工业用无线通信的发展

最近，无线行业在商业领域看到了支持wi - fi的设备的新进展。提高吞吐量的新功能正在成为许多商业设备的标准。

通过迈克沃宁 2015年10月24日

今天的工业Wi-Fi网络主要是2.4 ghz的部署。这些无线网络是在5-GHz芯片组被广泛接受之前设计的。在无数客户端设备中发现的2.4 ghz设计的低成本使其成为现有Wi-Fi的共同点。

在工业场所，除了Wi-Fi，还可以发现许多2.4 ghz技术在运行。例如，车辆收费和车队识别系统中的主动射频识别(RFID)在2.4 ghz范围内工作。IEEE 802.15.4包括ZigBee，一种用于监控应用的低带宽无线网格，也在ISM 2.4 ghz频段运行。许多IEEE 802.11b/g接入点部署在不同的工业应用中。这个频段也可以由企业和客户网络以及工业监控网络共享。IEEE 802.11是无线局域网标准的集合。(参见本文链接)

许多采用IEEE 802.11b标准的传统工业控制网络尤其成问题。当这些接入点和客户端在与其他高速网络(如IEEE 802.11n)共享的信道上传输时，它们具有减慢共享信道的所有内容的效果。事实上，只要一个客户端频繁连接并以1 MB/秒的速度传输，共享信道的高速网络的性能就会降低到非常低的水平。

更糟糕的是，2.4 ghz频段只有三个不重叠的频道。如果其中一个IEEE 802.11b网络位于重叠的相邻信道上，则重叠信道上的冲突将导致严重的性能问题。修复现有部署上的问题也可能是一个巨大的挑战，因为许多网络由不同的个人或部门管理，可能很难协调。这就是为什么大多数无线局域网(WLAN)专业人员不建议在新部署中使用2.4 ghz的几个原因。

IEEE 802.11n:等于更高的吞吐量和更好的生产力

远离2.4 ghz频段已经有一段时间了。它始于IEEE 802.11a标准的采用，该标准主要用于工业应用，在商业领域的采用率很低。现在，随着IEEE 802.11n的普及和5-GHz芯片组的低成本，业界正朝着企业和工业应用的所有5-GHz技术迈进。目前，5-GHz信道相对干净，干扰很小。信道的规划使没有重叠的20 mhz信道。

IEEE 802.11n提高了吞吐量。IEEE 802.11a允许最大数据速率为54 Mbps，而IEEE 802.11n允许一个20 MHz信道和单个空间流提供高达72 Mbps的数据速率。就其本身而言，这是一个适度的改进，但标准并不止于此。IEEE 802.11n还支持使用多天线(MIMO，代表多进多出)、发射和接收链，并使用40 MHz宽信道允许高达600 Mbps的理论最大值，这是一个令人印象深刻的数据速率改进。但是，必须注意不要重叠这些更宽的信道，因此规划对于避免早期2.4 ghz部署所面临的类似问题至关重要。

IEEE 802.11ac:千兆

Wi-Fi的下一个大浪潮是IEEE 802.11ac，它带来了千兆性能以及其他改进的承诺。为了更快地利用这项技术，业界一直在分阶段部署IEEE 802.11ac标准。基于IEEE 802.11ac技术的第一代“浪潮”部署于2014年。

与IEEE 802.11n支持2.4 GHz和5GHz不同，IEEE 802.11ac只支持5GHz。它支持20-MHZ和40-MHz通道，但也支持80-MHz通道宽度的更高数据速率。在允许更高的数据速率的同时，它也减少了频谱中的可用信道;必须进行渠道规划以避免重叠。IEEE 802.11ac还提供了更高的密度调制技术，称为QAM-256，以实现其高性能。因为它需要非常高的信噪比，客户端必须非常接近接入点才能使用这种调制方案，特别是在存在任何干扰或高噪声地板的情况下。

下一代或“波2”将于今年推出，并引入160 mhz的信道宽度，以实现更高的带宽和多用户MIMO (MU-MIMO)，允许同时为多个客户端提供服务。

工业应用

新的无线标准所提供的改进的数据吞吐量并不总是工业领域采用的关键因素。事实上，IEEE 802.11n将继续为工业用户提供强大的价值，并由于其适合工业应用而成为公约数。例如，无线通常用于工业环境中的监控或监控控制和数据采集(SCADA)应用。从客户端发送的数据量相对较小，可能不到几百字节。这些数据的轮询频率也很低。支持高速块传输，这在传输大文件时是一个好处，但本质上与这些类型的应用程序无关。与工业用户更相关的技术是优化通道上的数据传输时间，这样通道内就可以支持更多的客户端。

IEEE 802.11n的一个特性与工业用户也有很大的相关性，那就是能够在有很多多径干扰的环境中重建信号。在工业环境中，金属结构会产生明显的多径干扰。由于典型的IEEE 802.11n无线电在2×2配置中包含两个天线，它们可以支持多个空间流和多径反射的信号重建。

冗余、回路保护

除了芯片组制造商提供的基本技术外，工业应用有时还需要特殊功能，以确保针对不同应用的最佳和可靠性能。在铁路应用中，需要列车到路边的通信，系统设计人员希望有多个主动无线连接到路边以实现冗余。这需要使用多个无线电，并产生了从火车到地面的有问题的网络循环。因此，必须使用冗余和环路预防协议。生成树协议过去曾被用于解决这个问题，但由于无线的有损特性(意味着它会衰减或耗散)以及漫游期间可能发生的不断重新收敛，它们在这种环境中表现不佳。

了解更多关于快速漫游技术和交通连接的信息。

快速漫游技术

在许多工业应用中，客户端设备不是固定的，而是在移动的机箱上。这在自动引导车辆(agv)中很常见。快速连接时间对于AGV至关重要，它必须能够在整个仓库中无缝漫游。当客户机在访问点之间移动和重新连接时，这些应用程序可能是敏感的。客户端与新接入点关联的典型延迟(2到5秒)通常足以导致终端应用程序的连接超时。

系统设计人员正在寻找技术来帮助他们解决这个问题，快速漫游技术已经开发出来，可以在几毫秒内完成任务。快速漫游技术可以在WLAN控制器架构或自主无线电本身中找到。可能需要对阈值进行微调，以根据环境条件优化性能。

MAC地址克隆

制造工厂中常见的无线应用是将工厂地板到网络基础设施上的旧技术连接起来。许多制造工厂的机器没有内置以太网或无线扩展。公司仍然可能在这些计算机数控(CNC)机器上有大量的投资，并且不会很快更换它们。对于带有以太网卡的机器，一种常见的技术是添加一个以太网到wi - fi客户端收音机。

然而，这通常会导致终端设备或机器的媒体访问控制(MAC)地址不通过无线基础设施传递，而是被附加的无线电台的MAC地址所取代。这可能会给工业用户带来问题，因为有些协议依赖MAC地址或第2层透明性来进行正确的操作。

根据无线基础设施制造商和WLAN控制器的存在，这也可能导致无线控制器的安全特性发出警报，从而导致通信关闭。补救办法是使用一种称为MAC克隆或MAC透明的特性。对于支持此功能的无线收音机，收音机将在启动时在其LAN端口上识别所连接的设备，并在无线网络上克隆其MAC地址。这个设备加上客户端可以作为一个设备出现在网络上，第二层协议将能够在无线网桥上工作。

交通连接

在交通应用中，总线上可以有许多设备连接到无线客户端收音机。摄像机、录音机和收费站就是一些例子。在过去，每个总线必须为控制基础设施管理的每个设备使用唯一的IP地址。这是不切实际的，因为公共汽车的数量不断增加，摄像头等设备也越来越多。

工业客户端的一个关键特性是能够进行网络地址转换或在客户-路由器模式下操作。这允许每条总线对总线上的本地设备使用相同的本地IP地址信息。这些本地地址不会暴露给无线网络。而是由收音机翻译。这极大地简化了配置，需要更少的唯一IP地址，更不容易出错，并减少了在网络上出现重复IP的机会。

交通应用程序的另一个典型需求是在公交站场进行高带宽无线通信，以便卸载捕获的视频和收费。IEEE 802.11n目前正在满足这一需求，但IEEE 802.11ac预计将在未来变得更加普遍。当车辆在院子里移动时，它们还需要在进出不同接入点的范围时保持与基础设施的连接。有些应用程序不希望与未授权的频段竞争，因此需要私有授权的频段功能。能够同时支持授权和未授权的频段对无线电制造商来说是积极的。

由于大多数eBus应用都在室外，因此接入点必须能够在极端温度下工作并防水，通常为ip68级。总线上的客户端收音机也必须是工业用的，因为它们位于拥挤的隔间中，容易受到高温条件的影响。持续的运动也使设备容易受到静电放电(ESD)和电源瞬态的损坏，因此通常需要对电源和天线进行浪涌保护。

总的来说，工业应用无线技术的发展超出了由行业标准组织商定的芯片组创新。虽然提高吞吐量很重要，但吞吐量通常不是工业应用的主要考虑因素。许多应用程序更重视无线链路的可靠性，而不是吞吐量。制造商需要开发独特的功能来满足这些工业用户的需求，这个过程已经进行了一段时间。好消息是，现在的无线电技术不仅可以满足最新的行业标准，而且还可以为特定的工业用例提供增值功能。

- Mike Werning, Moxa Americas，现场应用工程师。由主编埃里克·艾斯勒编辑，石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com．

关键概念