP/Bridge/Client在溫度變換及其他環(huán)境因素變化時(shí)起到完整保護(hù)。此外，802.3af標(biāo)準(zhǔn)的POE功能簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，使戶外電源布線更為簡(jiǎn)單。這些功能可以使戶外局域網(wǎng)變得更可靠，覆蓋的范圍也更寬廣。

3 工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擁有更快的速度、更多的數(shù)據(jù)、更廣的應(yīng)用

在工業(yè)自動(dòng)化不斷發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)上會(huì)傳輸大量的數(shù)據(jù)，無(wú)線應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬和可靠性的要求也更高。802.11n網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)大大解決了這個(gè)問(wèn)題，它不僅可以提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以提供更穩(wěn)定的連接。

802.11n網(wǎng)絡(luò)擁有最高可達(dá)300 Mbps的帶寬，提供了高速的數(shù)據(jù)傳輸、廣大的無(wú)線覆蓋以及穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接。采用MIMO技術(shù)（多入多出），在物理層（PHY）支持通道結(jié)合40 MHz運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)更高的帶寬，減少干擾，增強(qiáng)連接。此外，它還增加了在MAC層的幀聚合，確保流量聚合支持視頻流數(shù)據(jù)。這兩者結(jié)合起來(lái)滿足了下一代應(yīng)用對(duì)更高吞吐量的需求。因此，使用千兆以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，可以最大限度地提高無(wú)線到有線的性能，更好地支持大量帶寬的應(yīng)用。

3.1 802.11n網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)、速度和穩(wěn)定度

3.1.1 MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)是802.11n網(wǎng)絡(luò)物理層中強(qiáng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道的一種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。無(wú)線電信號(hào)通過(guò)反射對(duì)象創(chuàng)建多個(gè)路徑。在傳統(tǒng)情況下，這將導(dǎo)致無(wú)線電信號(hào)的干擾和衰落，但MIMO技術(shù)充分利用了多路徑現(xiàn)象。在發(fā)射端，MIMO采用空間復(fù)用技術(shù)，可在同一信道里同時(shí)發(fā)送多路數(shù)據(jù)流，因此可以提高數(shù)據(jù)吞吐量和發(fā)射功率。在接收端，MIMO技術(shù)可將多個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)單一的信號(hào)，消除多徑衰落的影響。MIMO技術(shù)實(shí)際上是利用了無(wú)線電反射來(lái)提高無(wú)線的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3.1.2 通道結(jié)合40 MHz運(yùn)行方式

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，大量的數(shù)據(jù)傳輸主要依靠信道帶寬的大小，將2個(gè)或更多的通道進(jìn)行結(jié)合，就可以為數(shù)據(jù)傳輸提供更大的信道帶寬。802.11n網(wǎng)絡(luò)采用通道結(jié)合技術(shù)，將2個(gè)20 MHz的信道合并成1個(gè)單一的40 MHz信道，并同時(shí)支持2.4 GHz和5 GHz，這樣就可以確保大量的數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.3 幀聚合

802.11n網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的每幀負(fù)載運(yùn)行限制了有效的數(shù)據(jù)吞吐量。通常為了減少負(fù)載，802.11n采用幀聚合的方式，即在1個(gè)單一傳輸過(guò)程中增加數(shù)據(jù)包的多次傳輸。有了這個(gè)機(jī)制，相比多個(gè)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的多次負(fù)載而言，只會(huì)產(chǎn)生1次負(fù)載，大大降低了平均數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間，增加了802.11n無(wú)線局域網(wǎng)的吞吐性能。

4 工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)零延時(shí)漫游

零延時(shí)漫游的目標(biāo)是當(dāng)客戶端從一個(gè)AP切換至另一個(gè)AP時(shí)，仍能保持無(wú)線通訊。隨著實(shí)時(shí)流媒體的應(yīng)用增加，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用變得越來(lái)越流行，因此減少在不同AP之間切換的延遲時(shí)間就變得很重要。這個(gè)切換過(guò)程主要包括關(guān)聯(lián)、認(rèn)證和加密。通常這個(gè)過(guò)程需要幾百毫秒，有時(shí)甚至高達(dá)幾秒鐘，這對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是一個(gè)必須要克服的問(wèn)題。而若客戶端經(jīng)常移動(dòng)，則必須頻繁切換AP，就會(huì)產(chǎn)生更大的問(wèn)題。如何快速、安全地進(jìn)行連接切換是判斷損失能否降低至最少的關(guān)鍵因素。

新一代Turbo Roaming快速漫游技術(shù)的超強(qiáng)的漫游能力為網(wǎng)絡(luò)提供高速安全的連接切換功能。因此，支持Turbo Roaming快速漫游技術(shù)、有高度的主動(dòng)認(rèn)證和加密機(jī)制的無(wú)線控制器誕生了，如Moxa的WAC-1001無(wú)線控制器。這種無(wú)線控制器可在50 ms或者更少的時(shí)間內(nèi)快速漫游，即使在極其苛刻的環(huán)境下仍能提供安全可靠的數(shù)據(jù)連接。

在基本的漫游方式下，客戶端負(fù)責(zé)信號(hào)切換。當(dāng)客戶端檢測(cè)到當(dāng)前信號(hào)減弱，它就開(kāi)始尋找下一個(gè)AP信號(hào)來(lái)代替當(dāng)前的AP信號(hào)。然而，一個(gè)更先進(jìn)的漫游方式是通過(guò)搜索AP信號(hào)進(jìn)行再連接、再認(rèn)證的方式，使搜索的時(shí)間縮減到最小，進(jìn)而縮減切換時(shí)間。為了順利實(shí)現(xiàn)切換，無(wú)線控制器可預(yù)先認(rèn)證客戶端，允許其可以在接下來(lái)的無(wú)縫漫游時(shí)，無(wú)需重新驗(yàn)證。這種機(jī)制大大降低了因重新認(rèn)證而產(chǎn)生的延遲時(shí)間，提高了傳輸速度和應(yīng)用的可靠性。

5 工業(yè)級(jí)蜂窩網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)級(jí)蜂窩網(wǎng)絡(luò)是專為在無(wú)線廣域網(wǎng)（WWAN）中，串口設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需經(jīng)過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它適用于范圍更廣的遠(yuǎn)程應(yīng)用，包括無(wú)線蜂窩路由器、無(wú)線蜂窩IP網(wǎng)關(guān)和GSM/GPRS Modem等產(chǎn)品，可適用于GSM/GPRS/EDGE、UMTS/HSDPA以及WCDMA等移動(dòng)通訊技術(shù)。

當(dāng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)生信號(hào)衰減、干擾或連接終止時(shí)，傳統(tǒng)的蜂窩路由器是無(wú)法發(fā)出警報(bào)的。而GuaranLink技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)始終處于連接狀態(tài)，并提供預(yù)防功能，確保網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定可靠。

無(wú)線蜂窩路由器可以與VPN結(jié)合，因?yàn)閂PN允許計(jì)算機(jī)使用一個(gè)虛擬IP地址來(lái)連接至互聯(lián)網(wǎng)。與私有網(wǎng)絡(luò)不同的是，VPN節(jié)點(diǎn)間的連接使用開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)連接或互聯(lián)網(wǎng)中的虛擬網(wǎng)絡(luò)。在VPN的幫助下，作為VPN客戶端的蜂窩設(shè)備可以發(fā)起一個(gè)連接至VPN的服務(wù)器。當(dāng)連接建立后，蜂窩設(shè)備就可以在同一個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)中與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行通訊，也可以將私有網(wǎng)絡(luò)安全地接入公共網(wǎng)絡(luò)，這樣就大大提高了工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

802.11n網(wǎng)絡(luò)支持穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)視頻、音頻和數(shù)據(jù)傳輸；多鏈路冗余技術(shù)確保無(wú)線網(wǎng)絡(luò)始終在線；快速漫游技術(shù)可以確保無(wú)線設(shè)備在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的無(wú)縫連接；無(wú)線蜂窩路由器與VPN結(jié)合等技術(shù)的運(yùn)用都是工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性保證。同時(shí)，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在不斷突飛猛進(jìn)地發(fā)展，市場(chǎng)預(yù)測(cè)在不久的將來(lái)，利用工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸將占主導(dǎo)地位。

［1］張彥，羅濟(jì)軍，胡宏林.無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)：架構(gòu)、協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)［M］.電子工業(yè)出版社，2008

［2］曾鵬.工業(yè)無(wú)線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與應(yīng)用［J］.中國(guó)儀器儀表，2008（3）

［3］李春林，程鍵.工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007（1）