选择工业无线技术最重要的五个准则

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           无线应用把众多的新能力(如实现新型的监控、增加现有设备的灵活性、降低运营和流程管理成本)带入它们所服务的行业。反过来,许多不同类型的无线技术和应用迅速涌现出来以满足这个日益增长的需求。 

           需要强调的是,工业领域存在一些特有的挑战,但许多传统的无线技术并非是专门为应对这些挑战而设计的。这些挑战包括要求可靠性高、系统功耗低并具有在RF干扰严重的物理环境中良好工作的能力,当然,同时还须具有高性价比。 

           无线技术应用数量的不断增加也已成为一个挑战,众多的无线应用争夺同一个RF空间,导致频谱过于拥挤,并与业已存在的挑战交织在一起。要为某个特定的应用选择一个合适的、足以应对这些挑战的技术,工程师需要考量可靠性、简单性、功效、传输范围和成本等多个重要指标。 

           可靠性 

           在这里,可靠性是指无线系统在存在各种工业障碍的情况下成功完成通信的能力。我们可以根据无线系统的某些特征参数来评价其可靠性。 

           * 所使用的RF频谱:无线系统通信所使用的物理RF频谱 

           * 接收灵敏度:收发器完成通信需接收到的最小信号水平 

           * 输出功率:能够输出的信号水平 

           * RF捷变能力:为避免干扰而在RF频谱中移动的能力 

           * 抗干扰度:在存在干扰的情况下在给定频道中通信的能力。 

           RF波的物理特性造成其频谱使用高度依赖于环境。频率越低,波长越长,越不容易被液体和加固混凝土等典型的生活与建筑材料所吸收。 

           但是,为减小与其它无线通信技术的干扰,RF频谱及其使用受到很强的管制。在RF频谱中,地方或国际组织只为免许可通信保留了几个频段,并称之为工业、科学和医疗(ISM)频段。在这些频段中,主要使用的频段是2.4GHz部分。在这个频段,由于波长短,信号迅速被不利于RF传输的工业环境所吸收,我们需要对其它可靠性评估指标给予更多的关注。 

           我们可以把接收灵敏度、输出功率和抗干扰度结合起来,形成一个更为宏观也更为重要的可靠性指标——链路预算。链路预算是接收灵敏度、输出功率和抗干扰度的综合值。系统的接收灵敏度越高、输出功率和抗干扰度越大,则链路预算越大。链路预算越大,RF吸收和RF干扰给系统带来影响的可能性越小,实现可靠通信的潜力越大。 

           收发器的接收灵敏度和输出功率强烈依赖于所使用的元器件,较易于进行评估和比较,但抗干扰度在很大程度上依赖于无线收发器为提高其生命力而使用的技术。目前使用的可直接改善抗干扰度的最好技术之一是直接序列扩频(DSSS)调制。 

           DSSS调制的本质是通过向传输信号中引入前向误差校正,来减少因信号干扰而造成的数据损失。特别地,DSSS基于发射器和接收器共享的伪随机噪声码,把数据编制成规模更大的比特流。 

            图1展示了把8比特数据编制成32码片(Chip)数据的过程,在这里,4个码片等价于一个比特。 

           这些码片被调制成RF信号并发射出去。接收器从接收到的信号中解调出这些码片并逆向执行DSSS编码方案。尽管由于信号噪声或干扰而存在解调错误,我们仍可以复现原始数据。

图1:直接序列扩频(DSSS)。(原始数据、编码、码片错误、原始数据、复现)

                                                                          图1:直接序列扩频(DSSS)。(原始数据、编码、码片错误、原始数据、复现)

          RF捷变通过干扰避免技术(在RF频谱内跳动或移动等)来改善可靠性。系统在频谱中移动的自由度越大,找到干扰较小的RF静谧环境的能力越强。包括伪随机跳频方案或基于算法的跳频方案在内,目前使用的各种RF捷变技术通过不断地在频谱中跳变来最大限度地减小干扰(见图2)。


图2:RF捷变技术通过不断地在频谱中跳变来最大限度地减小干扰。


                                                                               图2:RF捷变技术通过不断地在频谱中跳变来最大限度地减小干扰。

           从可靠性的角度来说,不断跳频存在的一个问题是,在繁忙的RF频谱中,系统可能会无意地连续跳到频谱中包含强干扰的频道。更智能的方案只在遇到干扰时跳频。一旦找到安静无干扰的频率时则停止跳频。 

           不管使用哪种捷变方案,RF捷变同样依赖于所使用的RF频谱和通道规模。所使用的RF频谱会影响可用捷变空间。例如,由于受到频率分配的制约,同工作频率较高的系统相比,工作频率较低的系统的捷变空间较小。例如,2.4GHz系统约有100MHz的可用频谱,而900MHz系统只有大约26MHz。 

           通道宽度也是影响RF捷变能力的一个重要因素。通道宽度越小,则在频谱中捷变的空间越大,RF捷变能力越强,避免干扰并在干扰之间找到合适位置的能力越强。例如基于802.15.4的系统的通道宽度为5MHz,只有16个可用通道,而通道宽度为1MHz的系统通常有80个可用的通道,因而有更多可用的避扰位置。 

           因而,可靠性是由链路预算、RF捷变能力和所使用的RF频谱所共同决定的。在相同的RF频谱上,无线系统的可靠性与链路预算和RF捷变能力正相关。另外,尽管低频技术对某些特定环境有出众的表现(如某个较低频率的技术应用于遍布水管的工厂时),但同可提高链路预算和RF捷变能力的频率较高的技术相比,仍相形见绌。

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