无线测控系统通信平台的发展趋势
浙江中控软件技术有限公司 陈国朝
摘 要：当前工业现场应用的大部分无线测控系统都使用CDMA/GPRS/GSM作为无线传输单元，该系统存在无线带宽窄、实时通信能力较差、抗干扰性较弱、系统维护成本高等问题。随着无线通信技术的发展，Wi-Fi/WiMAX与3G等新一代的无线通信技术具有传输数据速率高、性价比优良、抗干扰性强、系统维护成本相对较低等特点，应用于无线测控系统，将是工业无线控制系统领域的趋势。
关键词：无线测控系统 Wi-Fi/WiMAX 3G
1. 引言
工业无线技术是继现场总线之后，工业控制系统领域的又一热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。工业无线技术是一种将工业现场的数据通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享的一种技术。它为实现工厂内部设备之间和工厂内部设备与外部设备之间的通讯提供了无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足。
从上世纪80年代就开始普及的数传电台应用，到近几年以802.11b/g、ZigBee等为代表的短距离无线通讯技术以及以GSM/GPRS/CDMA等为代表的远距离无线传输技术正得到广泛应用。以3G和Wi-Fi/WiMAX为代表的新一代无线通信技术在中国逐步兴起，市场规模迅速扩大，产业链雏形初现，领域内的竞争也相继展开。借此契机，无线测控系统在工业领域的应用将具有更广阔的前景。
2. 国内外无线测控系统的现状
目前，国内外对应用无线通信技术和Internet 技术的测控系统研究正进行得如火如荼，许多企业与机构都推出了自己的产品。其中，最为完备的工业无线测控系统是由美国海军提出的整体解决方案，如图1所示。该方案是为了提高战舰的自动化水平而提出，开发完成的无线测控系统采用了IEEE 1451标准，实现了对海军装备的性能状态进行实时监控，实现系统的快速重装配。该解决方案中，现场信号的采集、传输与控制是通过局域无线通信技术完成，而数据的处理与应用则通过广域无线通信技术完成[1]。
图1 美国海军基于无线测控的CBM系统
而国内亦已经展开了基于公众移动数据通信网平台的应用研究[2]，然而目前大部分此类系统还仅仅是一种非平台的分散的特殊应用的一些尝试，尤其是通信模式与协议无统一标准。当前国际上可用于远程传输的主要有以下几种：小型大功率无线电台、扩频通信、低压电力线载波、公用电话网络、因特网、GPRS、CDMA 1X等技术。其中前四个由于受到通信速率、误码率等诸多方面的限制，并不十分适用于工业无线网络测控系统的数据远程传送。利用现有的Internet设施进行网络化测控，不但可以降低成本，而且可以方便实时地监测和控制终端设备的工作。GPRS(General Packet Radio Service)通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS传输速率可达171Kb/s，传输可靠性高，基于IP协议可以访问整个Internet[3]。比如文献[3]实现的石油测井实时远程监控系统，就同时使用了GPRS网络和Internet进行数据传送。CDMA 1X原意是指CDMA 2000的第一阶段（速率高于IS-95，低于2Mb/s），可支持308Kb/s的数据传输，网络部份引入分组交换，可支持移动IP业务，与GPRS无线网络接入相当。
在系统方面，传统的以单片机为核心的无线测控系统图形处理能力比较差，不能满足工业监控对数据处理的实时性和高效性[4]。近年来，以PC104为代表的工控机作为主控机的无线测控系统虽然可以组成大型的监控网络，但硬件系统可靠性比较差，功耗较大，移动性、抗震防尘能力比较差，对环境要求也较高。
随着以低功耗、高性能著称的32位ARM微处理器的普及与推广，以ARM控制器为核心的嵌入式无线控制系统已替代PC104工控机，组成大型的网络监控系统，其存储容量和运算速度足以满足网络通讯的要求，同时也满足工业监控系统的可靠性、实时性、抗干扰性。
目前，数传电台已基本被GSM/GPRS、CDMA等公用无线通信平台所代替，并在工业领域得以充分发展，利用嵌入式技术和工业监控技术提供新服务适用于大区域无线分布式数据双向传输，集测、控于一体的工业级设备，它具有良好的适应性和稳定性，支持复杂的数据采集和简单逻辑控制，也可以实现本地控制、远程遥控等多种控制功能，是地域分散的设备、小型装置、测控点的理想选择，在石油化工、环境治理、火灾报警、水务处理、智能交通、电力调度、市政调度等领域有着广泛的应用。
3. 无线测控系统中无线通信平台的发展
然而，工业无线通信更加注重高可靠性、实时性、安全性的要求，例如在工厂复杂的RF环境下，要求可靠传输率>95%，能在恶劣的工业环境下（EMI、多径、衰变等）正常工作，能与现场中同时存在Wi-Fi、RFID、对讲机、手机、寻呼机、无线远程控制和其他无线数据网络共存，有抗拒数据传输阻塞的能力，单点故障不致对整个网络产生影响；数据传输类应用有更严格的延迟要求，用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小，在监控类系统中需要传输实时图像、实时音频，系统需内嵌图像误别技术等等，GPRS/GSM、CDMA通信带宽将无法满足要求，无线系统的通信处理势必向Wi-Fi/WiMAX或者3G方面发展。
3G是英文3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、TDMA等数字手机(2G)，第三代手机是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供如WEB浏览、电话会议等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持足够快的数据传输，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速度。
3G是支持高速无线通信的ITU规范，这一遍布全球的无线连接与GSM、TDMA和CDMA相兼容。3G蜂窝服务能够为语音和数据提供一个远程无线接入范围。全球的运营商将在城镇、郊区和乡村等地区部署3G网络基础设施,从而创建更广泛的数据接入范围，为语音通信和互联网连接等数据业务提供最理想服务。
WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是一项新兴技术，能够在比Wi-Fi更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接性，由此支持企业客户享受T1类服务以及居民用户拥有相当于线缆/DSL的访问能力。凭借其在任意地点的1～6英里覆盖范围（取决于多种因素），WiMAX将可以为高速数据应用提供更出色的移动性。此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率，WiMAX还能够提供为电信基础设施、企业园区和Wi-Fi热点提供回程。802.16是由IEEE 802开发的无线接入技术空中接口标准，具有代表性的标准包括802.16d固定无线接入和802.16e移动无线接入标准。按照目前的技术发展情况，802.16d主要定位于企业用户，提供长距离传输的手段，而802.16e的用户群则定位于个人用户，支持用户在移动状态下宽带接入网络。
然而，对于GPRS、CDMA1x等技术而言，上下链路数据业务的对称性是Wi-Fi的一个明显优势。对于3G室内的2Mbit数据速率，Wi-Fi也具有绝对的优势，它目前采用的是802.11b标准，理论数据速率可达11Mbit，实际的物理层数据速率支持l、2、5.5、11Mbit等可以调节，覆盖范围为100-300m。随着802.11g/a、802.16e、802.11i、WiMAX等技术、协议标准的制定和完善，Wi-Fi正在进入一个快速发展的阶段。其中，作为802.11b发展的后继标准802.16，已经在2003年1月正式获得批准，虽然它采用了与802.11b不同的频段(10-66GHz)，但是作为一项无线城域网(WMAN)技术，它可以和802.11b/g/a无线接入热点互为补充，构筑一个完全覆盖城域的宽带无线技术。Wi-Fi/WiMAX作为Cable和DSL的无线扩展技术，它的移动性与灵活性为移动用户提供了真正的无线宽带接入服务，实现了对传统宽带接入技术的带宽特性和QoS服务质量的延伸。
对于Wi-Fi技术而言，漫游、切换、安全、干扰等方面都是运营商组网时需考虑的重点。随着骨干传输网容量和传输速率的提高，无论采用平面或者两层的架构都不会影响到用户的宽带快速接入；随着IAPP以及Mobile IP技术的完善、IPv6的发展也可以最终解决漫游和切换的问题；802.11i标准的产生将提供更多的包括WPA2、多媒体认证等安全策略；不断成熟的组网方案和干扰预检测机制都可以减少频率资源开发带来的干扰。
Wi-Fi/WiMAX的市场目标是成为宽带无线接入城域网技术，基本目标是要提供一种城域网领域点对多点的多厂商环境下可有效地操作的宽带无线接入手段，以实现满足3G标准的以无线广域网WWAN为基本模式、以公众语音及多媒体数据为内容、在全球范围内漫游的个人手机终端的基本市场定位。Wi-Fi/WiMAX也可以作为3G无线广域/城域、多点基站互联支持手段的补充。
通信平台的发展，将会使Wi-Fi/WiMAX和3G技术的互补共存、共同发展，主要表现在以下几个方面：
(1) 基于全IP的网络架构：
不管是现在商用的还是正在试验的(CDMA2000/ WCDMA R99/R4/TD-SCDMA)3G标准都不是基于全IP的网络，比如CDMA2000是基于ANSI-41;WCDMA 99/TD-SCDMA是基于传统的GSM-MAP、R4软交换的承载和控制分离方式，而直到R5引入了IMS才实现全IP的核心网。显然全IP的核心网络也是3G发展的方向，采用基于全IP的核心网不但可以与无线接入方式独立地发展，还可以支持包括Wi-Fi/WiMAX、WCDMA、Bluetooth等多种无线接入方式。在3G的R6中已经开始把WLAN和3G一同考虑了。
(2) 共用开放的业务平台和运营支撑系统：
Wi-Fi/WiMAX和3G不同的承载特性(吞吐量、延时、QoS、对称性等)为用户享受语音、数据、多媒体业务提供更多的接入方式选择；它们可通过共用开放的业务平台融合不同的业务引擎实现网络间互通；根据网络服务区内的性能，用户可以手工或者自动选择接入那个网络；同时支持WLAN和3G网络的运营支撑系统，可以对双网实现统一的运营管理、计费、甚至用户身份认证，最大限度降低网络建设、维护成本。
(3) Wi-Fi/WiMAX和3G应用的互补：
两种网络技术在移动通信技术发展中将局部融合，各自发挥优势，互补趋势集中体现在以下几个方面：
● 语音和VoWLAN相对于满足大话务量、多用户数的3G技术，基于IP技术的WLAN网络更适合开展广播式语音业务（PTT、多方会议、长途通话、广告发布等）。
● 广域覆盖和区域覆盖下的数据业务，相对于3G技术覆盖范围大、快速移动时仍能保持144kbit的数据速率的特点，WLAN技术在特定区域内满足用户高速数据传输的需求具有绝对优势。
● 无线信道资源的利用：3G分配的频率资源是有限的，而数据业务对信道的占用率极高，影响其同时接入的语音用户数量。如果规划特定区域（比如商业中心人群密集区）内把数据业务转移到Wi-Fi/WiMAX的公共数据通道无疑将大大提高3G无线网络资源利用率。
● 手持终端和Laptop/PDA结合：传输数据速率高、Always On Line和低使用费的Laptop/PDA可以满足商业用户大信息量的需求——携带更为方便、小巧的3G手持终端可以满足个人用户对快速消息的需求。
4. 总结
工业控制领域中控制系统的无线网络化适应无线网络发展的要求，欧洲开始部署城域WLAN网络，北美城域WLAN网络的商用化。由此，可以预见随着国内Wi-Fi/WiMAX的发展与应用和3G网络的部署，Wi-Fi/WiMAX与3G双模技术将会在不久的将来在工业自动化控制领域得到广泛应用。
参考文献：
[1] 薛丰. 基于无线智能传感器的分布式测量与控制系统.华中科技大学硕士论文，2004.
[2] 王然 刘子英 张有光. 石油测井远程数据传输系统的设计和实现.计算机工程，vol.32(4)，pp.236- 237， 240，2006.
[3] 龚明 王毅. 远程数据传输的研究. 现化电子技术，vol.5(196)，pp.52-55，2005.
[4] 姚益圣. 一个安全可靠的远程监控系统的设计与实现.计算机工程与应用，vol.12(4)，pp.21-22，2003.
京公网安备 11010802033920号
