（通信与信息系统专业论文）wiapa工业无线网络共存技术的研究与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 w 执p a 是我国自主研发的用于工业过程测量、监视与控制的工业无线网络标 准。无线通信网络的数据在发送、接收的过程中容易受到干扰，影响设备的通信性 能，因此增强w i a p a 无线网络的抗干扰性，实现与其它无线网络的共存极为重要。 本文针对工业无线网络的特点，分析了其它2 4 g h z 无线网络对w 认p a 系统 的干扰情况，为了尽可能减小或消除干扰提出了适合w m p a 工业无线网络的共存 技术方案。该方案有利于提高国内w i a p a 无线网络在工业控制领域应用的可靠性， 增强低速率无线技术在工业环境中的适应能力。本文主要内容包括： 1 ) 分析a p a 网络易受到的干扰情况，研究w i a p a 网络与其它网络的共 存机制，主要包括冲突避免机制c s m a c a 、跳信道技术、重传、时隙传输以及低 传输数据周期等。 2 ) 改进现有w i a p a 标准的共存机制与协议，增强抗干扰性。针对无安全和 有安全的i e e e8 0 2 1 5 4 网络的干扰，通过侦听信标帧，计算冲突域的时间周期，分 别提出w 从p a 网络与之共存的方法。 3 ) 研究并实现基于w i a p a 网络特征的自适应跳信道方案：提出一种基于确 定性调度的信道评估方法；完善w 认p a 网络信息采集机制；设计w i a p a 网络的 整体协议架构，重点设计数据链路子层状态机的调度流程；并在实现时间同步和确 定性调度的基础上实现自适应跳信道。 4 ) 通过搭建w 认p a 网络测试系统，对w l a p a 无线网络的抗干扰通信性能 进行测试，测试结果表明自适应跳信道技术能够有效利用网络的信道资源，减小网 络丢包率，有效地提高了w 认一p ai 业无线网络通信的抗干扰性能。 关键词：w i a p a ，共存，信道评估，自适应跳信道 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s 仃a c t w i a - p ai n d u s t r yw i r e l e s sn e t w o r ks t a n d a r di s i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e db y o u r c o u n t r ya n du s e d f o ri n d u s t r i a l m o n i t o r i n g ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la p p l i c a t i o n s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd a t at h a ti st os e n do rr e c e i v ei nt h ep r o c e s si s s u s c e p t i b l et oi n t e r f e r e n c e ，w h i c ha f f e c tt h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c eo fd e v i c e s t h e r e f o r e t oe n h a n c ew i a - p aw i r e l e s sn e t w o r ki n t e r f e r e n c ea n di m p l e m e n tc o e x i s t e n c e 、析t ho t h e rw i r e l e s sn e t w o r k si sv e r yi m p o r t a n t a i m i n ga t t h ec o n c r e t ef e a t u r e so fw i a - p an e t w o r k , t h i sp a p e ra n a l y z e st h e i n t e r f e r e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e2 4 g h zw i r e l e s sn e t w o r k i no r d e rt om i n i m i z eo r e l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c e ，c o e x i s t e n c et e c h n o l o g yf o rw i a p an e t w o r k si sp r o p o s e di n t h i sp a p e r i tc a ni n c r e a s ed o m e s t i cw i a - p aw i r e l e s sn e t w o r ka p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do f t h e r e l i a b i l i t yo fi n d u s t r i a lc o n t r o la n de n h a n c el o w - r a t ew i r e l e s st e c h n o l o g y i nt h e i n d u s t r i a le n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t y t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si n c l u d e s ： 1 ) a n a l y z et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nw i a p an e t w o r ka n do t h e rw i r e l e s sn e t w o r k s ； r e s e a r c hw l - p an e t w o r kc o e x i s t e n c em e c h a n i s m ，s u c ha sc a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c h a n n e l h o p p i n gt e c h n o l o g y , c h a n g i n gp h y s i c a ll a y e r p a y l o a d sf o rr e t r a n s m i s s i o n s ，t i m es l o t t e do p e r a t i o n , l o wd u t yc y c l e ，e t c 2 ) i m p r o v et h ec o e x i s t e n c em e c h a n i s ma n dp r o t o c o lo ft h ew n p as t a n d a r da n d e n h a n c ea n t i i n t e r f e r e n c e ；b a s e do ni n s e c u r eo rs e c u r ei e e e8 0 2 。15 4n e t w o r k i n t e r f e r e n c e ，c a l c u l a t et h et i m ep e r i o do fd o m a i nc o n f l i c tb yl i s t e n i n gt ob e a c o nf l a m e s ， r e s p e c t i v e l yp r o p o s et h ec o e x i s t e n c em e t h o di nw i a - p a n e t w o r k 3 ) r e s e a r c ha n di m p l e m e n tt h ea d a p t i v e c h a n n e lh o p p i n gp r o g r a mb a s e do n w i a p an e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c s p r o p o s et h em e t h o do fc h a n n e la s s e s s m e n tw h i c hb a s e d o nd e t e r m i n i s t i cs c h e d u l i n g ；o p t i m i z a t i o nt h ee x i s t i n gi n f o r m a t i o nc o l l e c tm e c h a n i s m b a s eo nc h a n n e la s s e s s m e n t ；d e s i g nt h en e t w o r kp r o t o c o la r c h i t e c t u r eb a s e do nt h es t a t e m a c h i n e ，f o c u s i n go nd a t al i n ks u b l a y e rs t a t em a c h i n es c h e d u l i n gp r o c e s s ；r e a l i z et h e a d a p t i v e c h a n n e lh o p p i n gt e c h n o l o g yo nt h e b a s i so ft h er e a l i z a t i o no ft h et i m e s y n c h r o n i z a t i o na n dd e t e r m i n i s t i cs c h e d u l i n g 4 ) t h r o u g hs e t t i n gu pw 认一p an e t w o r kt e s t i n gs y s t e m ，t h ea n t i i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c eo fw i a p aw i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nw e r et e s t e da n dv a l i d a t e d t h e t e s tr e s u l t ss h o wt h a ta d a p t i v ec h a n n e lh o p p i n gt e c h n o l o g yc a nu s et h ec h a n n e lr e s o u r c e s i i 重庆邮电大学硕士论文目录 e f f e c t i v e l y , r e d u c et h er a t eo fn e t w o r kp a c k e t sl o s sa n di m p r o v et h en e t w o r kt h r o u g h p u t ， w h i c he 位c t i v e l yi m p r o v et h ea n t i - i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c eo fw 认- p ai n d u s t r i a l w i r e l e s sn e t w o r k k e y w o r d s ：w 认一p a ，c o e x i s t e n c e ，c h a n n e la s s e s s m e n t ，a d a p t i v ec h a n n e lh o p p i n g 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，推动了无线传感器网 络的发展。基于工业无线传感器的网络技术使得工业现场的数据通过无线链路直接 发送给系统管理器。工业无线网络技术能够在工业环境下，为各种现场设备、手持 设备以及各种自动化设备之间的通信提供安全保密、低功耗、实时性高的通信性能。 工业无线控制网络是应用在工业自动化控制领域的一次重大进步，在全世界范 围内得到了广泛的研究，有着广阔的应用前景。无线网络技术的应用领域也随着技 术的进步不断地扩展，并从上世纪9 0 年代开始进入工业自动化领域。工业无线网络 是一种网络规模较大、节点可移动、支持多种拓扑结构的无线网络。与传统有线网 络相比，无线网络技术应用于工业自动化领域具有以下几个特点： 1 ) 低成本 工业无线网络的成本是影响其大规模应用的重要因素，在传统的有线系统中， 布线成本是几十美元米，在一些恶劣环境下，可达到几千美元米。而无线传感器 节点无需布线，安装简易，不受地理位置的限制等，使用工业无线技术将使测控系 统的安装与维护成本降低9 0 ，是实现低成本测控系统的关键。 2 ) 组网灵活 目前的工业无线网络支持星型、树型、m e s h 型等多种网络拓扑结构，无线传器 节点具有自组织能力，在恶劣的工业环境下，节点设备可能会出现故障、通信链路 受到干扰等情况，因此无线传感器节点设备应具有自动配置，管理功能，使其在网 络中可以正常通信。 3 ) 高可靠性 工业控制应用要求数据的通信具有高可靠性，无线传感器节点把采集的数据发 送给网关，如果发送数据失败，该传感器节点会通过冗余路径发给另外一个新设备 进行转发，保证数据的可靠性传输。另一方面，工业无线网络容易受到其他网络的 干扰，设备可以采取自适应跳信道、重传、c s m a c a 和频谱管理等技术来提高网 络的抗干扰性。 4 ) 低功耗 工业无线传感器节点由于成本的限制，以及电源布线困难等因素，通常不外接 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 电源，而靠自身携带的电池供电，节点的电池寿命根据具体的应用进行选取，一般 有效的使用年限为到3 至5 年。依靠电池供电的无线传感器节点可以利用休眠等技 术保持低功耗，在一定程度上大大减小了网络运行成本。 工业无线通信技术具有低成本、组网灵活、抗干扰能力强、低能耗等技术特征， 使现有的无线技术在工业应用上实现了功能扩展和技术创新。在工业自动化控制领 域，通过无线网络不仅可以很方便地接入移动设备，也可对安置于现场的现场节点 如无线温湿度传感器、压力变送器、阀门等进行远程监控，这将有效地提高网络通 信的工作效率。 1 2 工业无线网络发展现状 工业无线网络已经成为工业控制领域发展的一个热门方向，也是工业自动化产 品未来的新增长点。无线网络以其独特的技术优势，能在多种场合满足工业控制领 域信息获取的实时性、准确性、全面性等需求，同时满足了用户需求的自由度，使 用户可以在无线覆盖范围内对现场设备进行监控、管理。目前，工业无线标准制定 成为工业无线技术竞争的焦点。国际上，以美国、德国为代表的西方工业强国投入 巨资开展相关的研发工作，爱默生、西门子、霍尼韦尔、通用电气等大公司都参与 其中标准的制定工作。国外工业无线技术的发展已开始进入工程验证阶段，关键技 术难题正在逐步突破，市场需求非常旺盛，爱默生、霍尼韦尔等公司已初步形成了 自有技术体系和原型产品。同时，在众多跨国公司的支持下，以h a r t 通信基金会 和美国仪表系统与自动化协会i s a 等为代表的几百家会员单位，一直在积极开展相 关标准的制定工作。在国外，针对工业自动化控制领域，主要有无线h a r t 标准和 i s a l 0 0 1 1 a 标准。 长期以来，我国工业自动化领域的发展模式是依靠引进国外的先进技术与产品 实现集成应用。由于没有掌握核心技术，产业安全存在一定风险。在工业无线技术 研发与应用方面，科技部、中科院通过国家8 6 3 计划、中科院创新方向性项目进行了 支持，经过近几年众多科技工作者的艰苦攻关，工业无线技术取得了突破，w 队p a 技术在冶金、石化等领域进行了初步应用，得到了用户的认可。在此基础上，完成 了w 认p a 规范国家标准征求意见稿和i e cp a s 文件的制订，最终成为了国际标准。 下面将分别介绍工业无线网络三大标准。 w i a p a 标准 w i a p a u l ( w i r e l e s sn e t w o r k sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o n - p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 规范 由中科院沈阳自动化研究所，浙江大学、重庆邮电大学、上海工业自动化仪表研究 所、北京科技大学、西南大学等十余家单位参与研发与制定的工业无线标准。2 0 1 0 2 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 年9 月2 4 日，w i a p a 标准顺利通过i e c ( 国际电工委员会) 成员国投票，正式成 为国际标准( 编号：6 5 c 5 9 6 c ) 。w 认p a 作为我国拥有自主知识产权的一种无线 标准体系，为推进工业化与信息化相融合提供了一种新的高端技术解决方案，标志 着我国在工业无线通信技术领域的研发已处于世界领先地位。 面向过程自动化应用，针对抗干扰和低功耗等方面的需求，w i a p a 网络参照 o s i 开放网络模型，定义了物理层、数据链路层、网络层、应用层协议规范。针对 工业无线网络的安全需求，定义数据链路层，传输层和应用层的安全机制，使网络 保障传输数据的保密性，完整性和时效性。 i s a l 0 0 1 1 a 标准 i s a l 0 0 1 1 a t 2 标准是i s a ( i n t e m a t i o n a ls o c i e t yo f a u t o m a t i o n ，国际自动化协会) 委员会制定的第一个开放的、面向工业生产和工业控制的无线标准。为了满足工业 应用的需求，i s a l 0 0 支持多种网络拓扑，如星型结构、m e s h 结构等。星型网络拓 扑结构容易实现，实时| 生高，但仅限单跳范围。为了扩大网络覆盖面积，在i s a l 0 0 网络结构中引入骨干网，骨干网是一个高速的网络，可以减小数据时延。所有现场 设备通过骨干路由器接入骨干网，现场设备和现场路由器组成的网络为i s a l 0 0d l 子网。 无线h a r t 标准 h a r t 通信基金会h c f 从2 0 0 4 年起，宣布开发无线h a r t 协议【3 1 ，要求h a r t 无线通信技术保证支持产品之间的互操作性，与有线h a r t 仪表能够实现无缝连接， 进一步提升了h a r t 智能仪表的智能化和可连接性。经过三年的努力，2 0 0 7 年6 月无线h a r t 规范正式发布。无线h a r t 协议数据链路层m a c 子层符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，工作在2 4 g h z 宽带信道，该信道属于工业、科技和医疗应用的免费 带宽。无线h a r t 网络中的设备采用时分多址t d m a 技术进行通信，为了提高网 络的抗干扰性，采用直接序列扩频技术和跳频技术来保证安全性和可靠性。 1 3 国内外研究进展 国外研究进展 为了推进无线技术在工业自动化领域的快速发展，美国能源部致力于发展与推 进先进工业能源效率、可再生能源及污染防治技术在工业领域的应用。目前美国能 源部将工业无线技术列为实现到2 0 2 0 年美国工业整体能耗降低5 目标的主要技术 手段之一。2 0 0 9 年1 2 月2 日美国能源部推出了“节能行动领导人计划 ，已经有代 表美国工业界的3 2 个公司与之签署了自愿节能减排承诺，这项计划的实施将促进世 界范围内节约工业能源效率的目标的实现，以追求更高的能源利用效率和降低更多 3 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 的成本，预计工业能耗在今后十年将减少2 5 。 克尔斯博公司是国际上率先进行无线传感器网络研究的先驱之一，旗下的无线 传感器网络硬件产品众多( 包括i r i s ，m i c a z ，i m o t e 2 ，t e l o s b ，c r i c k e t 等) ，为全球 超过2 0 0 0 所高校以及上千家大型公司提供无线传感器解决方案。目前c r o s s b o w 公 司与软件巨头微软、传感器设备巨头霍尼韦尔、硬件设备制造商英特尔、网络设备 制造巨头、著名高校加州大学伯克利分校等都建立了合作关系。此外德州仪器、微 处理器制造商a t m e l 等也都在传感器网络领域投入极大的资金和科研力量。这些都 为无线传感器网络进一步的发展以及最终的商业化奠定了坚实的基础。 2 0 0 4 年1 2 月，美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准s p l 0 0 委员会， 启动了工业无线技术的标准化进程，后改名为i s a l 0 0 。世界范围内2 0 0 多家公司和 科研机构参与其中。2 0 0 7 年1 月，i s a l 0 0 已发展为包括1 2 个工作组，主要包括 i s a l 0 0 1 2 融合工作组，骨干网工作组，可信赖网络工作组，核应用学习组。其中， i s a l 0 0 1 2 融合工作组主要致力于i s a l 0 0 1 1 a 和无线h a r t 标准的融合；骨干网工 作组致力于如何实现i s a l 0 0 1 l a 网络通过骨干网络无缝接入控制信息网络，目前该 组的技术方案基本完成，处于文档修订阶段；可信赖网络工作组致力于提供一种用 于工业控制的可信赖无线网络，可信赖概念主要包含三个方面：可靠、安全、弹性； 核应用学习组研究如何将无线网络应用于核电厂领域，评估现有无线系统是否使用 于核电厂，同时准备提供技术需求文档以征集技术提案。 国内研究进展 在国内方面，随着近些年来自动化产业环境的不断改善，无线技术的工业应用 也越来越受到政府和相关研究机构的关注。中科院联合一些高校也正在积极开展相 关技术的研究工作，并取得了丰富的技术积累。我国制定的w i a p a 标准已经正式 成为工业无线国际标准之一，是与无线h a r t 被同时承认的两个国际标准化文件之 一。这是对改变我国工业自动化产业发展模式的有益探索和尝试，对我国发展具有 自主知识产权的工业测控系统工作的充分肯定。 2 0 0 9 年，中科院嘉兴无线传感网工程中心、中科院软件所、中兴通讯股份有限 公司和重庆邮电大学网络化控制技术教育部重点实验室共同参与国家级重大专项 “新一代宽带无线移动通信网 ，目标是实现低功耗传感器网络系列节点、网关设备 的研制与产业化。2 0 1 0 年6 月，思科公司与重庆邮电大学共同合作的项目“绿色科 技实验室研发平台建没与产品开发一期工程”，目标是研发基于i p v 6 的适用于 w s n t d s c d m a 网络的体系结构，这种结构将会改变以往社区网络设计、建造以 及管理的方式，以达到经济、社会和环境可持续发展的目标。2 0 1 0 年1 0 月，国家 8 6 3 计划重大专项“基于w i a 的无线测控技术、装置与系统研发 ，项目总体目标 在于进一步提升过程自动化工业无线网络的性能，拓展研究面向工厂自动化的无线 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 网络新技术，保持自主技术的国际竞争力；建立w i a p a 标准的开发，测试，认证 平台，为自主的应用与推广提供支撑。 国内很多公司已经研发出适用于工业网络的无线通信模块，在研制的过程中所 积累的多项工业无线关键技术，为我国参与国际工业无线标准竞争和我国自主工业 无线标准的制定，提供了丰富的技术储备。工业无线通信模块初步形成产品，将支 撑国内仪表企业向数字化、网络化、智能化仪表技术升级；无线通信模块支持基于 无线网络的现场总线智能仪表的系列化产品开发，并在国内仪表行业中起到引领和 带动作用；可方便地向其他工业应用领域，例如电力、煤炭等行业应用进行扩展和 推广，从而有力推动工业无线技术在各个行业的应用和技术普及。 1 4 本课题研究意义 工业无线网络技术作为一种新的传播模式推动着科技发展和社会进步，是有线 通信的重要补充。目前，国内工业无线网络标准w n p a 还有一些关键技术难题正 在逐步突破，特别是w i a p a 网络与其它无线网络的共存问题。工业无线网络的数 据在发送、接收的过程中容易受到干扰，影响设备的通信性能。因此增强w i a p a 无线网络的抗干扰性，实现与其它无线网络的共存极为重要。 w i a p a 是主要应用于工业自动化领域的一种新兴的无线通信技术，它采用 i e e e8 0 2 1 5 4 标准作为其物理层和介质访问控制层，具有组网灵活、低功耗、通信 实时性高和抗干扰性强的特点，主要适用于自动控制、远程监控等领域。i s a l 0 0 1 1 a 和无线h a r t 也是采用i e e e8 0 2 1 5 4 标准作为其物理层和介质访问控制层，因此 容易相互干扰。基于i e e e8 0 2 1 l b 标准的w i f i 是当今无线局域网的主流技术，而 随着低速率应用市场需求的不断增长，w 执p a 和w i f i 系统共存的可能性越来越 大。在工业控制领域，因无线测控网络同时存在高速无线现场子网和低速无线现场 子网，研究它们之间共存以及相同系统之间的共存问题将是非常有意义的课题。 国内外众多专家也都在努力为控制和自动化应用寻求解决无线网络共存技术 最有效的方法，用于满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定的无线安全通信 的关键需求。对于现在w 认p a 标准中提出的各种解决共存问题方案，仍未能够非 常全面有效地解决这一问题。因此，必须设计一种应用于工业应用环境的无线网络 共存技术，以达到最好的通信性能目标。这不仅有利于提高工业无线网络的抗干扰 性和维护网络内部的系统、资源和正常的通信秩序，还可以推动一系列具有知识产 权的共存技术，进一步增强我国在国际工业无线技术发展中的核心竞争力。 本文通过对工业控制网络中所面临的多种无线技术共存问题，形成一种适合 w i a p a 工业无线网络系统的共存解决方案，有效地提升了w i a p a 工业无线网络 5 重庆邮电大学硕士论文第章绪论 的抗干扰性。分别针对i e e e8 0 2 1 5 4 网络和非i e e e8 0 2 1 5 4 网络提出了不同的共 存机制。对w i a p a 网络与非安全模式以及安全模式的i e e e8 0 2 1 5 4 网络的共存方 案分别进行了分析；针对非i e e e8 0 2 1 5 4 网络，如8 0 2 1 1 b ，蓝牙等无线网络的干 扰，本文提出了w 认p a 自适应跳信道技术，通过信道评估，屏蔽受干扰信道的使 用，用好信道替换坏信道来实现网络的抗干扰性。 1 5 论文结构 本论文一共分为六章，各章内容安排如下： 第一章介绍了工业无线技术的发展现状和工业无线技术的三大国际标准，其中 包括无线h a r t 标准，i s a l 0 0 1 1 a 标准和w i a p a 标准，最后说明了本课题研究的 意义。 第二章介绍了无线网络一般的抗干扰技术，针对w n p a 网络容易受到的干扰， 重点分析了w 认p a 与i e e e8 0 2 1l b ，z i g b e e 以及蓝牙的共存情况。最后介绍了 w 队p a 的共存机制，主要包括c s m a c a ，跳信道技术，重传等。 第三章介绍了w i a p a 与i e e e8 0 2 1 5 4 网络的共存方案，针对非安全和安全模 式下i e e e8 0 2 1 5 4 网络的干扰，分别提出了w i a p a 与i e e e8 0 2 1 5 4 网络的共存 方案。 第四章介绍了w 认p a 自适应跳信道技术，首先介绍自适应跳信道通信的原理 以及相关的关键技术；然后介绍w i a p a 协议栈的整体架构，数据链路层状态机的 设计以及w i a - p a 协议栈自适应跳信道技术的设计思路和具体实现过程。 第五章介绍了w 认p a 协议栈的测试平台，分别对w 认p a 协议栈的数据通信， 自适应跳信道技术的抗干扰性进行了测试和验证。 第六章对全文进行总结，并对本课题下一步的工作进行简要说明。 1 6 本章小结 本章首先介绍了工业无线通信网络的发展现状，然后介绍了国内外工业无线通 信领域的研究进展及动态，继而引出了本课题的研究意义，最后给出本文的主要研 究内容和结构。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章w 1 a p a 网络共存技术的研究 第二章w i a p a 网络共存技术的研究 2 1 扩频通信技术 2 1 1 直接序列扩频技术 扩频通信技术【5 1 是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信 息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的 方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、 解扩及恢复所传信息数据。扩频系统原理如图2 1 所示： 图2 1 扩频系统原理图 直接序列扩频( d s s s ) 技术是当今使用最广泛的扩频技术之一。它将窄带信息 信号扩展成宽带噪声信号，用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加( 波形相 乘) 后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号，即将原来较高功 率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率。当扩频信号采用相移键控调制后由 天线发射出去，在接收机中要有一个和发射机的伪随机码同步的本地码，对接收信 号进行解扩，解扩后的信号送到数据解调器取出传送的信息。 由于直接序列扩频通信能大大扩展信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频 调制，以及在接收端利用相关解调技术使其具有许多窄带通信无法替代的优良性能， 主要有以下几项技术特点： 1 ) 抗干扰性强，误码率低 扩频信号在传输过程所占有的带宽相对较宽，在接收端采用相关检测来解扩， 使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，把无用的窄带信号扩展成宽带信号，然后通 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章w i a p a 网络共存技术的研究 过窄带滤波技术提取有用的信号。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能 得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不 同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。 2 ) 对各种窄带通信系统的干扰很小 由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率就很小即信 号的功率谱密度很低，而想进一步检测信号的参数( 如伪随机码序列) 就更加困难， 因此，扩频通信具有很低的被截获率，隐蔽性很好。由于扩频信号具有很低的功率 谱密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。 3 ) 易于实现码分多址 直接序列扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的 扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用 不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以互 不干扰地使用同一频率通信，从而实现了频率复用。发送端可用不同的扩频编码， 分别向不同的接收者发送数据；同理，接收端用不同的扩频编码，就可以收到不同 的发送者送来的数据，实现了多址通信。 2 1 2 跳频通信技术 跳频通信睁7 j 是一种具有较强抗干扰能力的通信机制，与传统定频通信相比，跳 频通信的载波频率一直在跳变，通信的内容难以被截获。收发双方传输信号的载波 频率按照预定的规律进行离散变化，即通信中使用的载波频率受伪随机码序列的控 制而随机地跳变。跳频系统是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，从时域 上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱 在很宽频带上以不等间隔随机跳变。跳频通信系统一般原理如图2 2 所示，其中跳 频控制器是跳频系统的核心部件，包括跳频指令产生、同步等功能，频率合成器在 跳频指令的控制下合成所需频率。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章w i a 。p a 网络共存技术的研究 信码输 嬖翌整型曼l 发信机 ! 跳频控制器； ：一一一一； 收信机 出 图2 2 跳频系统原理图 跳频通信系统的主要工作原理：在发信机中，输入的信码对副载波进行调制， 得到己调信号：独立产生的跳频指令控制频率合成器，在不同的时隙内输出频率跳 变的本振信号，用它对已调信号进行变频，使射频信号的频率伪随机地跳变，得到 跳频信号，由天线发射出去；在接收机中，本地跳频指令控制频率合成器，使输出 的本地本振信号频率随发送频率做相应地跳变；本地本振信号对接收到的跳频信号 进行变频实现解跳，将信号频率变到某一中频频率；解跳后的中频信号经过解调后 恢复信码。 跳频系统除了具有一般扩频系统的抗干扰性能之外，还具有跳频技术所特有的 技术特点。下面就跳频技术与直接序列扩频技术的性能简单做一下比较： 1 ) 抗强的定频干扰 直接序列扩频( 直扩) 抗干扰通过相关解扩取得处理增益达到抗干扰的目的， 但如果超过干扰容限的定频干扰将会导致系统的通信中断。而跳频系统靠载波的随 机跳变来躲避干扰，将干扰排斥在接受通道以外达到抗干扰的目的，若跳频系统的 可用频道很大，则对系统的性能的影响很小。因此，在抗强的定频干扰上，跳频技 术比直扩技术优越。 2 ) 抗衰落 直扩系统射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号频谱严重的畸变；对于跳 频系统，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能恶化。 3 ) 抗多径干扰 多径干扰是由于电波传播过程中遇到各种反射体( 高山，建筑物) 引起，使接 受端接受信号产生失真，导致码间串扰，引起噪音增加。而直扩系统可以利用这些 干扰能量提高系统的性能。跳频系统要抗多径干扰，要求每一跳驻留的时间很短， 一般要实现1 m 次跳每秒，实际难以实现。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章w i a p a 网络共存技术的研究 4 ) 同步 直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步， 以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随 机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。跳频系统的调频速率 远低于直扩系统的伪随机码速率，因而对同步的要求就相对降低，同步时间就短。 2 2w i a p a 协议规范简介 w 认p a 是基于i e e es t d8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 标准的用于工业过程测量、监视与控 制的无线网络系统，w i a p a 工业无线技术是一种面向设备间信息交互的无线通信 技术，是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展，引领工业自动化系统 向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。 2 2 1 网络拓扑结构 网络拓扑结构采用星型和网状结合的两层拓扑结构，如图2 3 所示。在现场设 备到控制系统的路径中，数据流可分为簇内段、簇间段和网关到主控计算机段。数 据的起点位于现场设备的应用层，在簇内被传输到簇首( 路由设备) 的应用层。包 将在簇首的设备管理应用进程中完成聚合、加密等。在簇间段，数据将通过多个簇 首无线传输到网关。数据包在不同簇首之间传输时仅在网络层转发，不再发送到应 用层。在网关到主控计算机段，数据经过网关的协议转换后到达主控计算机。 图2 3w 认p a 网络拓扑结构图 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章w i a p a 网络共存技术的研究 w n p a 网络定义了网关、冗余网关，路由、冗余路由，现场设备和手持设备 这几种设备角色。为了便于实现管理功能，定义了以下5 类逻辑角色： 网关：负责w 认p a 网络与工厂内的其他网络的协议转换与数据映射； 网络管理者：负责构建由路由设备构成的网状结构，检测全网性能； 安全管理者：负责网关设备、路由设备、现场设备和手持设备的密钥管理 与安全认证； 簇首：负责构建由现场设备和路由设备构成的星型结构，监测星型结构性 能；负责安全的合并及转发簇成员和其他簇首的数据； 簇成员：负责获取现场数据并发送到簇首。 2 2 2 协议栈结构 工业无线w i a - p a 网络协议栈结构如图2 4 所示，协议栈由数据链路层、网络 层、应用层等协议层实体，以及各层实体间的数据接口和管理接口构成；其物理层 和m a c 层完全兼容i e e e 8 0 2 1 5 4 协议。 网络层 数据链路层 图2 4w i a p a 协议架构 w 队p a 的应用层由应用子层、用户应用进程、设备管理应用进程构成。应用 子层提供通信模式、聚合与解聚、应用层安全和管理服务等功能；用户应用进程包 含的功能模块为多个用户应用对象：设备管理应用进程包含的功能模块包括：网络 重庆邮电大学硕士论文第二章w i a p a 网络共存技术的研究 管理模块、安全管理模块和管理信息库。 w l a p a 的网络层由寻址、路由、分段与重组、管理服务等功能模块构成。主 要功能是实现面向工业应用的端到端的可靠通信、资源分配。 w i a p a 数据链路子层联合网络管理者可以实现w 认p a 网络与其他无线射频 系统的共存。共存策略包括时隙传输、低占空比、多信道、自适应跳频以及冲突避 免机制等。为了保证数据的实时和可靠传输，w i a p a 数据链路层超帧调度主要采 用时隙通信模式，时隙通信的关键是帧要在规定的时隙内进行传输，不能被延迟。 2 2 3 超帧结构 在w i a p a 网络中，所有现场设备间数据通信都是基于超帧结构的，超帧 ( s u p e r f r a m e ) 是一组循环出现的时隙集合，超帧长度就是时隙的数目，决定了超 帧循环的速度。w i a - p a 数据链路子层的时隙长度与i e e e8 0 2 1 5 4 协议的时隙长度 保持兼容。w i a p a 支持可变长时隙，时隙的长度由网络管理者在设备加入网络后 进行设置。 信标b e a c o n 簇内通信簇问通信休眠 ”r i i l l i i i l i ! i i l i羹隧掰黝潮 、卜。 j_ - = - 【 i 一、 71” 一 、 _i i ：i ：i ：i g ；2 t _i ! ：! ：! ：! 捌卜! = ；= 翻i ：j 剥 萎霸萋镧睡垂阔 图2 5w i a - p a 超帧结构 图2 5 为w i a - p a 的超帧结构，w i a p a 超帧主要分为信标、c a p 、c f p 、簇内 通信、簇间通信和休眠这几个阶段。其中c a p 阶段主要用于设备加入，簇内管理和 重传，c f p 阶段用于移动设备与簇首间的通信。网络管理者负责为每个设备生成一 个w i a - p a 超帧，超帧中的时隙类型包括共享时隙和专用时隙，其中共享时隙用于 簇间非周期性数据的传输，专用时隙用于簇内通信段和簇间通信段周期性数据的传 输。 w 认p a 支持可变长时隙，时隙长度由网络管理者在设备加入网络后进行配置， w i a - p a 一个基本时隙长度定义为3 0 7 2 m s ，w i a p a 超帧长度为基本时间单位的2 倍( n 为自然数) 。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章w 认p a 网络共存技术的研究 2 3w i a p a 网络共存机制 2 3 1w i a - p a 与其它网络的共存干扰分析 2 4 g h z 频段是一个全球性的通用频段而且免费不需要申请，开发的产品具有全 球通用性。随着越来越多的无线技术采用2 4 g h z 作为其工作频带的解决方案，该 频带显得越来越拥挤。所以，各种无线通信技术之间的共存问题【8 j 4 】成为了阻碍无 线网络更好发展的关键瓶颈问题。 下面将分析w i a p a 与其它无线网络共存的干扰情况： w i a - p a 与8 0 2 1 l b 面向自动化控制的w 认p a 网络和无线局域网技术8 0 2 1 l b 网络会在很多场 合处于共存的状态，如办公室、家庭、楼宇和工厂车间等。8 0 2 1 i b 即无线局域网， 在学校、商业等办公区域以及工业领域普遍采用的无线连接技术，传输速率可达 l1 m b i t s ，从根本上改变了无线局域网的设计和应用现状，满足了人们在一定区域 内实现不问断移动办公的需求，逐渐成为全世界普遍接受的无线局域网标准，扩大 了无线局域网的应用领域。 w 认p a 标准的物理层采用的是i e e es t d8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 标准，对i e e e 8 0 2 1 5 4 和i e e e8 0 2 1 l b 共存的文献研刭1 5 】表明，i e e e8 0 2 1 5 4 网络和8 0 2 1 l b 网络共存时，如果网络采用固定的信道通信，较大频偏( i e e e8 0 2 1 l b 载波中心频 率和i e e e8 0 2 1 5 4 载波中心频率的差值) 可以容忍近距离共存，然而在较小频偏 或同频干扰情况下，可容忍距离为几十米。因为w i a p a 网络的设备低功耗，发射 功率小，设备的输出功率被限制在0 d b m ( 1 m w ) 以内，相对于i e e e8 0 2 1 l b 的2 0 d b m ( 1 0 0 m w ) 相差甚远，而且w i a p a 信号带宽只有2 m h z ，相对于8 0 2 11 b 的2 2 m h z 带宽属于窄带干扰源，w i a p a 频谱资源有1 6 条信道，其中有1 2 条信道分别被 i e e e 8 0 2 1 l b 的信道1 ，信道6 ，信道1 1 所覆盖，因此，如果在同一时间使用同一 频率的信道，w i a p a 系统就会受到i e e e 8 0 2 1 1 b 的干扰，导致通信质量下降。 w i a p a 与z i g b e e z i g b e e 技术是一项新兴的短距离无线通信技术，其物理层和m a c 层协议为 i e e e8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层由z i g b e e 技术联盟制定，应用层根据用户自己的 需求开发，它面向的应用领域主要是低速率无线个人区域网( l r w p a n ，l o w r a