時間：2022-08-19 05:08:24
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇無線通信論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
［論文摘要］隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，構(gòu)建完善堅強可靠的電力通信網(wǎng)，顯得越來越重要。文章結(jié)合電力通信的特點和需求及無線新技術(shù)的特性，分析無線通信技術(shù)在電網(wǎng)通信中的應(yīng)用前景。
一、概述
電力通信網(wǎng)是為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行應(yīng)運而生的。它同電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)被人們合稱為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的三大支柱。我國的電力通信網(wǎng)經(jīng)過幾十年風(fēng)風(fēng)雨雨的建設(shè)，已經(jīng)初具規(guī)模，通過衛(wèi)星、微波、載波、光纜等多種通信手段構(gòu)建而成為立體交叉通信網(wǎng)。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的特性發(fā)生巨大的變化。鑒于采用無線通信網(wǎng)不依賴于電網(wǎng)網(wǎng)架，且抗自然災(zāi)害能力較強，同時具有帶寬大、傳輸距離遠、非視距傳輸?shù)葍?yōu)點，非常適合彌補目前通信方式的單一化、覆蓋面不全的缺陷。本文簡單介紹一下無線通信傳輸體制的應(yīng)用特點和優(yōu)缺點，并分析其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景。
二、無線技術(shù)介紹
（一）無線通信技術(shù)的概念
目前，無線通信及其應(yīng)用已成為當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)最活躍的研究領(lǐng)域之一。其一般由無線基站、無線終端及應(yīng)用管理服務(wù)器等組成。
（二）無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
無線通信技術(shù)按照傳輸距離大致可以分為以下四種技術(shù)，即基于IEEE802.15的無線個域網(wǎng)（WPAN）、基于IEEE802.11的無線局域網(wǎng)（WLAN）、基于IEEE802.16的無線城域網(wǎng)（WMAN）及基于IEEE802.20的無線廣域網(wǎng)（WWAN）。
總的來說，長距離無線接入技術(shù)的代表為：GSM、GPRS、3G；短距離無線接入技術(shù)的代表則包括：WLAN、UWB等。按照移動性又可以分為移動接入和固定接入。其中固定無線接入技術(shù)主要有：3.5GHz無線接入（MMDS）、本地多點分配業(yè)務(wù)（LMDS）、802.16d；移動無線接入技術(shù)主要包括：基于802.15的WPAN、基于802.11的WLAN、基于802.16e的WiMAX、基于802.20的WWAN。按照帶寬則又可分為窄帶無線接入和寬帶無線接入。其中寬帶無線接入技術(shù)的代表有3G、LMDS、WiMAX；窄帶無線接入技術(shù)的代表有第一代和第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)。
1.主流無線通信技術(shù)
從技術(shù)發(fā)展的趨勢可以看出，以O(shè)FDM+MIMO為核心的無線通信技術(shù)將成為未來無線通信發(fā)展的主流方向。而目前基于該技術(shù)的無線通信技術(shù)主要有：B3G、WiMAX、WiFi、WMN等4種技術(shù)。
2.其他無線通信技術(shù)
除了上述主流的無線通信技術(shù)外，目前已存在的無線通信技術(shù)還包括：IrDA、Bluetooth、RFID、UWB、集群通信等短距離通信技術(shù)及LMDS、MMDS、點對點微波、衛(wèi)星通信等長距離通信技術(shù)。
（1）IrDA：InfraredDataAssociation，是點對點的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離一般在0～1m之間，傳輸速率最快可達16Mbps，通信介質(zhì)為波長900納米左右的近紅外線。
（2）Bluetooth：Bluetooth工作在全球開放的2.4GHzISM頻段，使用跳頻頻譜擴展技術(shù)，通信介質(zhì)為2.402GHz到2.480GHz的電磁波。
（3）RFID：RadioFrequencyIdentification，即射頻識別，俗稱電子標(biāo)簽。它是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID由標(biāo)簽、解讀器和天線三個基本要素組成。
（4）UWB：UltraWideband，即超寬帶技術(shù)。UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，因此可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本。
三、無線技術(shù)優(yōu)劣分析
（一）WLAN技術(shù)分析
Wi-Fi的技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且大批量生產(chǎn)。該技術(shù)適用于無線局域網(wǎng)，作為有線網(wǎng)絡(luò)的延伸，對于特殊地點寬帶應(yīng)用，盡管Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，但是它依然在安全性上存在一定的安全隱患，Wi-Fi采用的是射頻（RF）技術(shù)，通過空氣發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于無線網(wǎng)絡(luò)使用無線電波傳輸數(shù)據(jù)信號，所以非常容易受到來自外界的攻擊，黑客可以比較輕易地在電波的覆蓋范圍內(nèi)盜取數(shù)據(jù)甚至進入未受保護的公司內(nèi)部局域網(wǎng)。
（二）WiMax技術(shù)分析
WiMax是一個先進的技術(shù)，推出相對較晚，存在頻率復(fù)用性小、利用率低的問題，但由于最近才完成標(biāo)準(zhǔn)化，該技術(shù)的大規(guī)模推廣還需要實踐考驗。從應(yīng)用前景看，該技術(shù)可以在較大范圍內(nèi)滿足上網(wǎng)要求，覆蓋可以包括室外和室內(nèi)，可以進行大面積的信號覆蓋，甚至只要少數(shù)基站就可以實現(xiàn)全城覆蓋。WiMax由于其技術(shù)的先進性和超遠的傳輸距離，一直被業(yè)界看好，是未來移動技術(shù)的發(fā)展方向，并提供優(yōu)良的最后一公里網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。
（三）WMN技術(shù)分析
WMN是正在研究中的技術(shù)，在研究中不斷地在不同方面結(jié)合各種技術(shù)的特點進行融合，而且暫時沒有一個成熟的產(chǎn)品系列來支持該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。從應(yīng)用前景看，WMN這一新興網(wǎng)絡(luò)不僅在無線寬帶接入中有著廣闊的應(yīng)用空間，在其他方面如結(jié)合數(shù)據(jù)、圖像采集模塊可以對目標(biāo)對象進行監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集，并廣泛應(yīng)用到環(huán)境檢測、工業(yè)、交通等領(lǐng)域。隨著其他技術(shù)的不斷更新完善，WMN更好地與之相融合、互補，從而能夠揚長避短，發(fā)揮出各自的優(yōu)勢。
（四）3G技術(shù)分析
3G于1996年提出標(biāo)準(zhǔn)，2000年完成包括上層協(xié)議在內(nèi)的完整標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。3G網(wǎng)絡(luò)部署已具備相當(dāng)?shù)膶嵺`經(jīng)驗，有一成套建網(wǎng)的理論，包括對網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算、傳播模型預(yù)算以及計算機仿真等。從商用前景看，目前，3G在部分地區(qū)已得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，比如歐洲很多國家、日本、韓國等都已經(jīng)建設(shè)了3G的網(wǎng)絡(luò)。3G技術(shù)已經(jīng)進入可以實用的階段，還有很多國家和地區(qū)正在建設(shè)或?qū)⒁ㄔO(shè)3G網(wǎng)絡(luò)。
（五）LMDS技術(shù)分析
本地多點分布業(yè)務(wù)系統(tǒng)LMDS是一種提供點對多點通信的固定寬帶無線接入技術(shù)，其工作頻率在20GHZ以上，利用毫米波傳輸，可在一定的范圍內(nèi)提供數(shù)字雙工語音、數(shù)據(jù)、因特網(wǎng)和視頻業(yè)務(wù)，是一種非常好的寬帶固定無線接入解決方案。在最優(yōu)情況下，距離可達8公里；但是由于受降雨的原因，距離通常限于1.5公里。
其主要工作原理是通過扇區(qū)或基站設(shè)備將ATM骨干網(wǎng)基帶信息調(diào)制為射頻信號發(fā)射出去，在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的許多用戶端設(shè)備接收并將射頻信號還原為ATM基帶信號，在無需為每個用戶專門鋪設(shè)光纖或銅纜情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向?qū)ΨQ高帶寬無線傳輸。
（六）MMDS技術(shù)分析
MMDS的主要缺點是有阻塞問題且信號質(zhì)量易受天氣變化的影響，可用頻帶亦不夠?qū)挘疃嗖怀^200MHz。其次，MMDS對傳輸路徑要求非常嚴(yán)格。由于MMDS采用的調(diào)制技術(shù)主要是相移鍵控PSK（包括BPSK、DQPSK、QPSK等）和正交幅度調(diào)制QAM調(diào)制技術(shù)，無法做到非視距傳輸，在目前復(fù)雜的城市環(huán)境下難以推廣應(yīng)用。另外，MMDS沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，各廠家的設(shè)備存在兼容性問題。
（七）集群通信技術(shù)分析
數(shù)字集群系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，它的頻譜利用率有很大提高，可進一步提高集群系統(tǒng)的用戶容量；它提高了信號抗信道衰落的能力，使無線傳輸質(zhì)量變好；由于使用了發(fā)展成熟的數(shù)字加密理論和實用技術(shù)，所以對數(shù)字系統(tǒng)來說，保密性也有很大改善。
數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)可提供多業(yè)務(wù)服務(wù)，也就是說除數(shù)字語音信號外，還可以傳輸用戶數(shù)字、圖像信息等。由于網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)氖墙y(tǒng)一的數(shù)字信號，因此極大地提高了集群網(wǎng)的服務(wù)功能。
（八）點對點微波通信技術(shù)分析
微波傳輸?shù)膬?yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，可以降低運營商的運營成本。與租用線路相比，微波系統(tǒng)的投資只要一年左右即可收回。第二，微波傳輸系統(tǒng)部署簡潔快速。與傳統(tǒng)的傳輸手段相比，其快速部署的優(yōu)勢可以更快地滿足新業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。第三，目前的微波產(chǎn)品對未來的發(fā)展是有保障的，對于運營商的新業(yè)務(wù)和新需求都可以給予很好的支撐。未來，微波傳輸系統(tǒng)將升級到全IP的平臺之上，可以全面支持運營商未來的發(fā)展。
（九）衛(wèi)星通信技術(shù)分析
利用衛(wèi)星在有些人口不很密集的地區(qū)來配合陸地通信。在這些地區(qū)散布著范圍較廣但不密集的用戶，可以利用衛(wèi)星作為用戶連至固定有線網(wǎng)的接入設(shè)施。在陸地通信網(wǎng)已經(jīng)構(gòu)成寬帶多媒體通信網(wǎng)的環(huán)境下，利用衛(wèi)星建成寬帶衛(wèi)星接入系統(tǒng)是比較好而切合實際的方案，經(jīng)濟又可靠。
但是衛(wèi)星通信畢竟是采用衛(wèi)星作為通信平臺，其地面站的建設(shè)、通信信道租用費用都需要花費大量資金，而且通信資源為衛(wèi)星通信公司所有，受其帶寬的限制，使得大量數(shù)據(jù)的傳輸需要付出非常大的代價。因此，作為日常生產(chǎn)、生活使用是極為不經(jīng)濟的；而將衛(wèi)星通信作為應(yīng)急通信、作戰(zhàn)通信、海外通信等則比較適合。
四、無線技術(shù)綜合比較
目前無線通信領(lǐng)域各種技術(shù)的互補性日趨鮮明。這主要表現(xiàn)在不同的接入技術(shù)具有不同的覆蓋范圍、不同的適用區(qū)域、不同的技術(shù)特點、不同的接入速率。3G可解決廣域無縫覆蓋和強漫游的移動性需求，WLAN可解決中距離的較高速數(shù)據(jù)接入，而UWB可實現(xiàn)近距離的超高速無線接入。
首先，從標(biāo)準(zhǔn)化程度上看，本報告所涉及的技術(shù)中，僅僅WMN技術(shù)沒有成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系，LMDS、MMDS、集群通信均有多種標(biāo)準(zhǔn)，只是沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，其余的技術(shù)均已經(jīng)完成標(biāo)準(zhǔn)化工作，并且都進行了試驗網(wǎng)建設(shè)和商業(yè)網(wǎng)建設(shè)。
從頻率上看，Wi-Fi技術(shù)、WMN均使用的是開放頻段，WiMax技術(shù)、3G技術(shù)等其他技術(shù)使用的是授權(quán)頻段。
從覆蓋范圍上看，Wi-Fi技術(shù)、WMN技術(shù)屬于局域網(wǎng)無線接入技術(shù)，僅覆蓋35m～100m；WiMax技術(shù)、3G技術(shù)、LMDS技術(shù)、MMDS技術(shù)、集群通信屬于城域網(wǎng)接入技術(shù)，覆蓋范圍在1km～54km不等，而衛(wèi)星通信、點對點微波則屬于廣域網(wǎng)技術(shù)，通常用于通信主干組網(wǎng)建設(shè)。
從傳輸速率上看，點對點微波和衛(wèi)星通信屬于干線傳輸技術(shù)，不同的情況速率變化較大，而其余的技術(shù)均為接入技術(shù)，僅僅是3G技術(shù)接入速率最小，僅為384k，而其余技術(shù)均為幾十M甚至上百M的速率。
從調(diào)制技術(shù)上看，其中WiFi技術(shù)、WiMax技術(shù)、WMN、3G技術(shù)均采用最新的調(diào)制技術(shù)OFDM，其余的技術(shù)均未采用OFDM調(diào)制技術(shù)。
從天線技術(shù)上看，僅僅3G和WiMax技術(shù)采用了MIMO技術(shù)，而其他技術(shù)均未采用MIMO技術(shù)；從傳輸環(huán)境上看，僅僅WiMax技術(shù)和3G技術(shù)支持非視距傳輸，其余技術(shù)均要求視距傳輸環(huán)境；從網(wǎng)絡(luò)安全和QoS機制上看，WiMax技術(shù)和3G技術(shù)在這方面做得比較優(yōu)秀、完善，其余的均存在較大的問題。
一、無線通信技術(shù)應(yīng)用于煤礦開采的重要意義
由于煤炭生產(chǎn)的施工環(huán)境比較復(fù)雜，井下人員較多，設(shè)備流動性也較大，在生產(chǎn)操作中，常常采用多工種聯(lián)合流水作業(yè)的形式進行煤礦開采，這就要求需要大量的重型設(shè)備參與到煤礦生產(chǎn)中，無論是在設(shè)備運輸中，還是在安裝、調(diào)試中，其都有較高的要求，若不注重煤炭井上井下的協(xié)同生產(chǎn)，則容易發(fā)生瓦斯爆炸等事故。然而，隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，建立基于4G通信技術(shù)的無線移動通信系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，其不僅可以確保煤礦生產(chǎn)順利進行，還可以完成緊急事故的處理，因此，煤礦4G無線通信移動系統(tǒng)的實現(xiàn)，具有十分重要的意義。
二、基于4G通信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)
（一）無線移動通信系統(tǒng)架構(gòu)
針對當(dāng)前煤礦生產(chǎn)對無線移動通信系統(tǒng)的需求，利用4G中的TD-LTE通信技術(shù)來實現(xiàn)高傳輸速率的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，建立信息化、自動化、智能化于一體的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，打破當(dāng)前煤礦系統(tǒng)安全生產(chǎn)局面，將煤礦井下傳感器、視頻等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)部署，有效解決信息孤島的問題，確保煤礦安全生產(chǎn)，從而提高煤礦的生產(chǎn)效率。因此，建立基于分時長期演進（TD-LTE）的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，由于基于4G通信技術(shù)的無線移動通信系統(tǒng)可以在頻譜帶寬20MHz下可以實現(xiàn)上行峰值速率和下行峰值速率分別為50Mb/s，100Mb/s，其接入時延可以小于100ms，如表1所示[3]，表示4G通信系統(tǒng)與3G無線通信系統(tǒng)的對比，因此，采用TD-LTE無線通信技術(shù)不僅可以滿足語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實時傳輸，也可以有效避免數(shù)據(jù)丟包、延時等問題。下面對基于4G通信技術(shù)的無線移動通信系統(tǒng)進行對比分析：1.基于TD-LTE通信技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)。TD-TLE煤礦無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)主要由基站、接入網(wǎng)關(guān)、BRAS及核心網(wǎng)通信構(gòu)成，其中，核心網(wǎng)網(wǎng)元可以實現(xiàn)語音通信、數(shù)據(jù)傳輸及集群呼叫功能，其主要通過IMS+EPC+DSS集群模式來實現(xiàn)的[4]。2.建立基于TD-LTE通信技術(shù)的基站通信系統(tǒng)。將Femto/Pico基站應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)建設(shè)中，增強區(qū)域的覆蓋范圍，通過自身的傳輸網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一接入到安全網(wǎng)關(guān)中，采用IPSEC的方式，以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸安全。當(dāng)基站通過提供WLANAP來承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)過程中[5]，其也可以通過PDG直接接入網(wǎng)絡(luò)來承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為了確保提高高質(zhì)量、高傳輸速率的數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)，則可以通過直接接入3GPP核心網(wǎng)來滿足不同的產(chǎn)品需求，實現(xiàn)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)活動，建立以SmallCell為基站的網(wǎng)管系統(tǒng)，從而實現(xiàn)下層無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與上層網(wǎng)管系統(tǒng)的對接。3.建立基于IMS+EPC+DSS集群模式的核心網(wǎng)[6]。在系統(tǒng)中設(shè)置核心網(wǎng)，其主要作用是提供用戶連接、系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)承載等功能，分析該系統(tǒng)的核心網(wǎng)系統(tǒng)AXUNiEPC-5[7]，其主要依托電信級EPC核心網(wǎng)的優(yōu)勢來實現(xiàn)網(wǎng)元MME、PGW等功能融為一體的模式，該核心網(wǎng)實現(xiàn)了移動辦公、遙感業(yè)務(wù)、監(jiān)視控制及電子商務(wù)等基本業(yè)務(wù)，其可以為用戶提供安全可靠的LTE接入。另外，核心網(wǎng)系統(tǒng)還利應(yīng)用了IMS系統(tǒng)，其是一種全新的多媒體業(yè)務(wù)形式，其不僅可以滿足多樣化的多媒體業(yè)務(wù)需求，還可以實現(xiàn)LTE語音業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并且DSS核心網(wǎng)可以實現(xiàn)LTE的集群呼叫功能，DSS與EPC相比，其都采用了ATCA架構(gòu)，并且都可以實現(xiàn)設(shè)備小型化的核心網(wǎng)。4.建立綜合應(yīng)用無線通信系統(tǒng)平臺。利用分布式高性能計算機框架架構(gòu)來建立一個安全、可靠、統(tǒng)一的綜合應(yīng)用系統(tǒng)平臺，為了構(gòu)建靈活、適用強的處理平臺，應(yīng)在軟件處理平臺基礎(chǔ)上增加分析處理數(shù)據(jù)的專用支持工具，如支持LTE、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和終端的基站系統(tǒng)[8]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、視頻及語音等各類業(yè)務(wù)，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲及應(yīng)用接口，從而實現(xiàn)自動化管理的應(yīng)用系統(tǒng)。
（二）無線移動通信系統(tǒng)功能概述
1.調(diào)度功能。調(diào)度系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的重要通信手段，生產(chǎn)調(diào)度員通過利用調(diào)度功能來統(tǒng)籌調(diào)度所有資源，并對煤礦生產(chǎn)中各種突發(fā)狀況進行處理，以保證煤礦生產(chǎn)順利進行。調(diào)度功能主要包括生產(chǎn)進程管理、煤礦生產(chǎn)流程整合及資源分配等功能。2.語音業(yè)務(wù)。其主要包括以下幾種業(yè)務(wù)：第一，移動電話，其可以提供語音通信功能；第二，緊急呼叫業(yè)務(wù)，當(dāng)煤礦井下的集群用戶發(fā)起緊急呼叫，呼叫中心將會做出答復(fù)，其類似與電話業(yè)務(wù)，具有簡單方便、快速的特點；第三，主叫號碼識別顯示業(yè)務(wù)，其主要功能是提供主叫用戶號碼給被叫用戶。3.集群通信。為了實現(xiàn)用戶之間的通信，利用無線集群通信系統(tǒng)來實現(xiàn)自動化的信息共享功能，與公眾無線移動通信相比，無線集群通信系統(tǒng)不僅可以提供系統(tǒng)內(nèi)部的全呼、組呼之外，還可以提高雙向通話功能，通過建立優(yōu)先等級呼叫和緊急呼叫功能，以滿足煤礦生產(chǎn)安全部門指揮調(diào)度的需求。4.增殖數(shù)據(jù)服務(wù)。在增殖數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中，主要包括提供視頻通話、物聯(lián)網(wǎng)接入、手機終端定位、多種數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，其中，對于視頻通話，通過手機實時進行無線視頻業(yè)務(wù)，以便于井上工作人員的判斷和決策；數(shù)據(jù)網(wǎng)接入，通過利用3G通信技術(shù)來實現(xiàn)終端及無線傳感器等接口的采集，并利用物聯(lián)網(wǎng)提供終端接入；手機終端定位，即利用4G無線通信技術(shù)來實現(xiàn)語音通話及礦用無線通信手機終端定位，即通過操作人員攜帶的手機與基站之間的信號傳輸來獲得操作人員在井下的信息，這樣地面上的工作人員則可以通過計算機來了解井下工作人員的信息，其可以確保煤礦井下的安全生產(chǎn)，同時也可以提供實時信息；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為了滿足煤礦井下多種業(yè)務(wù)對寬帶的需求，實現(xiàn)高速分組無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并通過智能手機綁定內(nèi)部系統(tǒng)，實現(xiàn)信息、視頻監(jiān)控及安全生產(chǎn)實時監(jiān)控等功能，將綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)中，實現(xiàn)組態(tài)軟件實時顯示功能，當(dāng)煤礦井下出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將會提供自動報警提示功能。
三、結(jié)束語
建立基于4G無線通信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)，利用TD-LTE無線通信技術(shù)來建立寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，由于TD-LTE無線通信技術(shù)具有覆蓋面積廣、信號強、傳輸速率高的優(yōu)點，將無線移動通信系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，不僅可以煤礦地面井下實時通信，也可以確保煤礦井下安全生產(chǎn)，因此，建立基于4G通信技術(shù)的煤礦無線移動通信系統(tǒng)具有十分重要的意義。
作者：朱賽虎 單位：天地（常州）自動化股份有限公司
1.1移動終端的硬件平臺飽受威脅。當(dāng)前，移動終端的硬件平臺普遍缺乏驗證機制與保護機制，以至于部分模塊固件被不發(fā)入侵者肆意篡改，加之終端內(nèi)部的通信接口未形成集聚完整性與機密性的保護機制，導(dǎo)致移動終端內(nèi)傳出的信息被黑客竊聽，對其基本安全性造成極大威脅。
1.2由于4G無線系統(tǒng)包含著許多種類，但操作系統(tǒng)的安全性卻相對匱乏，因而出現(xiàn)了許多漏洞，而且這些漏洞具有公開性特征。
1.34G無線系統(tǒng)的移動終端具備支持多種無線應(yīng)用的功能，例如電子郵件、電子商務(wù)等。假使這些無線應(yīng)用本身在程序方面存在著漏洞或安全隱患，同樣會對4G無線通信的網(wǎng)絡(luò)安全性造成極大威脅。
二、提升4G無線通信網(wǎng)絡(luò)安全性的主要策略
由于有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)在基本特性方面存在著較大差異，因此在設(shè)計無線通信的網(wǎng)絡(luò)安全方案時，應(yīng)當(dāng)充分考慮其兼容性、安全性以及效率性等因素，從而最大限度提升4G無線通信的網(wǎng)絡(luò)安全性。
2.1研發(fā)與利用加固型操作系統(tǒng)
為了規(guī)避安全問題，在選擇操作系統(tǒng)時，應(yīng)選擇滿足TMP需求的操作系統(tǒng)，能夠支持遠程驗證、區(qū)域隔離以及混合訪問控制等操作。
2.2采取硬件物理保護措施
通過加大無線通信測試平臺硬件的集成度，減少存在攻擊威脅的接口數(shù)量，并適當(dāng)增加電壓、電流以及溫度，以此方式達到檢測電路的目標(biāo)，以防采取物理檢測措施時被攻擊。此外，針對TPM和全球用戶識別卡中的相關(guān)數(shù)據(jù)，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)安全級別進行銷毀處理。
2.3不斷加固硬件平臺
把中國移動互聯(lián)網(wǎng)可信應(yīng)用平臺視作網(wǎng)絡(luò)安全問題基本防護對象，除了對其進行全方位檢測以及可信啟動之外，還應(yīng)予以存儲保護等安全措施。同時，由于4G無線通信的核心網(wǎng)是TD-SCDMA，盡管不對稱管制、起步晚以及備受懷疑等主客觀因素對其發(fā)展產(chǎn)生了一定的影響，但TD-SCDMA的整體發(fā)展趨勢十分明朗，同時還取得了較大成功。而隨著TD-LTE的不斷推行與普及，其發(fā)展事態(tài)已遠遠超過TD-SCDMA，全球范圍內(nèi)TD-LTE的商用網(wǎng)絡(luò)總數(shù)已達到13個，其發(fā)展與應(yīng)用必定會成為大勢所趨。
2.4提升通信服務(wù)效率
由于無線通信的網(wǎng)絡(luò)資源有限，為了提升網(wǎng)絡(luò)資源的可靠性、安全性與有效性，首先應(yīng)當(dāng)控制安全協(xié)議的信息交互總數(shù)，確保安全信息的精準(zhǔn)性與短小性。其次，控制移動終端的任務(wù)數(shù)量，針對4G無線通信的網(wǎng)絡(luò)終端制定明確的標(biāo)準(zhǔn)，要求其計算能力具備明顯的非對稱性。最后，針對處于閑置狀態(tài)的移動終端，必須加以有效利用，從而實現(xiàn)預(yù)計算、預(yù)認(rèn)證的目標(biāo)。
三、結(jié)束語
1.1城市4G無線通信接入網(wǎng)絡(luò)的安全威脅
在接入網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和不同網(wǎng)絡(luò)間任意地漫游和切換，已經(jīng)完全控制某個系統(tǒng)的攻擊者通過生成RRC（RadioResourceControl）信令的方法向ME發(fā)起重配置過程，制ME切換到安全性較弱的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，并且將ME引進攻擊者已經(jīng)控制的網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)中。比如當(dāng)前EPON網(wǎng)絡(luò)中OLT設(shè)備往往是多個邏輯OLT的集合，可選加上交換芯片，集成交換機或路由器的功能，與核心網(wǎng)絡(luò)的接口稱為SNI（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口）。ONU設(shè)備一般為單個邏輯ONU設(shè)備，提供UNI（用戶網(wǎng)絡(luò)接口），SNI、UNI口可以為以太口（數(shù)據(jù)）、POTS口（語音）、RF（視頻）接口，可選和交換機、路由器、其他特定功能的網(wǎng)絡(luò)終端集成。
2接入網(wǎng)技術(shù)在城市4G無線通信中的應(yīng)用體系建立
2.1常見安全機制
采用臨時身份或加密的永久身份信息實現(xiàn)用戶的身份隱藏。通過使用數(shù)字簽名技術(shù)可以實現(xiàn)信息的防抵賴性。通過數(shù)字管理技術(shù)、加密技術(shù)、消息摘要技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性。通過加密技術(shù)和安全信道可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的機密性。通過認(rèn)證機制實現(xiàn)通信參與方在數(shù)據(jù)交換之前的身份鑒定過程。比如當(dāng)前某某城市聯(lián)通移動核心網(wǎng)新建的第一套4GHSS（用戶歸屬服務(wù)器，是4G移動網(wǎng)的核心網(wǎng)元）順利割接入網(wǎng)，經(jīng)過近期運行觀察，性能良好，各項話務(wù)指標(biāo)都在正常范圍。割接完成后，現(xiàn)有用戶不換號就可以享受聯(lián)通4GLTE網(wǎng)絡(luò)，對整個4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進度具有里程碑式的意義。
2.2系統(tǒng)總體設(shè)計
對于開發(fā)下一代產(chǎn)品的驗證平臺，對于城市4G無線通信接入網(wǎng)絡(luò)，強大的硬件運算能力和大容量存儲以及高速的數(shù)據(jù)傳輸能力都是必須的，因此在器件選型的時候就選擇了業(yè)界較為先進、處理能力高、集成度大、功耗低和工藝新的器件。比如TMS320DM8168多媒體處理器具有一顆CortexA8內(nèi)核和一顆C674X系列的DSP，其中電源是整個電路能否正常穩(wěn)定工作的核心，這個部分著重講了驗證平臺所選取的電源芯片以及周邊電路，同時分析了各個支路的電流和上電順序，以確保電路能夠正常穩(wěn)定的工作。驗證平臺的PCB設(shè)計主要包括器件布局，層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計等。外設(shè)部分主要包含了存儲系統(tǒng)和配置電路。存儲系統(tǒng)為軟件運行提供了足夠的運行空間，配置電路為FPGA的程序下載提供了一條高速公路，減少了程序員的開發(fā)時間。接入網(wǎng)系統(tǒng)是芯片與芯片或者芯片與外設(shè)信息交換的橋梁，這部分主要介紹了驗證板所使用的各種接入網(wǎng)方式同時分析了接入網(wǎng)系統(tǒng)的硬件性能。
2.3接入網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計
接入網(wǎng)系統(tǒng)是芯片與芯片之間以及驗證平臺與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，一個接入網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力以及性能。目前所用的系統(tǒng)間或者芯片間的接入網(wǎng)方式很多，例如UART、I2C、SPI等，這些都是速度比較低的接入網(wǎng)接口協(xié)議，而現(xiàn)代的多媒體時代需要更高速的接入網(wǎng)接口比如USB2.0、USB3.0、SATA、PCIe、SRI/O等。TMS320DM8168主板上的PCIExpressx2接口，每條串行線路的數(shù)據(jù)傳輸率最大可傳輸5Gbps的數(shù)據(jù)，該接口用于和外設(shè)進行高速數(shù)據(jù)傳輸。目前，中國移動已經(jīng)啟動了全國范圍內(nèi)4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的試點應(yīng)用，正準(zhǔn)備快速在全國范圍內(nèi)推廣。“4G”TD-LTE的最大特點是高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，是現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)的十倍。同時可以通過手機等各種終端獲得無線高清視頻體驗，十分流暢清晰。4G無線網(wǎng)絡(luò)的部署是在運營商的4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上對覆蓋點進行網(wǎng)絡(luò)的延伸，增加4G網(wǎng)絡(luò)路由器通過無線方式與監(jiān)控平臺互聯(lián)，通過運營商的寬帶網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息傳輸。在4G網(wǎng)絡(luò)未覆蓋到的區(qū)域可以通過3G網(wǎng)絡(luò)作為補償進行承載，可根據(jù)3G網(wǎng)絡(luò)帶寬情況靈活調(diào)整信號的方式和容量。其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性使得更多行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)采用無線監(jiān)控方式。
3結(jié)語
如果能在單一架構(gòu)下管理多個無線網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù),或者說在單一架構(gòu)下管理統(tǒng)一后的單一無線網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù),應(yīng)該是過程行業(yè)用戶一致的要求,所以我們說多種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的融合是一個大趨勢,它可以提供遠程操作的更高可靠性和更低成本。三大無線國際標(biāo)準(zhǔn)合作的技術(shù)基礎(chǔ)原本是存在的,因為ISA100.11a、WirelessHART和WIA-PA的底層協(xié)議都是IEEE802.15.4,而提供芯片和通信協(xié)議棧的商家往往同時提供這幾種技術(shù)的部件,即使是在ISA100.11a、WirelessHART和WIA-PA陣營內(nèi),還包括有很多相同的會員。作為ISA100的核心成員單位的尼維斯(Nivis)公司一向以其管理和優(yōu)化網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的軟件而聞名,同時在利用ISA100.11a、WirelessHART和6LoWPAN開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)狀通信堆棧方面擁有豐富的知識和能力。
尼維斯公司目前是我們所了解到的唯一同時提供ISA100.11a和WirelessHART兩種流程行業(yè)無線產(chǎn)品供應(yīng)商,比如其無線節(jié)點和路由器用在ISA100.11a和WirelessHART的型號是相同的,使用戶能夠在單一的硬件上運行任何一種標(biāo)準(zhǔn)。如VersaRouter910路由器既支持Nivis的ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn),也支持WirelessHART標(biāo)準(zhǔn),擁有在同一平臺上運行的軟件,VersaRouter910是一個雙啟動硬件(Dualboothardware),是集全功能于一身,專門為客戶準(zhǔn)備好提供的無線解決方案設(shè)計的工業(yè)級無線路由器。中科博微公司是可同時提供WIA-PA、WirelessHART兩種流程行業(yè)無線產(chǎn)品供應(yīng)商,比如其無線網(wǎng)關(guān)既有屬于WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)的WIAPA-GW1498、WIAPA-GWS12002種型號的網(wǎng)關(guān),又有屬于WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)的WHT-GW1250網(wǎng)關(guān)。北京天宇藍翔科技發(fā)展有限公司也可提供WIA-PA、WirelessHART兩種無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。在ISA100.11a和WirelessHART問世之初,在ISA名下成立過ISA100.12工作組,負責(zé)尋找將WirelessHART和ISA100.11a無線標(biāo)準(zhǔn)融合的技術(shù)途徑。當(dāng)時認(rèn)定實現(xiàn)無線標(biāo)準(zhǔn)融合技術(shù)途徑的唯一方法是提案申請,后有3個團隊提出申請。
但最終這些團隊沒有解決以下核心問題:網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的定義能夠取代ISA100.11a和WirelessHART及提供2個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的反向兼容。代表ISA100.11a和WirelessHART供應(yīng)商的兩個團隊都不能接受修改自己基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的要求,因此無法達成任何妥協(xié)協(xié)議。其原因非技術(shù)方面,而是集中在營銷效應(yīng)方面。因此在2013年,ISA100.12工作組已決定放棄在無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)融合方面的努力。ISA100.12工作組中的最終用戶曾建議的融合備選方案是供應(yīng)商可提供同時對ISA100.11a和WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)進行操作的產(chǎn)品,即“雙啟動”產(chǎn)品的解決方案。2010年初,德國測量與控制標(biāo)準(zhǔn)委員會NAMURPressRelease(公告),開始提出單一(融合)工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)(僅過程自動化領(lǐng)域)的要求,建議三個標(biāo)準(zhǔn)合并為一個IEC標(biāo)準(zhǔn)。2010年8月在倫敦的Heathrow(希思羅)機場召開了工作組第一次會議,工作組即以希思羅命名。2011年3月底在瑞士的融合工作組會議形成備忘錄決定成立技術(shù)工作組,重慶郵電大學(xué)是希思羅工作組的5名核心成員之一和技術(shù)工作組主要成員。
技術(shù)工作組首先完成“三個標(biāo)準(zhǔn)的異同”資料的編輯,然后達成分三步開展工作的共識,第一步是實現(xiàn)三標(biāo)準(zhǔn)共存,如圖1所示,第二步完成漸進式融合,第三步以單一的OSI/ISO層過程儀表協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備、統(tǒng)一的接入點、統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的最終融合,這里的現(xiàn)場設(shè)備、接入點、網(wǎng)關(guān)均以希思羅命名。2012年12月現(xiàn)場總線基金會(FF)宣布與國際自動化學(xué)會自動化標(biāo)準(zhǔn)委員會ISA100合作提出了一個通用的框架,允許多個工業(yè)通信協(xié)議通過共享無線集成架構(gòu)在過程自動化系統(tǒng)中運行,使現(xiàn)場總線連接到遠程的I/O和ISA100.11a、WirelessHART、有線H1協(xié)議集成到單一的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境中,這稱為基金會的遠程操作管理ROM,這是通過第三方的開放融合,以便為用戶提供更高的可靠性和更低成本的遠程操作。這個框架保持了“基礎(chǔ)設(shè)施”戰(zhàn)略,而不是試圖在無線設(shè)備水平方面競爭。
2、系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新
霍尼韋爾公司2004年推出工業(yè)無線變送器——基于ZigBee無線技術(shù)的XYR5000無線壓力變送器,載頻為902MHz~928MHz,以此為基礎(chǔ)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備的基站W(wǎng)BR與各種類型的XYR5000無線變送器可直接通信,最大數(shù)量為50臺,最大距離610m。基站還可有線接入最多25個AO/DO組件,基站與控制系統(tǒng)的連接有RS485ModbusRTU接口,還可提供RS232到WMT無線管理工具上顯示。隨后IEC三大國際標(biāo)準(zhǔn)的早期無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)是由網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場設(shè)備組成,如橫河電機無線系統(tǒng)的早期架構(gòu)是YFGW710現(xiàn)場無線一體型網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場無線設(shè)備,一臺網(wǎng)關(guān)可接入最多10臺(刷新率1s)或50臺(刷新率5s)現(xiàn)場無線設(shè)備,如圖3所示。艾默生過程管理公司下屬的羅斯蒙特公司真正針對流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究始于1998年,2006年推出的智能無線解決方案是采用900MHz,2007年以后在歐洲和亞洲則推出2.4GHz的解決方案。早期無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)也是由網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場設(shè)備組成,可能會包括適配器等設(shè)備,同時每一臺無線現(xiàn)場設(shè)備還可作為路由器將其他無線現(xiàn)場設(shè)備的信息傳送到網(wǎng)關(guān),如圖4所示。
2007年6月11日,霍尼韋爾公司推出基于ISA100.11a思路的OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)方案,采用了XYR6000變送器,載頻為2.4GHz。推出OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)后,系統(tǒng)架構(gòu)也在不斷更新,較早的版本是2009年4月的120版,當(dāng)時作為網(wǎng)關(guān)的是多功能節(jié)點;2011年9月200版的新功能包括無線變送器無路由功能改為路由功能可選、增加了現(xiàn)場設(shè)備接入點FDAP、增加了HART適配器等,2011年10月又引入了CiscoAironet1552SOutdoorAP節(jié)點設(shè)備、CiscoWLAN控制器;2013年4月210版的新功能包括在線
無線設(shè)備授權(quán)等新功能。AP節(jié)點設(shè)備被分為兩類:網(wǎng)格接入點(MAP)和根接入點(RAP)。網(wǎng)格接入點是Mesh網(wǎng)絡(luò)的遠程接入點,它作為ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi網(wǎng)絡(luò)的接入點,這是所有接入點的默認(rèn)角色。對下層ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)來說,每個網(wǎng)格接入點都可以發(fā)送和接收來自無線現(xiàn)場設(shè)備的消息,同時,它又作為一個路由器,為其相鄰網(wǎng)格接入點以IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)消息,從而在2層網(wǎng)絡(luò)中為無線設(shè)備和主機應(yīng)用之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,通過轉(zhuǎn)發(fā)過程,數(shù)據(jù)可以找到通過中間網(wǎng)格接入點抵達目的地的最佳路徑。 如果一個鏈路因為任何原因而出現(xiàn)故障,網(wǎng)絡(luò)會自動通過其他路徑安排數(shù)據(jù)傳輸,直到數(shù)據(jù)抵達網(wǎng)關(guān)為止。根接入點通過光纖、有線以太網(wǎng)或電纜連接器連接到有線網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器,作為到有線網(wǎng)絡(luò)的“根”或“網(wǎng)關(guān)”,它必須在接入點配置時設(shè)定為根接入點。通信時,網(wǎng)格接入點通過網(wǎng)格接入點之間的路徑或直接傳送到根接入點。在這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中,接入點之間有許多冗余路徑連接,因而特別可靠。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大和網(wǎng)格接入點數(shù)量的增加,有必要使用多臺根接入點以保證無線網(wǎng)絡(luò)所需的性能和吞吐量(如圖5所示)。推薦根接入點對網(wǎng)格接入點比值為20,這意味著,最多20個網(wǎng)格接入點可以共享相同的一次和二次根接入點,由于每個網(wǎng)格接入點可接入數(shù)十臺無線現(xiàn)場設(shè)備,每個根接入點可接入20個網(wǎng)格接入點,而根接入點又可以多個同時接入交換機,其應(yīng)用規(guī)模可滿足數(shù)百點到數(shù)千點的大型無線網(wǎng)絡(luò)的要求。
艾默生過程管理公司在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中也推出了CiscoAP節(jié)點設(shè)備作為構(gòu)成回傳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的接入點,菲尼克斯公司在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中也推出了可與該公司多臺WirelessHART網(wǎng)關(guān)組成骨干網(wǎng)絡(luò)的WLAN接入點,且都通過Wi-Fi傳送采集的所有信息,同時,WirelessHART網(wǎng)絡(luò)也可接收支持802.11Wi-Fi通信的無線設(shè)備的信息。隨著工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)將過程控制延伸到工廠現(xiàn)場的各個角落,其應(yīng)用越來越普及,單個應(yīng)用實例的規(guī)模也越來越大,已突破一個工序或一個車間的范圍。在這種形勢下,流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制造廠家不失時機地推出可覆蓋整個工廠的全集成式多用途無線網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)中既包括簡單的無線現(xiàn)場儀表網(wǎng)絡(luò),也覆蓋多種無線應(yīng)用的場合。創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)主要體現(xiàn)在接入點設(shè)備作為主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,比如OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)先后推出的現(xiàn)場設(shè)備接入點FDAP、CiscoAironet1552SOutdoorAP節(jié)點,橫河電機ISA100.11a無線網(wǎng)絡(luò)的YFGW510現(xiàn)場無線接入點,艾默生過程管理公司W(wǎng)irelessHART無線網(wǎng)絡(luò)推出的781遠程鏈路、CiscoAP節(jié)點設(shè)備和WLAN接入點,菲尼克斯公司W(wǎng)irelessHART無線網(wǎng)絡(luò)的WLAN接入點。這些設(shè)備具有骨干路由器功能,可將眾多的無線現(xiàn)場設(shè)備的信息通過底層網(wǎng)絡(luò)采集后,盡快地通過骨干網(wǎng)絡(luò)傳送到無線網(wǎng)關(guān)。這種將網(wǎng)關(guān)功能分離為接入點和現(xiàn)場無線管理站以及將信息傳送分為底層網(wǎng)絡(luò)及骨干網(wǎng)絡(luò)的分層架構(gòu),不僅擴大了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、提高了信息傳送速度,還能更好地實現(xiàn)同時管理多個現(xiàn)場無線子網(wǎng)通信系統(tǒng)的要求。
1．1WiFi無線通信技術(shù)
WiFi無線通信技術(shù)采用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交頻分復(fù)用技術(shù)，其優(yōu)勢在于具有較高的數(shù)據(jù)帶寬，低廉的設(shè)備成本，同時使用2．4GHz的公共頻段，不需要復(fù)雜的審批手續(xù)。但WiFi技術(shù)不屬于國際電信聯(lián)盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）規(guī)定的移動語音通信標(biāo)準(zhǔn)，不具備規(guī)模組網(wǎng)通信的理論基礎(chǔ)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其定位就是短距異步寬帶數(shù)據(jù)無線接入。由于WiFi采用的是短碼擴頻技術(shù)，只適合視距無遮擋點對點直線通信，而對礦井這種遮擋嚴(yán)重，多徑反射劇烈，場強衰落快速變化的現(xiàn)場，將直接導(dǎo)致WiFi的通信距離大大縮短。WiFi通信技術(shù)所使用的通信體制、占用帶寬、調(diào)制方式與目前煤礦井下人員定位系統(tǒng)的RFID和ZigBee完全相同或近似，使得系統(tǒng)之間會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，嚴(yán)重的還會使系統(tǒng)癱瘓。
1．2TD－SCDMA無線通信技術(shù)
TD－SCDMA技術(shù)是ITU的第三代移動通信空間接口技術(shù)規(guī)范之一。TD－SCDMA的特點是上下行同頻段，通過時隙配置為上下行信道提供無線承載。TD－SCDMA可支持速率為8kbit／s～2Mbit／s的語音、互聯(lián)網(wǎng)等所有的3G業(yè)務(wù)。TD－SCDMA系統(tǒng)采用時分雙工模式，它的一個載波占用1．6MHz的帶寬，僅能提供速率為2Mbit／s的3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。并且在產(chǎn)業(yè)鏈方面TD－SCDMA不夠成熟，終端數(shù)量較少。目前，TD－SCDMA礦用通信系統(tǒng)采用BBU（BuildingBasebandUnit）＋RRU（RadioRemoteUnit）拉遠方式，BBU部署在地面，RRU作為井下無線站點部署在井下，地面與井下采用私有的IR接口，必須使用裸光纖，無法直接使用井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，且當(dāng)BBU出現(xiàn)故障時，會導(dǎo)致全網(wǎng)無法工作。某個中間RRU故障會導(dǎo)致整個鏈上的RRU無法工作，維護、擴容較為困難。
1．3WCDMA無線通信技術(shù)
WCDMA技術(shù)是ITU正式的第三代移動通信空間接口技術(shù)規(guī)范之一，是集CDMA、FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess，頻分多址）技術(shù)優(yōu)勢于一體、系統(tǒng)容量大、抗干擾能力強的移動通信技術(shù)［4］。WCDMA發(fā)展空間較大，技術(shù)成熟性最佳，有較高的擴頻增益，可支持速率為8kbit／s～5．76Mbit／s的語音、互聯(lián)網(wǎng)等所有的3G業(yè)務(wù)。WCDMA作為產(chǎn)業(yè)鏈最為成熟、網(wǎng)絡(luò)部署最為廣泛、終端最為豐富的3G技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)除能實現(xiàn)語音通信功能外，還可提供高速率數(shù)據(jù)和圖像傳輸功能。但是，傳統(tǒng)WCDMA系統(tǒng)總體造價相對較高，不利于大規(guī)模推廣，而且井下巷道錯綜復(fù)雜，其無線信號的全礦井無縫覆蓋困難大。
1．4Femtocell無線通信技術(shù)
1．4．1Femtocell技術(shù)簡介Femtocell又可稱為毫微微小區(qū)、家庭基站［5］，是近年來根據(jù)3G發(fā)展和移動寬帶化趨勢推出的低功率、超小型化移動基站。Femtocell使用IP協(xié)議，通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠端由專用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動網(wǎng)的聯(lián)通。它的大小與ADSL調(diào)制解調(diào)器相似，具有安裝方便、自動配置、自動網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點。1．4．2Femtocell技術(shù)優(yōu)勢（1）可覆蓋宏小區(qū)不能覆蓋的地方。（2）可以減少來自于宏小區(qū)基站的高功率開銷并提高宏小區(qū)基站的性能。（3）輻射更低，手機電池也更耐用。（4）為固網(wǎng)與移動網(wǎng)融合提供了一個理想的解決方案。Femtocell的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。目前業(yè)界主流的設(shè)備商主要采用的是把NodeB和RNC（RadioNetworkController，無線網(wǎng)絡(luò)控制器）功能集成于一個接入設(shè)備的扁平化架構(gòu)，由Femtocell網(wǎng)關(guān)提供標(biāo)準(zhǔn)的Iu接口。更進一步的扁平化架構(gòu)可以把SGSN（ServingGPRSSupportNode，GPRS服務(wù)支持節(jié)點）／GGSN（GatewayGPRSSupportNode，網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點）等功能集成于Femtocell接入設(shè)備。扁平化架構(gòu)的優(yōu)勢是它符合下一代移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。由于獨立節(jié)點的減少，使得網(wǎng)絡(luò)端到端時延大大降低（降低40％左右），從而大大增強用戶在使用高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和實時業(yè)務(wù)時的體驗。同時，節(jié)點的減少也大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
2基于Femtocell的礦用
WCDMA無線通信系統(tǒng)傳統(tǒng)的礦用CDMA－2000，TDS－CDMA以及WCDMA系統(tǒng)總體造價相對較高，不利于大規(guī)模推廣，而且井下巷道錯綜復(fù)雜，其無線信號的全礦井無縫覆蓋困難極大；但隨著Femtocell技術(shù)的應(yīng)用，使得WCDMA無線技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下變得簡單。針對煤礦井下的環(huán)境特點，提出了一種基于Femtocell的礦用WCDMA無線通信系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可看出，基于Femtocell的礦用WCDMA無線通信系統(tǒng)采用現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，F(xiàn)emtocell通過工業(yè)以太網(wǎng)與地面主系統(tǒng)相連，井下通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可采用標(biāo)準(zhǔn)的Femto網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)井下、井上通信的結(jié)合，傳輸使用礦區(qū)已經(jīng)部署的井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。Femtocell基站集成了NodeB（即移動基站，一般由控制子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)、中頻／基帶子系統(tǒng)、天饋子系統(tǒng)等部分組成）和RNC的功能，它通過SIP（SessionInitiationProtocol，會話初始協(xié)議）／IMS（IPMultimediaSubsystem，IP多媒體系統(tǒng)）連接到地面核心網(wǎng)絡(luò)（核心網(wǎng)包括移動交換中心MSC和用戶歸屬位置寄存器HLR等），核心網(wǎng)絡(luò)采用WCDMA專網(wǎng)的自建核心網(wǎng)。
2．1系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
2．1．1即插即用Femtocell所扮演的角色類似于終端設(shè)備，因此，其使用方法必須簡單明確，安裝好Femtocell基站后，只要接通電源和網(wǎng)絡(luò)就可以使用。Femtocell和服務(wù)器之間必須能自動完成IP連接和IP分配，能夠進行遠程的自動軟件升級、自動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃（包括最小干擾頻點的選擇、擾碼的自動分配、鄰區(qū)列表的自動創(chuàng)建及發(fā)射功率的自動調(diào)整）。2．1．2接入控制接入控制主要有3個層面：①接入層的UE（UserExperience）接入鑒權(quán)。用戶必須可以設(shè)置Femtocell的接入模式，如是否允許所有用戶接入、能否設(shè)置不同的接入用戶、Femtocell信號是否可以獨享等。因此，F(xiàn)emtocell必須設(shè)置一個白名單編輯功能，以滿足對Femtocell接入終端的控制。②Femtocell基站設(shè)備的接入控制。服務(wù)器要能夠監(jiān)控Femtocell基站的使用，并控制其IP接入。目前主要采用在Femtocell基站內(nèi)置一張類似于SIM卡的信息鑒權(quán)設(shè)備，運營商可以在SIM卡上燒制相應(yīng)的鑒權(quán)信息。③核心網(wǎng)3GPP標(biāo)準(zhǔn)的UE接入鑒權(quán)。Femtocell對用戶的接入必須滿足3GPP對3G的各項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［6］。2．1．3IP傳輸網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求因為Femtocell是完全通過IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與核心網(wǎng)的連接，因此，如何保證業(yè)務(wù)的QoS服務(wù)等級，特別是語音業(yè)務(wù)的QoS要求非常關(guān)鍵。因此，對于IP傳輸網(wǎng)絡(luò)需要有一定的性能要求，如對滿足語音業(yè)務(wù)、滿足視頻電話及PS384K業(yè)務(wù)在時延、抖動、丟包率、帶寬等方面的指標(biāo)均有最低要求。2．1．4時鐘同步技術(shù)Femtocell基站主要通過接收周圍宏基站信號來提取同步時鐘信號，如果Femtocell完全處于孤島環(huán)境，就需要通過自身的時鐘振蕩器來獲取時鐘。
2．2系統(tǒng)優(yōu)勢分析
綜合了Femtocell技術(shù)與WCDMA技術(shù)的特點，基于Femtocell的礦用WCDMA無線通信系統(tǒng)主要有以下優(yōu)勢。（1）組網(wǎng)靈活。由于系統(tǒng)采用Femtocell技術(shù)和小型化設(shè)備，且可即插即用，系統(tǒng)安裝維護方便，組網(wǎng)更加靈活。（2）穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備采用電信級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，確保系統(tǒng)可靠性。無線資源池共享技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性大大提高，且滿足突況下設(shè)備的資源需求；在正常情況下，設(shè)備運行負荷均衡，工作狀態(tài)穩(wěn)定。（3）業(yè)務(wù)豐富。系統(tǒng)不僅支持基本的高質(zhì)量語音通信和短信業(yè)務(wù)，而且基于WCDMA的高帶寬特性，可靈活承載移動辦公、無線監(jiān)控、生產(chǎn)巡檢等各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。另外，可根據(jù)數(shù)字化礦山的特點，靈活定制適應(yīng)于礦山安全生產(chǎn)的多種移動業(yè)務(wù)。（4）兼容性高。基于Femtocell的礦用WCDMA礦用無線通信系統(tǒng)設(shè)備采用國際通用通信標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)備可以和不同制造商生產(chǎn)的公網(wǎng)模式的WCDMA制式終端兼容；可以和多家主流設(shè)備制造商生產(chǎn)的用戶級交換機和局用交換機互通。
3結(jié)語
1方案設(shè)計
PBS表示主基站(PrimaryBaseStation)，通過光纜可以將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冸娬緝?nèi)的各種應(yīng)用系統(tǒng)子站，也可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)通過電力骨干網(wǎng)絡(luò)(SDH等)傳輸?shù)绞‰娏緝?nèi)的系統(tǒng)主站，CBS表示認(rèn)知基站(CognitiveBaseStation)，通過光纜與主基站連接進行信息交互，通過無線方式與次用戶通信，PU表示主用戶即授權(quán)用戶(PrimaryUser)，SU表示次用戶即認(rèn)知用戶(SecondaryUser)，這里的用戶在實際應(yīng)用場景中泛指各種無線通信終端，本文為與認(rèn)知無線電的各種概念保存一致，也稱為用戶，各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過授權(quán)用戶或次用戶將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交荆琒B表示頻譜經(jīng)紀(jì)人(SpectrumBroker)，通過光纜或者網(wǎng)線形式與認(rèn)知基站進行信息交互。認(rèn)知基站負責(zé)認(rèn)知用戶的控制和管理，主要包括對認(rèn)知用戶的感知結(jié)果進行融合、空閑信道資源分配、接入及切換管理。頻譜使用區(qū)域分授權(quán)頻段區(qū)域和非授權(quán)頻段區(qū)域，在授權(quán)頻段區(qū)域，認(rèn)知基站與主基站進行信息交互，降低感知目標(biāo)頻段的盲目性，認(rèn)知用戶根據(jù)認(rèn)知基站的交互信息，感知授權(quán)用戶的授權(quán)頻段的空閑情況并利用。在非授權(quán)頻段區(qū)域，認(rèn)知用戶感知非授權(quán)頻段的使用情況并進行競爭利用，能夠及時規(guī)避干擾頻段，使用動態(tài)分配的頻譜資源，在該區(qū)域中頻譜經(jīng)紀(jì)人充當(dāng)協(xié)調(diào)者角色，負責(zé)不同認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)之間的頻譜資源協(xié)調(diào)管理。為提高頻譜感知效率，縮短系統(tǒng)接入時間，提升頻譜切換性能，本文設(shè)計兩張用于認(rèn)知基站內(nèi)維護的信息表，一張是可用頻率資源列表，一張是交互信息列表。“頻帶范圍”表示認(rèn)知用戶可以使用的頻段的范圍，“頻帶歷史使用信息”表示該段空閑頻段的歷史使用情況，包括數(shù)據(jù)傳輸平均占用時長和空閑率，由此可以計算頻段的大致可用時長;“頻帶帶寬”表示可用的頻帶寬度;“干擾水平”表示歷史干擾水平和當(dāng)前干擾水平，干擾水平是指空閑頻譜所遭受的干擾程度和強度，包括無線環(huán)境下的路徑損耗等干擾和電力設(shè)施運行時的電磁干擾，以功率形式量化，結(jié)合相關(guān)系數(shù)，可以計算信道最大容量;“可用狀態(tài)”表示頻率資源的利用方式，包括共享式和獨享式，共享式是指認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶共享頻率資源，但不會對授權(quán)用戶造成干擾，或者是由多個認(rèn)知用戶之間進行共享使用空閑授權(quán)頻率資源或空閑非授權(quán)頻率資源，獨享式是指空閑頻率資源無其他用戶使用，由單個認(rèn)知用戶單獨享用。綜合以上信息，認(rèn)知基站能夠根據(jù)認(rèn)知用戶的需求情況快速找到匹配資源進行分配，提高了分配效率、縮短了分配時間，根據(jù)業(yè)務(wù)特性，有選擇地選取特定頻譜實現(xiàn)與業(yè)務(wù)需求的匹配。
2頻率分配方法
本文假設(shè)頻譜感知由物理層來完成，而且能夠獲得準(zhǔn)確的感知結(jié)果，MAC層在獲取感知結(jié)果的基礎(chǔ)上主要負責(zé)頻譜資源的動態(tài)管理。其中頻譜分配和頻譜干擾規(guī)避是頻譜資源管理的重要部分，也是電力行業(yè)應(yīng)用下需要解決的重要問題。在分配階段，提出基于迫切性和公平性的頻譜資源分配方法，不僅考慮認(rèn)知用戶的接入的迫切程度，同時也需考慮用戶接入的公平性。迫切性和公平性是影響資源分配的重要參考內(nèi)容，影響迫切性主要參數(shù)包括:業(yè)務(wù)優(yōu)先級、等待時間，影響公平性主要參數(shù)包括:用戶不良信用記錄、用戶接入成功率，其中，業(yè)務(wù)優(yōu)先級是指業(yè)務(wù)的重要程度，等待時間是指用戶數(shù)據(jù)的有效期，超過一定時間，數(shù)據(jù)的傳輸就無意義，在電力行業(yè)下，這一參數(shù)尤其重要，用戶不良信用記錄是指用戶分配到頻率資源但沒有利用的信用記錄，接入成功率是指用戶請求分配且獲得分配的概率，為公平起見，接入成功率越低的用戶分配的可能性就越大。
3頻率切換方法
由于認(rèn)知用戶使用授權(quán)用戶暫時未使用的授權(quán)頻段，一旦授權(quán)用戶出現(xiàn)，認(rèn)知用戶需要立即采取相應(yīng)措施以免對授權(quán)用戶的使用造成干擾，或者當(dāng)認(rèn)知用戶使用的非授權(quán)頻段的頻譜環(huán)境惡化，也需采取措施來防止業(yè)務(wù)受到重大影響，另外，電力系統(tǒng)中復(fù)雜的電磁干擾進一步加劇了無線環(huán)境的復(fù)雜度，帶來了更大的干擾，影響頻譜資源的使用，在此條件下，除共享頻率之外，頻率切換也是有效解決措施之一，設(shè)計合理的目標(biāo)頻段切換機制對切換性能有著十分重要的影響。本文在此基礎(chǔ)上提出一種基于加權(quán)的多參量目標(biāo)頻段切換算法，認(rèn)知基站根據(jù)認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)特性和需求進行計算選取目標(biāo)切換頻段并分配，這樣就有利于進一步降低認(rèn)知用戶的復(fù)雜度，綜合考慮多種選擇因素，彌補單一屬性選擇的不足。
4結(jié)束語
電力通信是支撐智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)，無線通信作為其中的一部分，發(fā)揮了重要作用，但由于無線通信頻率資源和電力行業(yè)的限制性因素，需結(jié)合新的技術(shù)來解決無線頻段資源短缺以及無線傳輸可靠性等問題。本文將認(rèn)知無線電技術(shù)引入電力無線通信，提出了理論上的頻率資源管理算法，旨在提高電力無線通信系統(tǒng)的性能。下一步將開展具體的仿真實驗工作，對理論研究算法效果進行驗證和優(yōu)化。
作者:姚繼明黃莉田文鋒黃鳳朱亮單位:中國電力科學(xué)研究院
1、多種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的融合
如果能在單一架構(gòu)下管理多個無線網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)，或者說在單一架構(gòu)下管理統(tǒng)一后的單一無線網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)，應(yīng)該是過程行業(yè)用戶一致的要求，所以我們說多種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的融合是一個大趨勢，它可以提供遠程操作的更高可靠性和更低成本。三大無線國際標(biāo)準(zhǔn)合作的技術(shù)基礎(chǔ)原本是存在的，因為ISA100.11a、WirelessHART和WIA-PA的底層協(xié)議都是IEEE802.15.4，而提供芯片和通信協(xié)議棧的商家往往同時提供這幾種技術(shù)的部件，即使是在ISA100.11a、WirelessHART和WIA-PA陣營內(nèi)，還包括有很多相同的會員。作為ISA100的核心成員單位的尼維斯（Nivis）公司一向以其管理和優(yōu)化網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的軟件而聞名，同時在利用ISA100.11a、WirelessHART和6LoWPAN開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)狀通信堆棧方面擁有豐富的知識和能力。尼維斯公司目前是我們所了解到的唯一同時提供ISA100.11a和WirelessHART兩種流程行業(yè)無線產(chǎn)品供應(yīng)商，比如其無線節(jié)點和路由器用在ISA100.11a和WirelessHART的型號是相同的，使用戶能夠在單一的硬件上運行任何一種標(biāo)準(zhǔn)。如VersaRouter910路由器既支持Nivis的ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)，也支持WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，擁有在同一平臺上運行的軟件，VersaRouter910是一個雙啟動硬件（Dualboothardware），是集全功能于一身，專門為客戶準(zhǔn)備好提供的無線解決方案設(shè)計的工業(yè)級無線路由器。中科博微公司是可同時提供WIA-PA、WirelessHART兩種流程行業(yè)無線產(chǎn)品供應(yīng)商，比如其無線網(wǎng)關(guān)既有屬于WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)的WIAPA-GW1498、WIAPA-GWS12002種型號的網(wǎng)關(guān)，又有屬于WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)的WHT-GW1250網(wǎng)關(guān)。北京天宇藍翔科技發(fā)展有限公司也可提供WIA-PA、WirelessHART兩種無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。在ISA100.11a和WirelessHART問世之初，在ISA名下成立過ISA100.12工作組，負責(zé)尋找將WirelessHART和ISA100.11a無線標(biāo)準(zhǔn)融合的技術(shù)途徑。當(dāng)時認(rèn)定實現(xiàn)無線標(biāo)準(zhǔn)融合技術(shù)途徑的唯一方法是提案申請，后有3個團隊提出申請。但最終這些團隊沒有解決以下核心問題：網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的定義能夠取代ISA100.11a和WirelessHART及提供2個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的反向兼容。代表ISA100.11a和WirelessHART供應(yīng)商的兩個團隊都不能接受修改自己基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的要求，因此無法達成任何妥協(xié)協(xié)議。其原因非技術(shù)方面，而是集中在營銷效應(yīng)方面。因此在2013年，ISA100.12工作組已決定放棄在無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)融合方面的努力。ISA100.12工作組中的最終用戶曾建議的融合備選方案是供應(yīng)商可提供同時對ISA100.11a和WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)進行操作的產(chǎn)品，即“雙啟動”產(chǎn)品的解決方案。2010年初，德國測量與控制標(biāo)準(zhǔn)委員會NAMURPressRelease（公告），開始提出單一（融合）工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)（僅過程自動化領(lǐng)域）的要求，建議三個標(biāo)準(zhǔn)合并為一個IEC標(biāo)準(zhǔn)。2010年8月在倫敦的Heathrow（希思羅）機場召開了工作組第一次會議，工作組即以希思羅命名。2011年3月底在瑞士的融合工作組會議形成備忘錄決定成立技術(shù)工作組，重慶郵電大學(xué)是希思羅工作組的5名核心成員之一和技術(shù)工作組主要成員。技術(shù)工作組首先完成“三個標(biāo)準(zhǔn)的異同”資料的編輯，然后達成分三步開展工作的共識，第一步是實現(xiàn)三標(biāo)準(zhǔn)共存，如圖1所示，第二步完成漸進式融合，第三步以單一的OSI/ISO層過程儀表協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備、統(tǒng)一的接入點、統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的最終融合，這里的現(xiàn)場設(shè)備、接入點、網(wǎng)關(guān)均以希思羅命名。2012年12月現(xiàn)場總線基金會（FF）宣布與國際自動化學(xué)會自動化標(biāo)準(zhǔn)委員會ISA100合作提出了一個通用的框架，允許多個工業(yè)通信協(xié)議通過共享無線集成架構(gòu)在過程自動化系統(tǒng)中運行，使現(xiàn)場總線連接到遠程的I/O和ISA100.11a、WirelessHART、有線H1協(xié)議集成到單一的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境中，這稱為基金會的遠程操作管理ROM，這是通過第三方的開放融合，以便為用戶提供更高的可靠性和更低成本的遠程操作。這個框架保持了“基礎(chǔ)設(shè)施”戰(zhàn)略，而不是試圖在無線設(shè)備水平方面競爭。
2、系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新
霍尼韋爾公司2004年推出工業(yè)無線變送器——基于ZigBee無線技術(shù)的XYR5000無線壓力變送器，載頻為902MHz~928MHz，以此為基礎(chǔ)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備的基站W(wǎng)BR與各種類型的XYR5000無線變送器可直接通信，最大數(shù)量為50臺，最大距離610m。基站還可有線接入最多25個AO/DO組件，基站與控制系統(tǒng)的連接有RS485ModbusRTU接口，還可提供RS232到WMT無線管理工具上顯示。隨后IEC三大國際標(biāo)準(zhǔn)的早期無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)是由網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場設(shè)備組成，如橫河電機無線系統(tǒng)的早期架構(gòu)是YFGW710現(xiàn)場無線一體型網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場無線設(shè)備，一臺網(wǎng)關(guān)可接入最多10臺（刷新率1s）或50臺（刷新率5s）現(xiàn)場無線設(shè)備，如圖3所示。艾默生過程管理公司下屬的羅斯蒙特公司真正針對流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究始于1998年，2006年推出的智能無線解決方案是采用900MHz，2007年以后在歐洲和亞洲則推出2.4GHz的解決方案。早期無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)也是由網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場設(shè)備組成，可能會包括適配器等設(shè)備，同時每一臺無線現(xiàn)場設(shè)備還可作為路由器將其他無線現(xiàn)場設(shè)備的信息傳送到網(wǎng)關(guān)，如圖4所示。2007年6月11日，霍尼韋爾公司推出基于ISA100.11a思路的OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)方案，采用了XYR6000變送器，載頻為2.4GHz。推出OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)架構(gòu)也在不斷更新，較早的版本是2009年4月的120版，當(dāng)時作為網(wǎng)關(guān)的是多功能節(jié)點；2011年9月200版的新功能包括無線變送器無路由功能改為路由功能可選、增加了現(xiàn)場設(shè)備接入點FDAP、增加了HART適配器等，2011年10月又引入了CiscoAironet1552SOutdoorAP節(jié)點設(shè)備、CiscoWLAN控制器；2013年4月210版的新功能包括在線無線設(shè)備授權(quán)等新功能。AP節(jié)點設(shè)備被分為兩類：網(wǎng)格接入點（MAP）和根接入點（RAP）。網(wǎng)格接入點是Mesh網(wǎng)絡(luò)的遠程接入點，它作為ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi網(wǎng)絡(luò)的接入點，這是所有接入點的默認(rèn)角色。對下層ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)來說，每個網(wǎng)格接入點都可以發(fā)送和接收來自無線現(xiàn)場設(shè)備的消息，同時，它又作為一個路由器，為其相鄰網(wǎng)格接入點以IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)消息，從而在2層網(wǎng)絡(luò)中為無線設(shè)備和主機應(yīng)用之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過轉(zhuǎn)發(fā)過程，數(shù)據(jù)可以找到通過中間網(wǎng)格接入點抵達目的地的最佳路徑。如果一個鏈路因為任何原因而出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)會自動通過其他路徑安排數(shù)據(jù)傳輸，直到數(shù)據(jù)抵達網(wǎng)關(guān)為止。根接入點通過光纖、有線以太網(wǎng)或電纜連接器連接到有線網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器，作為到有線網(wǎng)絡(luò)的“根”或“網(wǎng)關(guān)”，它必須在接入點配置時設(shè)定為根接入點。通信時，網(wǎng)格接入點通過網(wǎng)格接入點之間的路徑或直接傳送到根接入點。在這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，接入點之間有許多冗余路徑連接，因而特別可靠。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大和網(wǎng)格接入點數(shù)量的增加，有必要使用多臺根接入點以保證無線網(wǎng)絡(luò)所需的性能和吞吐量（如圖5所示）。推薦根接入點對網(wǎng)格接入點比值為20，這意味著，最多20個網(wǎng)格接入點可以共享相同的一次和二次根接入點，由于每個網(wǎng)格接入點可接入數(shù)十臺無線現(xiàn)場設(shè)備，每個根接入點可接入20個網(wǎng)格接入點，而根接入點又可以多個同時接入交換機，其應(yīng)用規(guī)模可滿足數(shù)百點到數(shù)千點的大型無線網(wǎng)絡(luò)的要求。艾默生過程管理公司在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中也推出了CiscoAP節(jié)點設(shè)備作為構(gòu)成回傳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的接入點，菲尼克斯公司在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中也推出了可與該公司多臺WirelessHART網(wǎng)關(guān)組成骨干網(wǎng)絡(luò)的WLAN接入點，且都通過Wi-Fi傳送采集的所有信息，同時，WirelessHART網(wǎng)絡(luò)也可接收支持802.11Wi-Fi通信的無線設(shè)備的信息。隨著工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)將過程控制延伸到工廠現(xiàn)場的各個角落，其應(yīng)用越來越普及，單個應(yīng)用實例的規(guī)模也越來越大，已突破一個工序或一個車間的范圍。在這種形勢下，流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制造廠家不失時機地推出可覆蓋整個工廠的全集成式多用途無線網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)中既包括簡單的無線現(xiàn)場儀表網(wǎng)絡(luò)，也覆蓋多種無線應(yīng)用的場合。創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)主要體現(xiàn)在接入點設(shè)備作為主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，比如OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)先后推出的現(xiàn)場設(shè)備接入點FDAP、CiscoAironet1552SOutdoorAP節(jié)點，橫河電機ISA100.11a無線網(wǎng)絡(luò)的YFGW510現(xiàn)場無線接入點，艾默生過程管理公司W(wǎng)irelessHART無線網(wǎng)絡(luò)推出的781遠程鏈路、CiscoAP節(jié)點設(shè)備和WLAN接入點，菲尼克斯公司W(wǎng)irelessHART無線網(wǎng)絡(luò)的WLAN接入點。這些設(shè)備具有骨干路由器功能，可將眾多的無線現(xiàn)場設(shè)備的信息通過底層網(wǎng)絡(luò)采集后，盡快地通過骨干網(wǎng)絡(luò)傳送到無線網(wǎng)關(guān)。這種將網(wǎng)關(guān)功能分離為接入點和現(xiàn)場無線管理站以及將信息傳送分為底層網(wǎng)絡(luò)及骨干網(wǎng)絡(luò)的分層架構(gòu)，不僅擴大了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、提高了信息傳送速度，還能更好地實現(xiàn)同時管理多個現(xiàn)場無線子網(wǎng)通信系統(tǒng)的要求。
3、引入無線行業(yè)領(lǐng)軍廠家的技術(shù)和產(chǎn)品
借助網(wǎng)絡(luò)解決方案供應(yīng)商的技術(shù)迅速提高產(chǎn)品檔次，霍尼韋爾公司2012年直接采用支持標(biāo)準(zhǔn)的思科（Cisco）公司組態(tài)和拓撲結(jié)構(gòu)性統(tǒng)一無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這包括使用冗余交換機、冗余的無線局域網(wǎng)控制器以及多重網(wǎng)格接入點MAP和根接入點RAP，實現(xiàn)一個強大的高可用性的網(wǎng)絡(luò)。如使用CiscoAironet1552SAP節(jié)點設(shè)備構(gòu)建OneWireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，同時還采用CiscoWLAN控制器用于管理CiscoAironet1552SAP節(jié)點設(shè)備，在單一的架構(gòu)下為Wi-Fi應(yīng)用和ISA100.11a現(xiàn)場儀表提供無線覆蓋，從而有效降低總體擁有成本。CiscoAironet1552SAP節(jié)點設(shè)備的功能與原有的多功能節(jié)點完全一樣，但天線數(shù)量增加，速度更快，帶寬更寬。艾默生過程管理公司早在2007年就已經(jīng)同思科公司建立了合作伙伴關(guān)系，如在異構(gòu)系統(tǒng)的無線通信方面雙方就進行了合作，最近又引入了CiscoAP節(jié)點設(shè)備。羅克韋爾自動化收購了vMonitor，將劃入羅克韋爾自動化控制產(chǎn)品和解決方案營運部門。vMonitor是全球范圍內(nèi)數(shù)字油田實施及遠程運營領(lǐng)域的先驅(qū)，早在2005年1月，它就在殼牌公司的支持下，進行了Kanbode8口油井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的試驗，為井口和上游應(yīng)用提供了創(chuàng)新的監(jiān)控解決方案，創(chuàng)造性地將最尖端的無線儀表和通信與可視化軟件結(jié)合在一起，幫助客戶制定更明智的決策并改善生產(chǎn)狀況。vMonitor的技術(shù)涵蓋井口傳感器與變送器、遠程終端單元、網(wǎng)關(guān)和調(diào)制解調(diào)器的全無線產(chǎn)品組合，以及交鑰匙監(jiān)控系統(tǒng)和服務(wù)。這些產(chǎn)品覆蓋范圍廣，適合從油氣井、管道、泵站和升液站到煉油廠以及油庫的各類應(yīng)用。
作者：方原柏 單位：昆明有色冶金設(shè)計研究院
1.1泄露電纜方式
傳統(tǒng)覆蓋中，使用泄漏電纜進行隧道覆蓋。電磁波在泄漏電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r通過槽孔向外界輻射電磁波，外界的電磁場也可通過槽孔感應(yīng)到泄漏電纜內(nèi)部并傳送到接收端。但是，泄漏電纜的傳輸損耗大，僅適用于覆蓋要求高而均勻的場景。這種方法的優(yōu)點為，可減小信號陰影和遮擋，在復(fù)雜的隧道中采用泄漏電纜，信號波動范圍減少，與其它天線系統(tǒng)相比，隧道內(nèi)信號覆蓋均勻，可對多種服務(wù)同時提供覆蓋，泄漏電纜本質(zhì)上是寬帶系統(tǒng)，多種不同的無線系統(tǒng)可以共享同一泄漏電纜，考慮到在隧道中經(jīng)常使用某些無線系統(tǒng)（尋呼系統(tǒng)、告警系統(tǒng)、廣播等），采用共享一條泄漏電纜的方法，可省去架設(shè)多個天線的工程。其缺點在于，由于整個是一個串聯(lián)系統(tǒng)，在隧道比較長的情況下，放大器需要串聯(lián)使用，系統(tǒng)噪聲比較高，降低了信號的可靠性。如果泄露電纜長度較長，其信號衰減明顯，使用成本大幅上升，而且成本相對較高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。適用于無源系統(tǒng)安裝受限的環(huán)境
1.23G微蜂窩方式
本方案由3G移動通信微蜂窩基站、3G專用核心網(wǎng)共同組成。針對隧道通信的專用場景，本方案將采用微蜂窩聯(lián)合組網(wǎng)的方式進行覆蓋。微蜂窩基站通過以太鏈路和固定網(wǎng)絡(luò)進行連接，同時，有線網(wǎng)絡(luò)連接核心網(wǎng)設(shè)備，構(gòu)成完整的接入側(cè)網(wǎng)絡(luò)，如圖1。本系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的3G移動通信功能，同時兼容WCDMA、TD-SCDMA兩種模式基站組網(wǎng)。基站側(cè)提供WCDMA、TD-SCDMA兩種版本的設(shè)備，可以提供標(biāo)準(zhǔn)商用終端的接入使用。支持基站間切換功能，保障移動場景下的業(yè)務(wù)暢通。網(wǎng)絡(luò)支持語音、視頻、短消息以及PS域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。同時實現(xiàn)和SIP網(wǎng)絡(luò)以及IMS實體的互聯(lián)互通。考慮到專用通信場景的需要，系統(tǒng)同時支持強插、強拆、分組會議、廣播、群呼、監(jiān)聽、錄音等調(diào)度業(yè)務(wù)。組網(wǎng)時規(guī)劃將按照場景實地的無線環(huán)境進行評估，重點區(qū)域如閉塞位置、屏蔽位置將重點部署基站設(shè)備，利用微蜂窩基站的低成本、靈活配置的特點實現(xiàn)目標(biāo)全域的信號覆蓋。核心網(wǎng)將部署安裝在網(wǎng)絡(luò)中控機房，同時提供友好的配置使用界面，快速配置和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和組網(wǎng)規(guī)模。
1.3WLAN覆蓋方式
電力隧道無線專網(wǎng)覆蓋方案可采用WLAN覆蓋方式。WLAN無線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetworks）利用無線技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、話音和視頻信號。能夠方便地聯(lián)網(wǎng)，因為WLAN可以便捷、迅速地接納新加入的雇員，而不必對網(wǎng)絡(luò)的用戶管理配置進行過多的變動；WLAN在有線網(wǎng)絡(luò)布線困難的地方比較容易實施，使用WLAN方案，則不必再實施打孔敷線作業(yè)，因而不會對建筑設(shè)施造成任何損害。如在電力隧道中采用該方案，需采用500mW的合路型AP，AP采用直放+吸頂天線覆蓋方式。從POE交換機通過網(wǎng)線與AP連接，AP再接天線，對目標(biāo)隧道進行全面、無縫的覆蓋。本方案邊緣場強根據(jù)AP及無線終端接收天線靈敏度確定，同時根據(jù)現(xiàn)場無線環(huán)境、干擾源情況、系統(tǒng)容量、數(shù)據(jù)流量、系統(tǒng)信噪比等因素，本系統(tǒng)設(shè)定邊緣場強≥-75dBm，
2方案對比
為了直觀比較三個方案的優(yōu)缺點，綜合成本、配置、管理等多方面因素。綜合上述分析，采用WLAN技術(shù)進行無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋是較可行的方案。
3結(jié)語
進入21世紀(jì)以來，社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，在智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中應(yīng)用無線通信傳輸，已經(jīng)成為了大勢所趨。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用到了智能家電設(shè)備信息交互之中，系統(tǒng)中的重要信息作為記錄實時用電量的基礎(chǔ)資料，可以讓用戶明確了解電費使用情況，并根據(jù)實際合理的安排用電計劃，減少開銷。與此同時，用戶側(cè)電量和電能質(zhì)量信息也是智能電網(wǎng)和城市配電網(wǎng)負荷側(cè)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資料，有助于幫助人們統(tǒng)計季度性和地區(qū)性用電情況，從而決定電能交互系統(tǒng)的最終運行模式。據(jù)調(diào)查了解到，我國各城市配網(wǎng)系統(tǒng)通過新技術(shù)已經(jīng)使高帶寬光纖實現(xiàn)了穩(wěn)定通信，只有AMI還無法使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得以全面延伸，用戶側(cè)應(yīng)用環(huán)境不利于實現(xiàn)可靠通信。建立物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸層動態(tài)通道，并對其加以有效保障，是解決上述問題，實現(xiàn)高質(zhì)量通信、提高AMI數(shù)據(jù)完整傳輸?shù)挠行Т胧Ｔ撐木徒Y(jié)合實際，采用多技術(shù)在傳輸層動態(tài)建立附加通道，對大批量數(shù)據(jù)進行有效分?jǐn)偅瑥亩鴾p少傳輸延時時間，提高物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)母咝浴?/p>
1無線通信傳輸層協(xié)議研究的現(xiàn)實情況
與以往的通信方式相比，無線通信在快速部署和便捷接入上具有很大的優(yōu)勢，但是其主要阻礙在于信道的可靠性較低，在某些特殊場景中具有較高的延遲率和丟包率，利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴９?jié)點會以相對較低的速度進行轉(zhuǎn)移，一旦檢測到有數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，它還會對數(shù)據(jù)進行備份。其在傳輸過程中，中間節(jié)點還會為接收到的報文進行緩存處理，通過多次重復(fù)手段成功接受報文，即RBC協(xié)議具有多重ACK機制。據(jù)此可以證明，上述兩協(xié)議適用于兩節(jié)點之間直接相連的傳輸情況，從智能終端到戶內(nèi)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)融合中實現(xiàn)有效接入。因此，我們可以針對自組織結(jié)構(gòu)對無線通信網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計，并實現(xiàn)協(xié)議的高效傳輸。為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專門設(shè)計的TCP協(xié)議的應(yīng)用是基于SACK報文依照傳輸路徑回溯給源節(jié)點的主要手段。它能夠?qū)厮輦鞑ヂ窂降墓?jié)點做檢查，但是它會延長數(shù)據(jù)的傳送時長，并造成流量的增多，導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)傳輸負載過重的問題，造成網(wǎng)絡(luò)的擁堵，引起連接吞吐量的急劇下降。對此，我們一定要提高數(shù)據(jù)的完整性，不斷提高系統(tǒng)傳輸?shù)膶嵭裕瑢鬏攲觿討B(tài)機制設(shè)置保障。
2動態(tài)附加傳輸通道保障機制的描述
物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸機制會出現(xiàn)傳輸層數(shù)據(jù)堵塞的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致丟包加速遞增。如果當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸連接通道為S（V0，VDAPi），V0作為數(shù)據(jù)的源節(jié)點，那么VDAPi則是匯聚目的的節(jié)點，它可以通過任意一個DAP匯聚點與AMI系統(tǒng)接入。一旦to傳輸時刻出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，那么其節(jié)點也會通過自檢手段發(fā)現(xiàn)源數(shù)據(jù)，使其逐步累積，并開始丟棄，直到擁堵點后向節(jié)點在未拆除區(qū)域同源數(shù)據(jù)的消失為止。此時，節(jié)點Vi和Vj就可以對連接通道堵塞的情況進行單獨分析，從而快速啟動多動態(tài)附加通道保障制度。物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸層動態(tài)通道保障機制主要采用的是漂白技術(shù)，節(jié)點Vi和Vj會沿著以往的傳輸通道回溯到向源和目的節(jié)點之中，S（V0，Vi）以紅色著色，S（Vj，VDAPi）則為藍色，并將其定義為永久色，不會出現(xiàn)褪色現(xiàn)象。然后，Ag-Red再從Vi出發(fā)，Ag-blu則從另一端出發(fā)，沿著自身的復(fù)合量數(shù)據(jù)進行探究，選取最佳的附加通道。想要實現(xiàn)通道傳輸?shù)母哔|(zhì)量特性，避免出現(xiàn)抖動，使其性能達到最佳，器在整個傳送的過程中一定要保證好復(fù)合量度，并由殘余帶寬進行接收，將具體公式運算到其中：物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸層動態(tài)通道保障機制還運用了二類器，使其與二類通道成功建立了保證DSTC算法較高成功率的手段，并進一步分析了該算法的時間復(fù)雜情況。通過兩級嵌套過程的建立，避免節(jié)點出現(xiàn)多次訪問現(xiàn)象。
3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和數(shù)學(xué)模型的建立
物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸層動態(tài)通道保障機制的有效保證一定要以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)分析和數(shù)學(xué)模型的建立為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)可再生資源的合理利用，也是解決能源危機的有效對策。如果AMI系統(tǒng)延伸到用戶側(cè)，系統(tǒng)會對通信組網(wǎng)提出更高的要求。具體而言，包括對大規(guī)模組網(wǎng)要求的提升以及AMI數(shù)據(jù)抄收、負荷控制、信息等的高要求。物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸層動態(tài)通信保障機制的運用不是簡單地過程，構(gòu)建能量測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架，對智能家居電能實施監(jiān)測、控制智能電表和DAPS中斷，組成系統(tǒng)圖形就成為了必然之舉。它能夠?qū)崿F(xiàn)智能電網(wǎng)高級測量，使無線通信長度持續(xù)延伸，直到“最后一公里”。根據(jù)上述模型，我們也不難發(fā)現(xiàn)具有通信功能的智能家電可以實施抽象化，將其轉(zhuǎn)化為物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)源節(jié)點，利用多極化結(jié)構(gòu)將用戶所需的信息傳送至相應(yīng)的系統(tǒng)。此外，還能夠構(gòu)建新的結(jié)構(gòu)模型，周期監(jiān)測數(shù)據(jù)，找到建筑阻隔和節(jié)點通信能力的不同，實現(xiàn)通信模式的異構(gòu)。4結(jié)束語總而言之，電能交換系統(tǒng)的運行狀態(tài)和電網(wǎng)運營模式最終是由用戶側(cè)用電需求以及實時用電量的質(zhì)量決定的，必須保證其接入的可靠性。以無線通信傳輸多址接入技術(shù)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)體系，能夠有效提升接入效率，實現(xiàn)智能終端靈活接入AMI系統(tǒng)。但是，其在通信量出現(xiàn)負載情況的時候則較為容易出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，丟包和重傳率都會有所增多，成為技術(shù)難點所在。對此，該文就采用多器協(xié)同技術(shù)對動態(tài)附加傳輸通道實施保障，找到器工作的最佳方案，完成附加通道的更換建立，并做好仿真驗證工作，從傳輸層面提高物聯(lián)網(wǎng)通信信息的完整性。
作者:陳家遷 單位:廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
1.1微處理器選擇S3C2440是三星公司開發(fā)一款16/32位RISC微處理器，基于ARM920T內(nèi)核，ARM920T實現(xiàn)了MMU，AMBA總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)具有獨立的16kB指令高速緩存和16kB數(shù)據(jù)高速緩存，工作頻率可以達到400MHz。芯片內(nèi)部NAND控制器，通用串行接口，2個USBhost，1個USB設(shè)備，攝像頭和MMC接口。S3C2440具有130個通用I/O接口以及24個外部中斷，支持快速中斷[3]。S3C2440體積小，功耗低，豐富的接口資源、存儲方式等為實現(xiàn)電梯檢驗設(shè)備提供了低功耗和高性能的小型芯片微控制器的解決方案。
1.2GPRS硬件模塊MC35i是SIEMENS（西門子）公司推出的GSM/GPRS雙模模塊，主要為語音傳輸、短消息和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口，具有很高的可靠性和易用性，適合開發(fā)一些基于GSM/GPRS的如監(jiān)控、調(diào)度、車載、遙控、遠程測量、定位等無線應(yīng)用產(chǎn)品[4]。該模塊集成了完整的GSM射頻模塊和GSM的基帶處理器，基帶處理器作為MC35i的核心，主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。
1.3時鐘和存儲模塊S3C2440只需要外部的一個12MHz到20MHz的時鐘信號就可以通過內(nèi)部的PLL模塊產(chǎn)生需要的時鐘信號，本文設(shè)計時采用了一個12MHz的無源晶振作為S3C2440的外部時鐘。S3C2440是一個32位的嵌入式處理器，本文選用兩片16位SDRAM芯片組成32位數(shù)據(jù)總線。應(yīng)用bank6作為SDRAM的尋址空間，采用了nGCS6作為SDRAM的片選。S3C2440的內(nèi)部有4KB左右的存儲空間。同時，S3C2440集成了FLASH控制器和SD接口。依據(jù)設(shè)計，本文采用了128MB的SDRAM、1GB的NandFlash以及SD卡的外擴存儲器方案。NANDFlash存儲器是一種不易失且可重寫的存儲器，即使在系統(tǒng)掉電后也不會丟失信息，一般用于存放程序代碼、用戶數(shù)據(jù)等。S3C2440集成了8位/16位的NANDFlash控制器，支持512/1024/2048個字節(jié)的NANDFlash頁面大小。NANDFlash采用非標(biāo)準(zhǔn)總線形式的地址和數(shù)據(jù)傳輸方式，需要專門的NANDFlash控制器來完成對其尋址和數(shù)據(jù)讀寫[5]，具體電路連接如圖4所示。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計
電梯檢驗設(shè)備系統(tǒng)軟件主要包括GPRS模塊控制程序、電梯檢驗設(shè)備主程序兩部分。系統(tǒng)啟動后自動運行軟件程序，完成通過GPRS無線通信從數(shù)據(jù)中心下載電梯檢驗任務(wù)、完成檢驗任務(wù)、使用GPRS模塊無線通信實時上傳檢驗結(jié)果數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。
2.1GPRS模塊軟件設(shè)計電梯檢驗設(shè)備中使用的GPRS模塊為西門子公司生產(chǎn)的MC35i，該設(shè)備支持AT指令控制，處理器通過串口與MC35i模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。該模塊軟件主要包括模塊初始化、指令和數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收處理，這3部分操作都通過串口與MC35i數(shù)據(jù)通信完成。串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收調(diào)用串口模塊的通用接口函數(shù)即可實現(xiàn)，這部分編程不詳細介紹，本文重點介紹MC35i控制編程。電梯檢驗設(shè)備進行GPRS無線通信，首先需要與服務(wù)器建立GPRS連接，即實現(xiàn)GPRS登陸。在登陸前需要使用AT指令對無線通信模塊MC35i進行初始化設(shè)置，設(shè)置內(nèi)容包括連接方式、服務(wù)類型、接入點名稱、服務(wù)器地址及端口。初始化完成后即可開啟網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，模塊會自動登錄到服務(wù)器的相應(yīng)端口上，登陸完成后就可以進行數(shù)據(jù)通信了。MC35i模塊初始化程序流程圖如圖5所示。
2.2電梯檢驗設(shè)備主程序設(shè)計S3C2440處理器通過RS232串口和GPRS無線模塊進行通信。首先處理器通過串口向MC35i模塊發(fā)送指令從數(shù)據(jù)中心下載檢驗任務(wù)，然后通過串口接收MC35i無線模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，獲取電梯檢驗任務(wù)并顯示在顯示屏上，電梯檢驗結(jié)束后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理器將檢驗結(jié)果通過串口發(fā)送給MC35i無線模塊，最后由MC35i無線模塊將檢驗結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，電梯檢驗設(shè)備軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。
3系統(tǒng)運行結(jié)果
基于MC35i的電梯檢驗設(shè)備應(yīng)用效果測試工作是對整個電梯檢驗管理系統(tǒng)運行情況的徹底檢查，主要目的是測試電梯檢驗設(shè)備應(yīng)用到檢驗工作的效果。測試工作制定了測試方案，對測試的范圍、流程、方法及要求作出了具體的規(guī)定。測試工作包括了從檢驗任務(wù)受理開始，一直到檢驗報告生成等系統(tǒng)涉及的所有環(huán)節(jié)。測試工作選取了6個檢驗小組，12名檢驗人員（其中有檢驗師6名）分別采用傳統(tǒng)檢驗管理系統(tǒng)和基于GPRS無線通信的檢驗設(shè)備對226臺電梯設(shè)備進行了檢驗。通過測試，統(tǒng)計分析了檢驗信息輸入的時間及準(zhǔn)確性[6]，檢驗記錄及檢驗報告處理時間及信息的準(zhǔn)確性等要素。具體測試結(jié)果如下：
4結(jié)束語
無線通信網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)由于具有一定的共性，所以也無可避免的會面臨不少相同的安全問題，比如病毒攻擊、黑客入侵等。不過由于無線網(wǎng)絡(luò)本身開放性、移動性、傳輸信道的不穩(wěn)定性等特點，所以會具有一些有線通信網(wǎng)絡(luò)不一樣的問題：首先，與有線網(wǎng)絡(luò)的私密性不同，無線網(wǎng)絡(luò)相對比較開源開放。如有線網(wǎng)絡(luò)具有明確的實體邊界，電力自動化無線通信網(wǎng)絡(luò)卻沒有確定的物理邊界，比如WLAN，它的接入點的信號由于發(fā)向天空，在沒有控制措施的情況下，無線覆蓋范圍之內(nèi)具有一樣接收頻率的使用者就可以獲取發(fā)送的信息，甚至可以經(jīng)由接入點訪問上一級的網(wǎng)絡(luò)。所以無線通信網(wǎng)絡(luò)的開放性，可能會引起非法信息接收和違法信息服務(wù)等相關(guān)的安全問題。第二，無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道比有線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，容易變化。電力自動化無線網(wǎng)絡(luò)由于傳輸環(huán)境是不確定的，隨著用戶的移動而產(chǎn)生變化，會受到多種外界因素的干擾影響，引起信號質(zhì)量的起伏不定，以致通信中斷的情況出現(xiàn)。所以，無線網(wǎng)絡(luò)由于傳輸信道的不穩(wěn)定會造成通信質(zhì)量的不穩(wěn)定，進而影響其安全性。由于以上無線通信網(wǎng)絡(luò)的固有性特點，決定了它的安全問題主要體現(xiàn)在如下五個方面：
（1）監(jiān)聽攻擊：空中的通信信號被截取，信息被非法獲取并被計算機系統(tǒng)分析。
（2）插入攻擊：利用監(jiān)聽獲得用戶身份信息等，偽裝成合法用戶，借助無線通信的信道進入系統(tǒng)，再控制系統(tǒng)。
（3）無線網(wǎng)絡(luò)干擾：指發(fā)射較大功率的相同頻率信號干擾無線信道的運作。
（4）未授權(quán)信息服務(wù)：部分用戶在未經(jīng)授權(quán)的前提下使用系統(tǒng)信息資源。
（5）移動IP安全：終端用戶在一定區(qū)域內(nèi)漫游的情況下，管理信息以及用戶信息可能存在安全泄露威脅。
二、無線通信網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決策略
對于以上五個方面的問題，我們一一進行分析，并提出一定的對策。
1反監(jiān)聽攻擊
為了預(yù)防以及遏制監(jiān)聽攻擊的問題，首先要避免空中信號被攔截情況的發(fā)生。可以采用不易被偵測到的信號加密技術(shù)，如直接序列擴頻調(diào)制或跳頻擴頻調(diào)制的方式。在該技術(shù)的前提下，加強對重要信息的保密處理，也就是萬一空中信號被非法截取后，必須要一定的分析計算工具才能破解相應(yīng)信息，比如用戶系統(tǒng)的ID等。
2放插入入侵
如果非法用戶采取竊聽獲取了用戶的信息，他也就可以偽裝成正規(guī)用戶，借助無線信道傳輸信息系統(tǒng)、進而掌握系統(tǒng)的指揮權(quán)。為了預(yù)防這種情況的出現(xiàn)，應(yīng)采取接入控制技術(shù)。身份認(rèn)證是接入控制技術(shù)的關(guān)鍵，用戶想進入系統(tǒng)必須通過身份編碼識別系統(tǒng)的認(rèn)證才行。目前，與無線網(wǎng)絡(luò)的身份認(rèn)證有關(guān)的協(xié)議主要有RADIUS協(xié)議、IEEE802.1x協(xié)議、擴展認(rèn)證協(xié)議（extensibleauthenticationprotocol，EAP，包括EAP-TLS、EAP-SIM、EAP-MD5、EAP-OTP）等。申請者、認(rèn)證者、和認(rèn)證服務(wù)器三個部分組成了一個典型的接入控制系統(tǒng)。圖1主要體現(xiàn)了WALN的接入和控制結(jié)構(gòu)。申請者表示為用戶站點（STA），認(rèn)證者是接入控制器部分（AC），包括認(rèn)證服務(wù)器（authenticationserver，AS）。
3預(yù)防未授權(quán)信息服務(wù)
雖然用戶可以獲得合法的授權(quán)，并享受相應(yīng)的信息資源的服務(wù)，并不代表就能查閱任意資源的，系統(tǒng)將分權(quán)限管理。如果用戶想要獲得訪問權(quán)限，必須要提交身份認(rèn)證，并在系統(tǒng)的檢查通過的情況下，才能獲得訪問權(quán)限，該方法可以充分阻止未授權(quán)信息服務(wù)。但是結(jié)合無線通信網(wǎng)絡(luò)開放性的特點，僅僅通過檢查用戶權(quán)限，并不能全面預(yù)防未授權(quán)信息服務(wù)，必須有條件的接收用戶。接入點發(fā)射出來的無線信號會被加密，接收機沒有正確的密碼將無法正確的打開信息。
4移動IP安全
移動IP用戶可能會受到多種攻擊和干擾，但最主要的便是拒絕服務(wù)（DOS）、竊聽等。某個破壞者嘗試阻止一個用戶的正常無線網(wǎng)絡(luò)通信，讓該用戶的信息無法傳遞，既可以成為拒絕服務(wù)。DOS主要分兩種情況：第一種是破壞者破壞用戶傳輸?shù)焦?jié)點的數(shù)據(jù)包；第二種是破壞者用大量垃圾信息包干擾用戶主機。DOS攻擊經(jīng)常發(fā)生在破壞者利用假注冊對特定移動節(jié)點的破壞上，這種情況會引起合法用戶的移動節(jié)點無法傳輸，甚至合法用戶傳向移動節(jié)點的數(shù)據(jù)包被破壞者截取。破壞者竊移動節(jié)點與家鄉(xiāng)之間的信息交換稱為被動監(jiān)聽。破壞者可能通過物理終端接口進入網(wǎng)絡(luò)。在這個共用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，合法用戶的信息都可能暴露在破壞者的監(jiān)聽下。竊聽者同無線信號設(shè)備接收信息，因此將變得無跡可尋。所以這種竊聽防不勝防，最合理的辦法便是采用點對點加密技術(shù)。破壞者的主動行為主要變現(xiàn)為插入攻擊，通過竊聽移動節(jié)點與家鄉(xiāng)之間的信息交流經(jīng)過，阻止以及中斷移動節(jié)點的通信并且插入和家鄉(xiāng)的傳輸過程。端到端信息加密是解決這個問題的最好方法，一般會采取虛擬專用網(wǎng)（VPN）的方法來實現(xiàn)，這樣就算信息被截取，破壞者只會得到虛假的資料。
5無線干擾
根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，無線干擾問題不僅發(fā)生次數(shù)較多，而且可以造成很大的破壞。一旦破壞者采用發(fā)射較大功率的相近信號破壞無線信道的正常運行，這種攻擊一般是故意而為的。對于此問題的應(yīng)對方法，不僅可以通過無線電管理及時查找干擾源、排除干擾源的方法，來解決無線干擾以外，還可以采取應(yīng)用載波檢測—跳頻通信技術(shù)。通過發(fā)射機對信道載波使用情況進行實時的監(jiān)測與判定，一旦出現(xiàn)頻道被非法占用的情況，立即變換通信所用的頻道。跳頻通信不僅可以通過隨機的方式更換頻道，也可以改變圖形運行，結(jié)合糾錯編碼，能夠阻止一定條件下的惡意破壞。
三、結(jié)語
