工业无线网络的技术革新

刘 洋 孙延旭 王东鹏

（成都蓉生药业有限责任公司，四川成都 610023）

0 引言

网络分为有线网络与无线网络2大类。其中，无线网络具有方便、快捷的特点，不需要复杂的布线，可以在覆盖范围内自由移动，相互通信连接快速。由于无线网络存在这些优势，使得无线网络可以更方便地照顾到有线网络不能顾及的地方。对于经常需要变动网络布线结构和用户需要大范围移动计算机的情况，使用无线局域网可以克服由于线缆限制而引起不便的问题。对于时间紧又需要迅速建立通讯而使用有线网架设不便、成本高或耗时长的情况，也可使用无线局域网。因此无线网络技术也就逐渐运用到了工业自动化的数据传输方面，而由于工业现场的复杂环境以及工业应用的特殊要求（如数据传输要求无缝、安全、可靠、实时），这就促使工业无线网络技术需进一步提高。

1 工业无线网络的工作原理

图1为工业无线网络的工作原理。数据采集模块通过Modbus接口连接至设备，定时采集设备数据（间隔时间可由服务器指定）并通过无线方式向外发送，每个采集节点既可以在mesh网络里进行数据传输，也可以作为其他节点传输路径中的路由节点，并且可以通过无线方式接收服务器下发的控制命令。数据接收设备接收到数据后，通过标准接口将数据发送至监控中心的计算机存储，也可以通过互联网发送至远端控制中心。对于信号弱或者障碍物较多的情况，可以通过安装无线路由器来实现区域的无线覆盖，以提高传输的稳定性与可靠性。

图1 工业无线网络的工作原理

2 无线网络的安全可靠性

在关键的工业无线应用中，网络的可用性和可靠性是非常重要的。通常工业环境中的EIM/RFI（电磁干扰/射频干扰）会导致数据在特定频率的传输过程中产生信号错误或数据丢失。因此，新一代双射频模块可设定为冗余AP端或冗余客户端，双射频通道同时运作，防止数据传输中的相互干扰（图2）。现在的无线设置支持RSTP协议的网络冗余，电源输入和POE功能则实现了电源冗余。在这种拥有多种冗余机制的情况下，可以保证网络随时在线。

图2 双射频冗余

支持IP68等级以及宽温设计，提供防尘、防水的双射频户外型AP/Bridge/Client在温度变换及其他环境因素变化时起到完整保护。此外，802.3af标准的POE功能简化了现场设备，使户外电源布线更为简单。这些功能可以使户外局域网变得更可靠，覆盖的范围也更宽广。

3 工业无线网络技术拥有更快的速度、更多的数据、更广的应用

在工业自动化不断发展的今天，网络上会传输大量的数据，无线应用对网络的带宽和可靠性的要求也更高。802.11n网络的出现大大解决了这个问题，它不仅可以提供更快的数据传输速率，也可以提供更稳定的连接。

802.11n网络拥有最高可达300 Mbps的带宽，提供了高速的数据传输、广大的无线覆盖以及稳定的数据连接。采用MIMO技术（多入多出），在物理层（PHY）支持通道结合40 MHz运行方式，实现更高的带宽，减少干扰，增强连接。此外，它还增加了在MAC层的帧聚合，确保流量聚合支持视频流数据。这两者结合起来满足了下一代应用对更高吞吐量的需求。因此，使用千兆以太网络进行连接，可以最大限度地提高无线到有线的性能，更好地支持大量带宽的应用。

3.1 802.11n网络的关键技术、速度和稳定度

3.1.1 MIMO技术

MIMO技术是802.11n网络物理层中强化数据传输的关键技术。MIMO技术简单来说，就是在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道的一种数据传输技术。无线电信号通过反射对象创建多个路径。在传统情况下，这将导致无线电信号的干扰和衰落，但MIMO技术充分利用了多路径现象。在发射端，MIMO采用空间复用技术，可在同一信道里同时发送多路数据流，因此可以提高数据吞吐量和发射功率。在接收端，MIMO技术可将多个信号合并成一个单一的信号，消除多径衰落的影响。MIMO技术实际上是利用了无线电反射来提高无线的覆盖范围和网络的可靠性。

3.1.2 通道结合40 MHz运行方式

在数据传输过程中，大量的数据传输主要依靠信道带宽的大小，将2个或更多的通道进行结合，就可以为数据传输提供更大的信道带宽。802.11n网络采用通道结合技术，将2个20 MHz的信道合并成1个单一的40 MHz信道，并同时支持2.4 GHz和5 GHz，这样就可以确保大量的数据传输。

3.1.3 帧聚合

802.11n网络设备的每帧负载运行限制了有效的数据吞吐量。通常为了减少负载，802.11n采用帧聚合的方式，即在1个单一传输过程中增加数据包的多次传输。有了这个机制，相比多个数据包产生的多次负载而言，只会产生1次负载，大大降低了平均数据的延迟时间，增加了802.11n无线局域网的吞吐性能。

4 工业无线网络技术的网络零延时漫游

零延时漫游的目标是当客户端从一个AP切换至另一个AP时，仍能保持无线通讯。随着实时流媒体的应用增加，实时数据传输的应用变得越来越流行，因此减少在不同AP之间切换的延迟时间就变得很重要。这个切换过程主要包括关联、认证和加密。通常这个过程需要几百毫秒，有时甚至高达几秒钟，这对实时性要求极高的应用来说，是一个必须要克服的问题。而若客户端经常移动，则必须频繁切换AP，就会产生更大的问题。如何快速、安全地进行连接切换是判断损失能否降低至最少的关键因素。

新一代Turbo Roaming快速漫游技术的超强的漫游能力为网络提供高速安全的连接切换功能。因此，支持Turbo Roaming快速漫游技术、有高度的主动认证和加密机制的无线控制器诞生了，如Moxa的WAC-1001无线控制器。这种无线控制器可在50 ms或者更少的时间内快速漫游，即使在极其苛刻的环境下仍能提供安全可靠的数据连接。

在基本的漫游方式下，客户端负责信号切换。当客户端检测到当前信号减弱，它就开始寻找下一个AP信号来代替当前的AP信号。然而，一个更先进的漫游方式是通过搜索AP信号进行再连接、再认证的方式，使搜索的时间缩减到最小，进而缩减切换时间。为了顺利实现切换，无线控制器可预先认证客户端，允许其可以在接下来的无缝漫游时，无需重新验证。这种机制大大降低了因重新认证而产生的延迟时间，提高了传输速度和应用的可靠性。

5 工业级蜂窝网络

工业级蜂窝网络是专为在无线广域网（WWAN）中，串口设备和网络设备需经过蜂窝网络进行通讯的应用而设计的。它适用于范围更广的远程应用，包括无线蜂窝路由器、无线蜂窝IP网关和GSM/GPRS Modem等产品，可适用于GSM/GPRS/EDGE、UMTS/HSDPA以及WCDMA等移动通讯技术。

当蜂窝网络发生信号衰减、干扰或连接终止时，传统的蜂窝路由器是无法发出警报的。而GuaranLink技术的实现可确保蜂窝网络始终处于连接状态，并提供预防功能，确保网络连接的稳定可靠。

无线蜂窝路由器可以与VPN结合，因为VPN允许计算机使用一个虚拟IP地址来连接至互联网。与私有网络不同的是，VPN节点间的连接使用开放式网络连接或互联网中的虚拟网络。在VPN的帮助下，作为VPN客户端的蜂窝设备可以发起一个连接至VPN的服务器。当连接建立后，蜂窝设备就可以在同一个私有网络中与其他网络设备进行通讯，也可以将私有网络安全地接入公共网络，这样就大大提高了工业无线网络的应用。

6 结语

802.11n网络支持稳定可靠的实时视频、音频和数据传输；多链路冗余技术确保无线网络始终在线；快速漫游技术可以确保无线设备在运动状态下的无缝连接；无线蜂窝路由器与VPN结合等技术的运用都是工业无线网络在数据传输中的可靠性保证。同时，工业无线网络技术也在不断突飞猛进地发展，市场预测在不久的将来，利用工业无线网络来进行数据传输将占主导地位。

［1］张彦，罗济军，胡宏林.无线网状网：架构、协议与标准［M］.电子工业出版社，2008

［2］曾鹏.工业无线技术的标准化与应用［J］.中国仪器仪表，2008（3）

［3］李春林，程键.工业自动化领域中的无线技术［J］.工业仪表与自动化装置，2007（1）