發布日期：2022-07-14 點擊率：58
無線應用顯然為相關產業帶來了巨大優勢，如支持全新監視與控制功能，在現有功能基礎上增加了靈活性，降低了運營和進程管理成本等。作為響應，多種不同的無線解決方案和應用在不同領域應運而生，以滿足不斷增長的業界需求。也就是說，工業領域為許多傳統無線解決方案帶來了并非其設計之初所考慮要解決的一系列獨特挑戰，比如高可靠性、低系統功耗，以及要能在 RF 干擾較高的物理環境下工作，同時還要不斷降低成本等。無線技術的使用范圍不斷擴大也成了一個新的挑戰，由于許多不同的應用都要搶占相同的 RF 頻率，因此會導致頻譜過于擁擠，使現有的工業挑戰變得更為復雜。面對工業領域及無線應用所帶來的諸多挑戰，我們怎樣才能在現有的解決方案中做出明智的選擇，確保滿足環境需求呢？下面，讓我們看一下解決上述問題所需的五大要素。
可靠性
就本文來說，可靠性就是指無線解決方案穿越工業領域所帶來的諸多障礙實現通信的能力。無線系統有具體的特征，這些特征有助于決定在給定系統中如何可靠地工作。這些特征其中之一就是頻譜應用，就是無線通信用什么 RF 頻譜進行通信。另一個特征就是技術的接收靈敏度，即收發器識別出通信內容的最低程度。第三個特征是輸出功率，即技術通信需要多大的功率。第四個特征是 RF 捷變性，也就是技術能否支持在 RF 頻譜中移動以避免干擾。第五個特征是抗干擾性，即 RF 技術能否在面臨干擾的情況下確保給定通道的通信。
RF頻譜應用在很大程度上取決于 RF 波物理特性決定的環境。頻率越低，波長越大，也就越難被液體和混凝土等常見制造材料吸收。不過，RF 頻譜及其應用是一個受政府高度管理的無線通信領域，只有少部分頻譜預留給這些通信在本地和國際上非限制地使用，也就是所謂的工業、科學和醫療 (ISM) 波段。在此波段內，被接受和常用的最主要的頻率是 ISM 波段的 2.4-GHz 部分。在此頻率下，工業領域中惡劣的 RF 環境會很快吸收掉較小的波長，因此需要更需要關注剩余變量來測量可靠性。
我們可將接收靈敏性、輸出功率和抗干擾性全部量化，以形成定義可靠性的更大更重要的變量，即鏈路預算。鏈路預算可定義為接收靈敏性加上輸出功率和抗干擾性的絕對值。接收靈敏性越高，輸出功率越大，抗干擾性就越強，解決方案的鏈路預算就越高。而鏈路預算越高，無線解決方案受 RF 吸收和干擾影響的幾率就越低，從而有助于提高可靠性。收發器的接收靈敏度和輸出功率往往是決定鏈路預算的組件級鑒別器，我們可以方便地對其加以評估和比較。但是，抗干擾性很大程度上取決于無線收發器采用何種類型的技術來提高信號存活性。當前使用的、可以直接改善這一功能的最佳技術之一就是直接系列擴頻 (DSSS) 調制技術。
DSSS 調制技術基本上是一種對發送信號進行前向糾錯的方法，用于減小信號干擾造成數據丟失的影響。具體而言，DSSS 根據發射器和接收器共享的偽隨機噪聲碼將一組數據編碼為較大的比特流。例如，在圖 1 中，8 位數據編碼為 32 個碼片，在此情況下，4 個碼片相當于 1 位。隨后，碼片在 RF 信號上調制發送。接收器將接收信號的碼片解調，并反向執行 DSSS 編碼方案。即便由于信號噪聲或干擾會出現解調錯誤，原始數據仍然可以恢復。
圖1 直接系列擴頻技術
圖2 通道跳頻
最后，RF 捷變性可通過避免干擾技術提高可靠性，也就是通過 RF 頻譜跳頻或者移動來避免干擾。解決方案的自由度越高，就越有利于找到 RF 干擾較小的環境，降低干擾。目前使用的不同 RF 捷變性技術主要分為兩大類，一類是偽隨機或算法型跳頻方案，可在頻譜內持續跳頻，以盡量減少干擾，還有一類則是僅在需要時才移動的智能方案（見圖 2）。從可靠性的角度來看，第一類捷變性方案的問題在于，如果 RF 頻譜內比較繁忙，那么可能會無意中跳頻到干擾較高的頻譜部分中去，而智能型技術則會找到干擾較低的位置并隨即停止移動。不管采用何種捷變性方案，RF 捷變性都取決于 RF 頻譜的使用和通道的大小。依靠 RF 頻譜應用，捷變性可以有或多或少的空間。例如，由于頻率分配的緣故，低頻解決方案相對于高頻解決方案而言空間較小。2.4-GHz 解決方案支持約 100-MHz 的可用頻譜，而 900-MHz 解決方案僅支持約 26-MHz 的空間。通道大小也是影響 RF 捷變性的一個重要因素。通道尺寸越小，頻譜中捷變性的空間就越大，從而能以更高的 RF 捷變性來避免干擾，在干擾信號間找到干擾最小的工作頻率。例如，就 2.4-GHz 無線解決方案而言，基于 .4 的解決方案一般寬度為 5-MHz，只有 16 個可用的通道，而寬度為 1-MHz 的解決方案通常支持 80 個可用通道，因此就能在更多通道間移動以避免干擾。
因此，可靠性就是關于RF頻譜應用的鏈路預算與 RF捷變性之和。鏈路預算越大，RF捷變性就越高，在同一RF頻譜上的給定無線解決方案的可靠性就越高。此外，盡管某些解決方案在給定環境下針對某一 RF 頻譜性能出色，如布滿水管的工廠中的低頻通信，但這種解決方案相對于最大化鏈路預算和RF捷變性的較高頻率解決方案仍然遜色很多。
簡單性
工業領域中簡單無線解決方案的測試與理想狀態是其性能及執行的方便性要與有線解決方案相當。就簡單性這個最終目標而言，有兩點需要解決，一是要滿足工程師的要求，他們設計的最終產品應用于工業環境中，替代了有線解決方案，二是要滿足消費者的要求，他們將銷售及使用相關產品。
從工程師的角度來說，簡單性就是指在最終消費產品中設計、開發和實施無線解決方案有多便捷。就此而言，簡單性就是指相關組件簡便易用的定量測量功能、有助于設計開發的可用工具，以及可減少甚至避免本地無線認證過程艱巨任務的現有認證組件的可用性。易用性最強的無線系統采用的是靈活的可編程技術，這些技術使得工程師可為他們想要解決的應用配置最好的解決方案。不過，靈活性和可編程性通常會造成復雜性的提高；因此，包括軟硬件在內的開發環境和工具必須簡單易用并易于理解，以確保全面支持簡單性的優勢。有關工具包括開發和評估套件，來全面支持對軟硬件的評估和了解。理想的工具應當包括帶有簡單庫、文檔和示例代碼的完整無線協議堆棧，以盡可能縮短學習曲線。如果軟件開發環境本身就簡單易用、便于理解，則也能讓用戶受益匪淺。
從消費者的角度來說，簡單性就是指定量測量的調試易用性，也就是無線解決方案在預定環境中能夠方便地安放和激活，并能就對相關業務流程的影響方面為完整解決方案提供支持。例如，最小化無線解決方案調試影響的技術可能與系統的可靠性和連接功能直接關聯。不受這些影響的系統將最終需要站點調查來確定最佳放置和通信路由。此外，符合商業進程要求的技術能幫助消費者快速將技術優勢集成到日常運營工作中。這些技術包括用于無線執行器監視和遙控的可編程靈活接口，以及用于自動化響應系統的支持邏輯。我們通常講這種功能稱作控制面板或無線網絡的視圖功能，其可方便地集成到現有的報告和分析進程中去。
不管從什么角度來說，無線系統的簡單性最終要像有線技術一樣方便好用。基于工程師和消費者角度的定量評估解決方案可簡化理解，最終實現簡單易用的目標。
功率效率
功率效率是指無線解決方案在工作狀態時最小化功耗效果的量度，就是系統中所使用組件的典型功耗的定量測量，此外與功率效率相關的可靠性，以及其他環境下電源管理響應機制的功率優勢也能降低系統功耗（如可變的動態輸出功率級別）。比較不同的無線解決方案性能如何，傳統的方法是測量系統中使用組件的典型功耗，不過這不能全面反映出解決方案降低功耗的效果。例如，大多數時間都處于睡眠模式最低功耗狀態下的高可靠性系統，其功率效率一般比擁有較低的發送和接收狀態但可靠性不足的其他系統更高，因為這些系統處于休眠模式的時間較短。因此，可靠性是反映系統真實功率效率的主要指標。
除了可靠性之外，最小化功耗和提升功率效率的其他系統級措施還包括可動態控制輸出功率級別活動電源管理等系統行為。我們的解決方案應當持續關注最小化輸出功率，確保通信工作狀態下僅使用最低功耗，從而做到既可靠、又節能。這種節能技術盡管在無線電技術領域并不算新生事物，但在確保系統致力于真正最小化系統功耗方面確實是一項新技術。
覆蓋范圍
覆蓋范圍是指接收機能夠識別出傳輸數據情況下的無線電信號傳輸距離。考慮到工業環境中的 RF 干擾較大，而且不斷發生變化，因此要想確定哪種解決方案最有利于加大覆蓋范圍，最好的辦法就是比較鏈接預算和可靠性。此外，無線解決方案還能通過片上和片外功率放大器來提高鏈接預算。但是，假定所有解決方案都采用了相同的功率放大器，僅有高度可靠的解決方案才能實現最廣的覆蓋范圍。此外，只有在絕對必需的情況下，解決方案才能使用上述功率放大器（其功耗極大），從而確保最佳節能性。
通過使用中繼器、采用路由以及點對點通信等方式，我們還能讓覆蓋范圍超越既定無線電的連接功能。上述方案建立在解決方案所提供的無線協議技術基礎之上。采用這些技術方案會在時延與通信路徑方面增加不確定性，從而提高解決方案的復雜性，進而導致功耗的增加、可靠性降低。因此，最好的辦法還是保持所有因素不變，集中力量提高可靠性，或通過使用功率放大器進一步加強信號，以加大覆蓋范圍，但使用功率放大器會受本地頻率使用監管方面的限制。
成本
最后，在對不同解決方案進行比較時，成本是五大要素中的最后一個問題。在此討論成本問題，并不是說成本最低的肯定就是最佳解決方案。成本問題的關鍵在于降低整體系統的成本。例如，如果由于可靠性較低，我們必須花大量成本來采取相關對策，如果由于鏈接預算較低的情況下通過增加功率放大器的數量來拓寬覆蓋距離，或采用有線系統作為備份等，那么這些成本最后都會增加無線解決方案的整體成本。此外，如果系統的功能更加強大，可進一步讓整體系統受益，那么其新增功能的價值也應該考慮進整體系統中去，這實際上有利于降低總體解決方案的成本。
假定所有其他因素保持不變，降低無線解決方案成本的技術手段之一就是提高解決方案的價值，或者降低解決方案的實際采購成本。組件成本通常是開發商與供應商之間談判的要點，不過，根據所選擇無線解決方案的不同，有些技術可能相比較而言會要求較少的功能（如閃存存儲器、RAM、處理能力等），因而可以視情況來降低組件級的成本。例如，復雜的網狀網絡協議所需的閃存開銷通常大大高于結構簡單的星形網絡協議。網狀網協議需要在整個網絡上對通信進行路由，而星形協議只是簡單的點對點協議，其中只有集線器才真正需要一定級別的路由功能。我們是在假定所有其他元素恒定不變的情況下做上述比較的。如果基于網狀網的解決方案比基于星形的解決方案的可靠性更高，或情況相反，則上面的比較就不成立了。
結論
可靠性、簡單性、節能性、覆蓋距離以及成本都是在比較和選擇工業領域所需無線解決方案時需要考慮的五大因素。每種因素都有其各自獨特的優勢和特點，而且在比較不同解決方案以確保獲得最佳無線解決方案時必須根據既定的應用分別加以考慮。開發無線解決方案的人員必須確保技術在這五大要素方面滿足相關需求，能夠充分應對工業領域的挑戰。消費者與開發人員都需要能夠滿足上述標準的解決方案。
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