工业无线技术作为信息交互、信息采集的技术之一,以其低成本、易维护、易部署等优点受到工业界、学术界的广泛关注。针对能耗高、资源利用率低的流程工业,采用工业无线网络建立监控、调度和优化分配的综合管理系统,是解决生产过程和主要设备实时监测和调度优化的有效途径。本文以热轧流程工业为研究对象,关注了热轧工艺过程生产设备及生产数据的无线监测需求。采用工业无线网络能提供完善的设备监控,利用监测数据分析设备运行情况,可以减少非计划停机,提高设备利用率。另外,采用工业无线网络可以为热轧生产控制系统提供准确的在线数据检测及丰富的过程数据支撑,优化系统模型,进而提高产品质量。工业应用对无线传输的可靠性、实时性都有着严格的要求。此外,大规模工业无线网络高效部署依赖于工业无线节点在工业环境下的自主可靠定位。影响工业环境下可靠的无线通信及定位的主要因素是复杂恶劣的电磁环境和物理环境。电磁环境复杂体现在2.4GHz的ISM(Industrial,Scientific,Medical)频段多无线电并存,同频干扰严重。物理环境复杂体现在工业现场存在高温、高湿等情况,金属遮挡导致信道深度衰落、频率选择性衰落。复杂的电磁环境及物理环境不仅影响无线通信的可靠性、实时性,也将影响工业现场无线定位的精确性,进一步将影响工业无线网络的大规模应用。本文针对工业现场电磁环境和物理环境带来的问题及挑战,在物理层、数据链路层了开展工业无线可靠通信及定位研究。首先,针对热轧生产过程工业无线网络中现场子网监测数据的可靠传输需求,本文设计了基于认知无线电思想及OFDM通信技术的认知OFDM工业现场子网。一方面利用OFDM通信技术来提高频谱利用率,按需动态分配通信资源;另一方面利用认知无线电思想排除被干扰的OFDM子载波,躲避ISM频段同频干扰,提高数据传输可靠性。与传统网络不同,本文所设计的认知OFDM网络具有动态调整的能力,并通过周期性调度实现,共包括干扰检测、信标传输、数据通信三个阶段。在干扰检测阶段,本文提出了在信号频域上基于双窗口差分算法的边沿检测机制,实现了OFDM干扰子信道检测。在信标传输阶段,设计了两种不同的信标来抵抗不同干扰情况,在无需控制信道的前提下,设计了特定的信标前导码及基于广义似然比检验(GLRT)方法的检测识别机制帮助接收节点识别发送信标。在数据通信阶段,利用OFDMA接入技术排除网内干扰。论文在软件无线电平台验证了基于认知OFDM技术的工业现场子网的抗干扰性能,在信噪比高于10dB情况下,信标检测及通信成功率能够接近100%。另外,本论文基于所设计的机制及算法搭建了认知OFDM的工业现场子网的平台,能够检测并躲避动态干扰、通信资源按需动态分配。其次,针对工业无线网络中现场子网接入点(AP)数据快速接入有线控制系统的需求,本文设计了实时可靠的无线通信链路来提高AP到网关的传输效率及可靠性。该通信链路能够抵抗动态干扰、降低接入时延、减少应答负载,具体包括三项技术:(1)基于传统停等自动重传机制设计了数据包流水线传输及累积应答机制提高通信效率;(2)基于认知无线电思想设计了自适应信道切换机制来躲避动态及不可预测的信道干扰,保证数据传输可靠性;(3)应答数据包的整合设计来降低应答负载,进一步提高吞吐量。论文在软件无线电平台实现并评估了所设计链路,对比于传统通信链路,通信效率提高3倍,有效吞吐量提高4倍。进一步,本论文基于该通信链路实现了一套移动监控系统,能应用于工业现场的环境监控、自动巡检等相关任务。第三,针对大规模工业无线网络节点自主获取位置信息的需求,本文基于双频射频干涉的定位技术,设计了两套无线定位系统。双频射频干涉定位技术(DRIPS)所需无线频谱资源极小,能避免ISM频段的同频干扰,通过信号设计能有效抵抗工业现场复杂金属设备带来的频率选择性衰落,是一种低成本、高可靠的定位技术。针对有多个同步锚节点场景,本文研究了降采样双频射频干涉定位系统(uDRIPS),该系统在保证厘米级定位精度的同时能够降低采样频率,极大简化锚节点硬件结构。本文还提出了一种基于单个锚节点的双频射频干涉多目标定位系统(mDRIPS),该系统无需多个同步锚节点,能同时对多个非同步目标定位。本论文在软件无线电平台验证了双频射频干涉定位技术的测距可行性,达到了厘米级测距精度,同时通过大量仿真实验也验证了系统具有厘米级定位精度。