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计算机论文 范文 一：认知无线电系统组成与运用场景探析
认知无线电系统组成
认知无线电系统是指采用认知无线电技术的无线通信系统，它借助于更加灵活的收发信机平台和增强的计算智能使得通信系统更加灵活。认知无线电系统主要包括信息获取、学习以及决策与调整3个功能模块，如图1所示[3]。
认知无线电系统的首要特征是获取无线电外部环境、内部状态和相关政策等知识，以及监控用户需求的能力。认知无线电系统具备获取无线电外部环境并进行分析处理的能力，例如，通过对当前频谱使用情况的分析，可以表示出无线通信系统的载波频率和通信带宽，甚至可以得到其覆盖范围和干扰水平等信息;认知无线电系统具备获取无线电内部状态信息能力，这些信息可以通过其配置信息、流量负载分布信息和发射功率等来得到;认知无线电系统具备获取相关政策信息的能力，无线电政策信息规定了特定环境下认知无线电系统可以使用的频带，最大发射功率以及相邻节点的频率和带宽等;认知无线电系统具备监控用户需求并根据用户需求进行决策调整的能力。如表1所示，用户的业务需求一般可以分为话音、实时数据(比如图像)和非实时数据(比如大的文件包)3类，不同类型的业务对通信QoS的要求也不同。
认知无线电系统的第2个主要特征是学习的能力。学习过程的目标是使用认知无线电系统以前储存下来的决策和结果的信息来提高性能。根据学习内容的不同， 学习 方法 可以分为3类。第一类是监督学习，用于对外部环境的学习，主要是利用实测的信息对估计器进行训练;第2类是无监督学习，用于对外部环境的学习，主要是提取外部环境相关参数的变化规律;第3类是强化学习，用于对内部规则或行为的学习，主要是通过奖励和惩罚机制突出适应当前环境的规则或行为，抛弃不适合当前环境的规则或行为。机器学习技术根据学习机制可以分为:机械式学习、基于解释的学习、指导式学习、类比学习和归纳学习等。
认知无线电系统的第3个主要特性是根据获取的知识，动态、自主地调整它的工作参数和协议的能力，目的是实现一些预先确定的目标，如避免对其他无线电系统的不利干扰。认知无线电系统的可调整性不需要用户干涉。它可以实时地调整工作参数，以达到合适的通信质量;或是为了改变某连接中的无线接入技术;或是调整系统中的无线电资源;或是为了减小干扰而调整发射功率。认知无线电系统分析获取的知识，动态、自主地做出决策并进行重构。做出重构决策后，为响应控制命令，认知无线电系统可以根据这些决策来改变它的工作参数和/或协议。认知无线电系统的决策过程可能包括理解多用户需求和无线工作环境，建立政策，该政策的目的是为支持这些用户的共同需求选择合适的配置。
认知无线电与其他无线电的关系
在认知无线电提出之前，已经有一些“某某无线电”的概念，如软件定义无线电、自适应无线电等，它们与认知无线电间的关系如图2所示。软件定义无线电被认为是认知无线电系统的一种使能技术。软件定义无线电不需要CRS的特性来进行工作。SDR和CRS处于不同的发展阶段，即采用SDR应用的无线电通信系统已经得到利用，而CRS正处于研究阶段，其应用也正处于研究和试验当中。SDR和CRS并非是无线电通信业务，而是可以在任何无线电通信业务中综合使用的技术。自适应无线电可以通过调整参数与协议，以适应预先设定的信道与环境。与认知无线电相比，自适应无线电由于不具有学习能力，不能从获取的知识与做出的决策中进行学习，也不能通过学习改善知识获取的途径、调整相应的决策，因此，它不能适应未预先设定的信道与环境。可重构无线电是一种硬件功能可以通过软件控制来改变的无线电，它能够更新部分或全部的物理层波形，以及协议栈的更高层。基于策略的无线电可以在未改变内部软件的前提下通过更新来适应当地监管政策。对于较新的无线电网络，因特网路由器一直都是基于策略的。这样，网络运营商就可以使用策略来控制访问权限、分配资源以及修改网络拓扑结构和行为。对于认知无线电来说，基于策略技术应该能够使产品可以在全世界通用，可以自动地适应当地监管要求，而且当监管规则随时间和 经验 变化时可以自动更新。智能无线电是一种根据以前和当前情况对未来进行预测，并提前进行调整的无线电。与智能无线电比较，自适应无线电只根据当前情况确定策略并进行调整，认知无线电可以根据以前的结果进行学习，确定策略并进行调整。
认知无线电关键技术
认知无线电系统的关键技术包括无线频谱感知技术、智能资源管理技术、自适应传输技术与跨层设计技术等，它们是认知无线电区别传统无线电的特征技术[4，5]。
频谱检测按照检测策略可以分为物理层检测、MAC层检测和多用户协作检测，如图3所示。3.1.1物理层检测物理层的检测方法主要是通过在时域、频域和空域中检测授权频段是否存在授权用户信号来判定该频段是否被占用，物理层的检测可以分为以下3种方式:发射机检测的主要方法包括能量检测、匹配滤波检测和循环平稳特性检测等，以及基于这些方法中某一种的多天线检测。当授权用户接收机接收信号时，需要使用本地振荡器将信号从高频转换到中频，在这个转换过程中，一些本地振荡器信号的能量不可避免地会通过天线泄露出去，因而可以通过将低功耗的检测传感器安置在授权用户接收机的附近来检测本振信号的能量泄露，从而判断授权用户接收机是否正在工作。干扰温度模型使得人们把评价干扰的方式从大量发射机的操作转向了发射机和接收机之间以自适应方式进行的实时性交互活动，其基础是干扰温度机制，即通过授权用户接收机端的干扰温度来量化和管理无线通信环境中的干扰源。MAC层检测主要关注多信道条件下如何提高吞吐量或频谱利用率的问题，另外还通过对信道检测次序和检测周期的优化，使检测到的可用空闲信道数目最多，或使信道平均搜索时间最短。MAC层检测主要可以分为以下2种方式:主动式检测是一种周期性检测，即在认知用户没有通信需求时，也会周期性地检测相关信道，利用周期性检测获得的信息可以估计信道使用的统计特性。被动式检测也称为按需检测，认知用户只有在有通信需求时才依次检测所有授权信道，直至发现可用的空闲信道。由于多径衰落和遮挡阴影等不利因素，单个认知用户难以对是否存在授权用户信号做出正确的判决，因此需要多个认知用户间相互协作，以提高频谱检测的灵敏度和准确度，并缩短检测的时间。协作检测结合了物理层和MAC层功能的检测技术，不仅要求各认知用户自身具有高性能的物理层检测技术，更需要MAC层具有高效的调度和协调机制。
智能资源管理的目标是在满足用户QoS要求的条件下，在有限的带宽上最大限度地提高频谱效率和系统容量，同时有效避免网络拥塞的发生。在认知无线电系统中，网络的总容量具有一定的时变性，因此需要采取一定的接入控制算法，以保障新接入的连接不会对网络中已有连接的QoS需求造成影响。动态频谱接入概念模型一般可分为图4所示的3类。动态专用模型保留了现行静态频谱管理政策的基础结构，即频谱授权给特定的通信业务专用。此模型的主要思想是引入机会性来改善频谱利用率，并包含2种实现途径:频谱产权和动态频谱分配。开放共享模型，又称为频谱公用模型，这个模型向所有用户开放频谱使其共享，例如ISM频段的开放共享方式。分层接入模型的核心思想是开放授权频谱给非授权用户，但在一定程度上限制非授权用户的操作，以免对授权用户造成干扰，有频谱下垫与频谱填充2种。认知无线电中的频谱分配主要基于2种接入策略:①正交频谱接入。在正交频谱接入中，每条信道或载波某一时刻只允许一个认知用户接入，分配结束后，认知用户之间的通信信道是相互正交的，即用户之间不存在干扰(或干扰可以忽略不计)。②共享频谱接入。在共享频谱接入中，认知用户同时接入授权用户的多条信道或载波，用户除需考虑授权用户的干扰容限外，还需要考虑来自其他用户的干扰。根据授权用户的干扰容限约束，在上述2种接入策略下又可以分为以下2种频谱接入模式:填充式频谱接入和下垫式频谱接入。对于填充式频谱接入，认知用户伺机接入“频谱空穴”，它们只需要在授权用户出现时及时地出让频谱而不存在与授权用户共享信道时的附加干扰问题，此种方法易于实现，且不需要现有通信设备提供干扰容限参数。在下垫式频谱接入模式下，认知用户与授权用户共享频谱，需要考虑共用信道时所附加的干扰限制。
在不影响通信质量的前提下，进行功率控制尽量减少发射信号的功率，可以提高信道容量和增加用户终端的待机时间。认知无线电网络中的功率控制算法设计面临的是一个多目标的联合优化问题，由于不同目标的要求不同，存在着多种折中的方案。根据应用场景的不同，现有的认知无线电网络中的功率控制算法可以分成2大类:一是适用于分布式场景下的功率控制策略，一是适用于集中式场景下的功率控制策略。分布式场景下的功率控制策略大多以博弈论为基础，也有参考传统Adhoc网络中功率控制的方法，从集中式策略入手，再将集中式策略转换成分布式策略;而集中式场景下的功率控制策略大多利用基站能集中处理信息的便利，采取联合策略，即将功率控制与频谱分配结合或是将功率控制与接入控制联合考虑等。
自适应传输可以分为基于业务的自适应传输和基于信道质量的自适应传输。基于业务的自适应传输是为了满足多业务传输不同的QoS需求，其主要在上层实现，不用考虑物理层实际的传输性能，目前有线网络中就考虑了这种自适应传输技术。认知无线电可以根据感知的环境参数和信道估计结果，利用相关的技术优化无线电参数，调整相关的传输策略。这里的优化是指无线通信系统在满足用户性能水平的同时，最小化其消耗的资源，如最小化占用带宽和功率消耗等。物理层和媒体控制层可能调整的参数包括中心频率、调制方式、符号速率、发射功率、信道编码方法和接入控制方法等。显然，这是一种非线性多参数多目标优化过程。
现有的分层协议栈在设计时只考虑了通信条件最恶劣的情况，导致了无法对有限的频谱资源及功率资源进行有效的利用。跨层设计通过在现有分层协议栈各层之间引入并传递特定的信息来协调各层之间的运行，以与复杂多变的无线通信网络环境相适应，从而满足用户对各种新的业务应用的不同需求。跨层设计的核心就是使分层协议栈各层能够根据网络环境以及用户需求的变化，自适应地对网络的各种资源进行优化配置。在认知无线电系统中，主要有以下几种跨层设计技术:为了选择合适的频谱空穴，动态频谱管理策略需要考虑高层的QoS需求、路由、规划和感知的信息，通信协议各层之间的相互影响和物理层的紧密结合使得动态频谱管理方案必须是跨层设计的。频谱移动性功能需要同频谱感知等其他频谱管理功能结合起来，共同决定一个可用的频段。为了估计频谱切换持续时间对网络性能造成的影响，需要知道链路层的信息和感知延迟。网络层和应用层也应该知道这个持续时间，以减少突然的性能下降;另外，路由信息对于使用频谱切换的路由发现过程也很重要。频谱共享的性能直接取决于认知无线电网络中频谱感知的能力，频谱感知主要是物理层的功能。然而，在合作式频谱感知情况下，认知无线电用户之间需要交换探测信息，因此频谱感知和频谱共享之间的跨层设计很有必要。在认知无线电系统中，由于多跳通信中的每一跳可用频谱都可能不同，网络的拓扑配置就需要知道频谱感知的信息，而且，认知无线电系统路由设计的一个主要思路就是路由与频谱决策相结合。
认知无线电应用场景
认知无线电系统不仅能有效地使用频谱，而且具有很多潜在的能力，如提高系统灵活性、增强容错能力和提高能量效率等。基于上述优势，认知无线电在民用领域和军用领域具有广阔的应用前景。
频谱效率的提高既可以通过提高单个无线接入设备的频谱效率，也可以通过提高各个无线接入技术的共存性能。这种新的频谱利用方式有望增加系统的性能和频谱的经济价值。因此，认知无线电系统的这些共存/共享性能的提高推动了频谱利用的一种新方式的发展，并且以一种共存/共享的方式使获得新的频谱成为可能。认知无线电系统的能力还有助于提高系统灵活性，主要包括提高频谱管理的灵活性，改善设备在生命周期内操作的灵活性以及提高系统鲁棒性等。容错性是通信系统的一项主要性能，而认知无线电可以有效改善通信系统的容错能力。通常容错性主要是基于机内测试、故障隔离和纠错 措施 。认知无线电对容错性的另一个优势是认知无线电系统具有学习故障、响应和错误信息的能力。认知无线电系统可以通过调整工作参数，比如带宽或者基于业务需求的信号处理算法来改善功率效率。
认知无线电所要解决的是资源的利用率问题，在农村地区应用的优势可以 总结 为如下。农村无线电频谱的使用，主要占用的频段为广播、电视频段和移动通信频段。其特点是广播频段占用与城市基本相同，电视频段利用较城市少，移动通信频段占用较城市更少。因此，从频率域考虑，可利用的频率资源较城市丰富。农村经济发达程度一般不如城市，除电视频段的占用相对固定外，移动通信的使用率不及城市，因此，被分配使用的频率利用率相对较低。由于农村地广人稀，移动蜂窝受辐射半径的限制，使得大量地域无移动通信频率覆盖，尤其是边远地区，频率空间的可用资源相当丰富。
在异构无线环境中，一个或多个运营商在分配给他们的不同频段上运行多种无线接入网络，采用认知无线电技术，就允许终端具有选择不同运营商和/或不同无线接入网络的能力，其中有些还可能具有在不同无线接入网络上支持多个同步连接的能力。由于终端可以同时使用多种 无线网络 ，因此应用的通信带宽增大。随着终端的移动和/或无线环境的改变，可以快速切换合适的无线网络以保证稳定性。
在军事通信领域，认知无线电可能的应用场景包括以下3个方面。认知抗干扰通信。由于认知无线电赋予电台对周围环境的感知能力，因此能够提取出干扰信号的特征，进而可以根据电磁环境感知信息、干扰信号特征以及通信业务的需求选取合适的抗干扰通信策略，大大提升电台的抗干扰水平。战场电磁环境感知。认知无线电的特点之一就是将电感环境感知与通信融合为一体。由于每一部电台既是通信电台，也是电磁环境感知电台，因此可以利用电台组成电磁环境感知网络，有效地满足电磁环境感知的全时段、全频段和全地域要求。战场电磁频谱管理。现代战场的电磁频谱已经不再是传统的无线电通信频谱，静态的和集重视的频谱管理策略已不能满足灵活多变的现代战争的要求。基于认知无线电技术的战场电磁频谱管理将多种作战要素赋予频谱感知能力，使频谱监测与频谱管理同时进行，大大提高了频谱监测网络的覆盖范围，拓宽了频谱管理的涵盖频段。
结束语
如何提升频谱利用率，来满足用户的带宽需求;如何使无线电智能化，以致能够自主地发现何时、何地以及如何使用无线资源获取信息服务;如何有效地从环境中获取信息、进行学习以及做出有效的决策并进行调整，所有这些都是认知无线电技术要解决的问题。认知无线电技术的提出，为实现无线环境感知、动态资源管理、提高频谱利用率和实现可靠通信提供了强有力的支撑。认知无线电有着广阔的应用前景，是无线电技术发展的又一个里程碑。
计算机论文范文二：远程无线管控体系的设计研究
1引言
随着我国航天事业的发展,测量船所承担的任务呈现高密度、高强度的趋势,造成码头期间的任务准备工作越来越繁重,面临着考核项目多、考核时间短和多船协调对标等现实情况,如何提高对标效率、确保安全可靠对标成为紧迫的课题。由于保密要求,原研制的远程标校控制系统无法接入现有网络,而铺设专网的耗资巨大,性价比低,也非首选方案。近些年来,无线通信已经成为信息通信领域中发展最快、应用最广的技术,广泛应用于家居、农业、工业、航天等领域,已成为信息时代社会生活不可或缺的一部分[1],这种技术也为解决测量船远程控制标校设备提供了支持。本文通过对常用中远距离无线通信方式的比较,择优选择了无线网桥,采用了桥接中继的网络模式,通过开发远程设备端的网络控制模块,以及相应的控制软件,实现了测量船对远程设备的有效、安全控制。
2无线通信方式比较
无线通信技术是利用电磁波信号在自由空间中进行信息传播的一种通信方式,按技术形式可分为两类:一是基于蜂窝的接入技术,如蜂窝数字分组数据、通用分组无线传输技术、EDGE等;二是基于局域网的技术,如WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。在中远距离无线通信常用的有ISM频段的通信技术(比如ZigBee以及其他频段的数传模块等)和无线 网络技术 (比如GSM、GPRS以及无线网桥等)。基于ISM频段的数传模块的通信频率为公共频段,产品开发没有限制,因此发展非常迅速,得到了广泛应用。特别是近年来新兴的ZigBee技术,因其低功耗、低复杂度、低成本,尤其是采用自组织方式组网,对网段内设备数量不加限制,可以灵活地完成网络链接,在智能家居、无线抄表等网络系统开发中得到应用[2]。但是,对于本系统的开发而言,需要分别研制控制点和被控制点的硬件模块,并需通过软件配置网络环境,开发周期长,研制成本高,故非本系统开发的最优方案。
GSM、GPRS这种无线移动通信技术已经成为人们日常生活工作必不可少的部分,在其他如无线定位、远程控制等领域的应用也屡见不鲜[3],但是由于保密、通信费用、开发成本等因素,也无法适用于本系统的开发。而无线网桥为本系统的低成本、高效率的研发提供了有利支持,是开发本系统的首选无线通信方式。无线网桥是无线网络的桥接,它可在两个或多个网络之间搭起通信的桥梁,也是无线接入点的一个分支。无线网桥工作在2•4GHz或5•8GHz的免申请无线执照的频段,因而比其他有线网络设备更方便部署,特别适用于城市中的近距离、远距离通信。
3系统设计
该远程控制系统是以保障测量船对远端标校设备的有效控制为目标,包括标校设备的开关机、状态参数的采集等,主要由测量船控制微机、标校设备、网络控制模块、主控微机以及无线网桥等组成。工作流程为测量船控制微机或主控微机发送控制指令,通过无线网桥进行信息传播,网络控制模块接收、解析指令,按照Modbus协议规定的数据格式通过串口发给某一标校设备,该标校设备响应控制指令并执行;网络控制模块定时发送查询指令,并将采集的状态数据打包,通过无线发给远程控制微机,便于操作人员监视。网络通信协议采用UDP方式,对于测量船控制微机、主控微机仅需按照一定的数据格式发送或接收UDP包即可。网络控制模块是系统的核心部件,是本文研究、设计的重点。目前,常用的网络芯片主要有ENC28J60、CP2200等,这里选用了ENC28J60,设计、加工了基于STC89C52RC单片机的硬件电路。通过网络信息处理软件模块的开发,满足了网络信息交互的功能要求;通过Modbus串口协议软件模块的开发,满足了标校设备监控功能,从而实现了系统设计目标。
3.1组网模式
无线网桥有3种工作方式,即点对点、点对多点、中继连接。根据系统的控制要求以及环境因素,本系统采用了中继连接的方式,其网络拓扑如图1所示。从图中可以清晰看出,这种中继连接方式在远程控制端布置两个无线网桥,分别与主控点和客户端进行通信,通过网络控制模块完成数据交互,从而完成组网。
3.2安全防范
由于是开放性设计,无线网络安全是一个必须考虑的问题。本系统的特点是非定时或全天候开机,涉密数据仅为频点参数,而被控设备自身均有保护措施(协议保护)。因此,系统在设计时重点考虑接入点防范、防止攻击,采取的措施有登录密码设施、网络密匙设置、固定IP、对数据结构体的涉密数据采取动态加密等方式,从而最大限度地防止了“被黑”。同时,采用了网络防雷器来防护雷电破坏。
3.3网络控制模块设计
3.3.1硬件设计
网络控制模块的功能是收命令信息、发状态信息,并通过串口与标校设备实现信息交互,其硬件电路主要由MCU(微控制单元)、ENC28J60(网络芯片)、Max232(串口芯片)以及外围电路组成,其电原理图如图2所示。硬件设计的核心是MCU、网络芯片的选型,本系统MCU选用的STC89C52RC单片机,是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,可直接使用串口下载,为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。ENC28J60是由M-icrochip公司出的一款高集成度的以太网控制芯片,其接口符合IEEE802.3协议,仅28个引脚就可提供相应的功能,大大简化了相关设计。ENC28J60提供了SPI接口,与MCU的通信通过两个中断引脚和SPI实现,数据传输速率为10Mbit/s。ENC28J60符合IEEE802.3的全部规范,采用了一系列包过滤机制对传入的数据包进行限制,它提供了一个内部DMA模块,以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算[4]。ENC28J60对外网络接口采用HR911102A,其内置有网络变压器、电阻网络,并有状态显示灯,具有信号隔离、阻抗匹配、抑制干扰等特点,可提高系统抗干扰能力和收发的稳定性。
3.3.2软件设计
网络控制模块的软件设计主要包括两部分,一是基于SPI总线的ENC28J60的驱动程序编写,包括以太网数据帧结构定义、初始化和数据收发;二是Modbus协议编制,其软件流程如图3所示。
3.3.2.1ENC28J60的驱动程序编写
(1)以太网数据帧结构符合IEEE802.3标准的以太网帧的长度是介于64~1516byte之间,主要由目标MAC地址、源MAC地址、类型/长度字段、数据有效负载、可选填充字段和循环冗余校验组成。另外,在通过以太网介质发送数据包时,一个7byte的前导字段和1byte的帧起始定界符被附加到以太网数据包的开头。以太网数据包的结构如图4所示。(2)驱动程序编写1)ENC28J60的寄存器读写规则由于ENC28J60芯片采用的是SPI串行接口模式,其对内部寄存器读写的规则是先发操作码<前3bit>+寄存器地址<后5bit>,再发送欲操作数据。通过不同操作码来判别操作时读寄存器(缓存区)还是写寄存器(缓冲区)或是其他。2)ENC28J60芯片初始化程序ENC28J60发送和接收数据包前必须进行初始化设置,主要包括定义收发缓冲区的大小,设置MAC地址与IP地址以及子网掩码,初始化LEDA、LEDB显示状态通以及设置工作模式,常在复位后完成,设置后不需再更改。3)ENC28J60发送数据包ENC28J60内的MAC在发送数据包时会自动生成前导符合帧起始定界符。此外,也会根据用户配置以及数据具体情况自动生成数据填充和CRC字段。主控器必须把所有其他要发送的帧数据写入ENC28J60缓冲存储器中。另外,在待发送数据包前要添加一个包控制字节。包控制字节包括包超大帧使能位(PHUGEEN)、包填充使能位(PPADEN)、包CRC使能位(PCRCEN)和包改写位(POVERRIDE)4个内容。4)ENC28J60接收数据包如果检测到EIR.PKTIF为1,并且EPKTCNT寄存器不为空,则说明接收到数据,进行相应处理。
3.3.2.2ModBus协议流程
本系统ModBus协议的数据通信采用RTU模式[5],网络控制模块作为主节点与从节点(标校设备)通过串口建立连接,主节点定时向从节点发送查询命令,对应从节点响应命令向主节点发送设备状态信息。当侦测到网络数据时,从ENC28J60接收数据包中解析出命令,将对应的功能代码以及数据,按照Modbus数据帧结构进行组帧,发送给从节点;对应从节点响应控制命令,进行设备参数设置。
4系统调试与验证
试验调试环境按照图1进行布置,主要包括5个无线网桥、1个主控制点、2个客户端、1块网络控制模块板以及标校设备等,主要测试有网络通信效果、网络控制能力以及简单的安全防护测试。测试结论:网络连接可靠,各控制点均能安全地对远端设备进行控制,具备一定安全防护能力,完全满足远程设备控制要求。
5结束语
本文从实际需要出发,通过对当下流行的无线通信技术的比较,选用无线网桥实现远控系统组网;通过开发网络控制模块,以及相应的控制软件编制,研制了一套用于测量船远程控制设备的系统。经几艘测量船的应用表明,采用无线网桥进行组网完全满足系统设计要求,具有高安全性、高可靠性、高扩展性等优点,在日趋繁重的保障任务中发挥了重要的作用。本系统所采用的无线组网方法,以及硬件电路的设计方案,对其他相关控制领域均有一定的参考价值。
在工业控制系统中，应用现场总线技术、以太网技术等，可实现系统的网络化，提高系统的性能和开放性，但是这些控制网络一般都是基于有线的网络。有线网络高速稳定，满足了大部分场合工业组网的需要。但是，有线网络只能沿着一维的线路传输数据，传输需要导体介质，因而带来规划布线、预设接口、线路检测、线路扩容等一系列和传输途径有关的工作，并且这些工作不可避免地具有破坏建筑、浪费接口、检修困难、扩展困难的弊病。在现代控制网络中，许多自动化设备要求具有更高的灵活性和可移动性，当工业设备处在不能布线的环境中或者是装载在车辆等运动机械的情况下，是难以使用有线网络的。与此相对应，无线网络向三维空间传送数据，中间无需传输介质，只要在组网区域安装接入点（Access Point）设备，就可以建立局域网；移动终端只要安装了无线网卡就可以在接收范围内自由接入网络。总之，在网络建设的灵活性、便捷性、扩展性方面，无线网络有独特的优势，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。
一、无线局域网简介
一般来说，凡是采用无线传输媒体的局域网都可称为无线局域网。这里的无线媒体可以是无线电波、红外线或激光。无线局域网（Wireless LAN）技术可以非常便捷地以无线方式连接网络设备，人们可随时、随地、随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。无线局域网可以在不采用网络电缆线的情况下，提供网络互联功能。
1.无线协议简介
无线局域网络协议标准建立至今已有较长时间，但由于无线局域网速度低、协议标准不统一、价格昂贵，用户为保护投资，不愿意使用无线网络，因此无线局域网并没有得到广泛应用。近几年来，随着速率较高的无线通讯协议开始推出，无线局域网得到快速发展。
IEEE802.11是IEEE802标准委员会在1997年通过的第一个无线局域网的国际标准。1999年9月，该委员会又颁布了IEEE802.11b标准，包含了ISO／OSI模型的物理层和媒体访问控制层（MAC）。该标准工作在2.4 GHz，传输速率可达11 Mbps。 IEEE802.11b标准将节点设备分为基站和客户站，各客户站相互间可直接通信，也可在基站的统一管理下进行通信。一个基站与一组客户站的连接称为基本服务集BSS（Basic Service Set），两个或多个BSS构成扩展服务集。IEEE802.11b标准规定了物理层的三种实现方法，即跳频扩展频谱方式FHSS、直接序列扩展频谱方式DSSS和红外技术IR。在MAC层采用CSMA／CA（载波侦听多路访问／碰撞避免）技术进行通信介质访问。为了尽量减少冲突。802.11b设计了独特的MAC子层，如图1所示。下面的一层叫做分布协调功能DCF（Distributed Coordination Function）子层，该子层使各个节点采用竞争的方式使用信道，向上提供争用服务。这种信道接入方式可能会导致冲突的发生，但是对信道的利用率较高。上面的一层叫做点协调功能PCF（Point Coordination Function）
图1 IEEE802.11的MAC子层
子层，该子层使用集中控制的接入算法，基站以轮询的方式将通信权轮流交给各个客户站，从而避免了冲突的发生。但是基站需要周期性的轮询所有客户站，需要占用大量的时间，因此适用于中、小型网络。无线局域网的技术还在不断发展。美国Radia－ta和Atheros公司分别宣布将推出IEEE802.11a芯片组。802.11a的数据传输速率为54 Mbps。Atheros公司宣称，他们的芯片组在“Turbomode”（强化模式）下，速率可以达到72 Mbps。对802.11a来说，不仅仅是传输速率的提高，它将工作在5 GHz的频率上，从而避开了拥挤的2.4 GHz频段。2001年11月15日，IEEE试验性地批准了一种新技术802.11g，该技术可以提升家庭、公司和公共场所的无线互联网接入速度，该技术使无线网络每秒传输速度也可达54 Mbps，比现在通用的802.11b要快5倍，并且和802.11b兼容。以上介绍的技术标准可通过下表1进行对比。
表1 技术标准、频率分配及传输速率
技术标准
制定年份
频率占用
最高速率
调制技术
802.11
1997
2.4GHz
2Mbps
FHSS
802.11b
1999
2.4GHz
11Mbps
DSSS
802.11a
1999
5GHz
54Mbps
OFDM
802.11g
2000
2.4GHz
54Mbps
DSSS
说明：
1.802.11、802.11b、802.11g都工作在2.4GHz的ISM（工业、科学、医疗）公共频段，无需向无委申请；而802.11a工作在5GHz频段，该频段目前暂不开放，需要申请。
2.802.11a和802.11g物理层速率最高都可达54Mbps，传输层速率最高也可达25Mbps，但稳定性有待进一步改善，且成本也较高。而802.11b最高速率可达11Mbps，因为起步较早，技术较为成熟，成本也不高，将是未来最有前途的无线局域网标准，下面重点介绍802.11b标准。
二、IEEE 802.11b无线网络标准
1． 无线局域网的物理层
无线局域网同传统有线局域网的区别，表现在物理层上就是无线局域网一般用无线电作为传输介质，而不是传统的电缆。对于IEEE 802.11b无线局域网，有三种可选物理层：跳频扩频（FHSS）物理层、直接序列扩频（DSSS）物理层和红外线（IR）物理层。物理层的选择取决于实际应用的要求。跳频扩频和直接序列扩频是通信技术中两种常用的扩展频谱技术，用以提高无线信道的利用率和数据通信的安全性。目前大多数基于IEEE 802.11b的无线局域网产品的物理层介质工作在2.4000～2.4835GHz的无线射频频段（ISM频段），采用直接序列扩展频谱技术以提供高达11Mbps的数据传输速率。
2． 无线局域网的MAC协议
原则上讲，无线局域网的MAC协议和有线局域网的MAC协议并无本质上的区别。然而，由于无线传输媒体固有的特性以及移动性的影响，无线局域网的MAC协议不能沿用原有的局域网协议。例如，IEEE 802.3的MAC层采用CSMA/CD来使各个不同的站点共享同一物理信道。而实现CSMA/CD的一个重要前提是，各站点能够非常容易地实现冲突检测功能。在有线局域网（如以太网）的情况下，可根据检测电缆线上直流分量的变化容易地实现冲突检测。然而在使用无线传输媒体时，由于以下的原因，很难实现冲突检测。
1） 冲突检测的能力要求各站能同时发送（发送自己的信号）和接收（决定其他站的传输是否干扰自己的传输），这将增加信道的花费。
2） 更重要的是，由于隐藏终端问题的存在，即使一个站有冲突检测的能力，并已经在发送时检测到冲突，在接收端仍然会有冲突发生。
鉴于以上原因，无线局域网协议标准IEEE 802.11b采用了一种具有冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）协议实现无线信道的共享。
一种简单的CSMA/CA可实现如下：在数据包传输之前，无线设备将先进行监听，看是否有其他无线设备正在传输。若传输正在进行，该设备将等待一段随机决定的时间，然后再监听，若没有其他设备正在使用介质，该设备开始传输数据；因为很有可能在一个设备传输数据的同时，另一个设备也开始传输数据，为了避免此类冲突造成的数据丢失，接收设备检测所收到的分组的CRC，如果正确，则向发送设备传输一个确认信息（acknowledgement）以指示没有冲突发生。否则，发送设备将重复上述CSMA/CA过程。
为了使两个无线设备同时进行传输（这将导致冲突）的可能性减到最小，802.11设计者使用称为发送请求/清除以发送（RTS/CTS）的机制。例如：若数据到达无线节点指定的无线访问点（AP），该AP将给那个无线节点发送一个RTS帧，请求一定量的时间向它传输数据，无线节点将用CTS帧进行回应，表示它将阻止任何其他的通信，直到AP发送完数据为止。其他无线节点也能听到正在发生的数据传输，并把它们的传输延迟到那段时间之后。在这种方式下，数据在节点之间进行传递时，由设备导致的在介质上产生冲突的可能性最小。这种传输机制同时解决了无线局域网中的隐藏终端问题。
为了确保数据在传输中不丢失，CSMA/CA还引入了确认（ACK）机制，接收者在收到数据后，向发送单元发一个确认通知ACK。若发送者没有收到ACK，表明数据丢失，将再次传输该数据。
3． 无线局域网实时性性能分析
IEEE 802.11b无线局域网标准在媒体访问控制层采用CSMA/CA协议以实现无线信道的共享。在网络负荷较轻的情况下，发生冲突的机会很少，再加上一些无线网络产品采取了一些附加的措施，甚至可以完全避免冲突的发生。如Wi-LAN的无线产品AWE 120-24无线网络桥接器利用动态时间分配轮询的方式：当有多个无线远端设备要与基站通信时，基站会根据远端站的ID依次询问各个远端站是否有数据要发送，如果有数据要发送，就给其分配时间片，如果没有，则会继续向下询问，周而复始。这里的所谓动态轮询是指用户可以设置基站的轮询方式，对于非活动站减少对其询问的次数，这样可以保证时间片不会被浪费。动态时间分配轮询技术完全避免了冲突的发生，可以获得比CSMA/CA更好的实时性。这使得无线技术在工业控制网络中的应用成为可能。
三、基于无线技术的网络化智能传感器介绍
计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。这种智能传感器集成了数据采集、数据处理和无线网络接口模块，无线网络接口模块底层网络接口（硬件接口）采用基于IEEE 802.11b的网络接口芯片，高层网络接口（软件接口）采用TCP/IP协议，把TCP/IP协议作为一种嵌入式应用，即把TCP/IP协议固化到智能传感器的ROM中，使得现场数据的收发都以TCP/IP协议进行。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。
无线局域网可以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站(AP)、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现。
在工业自动化领域，有成千上万的感应器，检测器，计算机，PLC，读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS- 232或RS-485。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE802.11b和以太网络IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效的扩展了工业设备的联网通信能力。
四、无线局域网在工业控制网络中的应用
工业控制系统的网络化为无线技术在工业控制系统中的应用提供了基础和可能。近几年很多研究人员也展开了这方面的研究工作。中国科学院沈阳自动化所的曾鹏等人以FF（现场总线基金会）颁布的FFHSE（高速以太网）为蓝本，结合无线以太网标准IEEE802.11b，构造了现场级无线通信协议栈。该协议栈保持了基金会现场总线的通信模型，能够完成无线设备间的时间同步和实时通信。韩国釜山国立大学的Kyung Chang Lee等人设计了协议转换模型，实现了Profibus－DP网络和IEEE802.11无线局域网的互连。Mario Alves等人对基于广播方式的现场总线／无线网络的混合网络报文传送延迟时间进行了估算。C．Koulamas等人研究了Profibus现场总线与基于IEEE802.11b的DSSS物理层相结合的性能。
除了在理论上的研究工作外，在一些工业控制网络中，无线通信技术已获得了应用。如美国罗克威尔公司在基于DeviceNet、Control－net、Ethernet／IP的三层控制网络体系中，加入了无线以太网部分，可以实现无线通信。德国西门子公司在基于Profibus－DP、Profinet的控制网络中结合无线以太网技术，使控制网络具有了无线通信功能。由于无线网络无可比拟的优越性，它可以免去大量的线路连接，节省系统的构建费用和维护成本，还可以满足一些特殊场合的需要，与此同时，大大增强了系统构成的灵活性。加之无线通信技术自身的不断改进，无线通信技术在工业控制领域中必将具有广阔的发展空间和应用前景。
五、无线技术在工控网络中的应用方案及使用设备
1.无线工业控制的方法
通过使用基于无线技术的网络化智能传感器，结合目前市场上出现的各种基于IEEE 802.11b的无线局域网网桥，就可以实现无线局域网技术在工业控制网络中的一种应用方案。无线局域网网桥用作无线访问点（AP），基于无线技术的网络化智能传感器采集现场数据、处理，并以TCP/IP协议对数据进行打包，通过无线链路发送到AP，由于无线链路和有线以太网高层均采用TCP/IP协议，且低层协议对高层协议是透明的，就实现了无线网络和有线网络的无缝连接。通过Internet，就可以实现远程监控。
2．无线设备的选择
要实现无线网络，需要选择的设备一般为两种。一种为无线局域网网桥，可将多个无线站点连入已有的局域网之中；另一种为无线通讯装置，例如无线网卡、无线Modem等。下面介绍一下研华公司的无线装置。
A．WLAN-9200系列11Mbps工业无线局域网接入器
WLAN-9200是一款用于室外的增强11Mbps无线局域网网桥。它能够在无须任何物理布线的情况下，将多个远程站连接到局域网中。
特点:
·支持IEEE 802.1lb标准2.4GHz ISM频段
·支持高级用户验证，提供坚固的安全性WEP128，MAC地址控制
·带符合IP 66/NEMA 4x标准的防水锈外壳，保护系统不被损坏
·提供冷却风扇和加热器，防止系统过热和过冷
·提供按钮和LED显示，可方便的设置温度
·采用IP66防水接口，保护电源、LAN和无线接口
·提供各种天线，用于增大传输距离
WLAN-9200是一款用于室外的增强11Mbps无线局域网网桥。它能够在无须任何物理布线的情况下，将多个远程站连接到局域网中。这样就节省了大量维护及组建相应电缆网络的成本。WLAN-9200带有一个坚固的外壳，可以防止水、酸、闪电、低温及高温对系统的破坏。由于这些特点，WLAN-9200工作极为稳定和可靠，是室外应用的理想选择。因此，WLAN-9200非常适合在布线困难的恶劣场所使用，如水库和建筑物。WLAN-9200与IEEE 802.1lb标准兼容，具有各种强大功能。在提供高度安全保护（WEP：128位），DHCP客户、SNMP代理等的同时，能够提供11Mbps的高传输速度。此外，为了满足室外恶劣环境下的使用要求，WLAN-9200还提供了先进的系统保护功能：发光保护、冷却风扇、加热器、防水接口、工业设备箱、电源/LAN同轴电缆等。
成本低，安装简便
WLAN-9200可以将不同的分布式站点连接在一起，组成一个更宽范围的无线网络。它能够节省到远程地点的布线成本。WLAN-9200采用了专门的设计，用户可以方便快捷的将其装上或拆下。此外，WLAN-9200还提供了按钮和LED显示，用于显示和设置高/低温度。用户可以使用它快速组建自己的无线网络。为了能够在更远的范围内使用，WLAN-9200还提供了各种天线，用于延长传输距离。
可靠稳定的坚固设计
WLAN-9200采用了先进的设计，带有一个不生锈的防水外壳，能够对系统起到有效的保护。它符合IP 66/NEMA 4x标准，具有耐腐蚀、防紫外线、安全和自动灭火的特点。为了防止WLAN-9200内部过热或过冷，研华还在它的内部设计了一个冷却风扇和一个加热器，用户可以设置高/低温度设置。当工作温度高于或低于用户指定的温度时，冷却风扇或加热器就会开始工作。此外，WLAN-9200还提供了防水接口和防闪电保护，可以对电源，局域网和天线接口起到保护的作用。
远程站点之间的快速数据传输
WLAN-9200与高速无线局域网标准IEEE 802.1 lb完全兼容，它提供11Mbps（在空气中）的速度，可以进行更快的数据传输。WLAN-9200在2.4GHz ISM频段采用了DSSS技术，不会被噪声所干扰，使数据的传输更加安全和可靠。
保持通信的私有性
WLAN-9200采用了多种安全功能对您的无线网络进行保护（WEP128加密，MAC地址控制及口令安全）。通过采用先进的WEP128加密，您可以选择WEP密匙来保护您的数据，防止未授权的无线用户查看这些数据，只有接入点和无线适配器的可接入性，多种安全机制协同工作，能够有效防止对有线及无线网络的未授权访问。
B.ADAM-4550系列2.4GHz无线调制解调器（RS-232/485接口）
ADAM-4550是一款直序扩频无线调制解调器。它工作在2.4GHz的ISM波段上，该波段在全球都可以无需申请即可使用。通过RS-232或RS-485串口，ADAM- 4550可以以高达115.2Kbps的速度与计算机或其它设备进行通信。
ADAM-4550以半双工的方式工作，并以1Mbps的速率进行无线数据传输。它具有100mW的输出功率，并且如果使用自带的小型天线，它的传输距离可达150米，如果使用研华的高增益室外天线，其传输距离可以超过20公里（视距）。
RS-485标准支持半双工通信。这意味着使用一对双绞线即可进行数据的发送和接收。通常由握手信号RTS（请求发送）来控制数据流的方向。但在ADAM-4550中带有一个专门的I/O电路，它可以用来侦测数据流向，在不需要握手信号的情况下自动切换传输方向。
ADAM-4550无线调制解调器提供了可靠的“点到点”或“点到多点”的网络无线连接。一个典型应用是将一个ADAM-4550模块通过RS-232与主计算机相连，将其它ADAM-4550模块放置在远程现场。每个ADAM-4550模块都可以通过RS- 4550网络与远程设备相连接。远程ADAM-4550模块将远程数据传送到主ADAM- 4550模块，而主ADAM-4550模块会通过无线传输向远程ADAM-4550模块发送控制命令。
规格
·RS-232/RS-485传输速率（bps）：1200，2400，4800，9600，19.2K，38.4K，57.6K，115.2K
·RS-232接口接头：孔型DB-9
·RS-485接口接头：插入式螺丝端子 支持AWG1-#12或2-#14-#22（0.5到2.5mm2线径）电缆
·无线传输速率：1Mbps
·无线传输频率：2.45GHz（标称值）
·无线传输功率：100mW（标称值）
·无线调制：直序扩频PSK
·无线收发器地址：可软件配置为254个不同的地址
·通信距离：550英尺有效距离（在开阔地使用2dBi全向天线的情况下），实际距离取决于环境条件、天线类型及位置
·工作温度：-10º到70℃（14º到158℉）
·电源要求：+10~+30VDC
·功耗：4W
·尺寸：60mm×120mm（2.36”×4.41”）
特点
·可软件配置RS-232或RS-485，数据传输速率可达115.2Kbps
·在有外部天线及放大器的情况下，传输半径可超过20公里
·内置看门狗定时器及自动RS-485数据流控制
·扩频无线调制
·工作在全球通用、无需申请的波段（2.4GHz）
·模块间的1Mbps无线数据传输速率
·可软件配置无线收发器地址
·方便的DIN导轨、面板或堆叠安装
·带有存储通信设置的EEPROM
·支持点到点或点到多点的应用
·透明的IEEE802.1协议及用于确保数据完整性的10K缓存
·用于故障诊断的电源及数据流指示灯
·带无线连接测试的诊断软件
·符合FCC Part15及ETSI 3000.683/300.328标准
六、结论
通过无线局域网对工业设备进行控制简单易行，但是成本稍高。目前，绝大多数无线控制如前所述采用的是IEEE802.11系列协议，它与我们大多局域网所采用的以太网可以无缝连接，所以，对于用户层测控程序没有任何影响，只需对原有方案的物理层设备作简单的配置即可。例如选用上述的研华的无线产品替代原有的有线通讯装置，其它硬件及软件配置均不受影响。
浅谈无线局域网及实际应用 摘要：人们生活在“移动”的世界中，越来越多的移动产品的出现，标志着人们对快捷数据访问的需求在不断增加。在这个“网络就是计算机”的时代，局域网已成为提高工作效率及生产率不可缺少的工具，伴随着有线网络的广泛应用，以快捷高效，组网灵活为优势的无线网络技术也在飞速发展。本文从介绍无线局域网的概念，通信系统，标准以及硬件等一些基本知识，并举一个无线局域网的组网实例，采用由浅入深的方法并尽可能采用图文并茂的方式，以便使读者对无线局域网从有初步的了解到加深认识。 关键词：技术特点，分类，标准，硬件 1 研究背景 1.1 研究课题的意义及目的 我们处在一个张扬个性和崇尚自由的时代，自由的感觉应该是无拘无束的，自由的网络也应该摆脱繁杂连线的羁绊，受到外界环境变化的最少限制。随着时代的转变，人们生活工作地点的移动也越来越频繁，因此移动电话、笔记本电脑、PDA等移动设备大行其道，人们对网络的依赖越来越强，局域网也越来越普及，然而有线网络常常受到地点的限制，布线、改线工程量大，线路容易损坏，网中的各节点不可移动，特别是当要把相离较远的节点联接起来时，敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长，至于移动办公，在这种网络环境里几乎不可能，传统局域网络已经越来越不能满足人们对移动和网络的需求，于是无线局域网（WLAN）应运而生。虽然如今无线局域网还不能完全脱离有线网络，但近年来，WLAN产品逐渐走向成熟，正在以它的高速传输能力和灵活性发挥日益重要的作用。 1.2 研究课题的内容与分析 无线计算机通信的发展与计算机的应用形态密切相关，大致可分为三个阶段。即，大型机联网阶段，微型机联网阶段，移动计算网络阶段。其中前两个阶段无线计算机通信的共同特征是：采用无线媒体仅是为了克服地理障碍，或是为了免去布线的繁琐,使网络安装简单，使用方便，而网中节点的移动能力并不重要。然而随着90年代后功能强大的便携式计算机的普遍使用，人们需要在办公室以外的地方使其随身携带的便携机仍然能够保持接入其办公室的局域网，或能够访问其它公共网络。这样，支持移动能力的计算机网络或称移动计算网络越来越重要。 无线局域网（WLAN：Wireless Local Area Network）是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它可定义为：使用射频，微波或红外线，在一个有线地域范围内互连设备的通信系统。 无线局域网是计算机间的无线通信网络，因此我们有必要了解一下无线计算机通信的发展历史及其现状。无线通信的历史非常悠久，但民间无线计算机通信的历史却并不长，尤其是充分发挥无线通信的“可移动”特点的无线计算机通信则是近10年来才出现的事情，而所谓的“移动计算网络”更是最近几年才出现的概念。 无线局域网的优势 无线网络是否有能力取代有线网络，这决不取决于三两个漂亮的案例，更不会因为某某专家建议，其主要原因大致出于三方面：网络布局改造，扩展和维护成本。 无线局域网的相关技术 在一个典型的无线局域网环境中，有一些进行数据发送和接收的设备，称为接入点(Access Point，简称AP)。一个AP能够在几十至上百米的范围内连接多个无线用户。在同时具有有线和无线网络的情况下，AP可以通过标准的Ethernet电缆与传统的有线网络相联，作为无线网络和有线网络的连接点。无线局域网的终端用户可通过无线网卡等访问网络。 无线局域网的硬件设备包括接入点(AP,Access Point)，LAN适配卡，网桥和路由器等。 评述一项技术优点的最好方法是讨论其潜在的使用价值。在国内，WLAN的技术和产品在实际应用领域还是比较新的,但是与有线网络相比，WLAN具有安装便捷、使用灵活、易于扩展、价格便宜、辐射小等优点，无线由于其不可替代的优点，将会迅速地应用于需要在移动中连网和在网间漫游的场合，如机场、酒店、展厅的网络接入、企业移动办公系统、金融服务和旅游服务等，并在不易布线的地方和远距离的数据处理节点提供强大的网络支持。 3.7 小结 由此可见，无线网络的出现是为了解决有线网络无法克服的困难。虽然无线网络有诸多优势，但与有线网络相比，无线局域网也有很多不足。无线网络速率较慢、价格较高，因而它主要面向有特定需求的用户。目前无线局域网还不能完全脱离有线网络，无线网络与有线网络是互补而不是竞争，是补充而不是替换。但也应该看到，近年来，随着适用于无线局域网产品的价格正逐渐下降，相应软件也逐渐成熟。此外，无线局域网已能够通过与广域网相结合的形式提供移动互联网的多媒体业务。随着开放办公的流行和手持设备的普及，人们对移动性访问和存储信息的需求愈来愈多，因而WLAN将会在办公、生产和家庭等领域不断获得更广泛应用，相信在未来，无线局域网将以它的高速传输能力和灵活性发挥更加重要的作用！ 参考文献 [1] 易爱民,黄华栋.利用VPN技术远程访问局域网中MlCAPS服务器.广东气象.2004(1).34-35 [2] 肖怀志,薛四新,孙宇华.基于VPN的电子文件网络化归档安全解决方案..档案学研究.2004(2).44-48 [3] 余荣.浅谈无线局域网的安全性..铁路通信信号工程技术.2004(3).34-37 [4] 吴茂献,谢宝陵,袭昱.无线局域网的安全问题与对策..电脑知识与技术:认证考试.2004(05M).53-55 [5] 张公忠.现代网络技术教程 [M] .电子工业出版社,2000年1月 [6] 李晓东.IP QoS的实现.[N] .计算机世界日报,2000年7月3日 [7] 赵慧玲.及ITU-T SG13中国代表团..新一代IP网络标准的发展.[J].中国通信, 2001，（2） [8] 卢有杰、吴炜煜.C语言高级程序设计.北京：清华大学出版社，1991 [9] 王宝济. 网络建设实用指南[M].北京：人民邮电出版社，1999。
互联网接入技术论文篇二
移动互联网接入 网络技术
摘 要：移动互联网是当前信息技术领域的热门话题之一，而接入网络则是移动互联网的重要基础设施。对目前的接入网络技术：卫星通信网络、无线城域网、无线局域网、无线个域网、蜂窝网络的特点及应用进行了分析，提出了接入网络技术未来的发展趋势是各种网络的融合演进， 报告 了异构 无线网络 融合的特点及应用。
关键词：移动互联网 接入网络技术
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章 编号：1672-3791(2013)03(b)-0009-02
移动通信技术和互联网技术是信息技术领域中重要的组成部分，这两项技术的发展直接影响着人们的生活和工作方式。移动互联网是一个新型的融合型网络，是移动通信技术和互联网技术充分融合的产物。在移动互联网环境下，人们可以通过智能手机、PDA、车载终端等设备通过移动网访问互联网，随时随地的享受互联网提供的服务。
2011年中国工业和信息化部电信研究院在《移动互联网白皮书》中指出：“移动互联网是以移动网络作为接入网络的互联网及服务，包括三个要素：移动终端、移动网络和应用服务[1]。”简而言之，移动终端是移动互联网的前提，接入网络是移动互联网的基础，而应用服务则成为移动互联网的核心。本文详细描述了接入网络技术的现状及发展趋势。
1 接入网络技术现状
现有的无线接入网络主要有五类：卫星通信网络、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)、蜂窝网络(2G网络、3G网络等)[2]。它们在带宽、覆盖、移动性支持能力和部署成本等方面各有利弊。
1.1 卫星通信网络
1.1.1 概述
简单来讲，卫星通信就是把卫星作为中继站，在地球上(包括地面和低层大气中)的通信站点间进行通信。卫星和地球站就是卫星通信系统的重要组成部分。卫星通信新技术主要包括VSAT系统，即甚小口径终端;中低轨道的移动卫星通信系统等。
1.1.2 特点及应用
卫星通信具有通信区域大、距离远、频段宽、容量大的特点，即只要是在卫星发射电波覆盖范围内的任意两点间，都可以互相通信。其次，卫星通信的可靠性高、质量好、噪声小、可移动性强，即不容易受自然灾害的影响;但是，卫星通信存在传输时延大、回声大、费用高的问题[3]。
目前，卫星通信主要用于电视广播、远距离的越洋电话、军事通信、应急通信等。卫星通信作为一种特殊的通信技术，其基本定位必然是地面系统的有效支持、补充与延伸[4]，对于农村及偏远地区的通信发挥重要的作用，使实现全球通信海陆空一体化的无缝覆盖成为可能。卫星通信的广播与多播等技术优势，结合现代Internet技术，在地面互联网络拥塞的状态下，可充分发挥以IP为基础的多媒体远距离传送与高速连接，将宽带高速数据业务进行有效地传送。伴随着移动互联网的发展，卫星通信与3G、4G技术的相互融合将成为卫星通信发展的必然趋势。
1.2 无线城域网(WMAN)
1.2.1 概述
无线城域网主要用于解决整个城市区域的接入问题，以微波等无线传输为介质，以无线方式为主要接入手段，提供同城数据高速传输，以及 其它 如图像、视频等多媒体通信业务和Internet接入服务[5]。而WiMax是受到较多关注的无线城域网通信技术。WiMax(World Interoperability for Microwave Access)即全球微波互联接入，是一项基于IEEE 802.16标准的无线接入技术[6]，它采用有线方式为企业、家庭提供“最后一英里”的无线接入。覆盖范围大于无线局域网，可以覆盖几千米到几十千米的范围。
1.2.2 特点及应用
WiMax具有传输距离远、覆盖面积大、接入速度快等特点。WiMax所能实现的50 km的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍[7]，最高接入速度70M是3G所能提供的宽带速度的30倍。此外，WiMax具有高效、灵活、经济的组网方式，以及较为完备的Qos机制。支持移动和固定宽带无线接入的特点，使它集成了无线接入技术的移动性与灵活性以及DSL等传统宽带接入技术的高带宽特性，为用户提供了优良的最后一公里网络接入服务及广泛的多媒体通信服务。但是，WiMax技术目前无法支持用户在移动过程中无缝切换。性能与3G的主流标准相比，仍存在差距。
基于WiMax特点，它可以被用于远程医疗卫生、远程 教育 、物流、金融、交通等行业，提供一定条件下的高速数据通信服务。从业务应用来看，WiMax在逐步实现宽带业务的移动化，而3G实现的是移动业务的宽带化。越来越多的多媒体通信服务大量消耗现有的3G网络资源，使网络的建设投资远远超过了收入的增加。WiMAX可以在保证服务质量的基础上，有效降低运营成本。WiMax不可能完全取代3G，但是WiMax在以IP为主的高速数据应用方面的优势使它成为了3G网络的补充手段，两种网络的融合程度会越来越高。
1.3 无线局域网(WLAN)
1.3.1 概述
无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)是工作于2.5 GHz或5 GHz频段，以无线、或无线与有线相结合的方式构成的局域网。它利用射频技术及简单的存取架构取代传统电缆线，以提供传统有线局域网的功能，是非常便利的数据传输系统。简而言之，无线局域网仍然是以有线局域网为基础的，它只是在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备构建了无线通信网络[8]，是有线局域网的扩展和替换。
1.3.2 特点及应用
无线局域网具有布网便捷，网络规划调整可操作性强，网络易于扩展的特点。只需要一个或多个接入点设备，就可以搭建覆盖整个区域的网络，搭建网络所需的基础设施也不需要隐藏在地下或墙里，便于网络优化配置、改造和维护。只要在无线信号能够覆盖的范围内，用户都可以在任意位置接入网络，并随时改变位置，具有较强的灵活性和移动性。由于无线局域网多采用无线电波作为传输介质以及其工作在S频段的特点，使其具备良好的抗干扰性和保密性，不会对人体造成辐射伤害。但是任何障碍物都会成为电磁传播的阻碍，任何外部其他电信号都会成为局域网的干扰源。所以，无线局域网在性能、速率、安全性方面还有一定的不足之处。 无线局域网的最大传输速率为54 Mbit/s[9]，较适合应用于有限空间、小规模网络等，如机场贵宾厅、股票大厅。其次，对于难以进行有线网络布线的环境、需要暂时使用网络的环境、实时通信要求很高的特殊场合，如人迹罕至的边关、港口等都有较好的应用。无线局域网并不能作为一个完备的全网解决方案，但是随着无线局域网技术的成熟应用，它可以与广域网结合为用户提供移动互联网应用，成为3G网络有益的补充。
1.4 无线个域网(WPAN)
1.4.1 概述
无线个域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)是面向特定群体活动半径小、业务种类丰富、无缝连接的新兴无线通信技术，相对于无线广域网、无线城域网、无线局域网，它的覆盖范围更小，进而有效全面解决“最后几米电缆”的问题。目前，蓝牙(Bluetooth)是WPAN应用的主流技术，其它的还有家庭射频(HomeRF)、红外技术(IrDA)、射频识别(RFID)、超带宽(UWB)等。
1.4.2 特点及应用
无线个域网具有低功耗、低成本、体积小等特点。设备与组网都简单方便、易于操作，且支持点对点、点对多点的应用。WPAN所覆盖的范围一般在10 m半径以内，是短距离、个人专用的无线网络。具有代表性的Bluetooth技术，在全球范围内的可操作性都很强，因为其使用了2.4 GHz频段在全球都是可以自由使用的有效频段。通过鉴权、加密等 措施 确保设备识别码在全球的唯一性和设备的安全性。但是WPAN的技术标准多样，都需要不断的完善和创新。
WPAN主要应用于个人、家庭和办公设备的无线通信，它可以在小范围内将各种移动通信设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统(例如数字照相机、数字摄像机等)甚至各种家用电器，使用一种廉价的无线 方法 建立它们之间的信息传输[10]。WPAN可以使用户随时随地的进行设备间的无缝通讯，可以通过移动网络、局域网、城域网方便快捷的接入到互联网Internet。未来，WPAN和WLAN一起为用户提供完备的短距离无线通信环境。
1.5 蜂窝网络
1.5.1 概述
蜂窝网络是把移动电话的服务区分为一个个正六边形的小区，每个小区设置一个基站，这样的结构酷似一个个“蜂窝”。 蜂窝技术是移动通信的基础，所以把这种移动通信方式称为蜂窝移动通信。蜂窝移动通信系统由移动站、基站子系统、网络子系统组成，采用蜂窝网络作为无线组网方式，通过无线信道将移动终端和网络设备进行连接，使用户在移动中进行语音、数据通信业务。
1.5.2 特点及应用
宏蜂窝、微蜂窝是蜂窝移动通信系统应用较多的蜂窝技术，宏蜂窝覆盖半径大，多在1～25 km，但是存在盲区，小区半径缩小时会产生干扰。微蜂窝相对于宏蜂窝覆盖范围小，一般覆盖半径为30～300 m，传输功率低、安装方便灵活，主要用于提高覆盖率和容量，作为宏蜂窝的补充和延伸，为用户提供更好的网络覆盖。它的主要特征是终端的可移动性，并具有成熟的切换和漫游方案，频率复用技术、多址技术、移动性管理技术促进了移动通信业务的发展。伴随着网络的发展，蜂窝网络从第一代蜂窝移动通信系统发展到现在的第三代蜂窝移动通信系统(3rd Generation，3G)，成为实现网络融合和业务融合的统一平台，也是公认的下一代网络的核心网架构。3G网络把语音通信和多媒体通信巧妙结合，能支持更多的用户，提供更高的数据传输速率。如HSPA的速率已经达到7.2 Mbit/s。但高成本、低带宽的问题越发凸显。
蜂窝系统或许是当今社会最重要的通信媒体。目前，3G网络可以为用户提供丰富的应用服务，除电信业务、承载业务在内的基本业务外，还可以提供如呼叫前转、呼叫等待、多方通话等补充业务。支持的增值服务应用包括网页浏览、图像、音乐、移动游戏、移动冲浪、视频会议、视频点播、各类信息服务等。
2 接入网络技术发展趋势
目前的接入网络技术能为用户提供丰富的通信接入手段以及无处不在的接入网络服务，但是各有利弊。例如，蜂窝网络覆盖的范围大，移动性管理技术成熟，但带宽低、建设成本高;相反，WLAN高带宽、低成本，但其覆盖范围有限。为解决此问题，需要充分利用不同网络技术的互补性，网络的融合将成为促进移动互联网未来发展的关键要素，接入网络正在经历一个动态的转型过程，异构无线网络融合应运而生。
2.1 定义
异构网络是一种网络的类型，是不同的计算机、手持终端等网络设备及相关系统组成，运行在不同的协议上，支持不同的功能和应用。异构无线网络融合是将现有的多种无线接入技术有机的进行结合，符合下一代无线通信网络(4G网络)中多系统融合演进的设计思路和发展方向。
2.2 特点及应用
异构无线网络融合技术具有成本低、风险低的优点，它是现有接入技术的融合，可以充分利用现有网络资源，降低建设运营成本。其次可以增加网络的覆盖范围，利用不同接入技术的特点使网络进行有效地延伸。对于用户来说，可以享受更加全面、丰富、便捷的移动互联网服务，是下一代网络发展的必然趋势。
近年来，业界和学术界不断的在进行异构无线网络融合的应用研究，BARWAN计划提出并实现了多模移动终端在无线局域网和无线广域网之间的垂直切换方案。ETSI和3GPP对3G网络与WLAN之间的互连互通进行了深入的应用研究[2]。MOBYDICK对IPv6网络中WLAN和移动网络的融合应用进行了探讨。国内各运营商为缓解大量数据业务对3G网络的冲击，也开始进行网络的改造，主要是把3G+WLAN方式应用到网络中，例如将WLAN作为3G网络的一个无线接入网，通过网关连接到3G核心网[2]，共享核心网络提供的计费认证功能及信令协议，实现WLAN和3G网络的互联互通，以促进移动互联网的发展。但是，异构无线网络融合还存在很多需要解决的问题，比如各种接入网络的互联互通问题、无缝切换等移动性管理问题，网络中各个功能实体的位置及网络架构也直接决定了网络的融合程度及实际应用效果。 3 结语
移动互联网可以提供除传统互联网迷你主页之外的几乎所有业务，在韩国、日本等应用较好的国家，移动互联网的ARPU值可以达到10美元[11]。截至2012年6月底，中国手机网民规模达到3.88亿，相比台式电脑上网的3.80亿，手机首次超越台式电脑成为第一大上网终端。手机视频用户规模激增，已经超过一亿人。手机微博用户涨幅明显，使用率提升5.3个百分点至43.8%[12]。种种数据表明，“无处不在的网络、无所不能的业务”已深入人心。
伴随着用户规模的快速增长，移动互联网产业将飞跃式的发展，必将推进接入网络技术的融合演进，各种无线网络接入形式和应用成为研究和开发的 热点 。相信未来各种独立的无线网络将与整个有线Internet相互联，为用户提供覆盖范围更广，应用更丰富，服务更完善的下一代移动互联网服务。
参考文献
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[12]第30次中国互联网络发展状况统计报告[R].北京：中国互联网络信息中心，2012(7).
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网桥（Bridge）是早期的两端口二层网络设备，用来连接不同网段。网桥的两个端口分别有一条独立的交换信道，不是共享一条背板总线，可隔离冲突域。网桥比集线器（Hub）性能更好，集线器上各端口都是共享同一条背板总线的。
作用：
1、能扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。
2、网桥纳入存储和转发功能可使其适应于连接使用不同MAC 协议的两个LAN，因而构成一个不同LAN 混连在一起的混合网络环境。
3、使用网桥进行互连克服了物理限制，这意味着构成LAN 的数据站总数和网段数很容易扩充。
4、网桥的中继功能仅仅依赖于MAC 帧的地址，因而对高层协议完全透明。
扩展资料：
网桥的缺点：
1、由于网桥对接收的帧要先存储和查找站表，然后转发，这就增加了时延。
2、在MAC子层并没有流量控制功能。当网络上负荷很重时，可能因网桥缓冲区的存储空间不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。
3、具有不同MAC子层的网段桥接在一起时，网桥在转发一个帧之前，必须修改帧的某些字段的内容，以适合另一个MAC子层的要求，增加时延。
4、网桥只适合于用户数不太多（不超过几百个）和信息量不太大的局域网，否则有时会产生较大的广播风暴。
网桥的基本特征：
1、网桥在数据链路层上实现局域网互连；
2、网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络
3、网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信；
4、网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议
5、网桥可以分隔两个网络之间的通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。
参考资料：百度百科-网桥
