（通信与信息系统专业论文）工业无线网络共存技术的研究与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 因工业无线技术可以有效的解决有线技术所未能解决的难题 工业无线通信技 术被称为工业控制领域的革命性技术 是继现场总线之后工业控制领域的又一个热 点技术 也是未来几年工业自动化产品新的增长点 为此 世界各国和国际组织都 非常重视工业无线通信技术的研究与应用 如 美国能源部 d o e 在2 0 0 4 年发 布的 未来工业计划 i o f 中把工业无线通信技术列为其重要内容 并在美国仪 器仪表协会 i s a 成立了i s a1 0 0 工作委员会专门负责工业无线通信相关技术标准 的制定 但目前工业无线通信尚有一些关键瓶颈问题尚未有效解决 其中多种工业 无线通信方式的共存问题就是其中之一 本文主要将工业无线环境中各种无线技术的共存技术作为研究的对象 在对主 要的无线网络共存技术进行深入分析的基础上 将跳信道技术作为解决共存问题的 切入点 通过对无线通信环境 多信道m a c 协议 i e e e8 0 2 1 5 4 协议及z i g b e e 技术进行深入研究 提出了基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线网络自适应跳信道方案 并对i e e e8 0 2 1 5 4 协议栈进行改进 在信标帧的载荷中添加了跳信道信息 以集中 管理的方式将信道序列由协调器分配给设备 同时在i e e e8 0 2 1 5 4 协议栈上实现了 信道跳变 信道同步 坏信道清除等主要功能 最后 对i e e e8 0 2 1 5 4 系统跳信道 情况和8 0 2 1 1 b 干扰情况下的跳信道进行了测试 测试结果表明 本文提出并实现 的共存方案能有效提高抗干扰能力 实现多种通信方式共存 达到了预期的结果 关键词 工业无线通信技术 共存 跳信道 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t d u et ow i r e l e s si n d u s t r yt e c h n o l o g yc o u l dp r o v i d et h es o l u t i o n st h a tw i r e d t e c h n o l o g yc o u l dn o t w i r e l e s si n d u s t r yt e c h n o l o g yi sc a l l e dr e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g yi n i n d u s t r i a lc o n t r o la r e a a n da l s ob e c a m en e wh o t p o ta f t e rf i e l d b u st e c h n o l o g y t h e r e f o r e t h eg l o b a la n di n t e m a t i o n a lo r g a n i z a t i o n sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h es t u d ya n d a p p l i c a t i o no fw i r e l e s si n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h eu s d e p a r t m e n to f e n e r g yp u b l i s h e d i n d u s t r i e so ft h ef u t u r e p r o g r a mi n2 0 0 4t oc l a s s i f yt h ew i r e l e s s i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya st h ei m p o r t a n tt o p i c a n de s t a b l i s h e di s a l 0 0 w o r kg r o u po ft h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o no fa m e r i c a t h ei s a l0 0w o r k g r o u pi sw o r k e d f o rt h ed r a f to fw i r e l e s si n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yr e l a t e ds t a n d a r d h o w e v e r t h e r er e m a i n ss o m eb o t t l e n e c ko ft h et e c h n o l o g y s u c ha st h ec o e x i s t e n c ep r o b l e mo f s e v e r a lw i r e l e s st e c h n o l o g i e si ni n d u s t r ye n v i r o n m e n t t h em a i no b j e c t i v eo ft h i st h e s i si sc o e x i s t e n c et e c h n o l o g yo fw i r e l e s st e c h n o l o g yi n w i r e l e s si n d u s t r i a le n v i r o n m e n t o nt h eb a s i so fs t u d y i n gm a i nw i r e l e s sn e t w o r k c o e x i s t e n c e t e c h n o l o g y c h a n n e l h o p p i n gt e c h n o l o g y w a ss e l e c t e dt os o l v et h e c o e x i s t e n c ep r o b l e m a n da d a p t i v ec h a n n e l h o p p i n gs c h e m eo fw i r e l e s si n d u s t r yn e t w o r k b a s e do ni e e e8 0 2 15 4w a sp r o p o s e dt h r o u g hs t u d y i n go nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t m u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o l i e e e8 0 2 15 4a n dz i g b e et e c h n o l o g y i e e e 8 0 2 15 4s t a c kw a si m p r o v e dt oa d dc h a n n e l h o p p i n gi n f o r m a t i o nf o rd i s t r i b u t i n gc h a n n e l s e q u e n c ef r o mc o o r d i n a t i o nt od e v i c e si nt h ef o r mo fc e n t r a l i z e dm e t h o d m e a n w h i l e t h e m a i nf u n c t i o n so fc h a n n e ls w i t c h c h a n n e ls y n c h r o n i z a t i o na n db a dc h a n n e le l i m i n a t i o n w e r ei m p l e m e n t e do ni e e e8 0 2 15 4s t a c k f i n a l l y t h et e s tp l a t f o r mw a sb u i l tf o rt w o s c e n a r i o s t h ec o e x i s t e n c eo ft h es a m es y s t e m sa n du n d e rt h ei n t e r f e r e n c eo f8 0 2 1lb s y s t e m t h er e s u l t se x p l a i nt h a tt h ec o e x i s t e n c es c h e m eh a sm a d et h eg o o ds e n s eo f a n t i i n t e r f e r e n c ea n di m p l e m e n t e dc o e x i s t e n c eo fs e v e r a lc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s k e y w o r d s i n d u s t r i a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y c o e x i s t e n c e c h a n n e l h o p p i n gt e c h n o l o g y i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从1 9 7 7 年第一个民用网系统a r c n e t 投入运行以来 有线局域网以其广泛的 适用性和技术价值方面的优势 获得了成功并得到了迅速发展 然而 在工业现场 一些工业环境禁止 限制使用电缆或很难使用电缆 有线网络很难发挥作用 因此 无线网路技术得到了发展和应用 随着微电子技术的不断发展 无线网络技术将在 工业控制网络中发挥越来越大的作用 计算机网络技术 无线技术以及智能传感器技术的结合 产生了 基于无线技 术的网络化智能传感器 的全新概念 这种基于无线技术的网络化智能传感器使得 工业现场的数据通过无线链路直接在网络上传输 发布和共享 无线网络技术能够 在工厂环境下 为各种智能现场设备 移动机器人以及各种自动化设备之间的通信 提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构 在一些特殊条件下有效弥补了 有线网络的不足 进一步完善了工业控制网络的通信性能 工业控制网络连接传感器 控制器 执行器等现场设备 在它们之间传输数据 是工厂信息网络集成系统的底层 也称为网络的现场控制层 它是网络技术在控制 领域中的体现 工业控制网络使分布在不同位置的设备之间能够共享信息 从而协 调各自的动作 从这个意义上来说 工业控制网络和普通的数据网络功能上是一致 的 但是工业控制网络是服务于控制系统 设计的主要目标是保证网络控制系统有 好的性能和稳定性 对于控制网络我们主要关心的是网络的特性能否满足工业控制 系统的要求 如实时性能是否得到保证 而通常数据网络中首要考虑的一些性能指 标 例如带宽利用率 传输速率等 也同样被工业控制网络作为重要问题考虑 无线工业控制网络是应用在自动控制领域的无线通信领域的一次重大进步 在 全世界范围内得到了广泛的研究 有着广阔的应用前景 特别是工业自动控制系统 有着深刻的影响 无线工业控制网络是一种节点可移动 拓扑结构高度动态变化 没有预设的网络基础设施的无线网络 同传统网络相比 无线工业控制网络具有节 点能量 计算能力 存储空间 网络带宽和通讯能力有限 网络规模较大 拓扑动 态变化等特点 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 工业无线网络发展现状 在工业自动化领域 有成千上万的传感器 检测器 计算机 p l c 可编程控 制器 读卡器等设备 需要互相连接形成一个控制网络 通常这些设备提供的通信 接口是r s 2 3 2 或r s 4 8 5 工业无线设备通过使用隔离型信号转换器 将工业设备 的r s 2 3 2 串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换 符合无线局域网i e e e 8 0 2 1 l b 8 0 2 1 5 4 和以太网i e e e8 0 2 3 标准 支持标准的t c p i p 网络通信协议 有效的扩展了工业设备的联网通信能力 无线网络技术可以非常便捷地以无线方式 连接网络设备 人们可随时 随地 随意地访问网络资源 是现代数据通信系统发 展的重要方向 1 2 1 工业无线网络的产生背景 在工业现场 某些环境禁止 限制使用电缆 或很难布设和使用电缆 还有一 些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器或其 它无线电控制设备的干扰 更有一些高速旋转的设备根本无法通过电缆来传输数据 信息 工业无线通信技术的应用为解决这些问题提供了一条新的途径 无线技术应用于工业自动化领域的优势主要体现在 高可靠性 大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过9 5 但 是在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输面临以下挑战 一方面 工厂环境中 往往存在i e e e s 0 2 1 1 蓝牙 i e e e 8 0 2 1 5 4 等多种类型的无线网络 这些网络大都 集中在2 4 g h z 的i s m 公共频段上 彼此间存在严重干扰 另一方面 工业环境中 的射频通信条件较为恶劣 厂房中遍布的各种大型器械 金属管道等对信号的反射 散射造成的多径效应 以及马达 器械运转时产生的电磁噪声 都会干扰无线信号 的正确接收 严格实时性 对于工业闭环控制应用 数据传输延迟应低于1 5 倍的传感器 采样时间 无线传感器网络成本很低 通常没有网络基础设施的支撑 设备间的通 信需要通过多跳接力的方式进行 保证端到端通信的确定性比较困难 低能耗 用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器节点由于成本的限 制通常不采用外接电源的方式 而是靠自身携带的电池供电 从运行和维护成本方 面考虑 节点的电池寿命应达到3 至5 年 无线传感器节点的能耗由感知 计算和 通信三部分组成 如何利用最少的能源实现信息采集任务是工业无线技术必须解决 的问题 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 安全性 随着工业控制系统网络化进程的推进 网络安全和数据安全问题 日益突出 一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失 无线通信由于信道的 开放特征更容易受到攻击 其安全保障机制将更加复杂 而无线传感器节点由于资 源限制很难实现复杂的安全算法 如何在安全性和简洁性之间取得折中是工业无线 技术面临的挑战 兼容性 为了保护用户的原有投资 基于工业无线技术的新型测控系统要 具有与工厂原有的有线控制系统互连和互操作的能力 为了达到闭环控制的要求 互连与互操作技术在实现通信介质和协议转换的同时 还要保证通信的可靠和实时 这是以前的互连与互操作技术无需考虑的工业无线技术的特有问题 正是由于以上所列的各项优势 无线技术必将很快进入工厂控制层和设备层网 络 引起工业自动化领域的深层次变革 1 2 2 工业无线网络的发展趋势 无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑 估计再过四 五年 即2 0 1 0 年 前 大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线功能 无线技术首先会用在楼宇自动化 自动抄表 事故响应 设备监控s c a d a 系统 设备资产管理 诊断维护等 工业控制的无线技术目前主要集中在无线短程网方向 他们都具有相当牢固和 成熟的技术基础 但为了适应工业控制要求和环境 还需要专门的开发研究 无线 现场仪表一定要实现低功耗才能解决供电的长期无线化和就地化 所以一般来说无 线传输不适用于高速控制的场合 但是事件证明 对大多数监控和慢速控制场合 它足够可靠 可以用在将近8 0 的自动化和过程控制场合 适应各种不同类型和要 求的无线通信标准 有的已经颁布并被市场接受 有的还在制定过程中 其发展和 市场开发值得我们重视 z i g b e e 联盟已将z i g b e e 定位于以下三类无线应用 公共 设施 商业建筑和消费产品 无线h a r t 技术是专为流程工业过程现场仪表应用而 设计开发的 i s a 1 0 0 是专为流程工业环境的现场设备无线应用标准 肯定会包含 无线h a r t 无线f f 无线p r o f i b u s 和无线c i p 其开发进程值得关注 1 2 3 国内外研究进展 为了推进无线技术在工业自动化领域的快速发展 2 0 0 4 年由美国能源部发起 g e h o n e y w e l l r a e 等7 0 多家大公司参与成立了无线工业控制网络联盟 w i n a 该联盟专门讨论无线技术在工业控制领域应用的技术难题 同年 美国工业技术计 划 传感器和自动化 方向上设立了4 个重点项目 在这些项目的支持下 工业自 3 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 动化领域一些大的公司开展了以测控系统应用为牵动的工业无线技术共性关键问题 的研究 e a t o n 公司在2 0 0 4 年启动了 基于无线传感器网络的工厂高级能源管理 项目 该项目致力于构建一个低成本的无线网络 来完成信息的快速采集 监视和诊断 计划五年完成 截止2 0 0 5 年 该项目完成了市场需求的调查 搭建了小规模网络原 型 进行了网络性能测试实验以及与高级能源管理系统的互操作实验 g e 全球研究中心在2 0 0 4 年启动了 分布式无线多传感器技术 项目 与e a t o n 公司重点面向网络结构的研究不同 该项目主要研究工业现场环境对无线网络的影 响 计划四年完成 目前该项目已完成了典型工业环境下无线信道特征数据的收集 与分析 系统仿真工具设计 并在核电厂和化工厂完成了现场实验 h o n e y w e l l 实验室在2 0 0 3 年9 月启动了 可提高工业效率的无线和感知 项目 重点研究面向工业现场的可靠无线技术 计划于2 0 0 7 年底完成 该项目详细比较了 f h s s 与d s s s 在工业现场环境下的性能 提出了一种鲁棒的网络结构 2 0 0 7 年h a r t 基金会公布了无线h a r t 协议 无线h a r t 工作于2 4 g h zi s m 频段 采用安全稳健的网格拓扑结构 无线h a r t 通过信道跳频 使用i e e e8 0 2 1 5 4 兼容的d s s s 直接序列扩频技术 传送信息包数据 无线h a r t 的架构基于以下原 则设计 易用 可靠 与无线网格传感器协议兼容 它强制要求 兼容设备必须支 持互操作性 如不同制造商的无线h a r t 装置类型 无需系统操作即可被替换 传 统h a r t 协议是一种支持主从通信和过程数据发布的令牌传送网络 而无线h a r t 则额外增加了物理层i e e es t d8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 和t d m a 数据连接层 它的完整的网 络层规范 支持全无线网格网络 m e s h 部署 无线h a r t 支持标准h a r t 应用 层 聚焦于h a r t 所最擅长的 灵巧的过程现场设备间通信 i l 2 0 0 4 年1 2 月 美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准s p l 0 0 委员会 启动了工业无线技术的标准化进程 后改名为i s a l 0 0 到2 0 0 7 年1 月 i s a l 0 0 已 发展为包括1 2 个工作组 世界范围内2 0 0 多家公司和科研机构参与其中 在国内方面 中科院联合一些高校也正在积极开展相关技术的研究工作 并取 得了丰富的技术积累 2 0 0 6 年7 月份 美国仪表系统和自动化学会i s a l o o 标准委 员会面向全球征集技术提案 国内的沈阳自动化所 浙江大学 重庆邮电大学等三 家单位与h o n e y w e l l g e s i e m e n s 等国际著名公司分别提交了自己的技术提案 并于l o 月份迸一步提交了技术白皮书 目前 重庆邮电大学和沈阳自动化所已作为 工作组成员参与工业无线标准i s a l 0 0 标准的制定工作 中国拥有自主知识产权无 线工业通信标准提案已经提交到相关国际组织 并已引起国外同行的普遍关注 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 工业无线测控系统体系结构及协议栈 工业无线测控系统的网络结构如图1 1 所示 以控制室为基本单元 控制室内 的设备由无线现场子网互联 根据应用需求的不同 可以分为高速现场子网和低速 低能耗现场子网 二者在物理通信机制和组网方式上都不相同 前者用于具有较高 通信速率要求的快速控制应用 后者用于具有低通信速率要求的低速控制和监测类 应用 由通信中继和网关构成的无线骨干网将各个控制室的无线现场子网互联起来 并实现与工厂原有的有线控制和信息网络的连接 o 高速无线骨干网 隧 无线控制器 高速无线现场予网 同 移 孽i 通信中继 弩卜f j 翩慷 一i j 一b i 一一1 r 一 j 支撑上述工业无线测控系统网络结构的协议栈主要包括如下协议 物理层协议 物理层负责数据的调制 发送与接收 目前工业无线网络的物理 层协议主要采用i e e e 8 0 2 1 5 4 和i e e e 8 0 2 11 通常认为 i e e e 8 0 2 1 5 4 适合短距离 现场设备间的通信 而i e e e 8 0 2 1 1 更适合覆盖范围广泛的车间级和企业级通信 为 了应对工业应用极端的通信环境 大都应用直序扩频和跳频技术 数据链路层协议 数据链路层负责数据成帧 帧检测 介质访问和差错控制 工业无线网络的数据链路层协议需要充分考虑极端的工业无线通信环境 多样化信 息的实时通信 休眠等节能机制 满足更为严格的可靠性 实时性和节能性要求 网络层和传输层协议 工业无线网络通常将这两层并在一层考虑 完成数据的 端到端的可靠数据传输 工业无线网络通常采用m e s h 结构 鲁棒 实时是工业应 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 用对该层的主要要求 协议的设计需要解决资源严格受限 工业环境复杂多变 工 业环境下链路质量的不稳定 多样化的信息和多样化的实时性要求 能量效率和负 载均衡等问题 网络管理 网络管理完成网络的形成和配置 网络资源管理 网络诊断与维护 以及安全管理等功能 工业应用的m e s h 网络结构 资源受限 节点的移动性等特 点都对网络管理提出了更高的要求 应用子层协议 应用子层完成网络中的时间同步 节点定位 并提供面向用户 应用的协同应用服务接口 应用层实现网络上不同设备间的通信 应用信息获取和 设置服务 工业应用要求协议提供对连续 离散等不同控制应用的支持 1 4 工业无线主流技术 工业环境下建立可靠的数据传输网络已成为一个迫切的需求 基于蓝牙 i e e e 8 0 2 1 5 1 w i f i i e e e 8 0 2 1l b 和z i g b e e i e e e 8 0 0 2 1 5 4 等协议的无线 网络技术相继问世 自从蓝牙出现以后 曾让工业控制 家用自动控制 玩具制造 商等业者雀跃不已 但是b l u e t o o t h 的售价一直居高不下 严重影响了这些厂商的使 用意愿 z i g b e e 短程无线网技术以其数据传输安全可靠 组网简易灵活 设备成本 低 电池寿命长等优势 在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力 如今 这些业 者都参加了i e e e 8 0 2 1 5 4 小组 负责制定z i g b e e 的物理层和介质访问控制层 z i g b e e 是一种新兴的近距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的无线网络 技术 它是一种介于r f i d 技术和蓝牙之间的技术提案 主要用于近距离无线连接 它依据8 0 2 1 5 4 标准 在数干个微小的传感器之间相互协调实现通信 这些传感器 只需要很少的能量 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传 感器 所以它们的通信效率非常高 由于z i g b e e 技术的低数据速率和通信范围较小 的特点 也决定了z i g b e e 的主要应用领域包括工业控制 消费性电子设备 汽车自 动化 农业自动化和医用设备控制等 2 0 0 4 年1 2 月 由8 家电气设备生产公司 e m b e r f r e e s c a l e h o n e y w e l l i n v e n s y s m i t s u b i s h i m o t o r o l a p h i l i p s 和s a m s u n g 联合发起的z i g b e e 联盟 在 i e e e 8 0 2 1 5 4 低速无线个域网协议的基础上通过了z i g b e e 标准 进而推出符合该 标准的芯片和开发平台 旨在弥补低速率无线通信市场的空缺 z i g b e e 标准包括 i e e e8 0 2 1 5 4 协议制定的物理 p h y 层和介质访f 司 m a c 层标准 以及z i g b e e 联盟制定的网络层和部分应用层标准 其主要特点如下 传输速率低 z i g b e e 通信在2 4g h z 工业 科学 医学频带 i s m 的最高传 输速率为2 5 0k b p s 适用于报文吞吐量较小的通信应用场合 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 功耗低 由于z i g b e e 通信的传输速率低 发射功率约为l m w 在休眠模式下 电池寿命可长达数年 成本低 z i g b e e 通信模块的单位成本在几美元左右 并且z i g b e e 协议是免专 利费的 工业控制领域对通信设备有特定的要求 包括数据通信的可靠性 实时性和同 步性 控制网络的可扩展性和经济性 无线通信在数据传输过程中容易受到外界噪 声的干扰而发生衰变 为了尽可能减小或消除这些干扰 保障数据传输的可靠性 z i g b e e 协议在各个层面上分别采用了不同的安全保障机制 在工业控制系统中 实 时性是另一项重要指标 z i g b e e 无线通信网络新增节点的典型网络参与时间为3 0 m s 节点从休眠状态激活进入工作状态的典型时延为1 5m s 处于工作状态的节点 的典型存取时间为1 5m s 2 1 对于最长等待时间在1 0m s 量级以上的控制环境 z i g b e e 技术完全可以满足实时性的要求 z i g b e e 技术的灵活性主要体现在自身组 网的可扩展性以及与其他通信设备之间的共存性 作为无线通信设备 基于z i g b e e 技术的通信模块几乎无须布线 可随意摆放 无线通信网络建立之后 在信号覆盖 区域内任何一个位置都可以无缝接入网络 并且可以 漫游 因此 z i g b e e 无线通 信网络具有很强的可扩展性 同其他无线协议如蓝牙 i e e e8 0 2 1 5 1 和w i f i i e e e 8 0 2 1 1 b 相比 z i g b e e 协议比较简单 其设备的安装和调试无需精通无线通 信的专业人员参与 而且无论是生产线初期的设计还是后期的改造中都可以引入 由于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议本身的低成本定位 引入z i g b e e 无线通信网络的 成本是比较低的 同时 基于z i g b e e 技术的设备具有能耗低 电池寿命长的特点 而且通信设备的维护成本也比较低 z i g b e e 无线网络技术的应用含盖了工业 民用和医疗等各个领域 包括住宅安 防系统 病房警报系统 远程抄表 p c 机外设以及工业控制网络等 z i g b e e 无线 协议不仅提供了低复杂性 缩减资源的通信解决方案 而且提供了一组标准化的规 范 对于工业控制网络而言 无线化是一个不可避免的发展趋势 有效地利用z i g b e e 无线网络技术 将会优化整个工业控制网络 从而达到提高生产力的效果 目前 无线技术在工业领域的应用主要停留在工厂管理级和远程遥测方面 其 主要的优势并未充分发挥 关键问题是因为无线通信技术应用在工业控制领域还有 一些关键技术有待解决 如可靠性问题 安全性问题 信道干扰问题 确定性调度 问题 时间同步问题等等 多种无线技术在工业环境中使用 支持不同工业应用的 通信 z i g b e e 与其他无线技术之间的干扰问题也逐渐暴露出来 信道干扰问题的解 决使得工业现场设备能够判断干扰并动态地调整不良的通信状态 使工业无线控制 网络更加智能化 z i g b e e 虽然在2 4 g h z 频带有1 6 个频带 但不能实现自适应跳频 对于一个具体设备只能设置一个信道 当在现场发现已设置信道有干扰时 必须重 7 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 新由人工设置另外的信道 目前工业无线网络开发的焦点是无线短程网的工业应用 而主要集中在基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线传感器网络 无线传感器网络中设备的 分布密度比较大 只通过一个信道来满足所有节点的通信要求 信道负荷也大大增 加降低通信质量 自z i g b e e 规范问世以来的这几年 相关的芯片 协议栈的开发包 和应用都吸引了众多的机构投入人力物力在不断开发 完善和发展 在应用领域上 基于z i g b e e 的家居无线网络和楼宇无线网络等方面都获得相当广泛的接受和认可 但在工业应用领域 在开发过程中也发现了z i g b e e 规范存在一些问题 其中一个与 共存相关的重要问题就是 工作信道选定与全网自适应跳频问题 z i g b e e 规定在 2 4 g h z 有1 6 个信道 采用i e e e8 0 2 1 5 4 物理层和m a c 层规范中规定的d s s s 直 序扩频调制 因此可工作于某个选定信道 信道的选定可以通过无线传输能量扫描 按传输能量较高的原则确定工作信道 也可以在初始化时指定工作信道 当所选的 信道在传输过程中 通信质量变差 现有的z i g b e e 规范不支持信道的自动跳置 由 于2 4 g h z 频段并非z i g b e e 独有 有许多其他的设备都会占用 如何来解决遇到干 扰时的自适应跳频 z i g b e e 联盟也在研究解决办法 或许z i g b e e 规范的新版本会 解决此问题 1 5 本文研究的主要内容 z i g b e e 是近年来出现的一种新兴的短距离无线通信技术 它采用i e e e8 0 2 1 5 4 标准作为其物理层和介质访问控制层规范 具有低功耗 低成本和低复杂度的特点 主要适用于自动控制 远程监控等领域 基于i e e e8 0 2 1l b 标准的w i f i 是当今无 线局域网的主流技术 而随着低速率应用市场需求的不断增长 z i g b e e 和w i f i 系 统共存的可能性越来越大 3 在工业控制领域 因无线测控网络同时存在高速无线 现场子网和低速无线现场子网 研究它们之间共存以及自系统之间的共存问题将是 非常有意义的课题 本文的出发点和主要目标是研究工业无线控制网络环境中的共存和抗干扰问 题 通过设计无线网络环境中的频率共存方案 搭建适用于工业无线控制网络的抗 干扰系统 使在同一射频干扰范围内的基于i e e e8 0 2 1 5 4 的无线系统之间能够有效 避免射频干扰 同时也能够抵抗基于i e e e8 0 2 1 l b 的无线系统所带来的静态信道干 扰 进而提高无线通信在工业控制领域应用的可靠性 增强低速率无线技术在工业 环境中的适应能力 本文通过对无线通信环境 z i g b e e 技术进行充分而深入的研究 结合z i g b e e 技术 深入研究i e e e8 0 2 1 5 4 链路层的介质访问控制机制 并在此基础上设计和实 8 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 现了基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线频率共存机制 针对工业控制网络中所面临的多 种无线技术频率共存问题 形成一种适合工业无线系统的共存解决方案 有效的提 升了基于i e e e8 0 2 1 5 4 的工业无线网络的抗干扰性 为工业无线更加广泛的应用奠 定了基础 1 6 本章小结 本章首先介绍了工业无线网络产生背景 发展趋势以及动向 然后介绍了国内 外工业无线通信领域的研究进展及动态 继而阐述了工业无线领域的主流技术 最 后提出了本文所要探讨和研究的主要内容 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线技术的共存问题 第二章无线技术的共存问题 2 12 4 g h z 频段的无线技术 无线局域网 w l a n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 和无线个人区域网 w p a n w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 技术的出现 取代了工业现场 家庭网络 楼宇自 动化等应用领域的线缆 使人们从有线的环境中解放出来 随着短距离无线通信技 术标准得到了迅速的发展 典型技术标准蓝牙 b l u e t o o t h z i g b e e 无线u s b w i r e l e s s u s b 无线局域网w i f i i e e e8 0 2 1 l b g 等作为短距离无线通信的典 型技术得到了飞速的发展 这些技术均选择2 4 g h zi s m 公共频段作为工作频带 因为2 4 g h z 频段是一个全球性的频段 开发的产品具有全球通用性 随着越来越 多的无线技术采用2 4 g h z 作为其工作频带的解决方案 该频带显得越来越拥挤 所以 2 4 g h z 频段的各种无线通信技术之间的共存问题成为了阻碍无线网络更好发 展的关键瓶颈问题 无线传感器网络节点有一半是基于i e e e8 0 2 1 5 4 的 而i e e e8 0 2 1 5 4 支持 2 4 g h z 工作频段 该规格包括三种无线传感器网络标准 z i g b e e 无线h a r t i s a l 0 0 z i g b e e 技术是一项新兴的短距离无线通信技术 主要面向的应用领域是低速率 无线个人区域网 l r w p a n l o wr a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 典型特征 是近距离 低功耗 低成本 低传输速率 主要适用于自动控制以及远程控制领域 目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制 典型的如无线传感器网络 无线h a r t 是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议 它 采用工作于2 4 g h zi s m 射频频段 具有安全 稳定的网络拓扑联网技术 在将所 有信息统统打包在一个数据包内 通过与i e e e8 0 2 15 4 兼容的直序扩频d s s s 和跳 频技术进行数据传送 它的物理层采用i e e e8 0 2 1 5 4 数据链路层和网络层采用 t s m p 时间同步m e s h 协议 s t m p 协议是一种专门为低功耗 低带宽 可靠联 网而设计的m a c 和网络层协议 目前 将无线技术应用于工业自动化领域对现场设备进行检测和控制还没有一 个成熟的标准 然而市场 用户和设备制造商都迫切需要相关标准来规范这方面的 产品 为此 i s a 专门成立了一个由终端用户和技术提供者组成的i s a l 0 0 委员会 i s a l 0 0 标准希望工业无线设备以低复杂度 合理的成本和低功耗 适当的通信数据 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线技术的共存问题 速率去支持工业现场应用 i s a l 0 0 的物理层和m a c 层也是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标 准 此外 蓝牙 基于i e e e8 0 2 1 5 4 w i f i 基于i e e e8 0 2 1 l b w i r e l e s s u s b 都是工作在2 4 g h z 频段的无线技术 w i f i 即无线局域网 在学校 商业等办公区域以及工业领域普遍采用的无线 连接技术 传输速率可达1 1 m b i t s 工作距离l o o m 采用直接序列扩频 d s s s 的方式 w i f i 的主要优势在于数据吞吐量 w i f i 一般用来将计算机与本地局域网 相连或直接与互联网相连 蓝牙即无线个人区域网 w p a n 采用跳频扩频 f h s s 方式 支持语音 数据传输 支持多达8 个的蓝牙设备可连接成匹克网 p i c o n e t 多个匹克网可连接 成散射网 蓝牙有7 9 个信道 信道间隔均为1 m h z 通信距离范围为1 0 1 0 0m w i r e l e s s u s b 大多适用于p c 外设 底层采用d s s s 调制方式 支持高速数据 传输 使用全球通用的2 4 g h zi s m 频段 通信距离高达1 0 m 规定1 0 m 的速率为 11 0 m b i t s 在通信距离为3 m 的情况下最大传输速率达4 8 0 m b i t s 符合u s b 2 0 标 准 w i r e l e s s u s b 并非联网解决方案 因此没有相关成本或功率开销 支持u s b 的 即插即用 无需驱动程序和标准 认证过程 2 2z i g b e e 与其他无线技术的频率共存分析 2 2 1z i g b e e 与w i f i 面向自动化控制的z i g b e e 和无线局域网技术w i f i 将会在很多场合处于共存 的状态 如办公室 家庭 楼宇和工厂车间等 对i e e e8 0 2 1 5 4 和i e e e8 0 2 1 1 b 的共存的仿真结果和分析 4 表明 对于非跳 频系统 较大频偏 i e e e8 0 2 1 1 b 载波中心频率和i e e e8 0 2 1 5 4 载波中心频率的 差值 可以容忍近距离 小于2 m 共存 然而在较小频偏或称作同频干扰情况下 可容忍距离为几十米 这说明对信道的通信质量好坏 干扰 和动态改变信道对于 保证共存非常重要 可以通过对信道的评估以及自适应的信道跳变解决w i f i 对 z i g b e e 的干扰问题 而z i g b e e 对w i f i 的干扰相对来说要小得多 由于z i g b e e 信号带宽只有 3 m h z 相对于w i f i 的2 2 m h z 带宽属于窄带干扰源 通过扩频技术i e e e8 0 2 1 l b 可以充分的抑制干扰信号 而且z i g b e e 设备的输出功率被限制在0 d b m 1 m w 重庆邮电大学硕士论文第二章无线技术的共存问题 相对于i e e e8 0 2 1 l b 的2 0 d b m 1 0 0 m w 相差甚远 不足以构成干扰威胁1 4 1 2 2 2z i g b e e 与蓝牙 t i 公司对蓝牙系统对z i g b e e 系统的干扰特性做了实验和分析 结果表示 相 对于i e e e8 0 2 1 l b 系统 蓝牙对z i g b e e 系统的干扰是非常小的 因为蓝牙支持自 适应跳频技术 p h y 层采用f h s s 调制技术并将2 4 g h zi s m 频段划分成7 9 个 1 m h z 的信道 蓝牙设备以伪随机码方式在这7 9 个信道间每秒钟跳1 6 0 0 次 故 蓝牙和z i g b e e 系统只会在部分时间才会发生频率冲突 所以大多数情况下 蓝牙不 会对z i g b e e 产生严重威胁 而这种关系又是相互的 z i g b e e 的通信信道与蓝牙7 9 个跳频中的一个频率相重叠的机会也非常小 所以z i g b e e 对蓝牙系统的影响也微乎 其微 2 2 3z i g b e e 与无线u s b 每一个无线u s b 信道宽1 m h z 将2 4 g h z l s m 频段分割成为7 9 个1 m h z 信 道 这与蓝牙类似 但是无线u s b 采用了d s s s 而不是f h s s 无线u s b 设备具 有频率捷变特性 它们虽采用 固定 信道 但如果最初信道的链路质量变得不理想 则会动态地改变信道 而z i g b e e 在严重干扰期间 不改变信道 它依靠其低占空 比及避免冲突算法来减小由于传输冲突所造成的数据丢失 为减少干扰 无线u s b 至少每5 0 m s 检查一次信道的噪声水平 如果和z i g b e e 信道重叠 无线u s b 主设 备可以选择一个新信道 所以无线u s b 完全可以和z i g b e e 系统共存1 4 1 2 3 共存机制 i e e e8 0 2 15 2 共存标准定义了共存一般可认为不同无线系统实现共处并相互 不影响性能 一般大致分为两种共存方式 协作方式和非协作方式 协作方式要求在两个无线网络之间交换信息 也就是说 要求i e e e8 0 2 1 5 4 和i e e e8 0 2 1 l b 网络之间能够交换信息 非协作方式在两个无线网络之间不交换信 息 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章无线技术的共存问题 2 3 1 协作方式 切换连接设备 该设备可以在i e e e8 0 2 1 5 4 和i e e e8 0 2 1 l b 设备之间进行动态切换 存在于 两个网络中 既可以与i e e e8 0 2 1 5 4 网络通信 也可以与i e e e8 0 2 1 1 b 网络通信 但不能同时进行 如图2 1 所示 图2 1 切换链接设备 桥接设备 该设备也存在于两个网络中 可以与i e e e8 0 2 1 5 4 网络和i e e e8 0 2 1 1 b 网络 同时进行通信 如图2 2 所示 图2 2 桥接设备 在此方式下可以采用时序控制 在m a c 层加入一个中央控制器 监控i e e e 8 0 2 1 5 4 和i e e e8 0 2 1 l b 的业务分布 并允许它们的信道进行交互 任意设备需要 传输数据时先向中央控制器申请时隙 控制器根据特定算法同意分配时隙 并将分 配情况反馈给申请设备 这样 就可以对分组的业务做出合理准确的安排 每一时 刻只有一种设备工作 从而避免两种设备的干扰 由于i e e e8 0 2 1 5 4 可以支持休眠 模式 在大部分时间处于非工作状态 可以减小控制器执行的复杂度 2 3 2 非协作方式 共存设备 1 3 重庆邮电大学硕七论文 第二章无线技术的共存问题 i e e e8 0 2 1 5 4 设备与i e e e8 0 2 1 l b 设备只是共存于距离较近的同一环境下 相 互之间没有连接和信息交换 需要共享频谱 如图2 3 所示 图2 3 共存设备 双模设备 该设备有i e e e8 0 2 15 4 和i e e e8 0 2 1 1 b 两个通信模块 i e e e8 0 2 15 4 通信模 块接入i e e e8 0 2 1 5 4 网络 i e e e8 0 2 1 i b 通信模块接入i e