无线通信在自动化网络中的应用

通过WLAN  Mesh获得可靠性和稳定性

　　WLAN （无线局域网）继在办公环境中成功应用后，现正越来越多地应用于工业领域，因为在这里通过使用新的或扩展的协议，如WLAN Mesh，可以大大提高无线局域网的可靠性和稳定性。其应用范围包括诸如无人驾驶传输系统，通过使用此种传输技术，无人驾驶传输系统无需复杂的接线即可连接至数据网络。生产装置采用了WLAN后可以更快、更灵活地转换并达到更低的生产成本，甚至一些单个的执行机构或测量设备也都已经装备有以太网或 TCP/IP 接头。
　　但是，工业上对局域网（LAN）的要求与办公环境对LAN的要求差别很大。数据传输的可靠性和稳定性是第一位的。因为目前工业以太网协议及其应用程序对于连接的中断非常敏感。
　　此外在工业环境中，将频繁产生不利于电磁波传播的条件。干扰电磁波传播的金属器件在工业环境中随处可见。更确切地说，这些金属器件反射电磁波，导致数据包丢失甚至信号缺失。举例来说，如果一个高架仓库在安装 WLAN 时存放着纸卷，后来改为存放装有液体的容器，这时无线传播环境就可能改变，使其不能保证足够的WLAN覆盖面积，从而使无线信号很难达到接收端。如果当有干扰源突然进入到该无线传输线路并干扰时，将会产生更严重的问题。

冗余 WLAN 网络
　　然而，目前拥有一种高效的天线技术，可以在很大程度上避免反射和干扰。WLAN网络也可通过建立冗余机制来保证稳定性。例如，在目前众多的工业接入点，都拥有两个独立的无线接口，可以同时在2 .4GHZ 和 5GHZ 的范围内工作。
　　一直以来，如何提高无线网络的稳定性是个重要的考虑因素。因为纯粹的星形或环形结构不能对干扰提供充分的防护。对 WLAN 网络具有更高的灵活性和稳定性的需求来自军方渠道：早在二十世纪九十年代中期，战场通信Mesh技术作为一个科研项目被美国国防部国防高级研究计划局首先提出（DARPA）。其目的在于为每个网络用户提供多个连接。各个独立的网格中的节点必须能同时或不同地与用户进行通信或传输数据。随着此类节点的增多，网络的效率得以提升。与此同时，网络中其他几条两个节点间的连接，使系统的带宽得到扩大。如果将此类特性扩展至无线网络，网络中可以灵活快速地集成新的网络节点，并能快速地忽略掉损坏的节点。这样，各个单独设备就不再像目前传统的 WLAN 网络一样，需要用各自的电缆连接至网络了。
　　因此，Mesh网络是对接入点和客户端一种最佳几率的安排，不需要额外的接线即可建立并管理一个网络。所有用户都可以是移动的，并且同时支持室内组件和室外组件。动态路由可以快速地识别错误连接并将该组件转向另一个连接。这种被称为“自愈”的功能与搜索“最佳路径”的协议相互配合，对网络组件的软硬件提出很高的要求，并且会随着无线网络的应用区域范围的扩大而进一步提高。

关于网格的新IEEE标准
　　尽管有关Mesh无线网络的解决方案和实际应用已经存在约15年之久，但 IEEE 委员会最近才开始将此功能性写入 802.11 协议的一个扩展中，该标准被命名为  802.11s，它的相关初始建议和草案已经完成。一个合适的标准可能会在2009年通过。
　　然而很显然的是，当前的接入点必须满足某些它们尚不满足的特定要求。如果不具备路由功能，软件将无法工作，因此硬件平台必须具有更大的存储空间和与之相应的更高效的CPU。此外至少需要两个 WLAN 接口，三个更好。其中两个接口用来维护网络中两个接入点间的宽带连接，第三个接口用来连接客户端。接入点上使用的操作系统必须支持所有三个接口和所用的路由协议。
　　Mesh网络中出现的问题同样也是如何检测无线网络中正在发生的状况的问题，尤其是在网络不断因客户端和接入点的增减而进行重组时。如何识别某个设备是否继续可用？可用性能如何确定？怎样检测瓶颈阻塞或安全问题？怎样对固件配置极其相关版本进行及时更新？

专业 WLAN 管理
　　对这些问题的典型回答是使用专为 WLAN 需求设计的管理系统，这种有效的系统已经存在。但是对网格 WLAN 这样的动态网络进行监控是项特殊的挑战。因此作为接入点使用的各个节点必须能够自动报告其他设备在网络中的存在并交流他们各自的状态。只有这样，管理员才能随时便捷地识别网络的状态。
　　另一项挑战来自典型 WLAN 网络中在同一通道中进行传输的设备，以及干扰网络或试图“抢夺”客户端的行为，也就是试图让客户端和外来接入点建立联系并侦测传输的数据或非法登陆网络。这种被称为流氓接入点的问题最终只能在Mesh网络中得以解决。基于功能原理更个网络的构架更为开放，一方面使用严格的验证方法，另一方面则建立更为全面的流氓接入点检测机制。由于外部服务器不能通过访问进行验证，因此Mesh接入点必须至少具备部分这些功能，如 RADIUS 服务器和 802.1x/EAP 机制等。

　结论
　　为了提高 WLAN 网络在工业应用中的可用性和稳定性的，对网络中各个组件也提出了更高的要求。虽然“Fat AP”就像远古时代的恐龙一样正在被逐渐淘汰掉，但是各个接入点仍需要更多的分布式功能。
　　网格技术如今已被成功应用于无线网络中。针对 WLAN 的新 IEEE协议也正在起草中，新协议将提高人们对Mesh网络的接受程度并加速Mesh网络的实施，这就为在工业应用中快速简单地建立稳定可靠的网络平台奠定了基石。两组数据都证明了这一点，一方面，即使在恶劣的环境条件下，Mesh网络也可将网络的可用性提升至 95%；另一方面，由于省去了布线和网络组件（如交换机）的应用，使网络硬件成本下降了25% 至90%。