（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211的无线收发器在井下监控系统中的应用研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于i e e e 8 0 2 1 1 的无线收发器在井下监控系统中的应用研究 通信与信息系统 刘静伟 孙龙杰 摘要 ( 签名) ( 签名) 井下通讯系统是煤矿安全防护及生产调度必不可少的设施，由于井下环境差、巷道 分布多、干扰信号源多，我国井下主要通讯为有线方式。随着国家对煤炭安全生产的重 视，无线通信技术作为矿井通信与监测的有益补充，也开始在煤矿中得到广泛的应用。 无线局域网( w l a n ) 技术作为短距离无线通信技术的一种，有覆盖范围大，可无线自组 网等优点，具有广阔的发展前景。 本课题研究的无线收发器是采煤机监控系统中井上和井下数据传输的纽带，负责井 上监控中心与采煤机监控模块之间的数据采集与通信，其融合了无线局域网通信技术和 嵌入式技术，是目前与未来采煤机监控系统发展的热点之一。本文从无线收发器研究的 背景和意义入手，分析了无线收发器在井下采煤机监控系统中的重要作用，并根据以往 设计的不足提出了新的设计思路：( 1 ) 设计了基于i e e e 8 0 2 1 1 的无线收发器的模型，采 用无线局域网( w l a n ) 和r s 4 8 5 串口进行通信；( 2 ) 硬件内核采用a r m 9 处理器，通过 r j - 4 5 接口控制无线局域网的w l a n 模块实现t c p i p 通信，通过内嵌的串口r s 4 8 5 实 现无线收发器与采煤机监控模块之间通信；( 3 ) 软件系统选用嵌入式操作系统l i n u x ，设 计方案包括驱动程序和系统任务两部分内容。驱动程序包括对无线收发器组成模块的实 现过程，主要完成了l i n u x 的移植，对t c p i p 协议和m o d b u sr t u 协议的实现进行详 细研究；在系统任务部分，根据无线收发器各模块的实际应用，分配了任务的优先级， 实现了数据采集功能、数据处理功能和数据收发功能。 关键词：无线收发器；无线局域网；嵌入式系统：采煤机监控系统 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fw i r e l e s st r a n s c e i v e rb a s e do ni e e e 8 0 2 11i nu n d e r g r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e m s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：l i uj i n g w e i i n s t r u c t o r ：s u nl o n g ji e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) u n d e r g r o u n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi st h ee s s e n t i a lf a c i l i t i e so fs a f e t yp r o t e c t i o na n d p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g b e c a u s eo fa b o m i n a b l eu n d e r g r o u n de n v i r o n m e n t ，p o o rd i s t r i b u t i o no f r o a d w a y , a n di n t e r f e r ew i t ht h es i g n a ls o u r c e ，t h ec o a lm i n ea d o p tc a b l ea sm a j o rm e t h o do f e o m m u n i c a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a sab e n e f i c i a ls u p p l e m e n ti nt h ec o a l m i n ec o m m u n i c a t i o na n dm o n i t o r , b e g i nt og e tw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s ( w l a n ) t e c h n o l o g ya so n ek i n do fas h o r td i s t a n c e r a d i oc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y , w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fl a r g ec o v e r a g ea n dc o u l da c h i e v ew i r e l e s sa dh o c n e t w o r k ，h a sb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t w i r e l e s st r a n s c e i v e rw h a tt h et h e s i ss t u d yi st h eb r i d g eo fd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n u n d e rt h em i n ea n da b o v et h em i n ei nt h es h e a r e rm o n i t o r i n gs y s t e m , i ti si nc h a r g eo fd a t a c o l l e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es h e a r e rm o n i t o r i n gm o d u l ea n dt h em o n i t o r i n g c e n t e r , w h i c hs y n c r e t i z e so fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dw l a nt e c h n o l o g y , i st h ed e v e l o p m e n t o fs h e a r e rm o n i t o r i n gs y s t e mh o t s p o tn o wa n di nt h ef u t u r e t h i sp a p e rs t a r t s 、析mt h e b a c k g r o u n da n dm e a n i n go fw i r e l e s st r a n s c e i v e r , a n da n a l y z e st h ek e yr o l eo fw i r e l e s s t r a n s c e i v e ri ns h e a rc o n t r o lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c yo fp r e v i o u s d e s i g n ，n e wd e s i g nt h i n k i n gi sp u tf o r w a r d ：( 1 ) d e s i g n st h em o d e lo fw i r e l e s st r a n s c e i v e r w h i c hb a s e do ni e e e 8 0 2 11 ，a d o p t i n gw l a na n dr s 4 8 5 ；( 2 ) s e l e c t i n ga r m 9c h i p $ 3 c 2 410 xa st h em a i np r o c e s s o r , t h r o u g ht h er j - 4 5 ，t h ee t h e r n e tc o n t r o l l e rc h i pi sd r i v e n a n dt h et c p i pc o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nw i r e l e s st r a n s c e i v e r a n ds h e a r e rm o n i t o r i n gs y s t e mi sr e a l i z e dt h r o u g ht h ei n n e rr s 4 8 5c o n t r o l l e ro fa r m ；( 3 ) t h ed e s i g no fs o f t w a r eb a s e do ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ml i n u xi sp r o p o s e d n l ed e s i g n o fs o f t w a r ec o n t a i n st w op a r t s ，h a r d w a r ed r i v e rp r o g r a ma n ds y s t e mt a s k d r i v e rp r o g r a m i n c l u d et h er e a l i z a t i o np r o c e s so fe a c hm o d u l e t h er e a l i z a t i o np r o c e s so fl i n u xw h i c hi s t r a n s p l a n t e dt ot h ep r o j e c ti s r e s e a r c h e di nd e t a i l t h et c p i pp r o t o c o la n dm o d b u sr t u p r o t o c o li sr e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o no fw i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l e ，t h e s y s t e mt a s kp a r ta s s i g n st h ep r i o r i t yo ft h et a s k s a n dd e s i g n st h eo r d e ro fe a c hw i r e l e s s t r a n s c e i v e rs u b s t a t i o nt a s k ，a c h i e v e sd a t ac o l l e c t i o nf u n c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o na n d d a t at r a n s c e i v e rf u n c t i o n k e yw o r d s ：w i r e l e s st r a n s c e i v e r w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s e m b e d d e ds y s t e m s h e a r e rm o n i t o t i n gs y s t e m t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名纠铂彳耖卿) ? 卑易班刁v f j 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 呼杆 指导教师签名：3 卜彩冷一、 3 步幽咖 i 绪论 暑暑宣高i 萱i 置鲁皇暑昌i 高置i i 暑置i 置暑宣i i 宣暑置i 宣置| 1 1 宣宣i 宣i 置i i j 宣i i 置暑暑宣叠暑暑昌宣i i 暑置i 暑置宣i i i 萱i 宣宣暑岛萱葺皇暑i i ；葺；置| 誓皇 1 绪论 1 1 选题的背景 目前中国能源结构是以使用煤炭为主，中国是世界上最大的煤炭消费国和生产国， 煤炭所占比重约为6 0 左右，煤炭工业是我国国民经济和社会发展的基础产业。虽然我 国煤炭资源丰富，但地质条件恶劣，地质构造复杂，在已发现的煤炭资源中，勘探程度 低，优质环保型资源少，有效供给能力不足。在尚未开采的储量中，近9 0 处于自然条 件恶劣的地方，开采难度大。 此外，与其他国家相比，我国煤矿安全状况仍然相当落后，事故死亡人数远远超过 世界其他产煤国家的煤矿事故死亡人数。虽然2 0 0 7 年全国煤矿事故死亡人数有所下降， 为3 7 8 6 人，但与发达国家相比，形式仍比较严峻。在煤矿安全生产领域，防范胜于救 灾，因此近几年，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要， 煤矿安全监测监控系统得到了普遍应用。2 0 0 5 - 2 0 0 7 年间，国家专项资金带动企业和地 方加大了对煤矿监控系统的投入，中国煤矿安全监控市场总体规模由2 0 0 5 年的2 8 4 亿 元增至2 0 0 7 年的3 8 9 亿元，预计到2 0 1 2 年将超过1 1 8 亿元。 煤矿安全监控系统是指对和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状 态和煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度等环境参数进行监测和控制，用计算机 分析处理并取得数据的一种系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产 管理效率。现代化煤炭生产企业离不开现代化安全监测监控系统。安全监控系统为各级 生产指挥者和业务部门提供环境安全参数动态信息，为指挥生产提供第一手资料。通过 对被测参数的比较和分析，为预防灾害事故提供技术数据，便于提前采取防范措施；通 过对被测参数实施实时有效的控制，及时实现自动报警、断电和闭锁，便于制止事故的 发生或扩大；在发生事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人 员、器材，提供决策信息。由于现代信号检测技术、信号传输技术、计算机信息处理技 术、计算机控制技术及计算机网络技术不断应用到监测监控技术中，我国矿区监测监控 技术也从人工监测发展到了自动监测与监控，监测监控系统从环境安全监控发展到了工 况监控和生产监控，并逐步形成了矿区监测监控网络，为矿区生产和管理的现代化提供 了良好的条件l l j 。 随着通信及计算机技术应用水平的不断提高，结合政府和相关企业长期的实践，煤 矿安全监控系统发展趋势也逐步明晰。这主要体现在三个方面：一、从单一数据，向多 种信息融合转变；二、建设具备智能判能力的预警监控；三、按照行政管辖范围，对各 煤矿的监控系统进行联网，达到政府层面的统一监管。传统的安全监控系统，多数只进 西安科技大学硕士学位论文 行单一媒体信号的采集和传输监控。例如瓦斯浓度检测系统，就是对煤矿瓦斯浓度这 单一维度信号进行搜集和处理。这就需要在单个煤矿建设多套不同专业的监控系统，造 成资源的浪费和管理上信息的分离。监控系统的未来发展趋势，应当是一套包括视频、 音频、数据、定位等多重信号组合而成的“多维一体的融合信息监控网络。这段强调 在技术上要实现数据、视频、语音、空间位置等信息的融合，实现“综合研判 功能。 1 2 国内外研究的现状 ( 1 ) 国外井下监控系统的发展 国外煤矿监测监控技术是2 0 世纪6 0 年代开始发展起来的，至今已经有4 代产品， 基本上5 - 1 0 年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输发生的进步来划分 监控系统发展阶段的【1 1 。 第一阶段，煤矿安全监控系统主要采用空分制信号传输方式。6 0 年代中期英国煤矿 的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术。典型系统有法国的 c t t 6 3 4 0 煤矿监测系统，它可测瓦斯、一氧化碳、风速、温度等参数，最多可测4 0 个 测点。波兰的c m m 2 0 系统，最多可测2 0 个测点以及c m c 1 系统，最多可测1 2 8 个 测点。 第二阶段，随着以晶体管电路为主的信息传输技术的发展，煤矿安全监控系统主要 采用频率区分信道的频分制信号传输方式，由于采用频分制，传输信道的电缆芯数大大 减少，很快就取代了空分制系统。英美等国的煤矿在6 0 年代后期就已大量采用频分制 技术。其中最具代表性且至今仍有影响的是西德s i e m e n s 公司的t s t 系统和f + h 公司 的t f 2 0 0 ( 早期是t f 2 4 ) 系统，这些都是音频传输系统。 第三阶段，集成电路的出现推动了时分制系统的发展，从而产生以时分制为基础的 第三代煤矿监控系统，其通信规程比较严格、抗干扰能力强、传输电缆与测试点数无关、 结构简单、配置灵活。其中发展较快的是英国。英国煤炭研究院于1 9 7 6 年推出以时分 制为基础的m i n o s 煤矿监控系统。开创了煤矿自动化技术和煤矿监控技术发展的新局 面，直到今日，国内外各种监控系统尽管在功能性和产品的技术先进性上都有较大的提 高，但系统的整体结构仍没有太大的变化。在此阶段典型系统有英国的m i n o s 系统、 美国的d a n 6 4 0 0 系统、西德的g e a m a t i c 2 0 0 0 全矿井监控系统等。 第四阶段，随着计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新科技 的迅速发展，形成了以分布式微处理机为基础，以开发性、集成性和网络化为特征的第 四代煤矿监控系统。其信号的传输方式还是属于时分制范畴，但用原来的一般时分制的 概念已不足反映这一高新技术的特点。其中有代表性的是美国m s a 公司d a n 6 4 0 0 系 统，加拿大参透里昂6 0 0 型系统。 ( 2 ) 我国井下监控系统的发展 2 1 绪论 我国监测监控技术应用较晚，2 0 世纪8 0 年代初，原煤炭部组织了对国外煤矿监控 技术进行大规模的考察和引进工作，大大促进了国内监控技术的发展。从波兰、法国、 德国、英国和美国等( 如d a n 6 4 0 0 、t f 2 0 0 、m i n o s 和s e n t u r i o n - 2 0 0 ) 引进了一批安全监 控系统，装备了部分煤矿。在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况， 先后研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j l 0 、k j l 3 、1 0 1 9 、k j 3 8 等监控系统，在我国煤矿已大 量使用。这一时期的系统结构多为分布式，多采用时分制频带传输或基带传输，传感器 数据经分站进入地面主机。特点是容量较大，多达数百个测点，功能较强，可接入数十 种传感器，如瓦斯、风速、一氧化碳、温度等环境参数；各种机电设备开停等生产参数： 电压、电流、功率等电量参数，各种机电设备的保护信号等。 9 0 年代以来，紧跟世界监测监控系统的发展潮流，随着电子技术、计算机软硬件技 术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了 k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 、k j 9 0 、k j 9 5 、k j l 0 1 、k j f 2 0 0 0 、k j 4 k j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及m s n m 、w e b g i s 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。 其主要特点是：测控分站的智能化水平进一步提高，具有网络连接功能，系统软件采用 了w i n d o w s 操作系统。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重 要的作用。 目前，国内安全监控通信系统存在以下发展趋势： 散式结构和开放通信模式 系统基于开放式互联模型的主站分站集散式结构。主站负责数据的处理，各个分 站完成数据的采集和简单预处理。各设备间通信采用通用标准协议，兼容多种自动化控 制系统。任何设备在符合标准的前提下，可方便组成多节点的安全监测监控网络【5 】，使 系统实现最大限度的信息共享。并且，可根据煤矿监控场所流动性大的特点，能适应移 动和随机接入监测设备的需要，形成兼容性强、有扩展和升级裕量的开放型监测监控系 统。 发展专家诊断、专家决策系统软件 我国监测监控系统的软件，目前停留在对被监测的实时采集、存储、超限报警及断 电、图形和报表形式输出的水平，实现了对数据的最基本处理。应下大气力开发专家诊 断、专家决策系统软件。在事故情况下，指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、 器材提供决策。发展覆盖面更广、监测监控参数更多的软硬件系统，为实现煤矿生产综 合自动化奠定良好基础，是我国监测监控系统的发展任务之一。 提高分站、传感器、断电仪、电源等单元性能 分站设计要标准化，而且要进一步的智能化。研制高可靠性、品种齐全的矿用传感 器。应充分利用微处理器的优点，做到自诊断、自校正、自调零、配置标准远传接口， 统一传感器的输出信号制，以提高传输的可靠性、数据出来的简单性和传感器的互换性。 3 西安科技大学硕士学位论文 发展配置齐全、高可靠性的矿用传感器是监控系统发展的关键技术之一。就断电仪而言。 要提高其远动距离，接点容量，解决高压断电问题。对供电电源而言，要提高稳定性和 输出容量，对多负荷供电要采用扩充输出插板来提供独立的供电电路，并推广在线式后 备电源，实现馈电后系统自动监测指示、报警、自动充电、防止过冲过放等。 ( 3 ) 井下无线通信的意义】 目前煤矿安全生产监测设备接入井下监测网络的方式采用有线的方式。主要是考虑 井下的生产环境有许多干扰源，采取有线的方式可以较好的屏蔽周围的干扰，使得监测 数据能够较好的传送给监测中心。由于矿井的开采是在不断地向前进行，因此需要监测 的设备的位置也在不断地变化，采用这种方式将是信息采集的灵活性及实时性大打折 扣。井下与安全生产相关的业务有许多，例如；语音，人员定位信息，瓦斯浓度，井下 视频图像等。而根据上述对国内外安全生产的发展与现状的讨论，我国的生产的监测系 统各成系统，协议均为各个厂家自己定义的，这样造成每上一种监测系统就需要重新进 行一次布线。因此可以说采用有线的接入方式效率低，工作量大，制约了煤矿安全生产 的发展。 鉴于有线或半有线方式的缺点，设备的无线通信方式已经出现在井下。对于井下无 线通信系统还不同于一般地面无线通信系统，它应有以下特殊的要求： 煤矿井下空气中含有甲烷等可燃性气体和煤尘，容易发生爆炸事故。要求电器设 备、移动通信设备，采用安全性能好的本质安全型防爆功能。 煤矿井下空间狭小，设备种类又多，要求移动通信系统的体积不能很大。 根据矿井通信规则，矿井移动通信设备发射功率一般较小。本质安全型防爆电气 设备的最大输出功率为2 5 w 左右。 井下空间窄小、机电设备相对集中，因此，环境电磁干扰严重。要求通信设备应 具有较强的抗干扰能力。 井下通信设备应有防尘、防水、防潮、防腐、耐机械冲击等防护性能。 井下电网电源的电压波动范围较大，一般在7 5 - 1 1 0 之间，要求移动通信设 备的电源电压波动适应能力强，备用电源应维持不小于2 小时的正常工作。 煤矿井下环境恶劣，设备故障率很高，人为破坏事件时有发生，矿井移动通信系 统应有较强的抗故障能力。当系统中某些设备发生故障时，其余非故障设备应该仍能继 续工作。 煤矿井下是一个移动的工作环境，随着井下移动通信系统的可靠性以及通信质量 的提高、功能的完善、成本的降低，它将承担全部生产调度与救灾通信的任务，要求系 统具有较大的信道容量。 4 13 采煤机监控系统整体结构 井1 务器 p 勰霄，7 点机 未蝴舯m 飞 煳媸机 l4 本文的主要工作 本课题来源于安徽囤投辛集集团的“井f 采煤机安全监控”项目。奉论文主要工作 是对采煤机监控通信系统中的无线收发器进行研究和设计。本文结合嵌入式系统技术和 无线剐络通信技术，提出了将嵌入式操作系统l i n u x 以及无线w l a n 技术应用在无线 西安科技大学硕士学位论文 收发器的研究设计中，并通过测试和现场工业性试验证明此设备的有效性。 全文共有七章。第一章为绪论，介绍本课题研究的背景和意义，分析了现国内外数 据采集设备在井下监控通信系统中的研究现状和采煤机监控系统的整体构架，最后给出 全文内容安排；第二章主要对目前流行的无线局域网( w l a n ) 技术进行了分析，本章首 先介绍了i e e e 8 0 2 1 1 系列协议，其次对i e e e 8 0 2 1 1 标准以外的其他无线局域网进行了 讨论；第三章提出无线收发器的设计研究方案，主要对本课题所设计研究的无线收发器 的组成模块、系统软件、功能以及通信协议进行分析和方案的选定；第四章研究设计无 线收发器的硬件系统，主要包括两大部分：第一部分是处理器的内核( 主控芯片采用 s a m s u n g 公司的a r m 9 芯片s 3 c 2 4 1 0 x 、电源模块) ；第二部分是处理器的外围接口设备 ( 外扩s d r a m f l a s h 、r s 4 8 5 通信模块、w l a n 通信模块、报警模块等) 的设计研究。 在硬件设计中还考虑到无线收发器使用环境的特殊性，根据煤炭标准的要求对无线收发 器的壳体及内部电路作了一定的防爆本质安全的设计。第五章研究设计无线收发器的软 件系统，主要对嵌入式操作系统l i n u x 的内核结构进行研究，将l i n u x 移植到了主控芯 片$ 3 c 2 4 1 0 x 上，并基于该操作系统设计了系统的软件。第六章无线收发器的测试与实 现，主要对无线收发器的输出功率和输出最大功率谱密度进行测试，并对测试结构进行 分析。第七章总结全文，提出了有待进一步研究的方向，展望煤矿井下无线收发器的发 展前景。 6 2 无线局域网技术 2 1 无线局域网技术概述 2 无线局域网技术 无线局域网是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，简称w l a n ) ，是在有线网的基础上发展起来的，它使网上的计算机具有可移 动性，能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信道的连通问题。无线局域网要求 以无线方式相联的计算机之间资源共享，具有现有网络操作系统( n o s ) 所支持的各种服 务功能。计算机无线联网常见的形式是把远程计算机以无线方式联入一个计算机网络 中，作为网络中的一个节点，使之具有网上工作站所具有的同样功能，从而获得网络上 的所有服务；或把数个有线或无线局域网联成一个区域网；当然，也可用全无线方式构 成一个局域网或在一个局域网中混合使用有线与无线方式。此时，以无线方式入网的计 算机将具有可移动性，可在一定的区域移动并随时与网络保持联系l ，j 。 无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是有线局域网的扩展和替换。它只是在 有线局域网的基础上通过无线h u b 、无线访问节点( a - p ) 、无线网桥、无线网卡等设备 使无线通信得以实现。与有线网络一样，无线局域网同样也需要传送介质。只是无线局 域网采用的传输媒体不是双绞线或者光纤，而是红外线( i r ) 或者无线电波( m 9 ，以后者 使用居多。 由于移动性和灵活性，无线局域网具有极大的发展前景，无线局域网能为运营商优 化现有的宽带接入网络、提供更多更好的增值服务从而获得新的赢利提供了新的手段。 无线局域网与其它接入技术相比，其特点和优势主要体现在以下几个方面【8 j ： ( 1 ) 移动性。在有线接入网络中，用户只能在具有信息点的位置上网，限制了终端用 户的活动范围。而无线局域网建成后，在无线网信号覆盖区域内的任何位置都可以接入 网络，使用户真j 下实现随时、随地、随意的接入宽带网络。 ( 2 ) 安装简单，建设周期短。无线局域网的优势之一免去了网络布线等工作。一般只 需安装一个或多个a p 设备，就可以解决一个区域的上网问题。对于那些对宽带接入业 务需求急迫的情况，使用无线局域网具有明显的优势。 ( 3 ) 易扩展、易管理。有线网络的固有缺点就是缺乏灵活性。在有线接入网规划中， 考虑到未来的发展，大量的超前投资往往会出现线路利用率低的情况。而w l a n 的规 划就可以随着用户的增加而逐步扩展，在初期根据用户的需要布置少量的点。当用户数 量增加时，只需再增加几个a p ，而不需要重新布线，这也使得在网络运营初期的投资 较少。 ( 4 ) 能集成到已有的宽带网络。由于无线局域网技术在二层上与以太网完全一致，所 7 西安科技大学硕士学位论文 暑暑暑宣i i 置宣葺宣i 暑i 宣i i 暑暑i i i i i i i 宣i i 皇暑暑宣薯葺葺宣暑i i i i i ；i i i i i 宣置i i i 声i z ；i i i i i i i i 葺宣暑i 毒暑葺i i i i i 宣宣i i 葺宣嗣 以能够将无线局域网集成到已有的宽带网络中，也能将已有的业务应用到无线局域网 中。这样，就可以利用已有的有线接入资源，迅速地部署无线局域网网络，形成无缝覆 盖。同时容易将移动业务扩展到无线局域网平台。 2 2 无线局域网的协议标准 2 2 1i e e e 8 0 2 11 协议族 ( 1 ) 8 0 2 11 标准 1 9 9 7 年，美国电子电气工程师协会( i e e e ) 锘t j 定了第一个无线局域网标准8 0 2 1 1 ，主 要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存 取，速率最高只能达到2 m b p s 。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要， 8 0 2 1 1 无线产品已经不再被生产。 ( 2 ) 8 0 2 1 l n 该标准是i e e e 推出的最新标准。8 0 2 1 1 n 通过采用智能天线技术，可以将w l a n 的传输速率由目前8 0 2 1 l a 及8 0 2 1 1 9 提供的5 4 m b p s 、1 0 8 m b p s ，提供到3 0 0 m b p s 甚至 是6 0 0 m b p s 。得益于将m i m o ( 多入多出) 与o f d m ( t 交频分复用) 技术相结合而应用的 m i m o o f d m 技术，提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。 另外，8 0 2 1 l n 采用了一种软件无线电技术，它是一个完全可编程的硬件平台，使 得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使得 w l a n 的兼容性得到极大改善。这意味着w l a n 将不但能实现8 0 2 1 l n 向前后兼容， 而且可以实现w l a n 与无线广域网络的结合，比如3 g 。 8 0 2 1 1 n 优点具有最快的网络速率和最广的信号覆盖范围；信号干扰影响较小。 8 0 2 1 1 n 缺点标准没有被正式确定；成本较高；使用多个信号，容易干扰附件 的8 0 2 1 l b g 网络。 ( 3 ) 8 0 2 11 9 在2 0 0 2 年和2 0 0 3 年间，w l a n 产品开始拥有了一个全新的标准8 0 2 1 l g 。8 0 2 1 l g 结合了8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 二者的优点，可以说是一种混合标准。它既能适应传统的 8 0 2 1 1 b 标准，在2 4 g h z 频率下提供每秒1 1 m b i t s 数据传输率，也符合8 0 2 1 1 a 标准在 5 g h z 频率下提供5 6 m b i t s 数据传输率。 8 0 2 1 1 9 优点较高的网络速率；信号质量好，不容易被阻隔。 8 0 2 1 1 9 缺点成本比8 0 2 1 1 b 高；电器设备可能会影响到2 4 g h z 频段信号 ( 4 ) 8 0 2 1 l b 1 9 9 9 年7 月，i e e e 扩大了8 0 2 1 1 应用标准，创建了8 0 2 1 i b 标准。相比传统的以 太网，该标准可以支持最高1 1 m b p s 的数据传输速率。8 0 2 1 i b 继承了8 0 2 1 1 的无线信 8 2 无线局域网技术 号频率标准，采用2 4 g h z 直接序列扩频。厂商也更乐意采用这一频率标准，因为这可 以降低产品成本。另一方面，由于使用了未受规范的2 4 g h z 扩频，无线局域网信号也 很容易被微波炉、无绳电话或者其他电器设备发出的信号所干扰。当然，解决这一问题 也很简单，安装8 0 2 1 l b 设备的时候，注意与其他设备保持一定的距离即可。 8 0 2 1 l b 优点成本低；信号辐射较好，不容易被阻隔。 8 0 2 1 1 b 缺点带宽速率较低；信号容易受到干扰。 ( 5 ) 8 0 2 1 l a 当8 0 2 1 l b 还在发展之中的时候，i e e e 又创建了另一个无线局域网标准8 0 2 1 l a 。 由于8 0 2 1 l b 比8 0 2 1 1 a 流行得更快，所以一些人就认为8 0 2 1 1 a 是在8 0 2 1 l b 之后被创 建的。其实，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 b 几乎是同一个时期被创建的。由于8 0 2 1 l a 的成本较高， 所以它主要是被应用在商业领域，而8 0 2 1 l b 则主要被用在家庭市场。 8 0 2 1 l a 提供的最高数据传输速率为5 4 m b p s ，工作在5 g h z 频段上。这一更高的频 率也就意味着，8 0 2 11 a 信号更容易受到墙壁或者其他障碍物的影响。 此外，由于8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 使用了不同的频率标准，因此这二者是互不兼容的。 为此，有一些厂商在电脑中提供了8 0 2 1 l a b 网络模块，以便应对不同环境下的无线联 网需要。 8 0 2 1 1 a 优点具有较高的网络速率；信号不易被干扰。 8 0 2 1 l a 缺点成本较高；信号容易被障碍物阻隔。 表2 1 为i e e e 8 0 2 1 l 系列标准的简单比较。 表2 1 几种i e e e 8 0 2 1 l x 标准的比较 2 2 2 其他无线局域网技术 ( 1 ) b l u e t o o t h 技术 9 西安科技大学硕士学位论丈 蓝牙是一种低成本、短距离的无线通信技术 9 】，主要用于无线个人网络传输( w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 中，其主要目标是提供一个全世界通行的无限传输环境，通过无 线电波来实现所有移动设备之间的信息传输服务。这些移动设备包括手机、笔记本电脑、 p d a 、数字相机、打印机等等。具体地说，蓝牙的目标是提供一种通用的无线接口标准， 用微波取代传统网络中错综复杂的电缆，在蓝牙设备问实现方便快捷、灵活安全、低成 本低功耗的数据和话音通信【l0 1 。因此，其载频选用在全球都可用的2 4 5 g h zi s m ( i 业、 科学、医学) 频带。 蓝牙收发信机采用跳频扩谱( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 技术。根据 蓝牙规范1 o b 规定，在2 4 g h z 到2 4 8 3 5 g h z 之间i s m 频带上以1 6 0 0 跳s 的速率进行 跳频，可以得到7 9 个1 m h z 带宽的信道。跳频技术的采用使得蓝牙的无线链路自身具 备了更高的安全性和抗干扰能力。除采用跳频扩谱的低功率传输外，蓝牙还采用鉴权和 加密等措施来提高通信的安全性。 在发射带宽为1 m h z 时，其有效数据速率为7 2 1 k b i t s ，并采用低功率时分复用方式 发射，适合1 0 厘米到1 0 米范围内的通信，目前若是增加功率或是加上某些外设可达到 1 0 0 米的距离( 如专用的放大器o p t i o n a la m p l i f i e r ) 。数据包在某个载频上的某个时隙内 传递，不同类型的数据( 包括链路管理和控制消息) 占用不同信道，并通过查询( i n q u i r y ) 和寻呼( p a g i n g ) 过程来同步跳频频率和不同蓝牙设备的时钟。蓝牙宽带协议结合电路开 关和分组交换机，适用于语音和数据传输。每个声道支持6 4 k b 每秒同步( 语音) 链接。 而异步信道支持任一方向上高到7 2 1 k b 每秒和回程方向5 7 6 k b 每秒的非对称链接。因 此，它可以足够快地应付蜂窝系统上的非常大的数据比率。 蓝牙支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微 网( p i c n e t ) ，多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从 而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微微网内寻址8 个设备( 实际上互联的设 备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8 个，其中1 个为主7 个为从1 。 蓝牙技术标准1 0 的版本已由该蓝牙特殊利益集团于1 9 9 9 年7 月2 6 日正式向全世 界发布。这是一个经过精心设计的、完整而全面的技术规范，它可以使计算机、通信和 信息家电的生产厂家按照此技术规范真正能够开始设计和制造嵌入蓝牙技术的产品。 ( 2 ) h i p e r l a n 技术 除了i e e e ，欧洲电信标准协会( e t s i ) 也在针对欧洲市场，制订名为“h i p e r l a n ”的 无线接入标准。所制订的标准有4 个：h i p e r l a n l 、h i p e r l a n 2 、h i p e r l i n k 和h i p e r a c c e s s 。 其中h i p e r l i n k 用于室内无线主干系统，h i p e r a c c e s s 用于室外对有线通信设施提供固定 接入，h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 则用于无线局域网接入。 h i p e r l a n 主要是为集团消费者，公共和家庭环境提供无线接入到因特网和实时视 频服务。h i p e r l a n l 采用了已在g s m 蜂窝网和蜂窝数字分组数据( c d p d ) 中广泛使用的 l o 2 无线局域网技术 高斯滤波最小频移键控( g m s k ) 调制技术，支持最大2 3 5 m b i t s 的速率。h i p e r l a n 2 则 与8 0 2 1 l a 相似，同样工作在5 g 频带，同样在物理层采用正交频分复用( o f d m ) 调制方 法，同样支持高达5 4 m b i t s 的传输速率。不过，它还具备其它方面的一些优点。在 h i p e r l a n 2 中，数据通过移动终端和接入点之间事先建立的信令链接来进行传输，面向 链接的特点使得h i p e r l a n 2 可以很容易地实现q o s 支持；h i p e r l a n 2 自动进行频率分 配，接入点监听周围的h i p e r l a n 2 无线信道并自动选择空闲信道，这消除了对频率规 划的需求，使系统部署变得相对简便；为了加强无线接入的安全性，h i p e r l a n 2 网络支 持鉴权和加密，只允许合法用户接入网络；h i p e r l a n 2 的协议栈具有很大的灵活性，可 以适应多种固定网络类型它既可以作为交换式以太网的无线接入子网，也可以作为 第三代蜂窝网络的接入网，并且这种接入对于网络层以上的用户部分来说是完全透明 的，当前在固定网络上的任何应用都可以在h i p e r l a n 2 网上运行。相比之下，i e e e s 0 2 1 1 的一系列协议都只能由以太网作为支撑，不如h i p e r l a n 2 灵活。 ( 3 ) h o m e r f 技术 h o m e r f 无线标准是由h o m e r f 工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他 电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。 h o m e r f 是i e e e 8 0 2 1 1 与d e c t 的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。与 前几种技术一样，使用开放的2 4 g h z 频段。采用跳频扩频( f h s s ) 技术，跳频速率为5 0 跳秒，共有7 5 个带宽为1 m h z 的跳频信道，室内覆盖范围为4 5 米。调制方式为恒定 包络的f s k 调制，分为2 f s k 与4 f s k 两种，采用调频调制可以有效地抑制无线环境 下的干扰和衰落。2 f s k 方式下，最大数据的传输速率为1 m b p s4 f s k 方式下，速率可 达2 m b p s 。在新的h o m e r f2 x 标准中，采用了w b f h ( w i d eb a n df r e