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制造材料吸收。不過，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1 直接系列擴(kuò)頻技術(shù)
圖2 通道跳頻
最后，RF 捷變性可通過避免干擾技術(shù)提高可靠性，也就是通過 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（見圖 2）。從可靠性的角度來(lái)看，第一類捷變性方案的問題在于，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。
