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发表于 2014/4/28 10:43:01

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标签: mesh 全无线

“全无线”可靠性分析

MasLinx矿用基干传感网络技术,基于IEEE802.15协议,具备全电池、全无线功能,实现覆盖整体的“全无线”(无供电电缆、无通讯电缆)基础网络,具备部署快捷、功耗低、抗灾能力强等特点,可以应用在矿井安全、室内外人员车辆定位、传感监控等领域,目前,在美国80多个煤矿已经应用了全无线技术;国内,KJ627系统基于全无线网络技术,已经通过国家矿用设备安检中心检验,并在各种煤矿、金属矿、地下坑道、以及工业厂区等环境中应用。可靠、稳定的全无线系统应用,验证了全无线技术的可靠性。

那么,MasLinx全无线系统是如何确保通讯的有效性和可靠性?

首先,我们分析有线通讯:有线通讯种类很多,每种通讯方式,都有其弱点,比如RS485的误码、以太网的网络风暴、光网络的节点和链路失效问题等,所有就有了校验(ECC)纠错、VLAN(虚拟局域网)技术和以太环网技术等,来提高通讯的可靠性。

下面,针对RS485标准,我们仔细分析一下:

RS-485通讯标准采用平衡驱动及差分接收方式来驱动总线,实现工业网络的物理层连接。信号的抗干扰能力较强、结构简单、价格低廉、通讯距离远等优点,这种通讯方式已被广泛应用于工业仪表仪器通讯接口、监控系统通许等方面。但485 总线存在自适应、自保护能力脆弱等缺点,设计中如果不注意硬件细节及合理的软件通讯协议,在应用中就会经常出现误码多、通迅芯片损坏等现象,影响正常使用,因此提高485 总线可靠性设计至关重要。所以,我们在RS-485电路设计时可以通过光电隔离技术提高信号的可靠性和自身的电磁兼容性EMC;在应用时,通过增加终端电阻,提高总线的负载能力;针对总线的半双工特性,需要合理控制信号收发转换,避免信号叠加,增加看门狗,避免转换死锁;通过合理接地,避免共模干扰;做好通讯线缆的屏蔽和隔离,避免电磁干扰;通讯协议采用CRC校验、奇偶校验等方式避免误码,引起的不正常;在应用中,必须采用主从模式或非破坏性逐位仲裁机制(此方法是超越RS485标准的,是CAN总线的技术,不过CAN总线也是基于差分信号的),避免多主的信号碰撞,通讯失败。所以,即便是在工业自动化中非常普遍应用的类似于RS485或者CAN总线等通讯模式,也需要硬件、软件等多个层面采取措施,提高通讯的可靠性。

同样,类似物流系统,我们需要通过Internet将一封Email从中国发送到美国,虽然,不会关心经过多少个交换机和路由器,经过双绞线、光纤、3G等网络,但是,因为各个系统的可靠的配合以及全球网络基于统一的国际互联网(Internet)标准,采用了很多硬件、软件层面的可靠性设计,确保了我们发送Email的可靠性。

现在,我们分析一下MasLinx全无线通讯的可靠性是如何保障的!

一、协议标准层面

1、物理层(Physical Layer)

物理层可以通过硬件设备的选择,确定两点接收的可靠距离范围,比如发射机的射频输出功率、接收机的接收灵敏度、发射/接收天线的类型及增益等参数,可以确定可靠的通讯范围。

无线调制分为调幅、调频和调相三种基本形式,其中调频的特点是频宽窄抗干扰性能好,通讯距离长,传输时信号失真小,设备利用率也较高,不过对阻碍物的穿透能力弱;调幅的特点是频宽宽,抗干扰性差,距离短,但是对阻碍物的穿透能力强。

窄带无线的抗干扰能力优于宽带无线。也就是,带宽越窄,抗干扰能力强,通信距离也越远。

现在无线射频(Radio Frequency)技术已经实现了无线信道将不同的调制方法和编码方案融合,支持多种传输速率,提高了无线通讯物理层的可靠性。无线多信道的划分让有限的频谱资源更为有效的利用、扩展频谱(Spread Spectrum)技术提高抗干扰能力,其中包括直接序列展频技术(Direct Sequence Spread Spectrum—DSSS)将原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率,获得高的的抗噪声能力;跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum—FHSS)也能提高抗干扰能力,即使有部分频点被干扰,仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。

在无线通讯协议栈的物理层提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据,物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层的主要功能是信道选择、信道能量检测、打开和关闭收发器、发送和接收数据包、链路质量指示和信道估计。所以,只有选择具备抗干扰能力强的无线通讯硬件,才有可能在此基础上实现系统的可靠性。

Maslinx矿用无线基干网络采用射频芯片基干IEEE802.15标准,比如其中的窄带宽无线基站,具备很高的抗干扰能力,高接收灵敏度,网络带宽为250K,网络采用较大最射频传输功率23dBm的模块,两点的传输距离为1km以上。同时,基站和传感模块采用工业级的芯片,具备高的EMC电磁兼容特性。同时,MasLinx全无线技术不仅仅考虑点和点间的可靠,还要考虑大规模节点存在的无线系统的可靠,通过系统的分层管理,降低整体系统的复杂,提高系统的可靠性。

2、访问控制层(MAC Layer)

无线通讯协议的MAC层通讯,可以通过可靠的错误检测和处理机制,以及短帧数据结构、防冲突技术等提高系统的可靠性。

在无线通讯中,多采用短帧传送,可以提高通讯的实时性和抗干扰性。MAC层帧格式CRC校验,可以确保传输数据的可靠。通过CSMA/CA(载波侦听多路访问)算法实现无线通讯防冲突功能。自组织网络协议,通过MAC报文确定是否加入某个子网(比如PAN——Personal Area Network),以确保一个最优的通讯网络。

比如,IEEE802.15.4的MAC层实现了网络同步、自组织网络、通讯安全维护,提供了可靠的通讯保障。

(1)协调器产生并发送信标帧,普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步;
(2)支持PAN网络的关联(association)和取消关联(disassociation)操作;
(3)支持无线信道通信安全;
(4)使用CSMA-CA机制访问信道;
(5)支持时槽保障(guaranteed time slot, GTS)机制;
(6)支持不同设备的MAC层间可靠传输。

MasLinx矿用无线传感网络技术采用国际成熟的抗干扰技术,实现了系统的标准化、国际化。

3、网络层(Network Layer)

我们在网络层,可以使用Cluster-Tree路由算法、AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing源驱动路由协议)、动态源路由协议(Dynamic Source Routing, DSR)或者链路状态路由选择协议等来确保路由层的网络质量。

比如在动态路由的时候,我们即要考虑路径最短效率最高,又要考虑链路质量,确保通讯稳定,还要避免路由中的循环和网络风暴,这里就需要对路由协议的深入理解和灵活运用。

MasLinx全无线技术采用Mesh组网技术,不仅灵活运用了IEEE的各种成熟高层应用协议,而且将贡献了具有自主知识产权的专利技术,实现了应用层通讯的有效性和可靠性,拥有与Wifi等其他无线的共存的能力,并在工业和矿山环境的成功应用。

二、系统应用层面

1、MasLinx两层全无线网络机制:

a、基干网络层:基站发射功率在0db以上,覆盖范围1km以上,在系统布置上,我们一般每隔100~200米一个基站,具备自组网功能,这样的网络可以实现路由层多路径通讯选择,最大限度的确保数据上传;

b、传感层:定位模块或传感节点,发射功率在0db以内,覆盖范围100以上,可以选择不具备自组网功能,确保最低功耗。在系统中,此层节点数允许非常大的数里级,小范围通讯,依靠基干网络,并确保系统网络资源的合理有效利用,避免资源的堵塞。

2、MasLinx高效的通讯和相对丰富带宽资源:

Maslinx系统中,一个传感节点的信息,实时发送给基站,为毫秒级别。比如MN1100功耗检测每5S一个30mA的脉冲,每个脉冲为10ms10ms内完成了唤醒、启动、发送、接收、再次休眠的全过程,也就是说2~3ms就可以实现一个定位短数据包收发。高效的通讯可以占用更少的无线频谱资源。并确保整个系统一直具备丰富的带宽资源。

MN1100功耗检测每5S一个30mA的脉冲

MN1100每个脉冲为10ms

 

综上所述,就好像每个人都会犯错,但是,通过一个有效的管理机制,就可以有效规避集体不犯低级错误一样。从宏观上,说无论有线或无线、物流系统和电子通讯都有“丢包”的问题,我们会有针对性的制定各种“标准”,从各个方面实现避免“丢包”,或自动“纠错”功能。无线网络的可靠性和稳定性,因为技术的发展和标准的完善,已经实现了应用层面的有效和可靠。

系统分类: 工业无线   |   用户分类: 无分类   |   来源: 原创

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