無(wú)線應(yīng)用顯然為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大優(yōu)勢(shì)，如支持全新監(jiān)視與控制功能，在現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上增加了靈活性，降低了運(yùn)營(yíng)和進(jìn)程管理成本等。作為響應(yīng)，多種不同的無(wú)線解決方案和應(yīng)用在不同領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，以滿足不斷增長(zhǎng)的業(yè)界需求。也就是說(shuō)，工業(yè)領(lǐng)域?yàn)樵S多傳統(tǒng)無(wú)線解決方案帶來(lái)了并非其設(shè)計(jì)之初所考慮要解決的一系列獨(dú)特挑戰(zhàn)，比如高可靠性、低系統(tǒng)功耗，以及要能在 RF 干擾較高的物理環(huán)境下工作，同時(shí)還要不斷降低成本等。無(wú)線技術(shù)的使用范圍不斷擴(kuò)大也成了一個(gè)新的挑戰(zhàn)，由于許多不同的應(yīng)用都要搶占相同的 RF 頻率，因此會(huì)導(dǎo)致頻譜過(guò)于擁擠，使現(xiàn)有的工業(yè)挑戰(zhàn)變得更為復(fù)雜。面對(duì)工業(yè)領(lǐng)域及無(wú)線應(yīng)用所帶來(lái)的諸多挑戰(zhàn)，我們?cè)鯓硬拍茉诂F(xiàn)有的解決方案中做出明智的選擇，確保滿足環(huán)境需求呢？下面，讓我們看一下解決上述問(wèn)題所需的五大要素。

可靠性

就本文來(lái)說(shuō)，可靠性就是指無(wú)線解決方案穿越工業(yè)領(lǐng)域所帶來(lái)的諸多障礙實(shí)現(xiàn)通信的能力。無(wú)線系統(tǒng)有具體的特征，這些特征有助于決定在給定系統(tǒng)中如何可靠地工作。這些特征其中之一就是頻譜應(yīng)用，就是無(wú)線通信用什么 RF 頻譜進(jìn)行通信。另一個(gè)特征就是技術(shù)的接收靈敏度，即收發(fā)器識(shí)別出通信內(nèi)容的最低程度。第三個(gè)特征是輸出功率，即技術(shù)通信需要多大的功率。第四個(gè)特征是 RF 捷變性，也就是技術(shù)能否支持在 RF 頻譜中移動(dòng)以避免干擾。第五個(gè)特征是抗干擾性，即 RF 技術(shù)能否在面臨干擾的情況下確保給定通道的通信。

RF頻譜應(yīng)用在很大程度上取決于 RF 波物理特性決定的環(huán)境。頻率越低，波長(zhǎng)越大，也就越難被液體和混凝土等常見(jiàn)制造材料吸收。不過(guò)，RF 頻譜及其應(yīng)用是一個(gè)受政府高度管理的無(wú)線通信領(lǐng)域，只有少部分頻譜預(yù)留給這些通信在本地和國(guó)際上非限制地使用，也就是所謂的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 波段。在此波段內(nèi)，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(yè)領(lǐng)域中惡劣的 RF 環(huán)境會(huì)很快吸收掉較小的波長(zhǎng)，因此需要更需要關(guān)注剩余變量來(lái)測(cè)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(yù)算。鏈路預(yù)算可定義為接收靈敏性加上輸出功率和抗干擾性的絕對(duì)值。接收靈敏性越高，輸出功率越大，抗干擾性就越強(qiáng)，解決方案的鏈路預(yù)算就越高。而鏈路預(yù)算越高，無(wú)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(fā)器的接收靈敏度和輸出功率往往是決定鏈路預(yù)算的組件級(jí)鑒別器，我們可以方便地對(duì)其加以評(píng)估和比較。但是，抗干擾性很大程度上取決于無(wú)線收發(fā)器采用何種類型的技術(shù)來(lái)提高信號(hào)存活性。當(dāng)前使用的、可以直接改善這一功能的最佳技術(shù)之一就是直接系列擴(kuò)頻 ( DSSS ) 調(diào)制技術(shù)。

DSSS 調(diào)制技術(shù)基本上是一種對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行前向糾錯(cuò)的方法，用于減小信號(hào)干擾造成數(shù)據(jù)丟失的影響。具體而言，DSSS 根據(jù)發(fā)射器和接收器共享的偽隨機(jī)噪聲碼將一組數(shù)據(jù)編碼為較大的比特流。例如，在圖 1 中，8 位數(shù)據(jù)編碼為 32 個(gè)碼片，在此情況下，4 個(gè)碼片相當(dāng)于 1 位。隨后，碼片在 RF 信號(hào)上調(diào)制發(fā)送。接收器將接收信號(hào)的碼片解調(diào)，并反向執(zhí)行 DSSS 編碼方案。即便由于信號(hào)噪聲或干擾會(huì)出現(xiàn)解調(diào)錯(cuò)誤，原始數(shù)據(jù)仍然可以恢復(fù)。

圖,-直接系列擴(kuò)頻技術(shù)

圖,——通道跳頻

最后，RF 捷變性可通過(guò)避免干擾技術(shù)提高可靠性，也就是通過(guò) RF 頻譜跳頻或者移動(dòng)來(lái)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(huán)境，降低干擾。目前使用的不同 RF 捷變性技術(shù)主要分為兩大類，一類是偽隨機(jī)或算法型跳頻方案，可在頻譜內(nèi)持續(xù)跳頻，以盡量減少干擾，還有一類則是僅在需要時(shí)才移動(dòng)的智能方案（見(jiàn)圖 2）。從可靠性的角度來(lái)看，第一類捷變性方案的問(wèn)題在于，如果 RF 頻譜內(nèi)比較繁忙，那么可能會(huì)無(wú)意中跳頻到干擾較高的頻譜部分中去，而智能型技術(shù)則會(huì)找到干擾較低的位置并隨即停止移動(dòng)。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(yīng)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(duì)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(gè)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(lái)避免干擾，在干擾信號(hào)間找到干擾最小的工作頻率。例如，就 2.4-GHz 無(wú)線解決方案而言，基于 802.15.4 的解決方案一般寬度為 5-MHz，只有 16 個(gè)可用的通道，而寬度為 1-MHz 的解決方案通常支持 80 個(gè)可用通道，因此就能在更多通道間移動(dòng)以避免干擾。

因此，可靠性就是關(guān)于 RF 頻譜應(yīng)用的鏈路預(yù)算與 RF捷變性之和。鏈路預(yù)算越大， RF 捷變性就越高，在同一 RF 頻譜上的給定無(wú)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(huán)境下針對(duì)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(duì)于最大化鏈路預(yù)算和 RF 捷變性的較高頻率解決方案仍然遜色很多。

簡(jiǎn)單性

工業(yè)領(lǐng)域中簡(jiǎn)單無(wú)線解決方案的測(cè)試與理想狀態(tài)是其性能及執(zhí)行的方便性要與有線解決方案相當(dāng)。就簡(jiǎn)單性這個(gè)最終目標(biāo)而言，有兩點(diǎn)需要解決，一是要滿足工程師的要求，他們?cè)O(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中，替代了有線解決方案，二是要滿足消費(fèi)者的要求，他們將銷售及使用相關(guān)產(chǎn)品。

從工程師的角度來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單性就是指在最終消費(fèi)產(chǎn)品中設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)施無(wú)線解決方案有多便捷。就此而言，簡(jiǎn)單性就是指相關(guān)組件簡(jiǎn)便易用的定量測(cè)量功能、有助于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的可用工具，以及可減少甚至避免本地?zé)o線認(rèn)證過(guò)程艱巨任務(wù)的現(xiàn)有認(rèn)證組件的可用性。易用性最強(qiáng)的無(wú)線系統(tǒng)采用的是靈活的可編程技術(shù)，這些技術(shù)使得工程師可為他們想要解決的應(yīng)用配置最好的解決方案。不過(guò)，靈活性和可編程性通常會(huì)造成復(fù)雜性的提高；因此，包括軟硬件在內(nèi)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具必須簡(jiǎn)單易用并易于理解，以確保全面支持簡(jiǎn)單性的優(yōu)勢(shì)。有關(guān)工具包括開(kāi)發(fā)和評(píng)估套件，來(lái)全面支持對(duì)軟硬件的評(píng)估和了解。理想的工具應(yīng)當(dāng)包括帶有簡(jiǎn)單庫(kù)、文檔和示例代碼的完整無(wú)線協(xié)議堆棧，以盡可能縮短學(xué)習(xí)曲線。如果軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境本身就簡(jiǎn)單易用、便于理解，則也能讓用戶受益匪淺。

從消費(fèi)者的角度來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單性就是指定量測(cè)量的調(diào)試易用性，也就是無(wú)線解決方案在預(yù)定環(huán)境中能夠方便地安放和激活，并能就對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)流程的影響方面為完整解決方案提供支持。例如，最小化無(wú)線解決方案調(diào)試影響的技術(shù)可能與系統(tǒng)的可靠性和連接功能直接關(guān)聯(lián)。不受這些影響的系統(tǒng)將最終需要站點(diǎn)調(diào)查來(lái)確定最佳放置和通信路由。此外，符合商業(yè)進(jìn)程要求的技術(shù)能幫助消費(fèi)者快速將技術(shù)優(yōu)勢(shì)集成到日常運(yùn)營(yíng)工作中。這些技術(shù)包括用于無(wú)線執(zhí)行器監(jiān)視和遙控的可編程靈活接口，以及用于自動(dòng)化響應(yīng)系統(tǒng)的支持邏輯。我們通常講這種功能稱作控制面板或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的視圖功能，其可方便地集成到現(xiàn)有的報(bào)告和分析進(jìn)程中去。

不管從什么角度來(lái)說(shuō)，無(wú)線系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性最終要像有線技術(shù)一樣方便好用。基于工程師和消費(fèi)者角度的定量評(píng)估解決方案可簡(jiǎn)化理解，最終實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易用的目標(biāo)。

功率效率

功率效率是指無(wú)線解決方案在工作狀態(tài)時(shí)最小化功耗效果的量度，就是系統(tǒng)中所使用組件的典型功耗的定量測(cè)量，此外與功率效率相關(guān)的可靠性，以及其他環(huán)境下電源管理響應(yīng)機(jī)制的功率優(yōu)勢(shì)也能降低系統(tǒng)功耗（如可變的動(dòng)態(tài)輸出功率級(jí)別）。比較不同的無(wú)線解決方案性能如何，傳統(tǒng)的方法是測(cè)量系統(tǒng)中使用組件的典型功耗，不過(guò)這不能全面反映出解決方案降低功耗的效果。例如，大多數(shù)時(shí)間都處于睡眠模式最低功耗狀態(tài)下的高可靠性系統(tǒng)，其功率效率一般比擁有較低的發(fā)送和接收狀態(tài)但可靠性不足的其他系統(tǒng)更高，因?yàn)檫@些系統(tǒng)處于休眠模式的時(shí)間較短。因此，可靠性是反映系統(tǒng)真實(shí)功率效率的主要指標(biāo)。

除了可靠性之外，最小化功耗和提升功率效率的其他系統(tǒng)級(jí)措施還包括可動(dòng)態(tài)控制輸出功率級(jí)別活動(dòng)電源管理等系統(tǒng)行為。我們的解決方案應(yīng)當(dāng)持續(xù)關(guān)注最小化輸出功率，確保通信工作狀態(tài)下僅使用最低功耗，從而做到既可靠、又節(jié)能。這種節(jié)能技術(shù)盡管在無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域并不算新生事物，但在確保系統(tǒng)致力于真正最小化系統(tǒng)功耗方面確實(shí)是一項(xiàng)新技術(shù)。

覆蓋范圍

覆蓋范圍是指接收機(jī)能夠識(shí)別出傳輸數(shù)據(jù)情況下的無(wú)線電信號(hào)傳輸距離。考慮到工業(yè)環(huán)境中的 RF 干擾較大，而且不斷發(fā)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(yù)算和可靠性。此外，無(wú)線解決方案還能通過(guò)片上和片外功率放大器來(lái)提高鏈接預(yù)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(shí)現(xiàn)最廣的覆蓋范圍。此外，只有在絕對(duì)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(jié)能性。

通過(guò)使用中繼器、采用路由以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等方式，我們還能讓覆蓋范圍超越既定無(wú)線電的連接功能。上述方案建立在解決方案所提供的無(wú)線協(xié)議技術(shù)基礎(chǔ)之上。采用這些技術(shù)方案會(huì)在時(shí)延與通信路徑方面增加不確定性，從而提高解決方案的復(fù)雜性，進(jìn)而導(dǎo)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(guò)使用功率放大器進(jìn)一步加強(qiáng)信號(hào)，以加大覆蓋范圍，但使用功率放大器會(huì)受本地頻率使用監(jiān)管方面的限制。

成本

? ? ? ?最后，在對(duì)不同解決方案進(jìn)行比較時(shí)，成本是五大要素中的最后一個(gè)問(wèn)題。在此討論成本問(wèn)題，并不是說(shuō)成本最低的肯定就是最佳解決方案。成本問(wèn)題的關(guān)鍵在于降低整體系統(tǒng)的成本。例如，如果由于可靠性較低，我們必須花大量成本來(lái)采取相關(guān)對(duì)策，如果由于鏈接預(yù)算較低的情況下通過(guò)增加功率放大器的數(shù)量來(lái)拓寬覆蓋距離，或采

用有線系統(tǒng)作為備份等，那么這些成本最后都會(huì)增加無(wú)線解決方案的整體成本。此外，如果系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大，可進(jìn)一步讓整體系統(tǒng)受益，那么其新增功能的價(jià)值也應(yīng)該考慮進(jìn)整體系統(tǒng)中去，這實(shí)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(wú)線解決方案成本的技術(shù)手段之一就是提高解決方案的價(jià)值，或者降低解決方案的實(shí)際采購(gòu)成本。組件成本通常是開(kāi)發(fā)商與供應(yīng)商之間談判的要點(diǎn)，不過(guò)，根據(jù)所選擇無(wú)線解決方案的不同，有些技術(shù)可能相比較而言會(huì)要求較少的功能（如閃存存儲(chǔ)器、RAM、處理能力等），因而可以視情況來(lái)降低組件級(jí)的成本。例如，復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所需的閃存開(kāi)銷通常大大高于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)議需要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上對(duì)通信進(jìn)行路由，而星形協(xié)議只是簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，其中只有集線器才真正需要一定級(jí)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(wǎng)狀網(wǎng)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(jié)論

可靠性、簡(jiǎn)單性、節(jié)能性、覆蓋距離以及成本都是在比較和選擇工業(yè)領(lǐng)域所需無(wú)線解決方案時(shí)需要考慮的五大因素。每種因素都有其各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，而且在比較不同解決方案以確保獲得最佳無(wú)線解決方案時(shí)必須根據(jù)既定的應(yīng)用分別加以考慮。開(kāi)發(fā)無(wú)線解決方案的人員必須確保技術(shù)在這五大要素方面滿足相關(guān)需求，能夠充分應(yīng)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。消費(fèi)者與開(kāi)發(fā)人員都需要能夠滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。

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