無線應(yīng)用把眾多的新能力(如實(shí)現(xiàn)新型的監(jiān)控、增加現(xiàn)有設(shè)備的靈活性、降低運(yùn)營(yíng)和流程管理成本)帶入它們所服務(wù)的行業(yè)。反過來，許多不同類型的無線技術(shù)和應(yīng)用迅速涌現(xiàn)出來以滿足這個(gè)日益增長(zhǎng)的需求。

需要強(qiáng)調(diào)的是，工業(yè)領(lǐng)域存在一些特有的挑戰(zhàn)，但許多傳統(tǒng)的無線技術(shù)并非是專門為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的。這些挑戰(zhàn)包括要求可靠性高、系統(tǒng)功耗低并具有在RF干擾嚴(yán)重的物理環(huán)境中良好工作的能力，當(dāng)然，同時(shí)還須具有高性價(jià)比。

無線技術(shù)應(yīng)用數(shù)量的不斷增加也已成為一個(gè)挑戰(zhàn)，眾多的無線應(yīng)用爭(zhēng)奪同一個(gè)RF空間，導(dǎo)致頻譜過于擁擠，并與業(yè)已存在的挑戰(zhàn)交織在一起。要為某個(gè)特定的應(yīng)用選擇一個(gè)合適的、足以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的技術(shù)，工程師需要考量可靠性、簡(jiǎn)單性、功效、傳輸范圍和成本等多個(gè)重要指標(biāo)。

可靠性

在這里，可靠性是指無線系統(tǒng)在存在各種工業(yè)障礙的情況下成功完成通信的能力。我們可以根據(jù)無線系統(tǒng)的某些特征參數(shù)來評(píng)價(jià)其可靠性。

* 所使用的RF頻譜：無線系統(tǒng)通信所使用的物理RF頻譜
* 接收靈敏度：收發(fā)器完成通信需接收到的最小信號(hào)水平
* 輸出功率：能夠輸出的信號(hào)水平
* RF捷變能力：為避免干擾而在RF頻譜中移動(dòng)的能力
* 抗干擾度：在存在干擾的情況下在給定頻道中通信的能力。

RF波的物理特性造成其頻譜使用高度依賴于環(huán)境。頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，越不容易被液體和加固混凝土等典型的生活與建筑材料所吸收。

但是，為減小與其它無線通信技術(shù)的干擾，RF頻譜及其使用受到很強(qiáng)的管制。在RF頻譜中，地方或國(guó)際組織只為免許可通信保留了幾個(gè)頻段，并稱之為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。在這些頻段中，主要使用的頻段是2.4GHz部分。在這個(gè)頻段，由于波長(zhǎng)短，信號(hào)迅速被不利于RF傳輸?shù)墓I(yè)環(huán)境所吸收，我們需要對(duì)其它可靠性評(píng)估指標(biāo)給予更多的關(guān)注。

我們可以把接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度結(jié)合起來，形成一個(gè)更為宏觀也更為重要的可靠性指標(biāo)——鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算是接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度的綜合值。系統(tǒng)的接收靈敏度越高、輸出功率和抗干擾度越大，則鏈路預(yù)算越大。鏈路預(yù)算越大，RF吸收和RF干擾給系統(tǒng)帶來影響的可能性越小，實(shí)現(xiàn)可靠通信的潛力越大。

收發(fā)器的接收靈敏度和輸出功率強(qiáng)烈依賴于所使用的元器件，較易于進(jìn)行評(píng)估和比較，但抗干擾度在很大程度上依賴于無線收發(fā)器為提高其生命力而使用的技術(shù)。目前使用的可直接改善抗干擾度的最好技術(shù)之一是直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制。

DSSS調(diào)制的本質(zhì)是通過向傳輸信號(hào)中引入前向誤差校正，來減少因信號(hào)干擾而造成的數(shù)據(jù)損失。特別地，DSSS基于發(fā)射器和接收器共享的偽隨機(jī)噪聲碼，把數(shù)據(jù)編制成規(guī)模更大的比特流。

把8比特?cái)?shù)據(jù)編制成32碼片(Chip)數(shù)據(jù)的過程，4個(gè)碼片等價(jià)于一個(gè)比特。

這些碼片被調(diào)制成RF信號(hào)并發(fā)射出去。接收器從接收到的信號(hào)中解調(diào)出這些碼片并逆向執(zhí)行DSSS編碼方案。盡管由于信號(hào)噪聲或干擾而存在解調(diào)錯(cuò)誤，我們?nèi)钥梢詮?fù)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)。

RF捷變通過干擾避免技術(shù)(在RF頻譜內(nèi)跳動(dòng)或移動(dòng)等)來改善可靠性。系統(tǒng)在頻譜中移動(dòng)的自由度越大，找到干擾較小的RF靜謐環(huán)境的能力越強(qiáng)。包括偽隨機(jī)跳頻方案或基于算法的跳頻方案在內(nèi)，目前使用的各種RF捷變技術(shù)通過不斷地在頻譜中跳變來最大限度地減小干擾(見圖2)。

圖2：RF捷變技術(shù)通過不斷地在頻譜中跳變來最大限度地減小干擾
從可靠性的角度來說，不斷跳頻存在的一個(gè)問題是，在繁忙的RF頻譜中，系統(tǒng)可能會(huì)無意地連續(xù)跳到頻譜中包含強(qiáng)干擾的頻道。更智能的方案只在遇到干擾時(shí)跳頻。一旦找到安靜無干擾的頻率時(shí)則停止跳頻。

不管使用哪種捷變方案，RF捷變同樣依賴于所使用的RF頻譜和通道規(guī)模。所使用的RF頻譜會(huì)影響可用捷變空間。例如，由于受到頻率分配的制約，同工作頻率較高的系統(tǒng)相比，工作頻率較低的系統(tǒng)的捷變空間較小。例如，2.4GHz系統(tǒng)約有100MHz的可用頻譜，而900MHz系統(tǒng)只有大約26MHz。

通道寬度也是影響RF捷變能力的一個(gè)重要因素。通道寬度越小，則在頻譜中捷變的空間越大，RF捷變能力越強(qiáng)，避免干擾并在干擾之間找到合適位置的能力越強(qiáng)。例如基于802.15.4的系統(tǒng)的通道寬度為5MHz，只有16個(gè)可用通道，而通道寬度為1MHz的系統(tǒng)通常有80個(gè)可用的通道，因而有更多可用的避擾位置。

因而，可靠性是由鏈路預(yù)算、RF捷變能力和所使用的RF頻譜所共同決定的。在相同的RF頻譜上，無線系統(tǒng)的可靠性與鏈路預(yù)算和RF捷變能力正相關(guān)。另外，盡管低頻技術(shù)對(duì)某些特定環(huán)境有出眾的表現(xiàn)(如某個(gè)較低頻率的技術(shù)應(yīng)用于遍布水管的工廠時(shí))，但同可提高鏈路預(yù)算和RF捷變能力的頻率較高的技術(shù)相比，仍相形見絀。

理想地，工業(yè)領(lǐng)域的無線系統(tǒng)應(yīng)能夠完成與有線系統(tǒng)相同的功能，且要能簡(jiǎn)單地加以實(shí)現(xiàn)。我們應(yīng)該從兩個(gè)不同的角度來考慮簡(jiǎn)單性問題：其一是從設(shè)計(jì)終端產(chǎn)品以替代有線產(chǎn)品的工程師的角度；其二是從安裝和使用這些產(chǎn)品的用戶的角度。

從工程師的角度，可以把簡(jiǎn)單性定義為設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)的容易程度。在這一點(diǎn)上，簡(jiǎn)單性涉及所包含的元件易用性、有哪些可用于設(shè)計(jì)和開發(fā)的輔助工具、以及是否有經(jīng)認(rèn)證的元件以消除或減小令人畏懼的當(dāng)?shù)責(zé)o線認(rèn)證過程。靈活的可編程技術(shù)可使工程師最大限度地調(diào)整所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，提高無線系統(tǒng)的易用性。

然而，靈活性和可編程能力通常會(huì)增加復(fù)雜性；因而，開發(fā)環(huán)境和工具(包括硬件工具和軟件工具)必須便于使用和理解。包含開發(fā)和評(píng)估套件的工具可幫助全面地評(píng)估和理解硬件及軟件。理想地，工程師應(yīng)獲得完整的無線協(xié)議棧及應(yīng)用示例庫(kù)、幫助文檔和實(shí)例代碼以便加快學(xué)習(xí)進(jìn)程。

從用戶的角度來說，簡(jiǎn)單性涉及在目標(biāo)環(huán)境中安置和激活無線設(shè)備的簡(jiǎn)便性及對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)流程的影響。例如，系統(tǒng)可靠性和傳輸范圍影響無線技術(shù)的試運(yùn)行故障率。存在試運(yùn)行故障的系統(tǒng)將最終要通過現(xiàn)場(chǎng)考察來確定最優(yōu)的位置和通信路徑。

另外，適應(yīng)業(yè)務(wù)流程的技術(shù)可以使用戶迅速地把該技術(shù)帶來的好處整合到日常操作中。這些技術(shù)包括用于監(jiān)視和遙控?zé)o線執(zhí)行器的可編程的靈活性接口及其對(duì)自動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)的支持邏輯。這些接口通常被稱為儀表盤(dashboard)，可以方便地把無線網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息整合到現(xiàn)有的報(bào)告和分析過程中。

總的來說，無線系統(tǒng)最終須變得與有線系統(tǒng)同樣易于管理和使用。從工程師和用戶角度對(duì)系統(tǒng)做出定性的評(píng)價(jià)有助于理解和實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。