GPRS及CDMA網(wǎng)絡(luò)替代數(shù)傳電臺(tái)的可行性討論

分類：技術(shù)教程日期：2008-06-02 00:00:00

范廣林1，施偉年2
（1．江蘇省宏圖電子綜合研究所有限公司，江蘇南京 210003；
2．深圳市宏電技術(shù)開發(fā)有限公司，廣東深圳 518040）
摘要：數(shù)傳電臺(tái)在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，目前仍然是工業(yè)控制領(lǐng)域的主要傳輸手段。憑借GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)的覆蓋廣、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、組網(wǎng)便捷、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，GPRS/CDMA的數(shù)據(jù)傳輸被稱為近2年來迅速崛起的數(shù)傳方式。本文將從兩者的傳輸機(jī)制、組網(wǎng)方式等方面進(jìn)行比較分析，提供數(shù)傳電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)向GPRS/CDMA數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)遷升的方案。文章可作為用戶選擇數(shù)傳媒介的參考。
關(guān)鍵詞：GPRS/CDMA；數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)傳電臺(tái)

1 數(shù)傳電臺(tái)組網(wǎng)方式及其特點(diǎn)
根據(jù)國家無線電管理委員會(huì)頻率規(guī)劃，將223.025～235.000　MHz作為遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)使用的頻段，其中229.0～235.0　MHz頻段在北京地區(qū)用于射電天文業(yè)務(wù)。其他業(yè)務(wù)不得對(duì)其產(chǎn)生有害干擾。用于近距離（１　km以內(nèi)）操作時(shí)應(yīng)≤0.5　W，設(shè)置在城區(qū)、近郊區(qū)時(shí)應(yīng)≤5 W，設(shè)置在遠(yuǎn)郊區(qū)、野外時(shí)應(yīng)≤25 W。

數(shù)傳電臺(tái)有發(fā)射功率限制，傳輸距離最大只有數(shù)十公里，而且，超長距離的發(fā)送需要大功率發(fā)射，因此需要提供大功率電源。這一特性決定了數(shù)傳電臺(tái)的應(yīng)用只能限定在一定的區(qū)域范圍內(nèi)。
數(shù)傳電臺(tái)組成的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)占用１個(gè)頻率資源，在同一頻點(diǎn)上，同時(shí)只能有１個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。一般采用中心對(duì)遠(yuǎn)端多點(diǎn)的通信分配方式，采用輪詢方式查詢數(shù)據(jù)，輪詢周期與電臺(tái)數(shù)量有密切關(guān)系。假設(shè)訪問１個(gè)站點(diǎn)需要0.5 s，輪詢等待超時(shí)時(shí)間設(shè)定為3 s，系統(tǒng)有100個(gè)終端，那么在所有終端工作正常情況下，輪詢周期是0.5×100=50 s，如果有1臺(tái)終端由于設(shè)備故障、頻率干擾等原因?qū)е聜鬏斒。到y(tǒng)在此終端將等待3 s，輪詢的最長周期可能是3×100=300 s。
數(shù)傳電臺(tái)的輪詢模式以及覆蓋范圍，決定了網(wǎng)絡(luò)的容量有一定限度。
數(shù)傳電臺(tái)的建設(shè)成本除了數(shù)傳電臺(tái)的采購成本外，還包括架設(shè)建塔臺(tái)、天線等基站建設(shè)成本，傳輸距離越遠(yuǎn)，基站建設(shè)成本就越大。數(shù)傳電臺(tái)由用戶單位自行建造，無需繳納通信費(fèi)用，但頻率占用費(fèi)以及對(duì)電臺(tái)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用是筆不小的開銷，電臺(tái)數(shù)量越少，單位成本就越高。
數(shù)傳電臺(tái)建設(shè)受城市建設(shè)影響大，建設(shè)好的數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)很可能被城市中新增的高大建筑所阻擋，樓群對(duì)電波的反射、折射有著很大的影響，自建電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)必須針對(duì)城市建設(shè)中出現(xiàn)的情況不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，包括移動(dòng)天線位置、增加天線高度等，必要時(shí)可能會(huì)根據(jù)無線電管理機(jī)構(gòu)的要求調(diào)整頻率。這些在后期運(yùn)行成本中占據(jù)了很大的份額，而且具有很大的未知性。
2 GPRS/CDMA數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成與優(yōu)勢(shì)
GPRS/CDMA已經(jīng)組成了覆蓋全國的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，它是利用“分組交換”(Packet-Switched)概念發(fā)展起來的無線傳輸方式，是一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。GPRS在數(shù)傳領(lǐng)域采用DTU+網(wǎng)絡(luò)接入的方式組網(wǎng)，圖２是互聯(lián)網(wǎng)接入的一種典型應(yīng)用。

圖２
采用GPRS/CDMA方式組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)及其方便，只要附近有GPRS/CDMA基站，就可以架設(shè)數(shù)據(jù)采集終端，沒有通信距離的限制；GPRS/CDMA終端的發(fā)射功率都很小，一般<2　W，加上具有電源管理等功能，可滿足部分依靠太陽能電池供電的采集點(diǎn)使用。
在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，利用２臺(tái)或多臺(tái)數(shù)傳電臺(tái)組網(wǎng)，每個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)占用１個(gè)頻率，當(dāng)此頻率受到干擾時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸將受到嚴(yán)重影響。
GPRS與GSM共用頻段，GSM采用TDMA/FDMA多址工作方式，每個(gè)頻道有8個(gè)時(shí)隙(8信道)。依據(jù)小區(qū)用戶數(shù)量(密度)，GSM可采用不同的小區(qū)頻率復(fù)用方式。由于GPRS可用頻段寬，容易滿足組建公網(wǎng)對(duì)信道數(shù)的需要。GPRS/CDMA是公眾生活中的一個(gè)重要交流工具，其工作頻率受到無線電委員會(huì)的保護(hù)，因此頻率受干擾的機(jī)會(huì)非常少。GPRS/CDMA的跳頻機(jī)制也能有效地解決頻率受到干擾的問題。
GPRS采用卷積編碼，推薦4種編碼方式：CS-1～CS-4(CS-1碼率為1/2，CS-2碼率為2/3)，可通過減少糾錯(cuò)比特適應(yīng)不同傳輸信道質(zhì)量要求。目前使用的CS-2編碼糾錯(cuò)能力較強(qiáng)，即使傳輸信道質(zhì)量比較差，也能滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。
CDMA技術(shù)早已在軍用抗干擾通信研究中得到廣泛應(yīng)用，這一成果迅速成為全球的熱門課題。成功轉(zhuǎn)化為民用的CDMA技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域?qū)?huì)給用戶提供更高的安全保障。
GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)采用分組交換方式，在滿足數(shù)據(jù)帶寬的情況下，中心可以幾乎同時(shí)向全部終端發(fā)送查詢數(shù)據(jù)，組成和上述電臺(tái)組網(wǎng)案例中相同規(guī)模的GPRS/CDMA數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)輪巡周期為3～5 s，而且這個(gè)周期不隨著終端數(shù)量的增長而增長，個(gè)別終端故障，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的輪詢周期。針對(duì)GPRA/CDMA的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)的輪詢模式，采用終端主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，數(shù)據(jù)采集效率更高。
在GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)上組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)總帶寬需求，申請(qǐng)合適的中心接入方式與帶寬，對(duì)終端數(shù)量沒有限制。使得其在電力、氣象、水文等行業(yè)里作為大范圍、大容量的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)成為可能。
GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)屬于蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高大建筑對(duì)網(wǎng)絡(luò)無線信號(hào)的影響只局限在小塊區(qū)域，而且，移動(dòng)運(yùn)營商有專門的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部門，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的流量、通信故障等情況，可及時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，用戶根本不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，更不需要為網(wǎng)絡(luò)調(diào)整付出額外的支出。
3 GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)替代數(shù)傳電臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案
使用GPRS/CDMA DTU開發(fā)新的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，只需要按照GPRS/CMDA DTU的組網(wǎng)方案實(shí)施即可，方便易行。現(xiàn)有大量的數(shù)傳電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，需要改造成GPRS/CDMA數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)。本文將重點(diǎn)探討如何改造，并在改造過程中最大限度地減少工作量，充分利用原有資源，降低改造成本。
(1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
這是改造過程的第一步，重點(diǎn)是計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬需求，從而選擇合適的終端與中心接入方式。GPRS DTU理論上可以滿足13.4～53.6 kbit/s的傳輸要求，但在實(shí)際應(yīng)用中，建議考慮應(yīng)用的帶寬需要在9600　kbit/s以下，超出這個(gè)帶寬的需求時(shí)，建議使用CDMA DTU。對(duì)GPRS/CDMA的選擇還要考慮到當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，目前GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)可以全面覆蓋到大部分地區(qū)。數(shù)傳電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)中，通常中心接入設(shè)備帶寬與終端帶寬相同，如果改造后的GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)同樣沿用傳統(tǒng)的輪巡模式，則中心帶寬的需求同樣與終端相同。如果需要改變輪巡模式，對(duì)終端同時(shí)發(fā)送查詢指令，則中心帶寬是所有終端帶寬的總和。對(duì)于特別大型的項(xiàng)目中，可以考慮對(duì)GPRS/CDMA DTU分組，合理利用中心帶寬。
(2)終端改造
也許是整個(gè)改造過程最輕松的環(huán)節(jié)，數(shù)傳電臺(tái)與RTU通過RS－232、RS－485等接口連接，改造所要做的是就是從接口上拔掉電臺(tái)，插上設(shè)置好的GPRS/CDMA DTU。剩下的工作就是觀察這個(gè)安裝地點(diǎn)GPRS/CDMA的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)狀況、記錄DTU運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整天線等，直至終端正常運(yùn)行并與中心連接。
現(xiàn)在很多中心接入點(diǎn)都可以很方便接入Internet，利用互聯(lián)網(wǎng)接入方式是大多數(shù)工程的首選。部分終端數(shù)量大、項(xiàng)目安全性、可靠性要求高的項(xiàng)目可以選用GPRS/CDMA專線接入。
改造過程中的難點(diǎn)是在中心接收軟件上，數(shù)傳電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的中心軟件一般通過RS－232口與中心電臺(tái)連接，通過這個(gè)串行口與所有終端數(shù)據(jù)連接。改造方案如下：
方案1：部分軟件可以重新改寫，中心軟件將原先調(diào)用的串行口數(shù)據(jù)收發(fā)的函數(shù)替換成GPRS/CDMA DTU配套的中心連接庫函數(shù)，就可以方便地實(shí)現(xiàn)從數(shù)傳電臺(tái)到GPRS/CDMA數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換；
方案2：部分軟件已不便于重新改寫，如國外的軟件、未保留源碼的軟件等等，這樣的項(xiàng)目改造，只能采用增加中間件的方案實(shí)現(xiàn)，即增加１個(gè)中間處理軟件，將網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)，通過虛擬串行口或者實(shí)際串口轉(zhuǎn)發(fā)給原有軟件，從而實(shí)現(xiàn)從數(shù)傳電臺(tái)到GPRS/CDMA數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)過渡。此方案已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)，讓幾個(gè)已經(jīng)癱瘓的數(shù)傳電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通過GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)改造后重新投入運(yùn)行。
4 結(jié)束語
隨著GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，適于各種應(yīng)用的終端產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，同數(shù)傳電臺(tái)相比，GPRS/CDMA數(shù)據(jù)傳輸在建設(shè)成本、維護(hù)成本上有很大的優(yōu)勢(shì)。利用公用網(wǎng)絡(luò)組建數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)也是一種趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)：
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