分享：论“全无线”可靠性

MineNet MineNet 矿网系统 全电池、全无线，人员定位、生命探测，关键时刻能救人！ 地址：北京市海淀区上地信息路 26号中关村创业大厦 704室 (100085) 直拨：010-62962573 传真：010-62962573 Add: Zhongguancun Chuangye building, Room 704, Xinxi Street No.26,Shangdi District, Beijing 100085, P.R.China Tel: 010-56709040 Fax: 010-62962573 www.maslinx.com www.maslinx.cn 1 论“全无线”可靠性 MasLinx矿用基干传感网络技术，基于 IEEE802.15，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（注意：在很多差分总线中，有更为先进的技术，比如 CAN 总线的非破坏性逐位仲裁机制技术， ProfiBus 总线的令牌环网技术等，避免信号碰撞，让通讯有序。），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 MineNet MineNet 矿网系统 全电池、全无线，人员定位、生命探测，关键时刻能救人！ 地址：北京市海淀区上地信息路 26号中关村创业大厦 704室 (100085) 直拨：010-62962573 传真：010-62962573 Add: Zhongguancun Chuangye building, Room 704, Xinxi Street No.26,Shangdi District, Beijing 100085, P.R.China Tel: 010-56709040 Fax: 010-62962573 www.maslinx.com www.maslinx.cn 2 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 MineNet MineNet 矿网系统 全电池、全无线，人员定位、生命探测，关键时刻能救人！ 地址：北京市海淀区上地信息路 26号中关村创业大厦 704室 (100085) 直拨：010-62962573 传真：010-62962573 Add: Zhongguancun Chuangye building, Room 704, Xinxi Street No.26,Shangdi District, Beijing 100085, P.R.China Tel: 010-56709040 Fax: 010-62962573 www.maslinx.com www.maslinx.cn 3 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 MineNet MineNet 矿网系统 全电池、全无线，人员定位、生命探测，关键时刻能救人！ 地址：北京市海淀区上地信息路 26号中关村创业大厦 704室 (100085) 直拨：010-62962573 传真：010-62962573 Add: Zhongguancun Chuangye building, Room 704, Xinxi Street No.26,Shangdi District, Beijing 100085, P.R.China Tel: 010-56709040 Fax: 010-62962573 www.maslinx.com www.maslinx.cn 4 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： 在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10ms，10ms内完成了唤醒、启动、发送、接收、再次休眠的 全过程，也就是说2~3个 ms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。 MineNet MineNet 矿网系统 全电池、全无线，人员定位、生命探测，关键时刻能救人！ 地址：北京市海淀区上地信息路 26号中关村创业大厦 704室 (100085) 直拨：010-62962573 传真：010-62962573 Add: Zhongguancun Chuangye building, Room 704, Xinxi Street No.26,Shangdi District, Beijing 100085, P.R.China Tel: 010-56709040 Fax: 010-62962573 www.maslinx.com www.maslinx.cn 5 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。