3G技術(shù)及其在工業(yè)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

楊秉琳

（黑龍江省科學(xué)院高新技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱，150090）

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，無線通訊在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用不斷得到創(chuàng)新和實踐，并收到很好的效果。伴隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率的進(jìn)一步提高，網(wǎng)絡(luò)延時的進(jìn)一步縮短，無線通訊將在工業(yè)控制的很多領(lǐng)域迎來發(fā)展，并將成為有線通訊的有力補(bǔ)充。3G產(chǎn)品結(jié)合自身的技術(shù)優(yōu)勢，推出了基于無線的解決方案，目前已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

1 3G技術(shù)

1.1 3G的含義

3G是英文3rd Generation的縮寫，指第三代移動通信技術(shù)。相對第一代模擬制式手機(jī) (1G)和第二代GSM、TDMA等數(shù)字手機(jī)(2G)，第三代手機(jī)一般地講，是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動通信系統(tǒng)。它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。為了提供這種服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，也就是說在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少2Mbps(兆字節(jié) /秒)、384kbps(千字節(jié) /秒)以及 144kbps的傳輸速度。

1.2 3G技術(shù)基本特點(diǎn)

從目前已確立的3G標(biāo)準(zhǔn)分析，其網(wǎng)絡(luò)特征主要體現(xiàn)在無線接口技術(shù)上。蜂窩移動通信系統(tǒng)的無線技術(shù)包括小區(qū)復(fù)用、多址/雙工方式、應(yīng)用頻段、調(diào)制技術(shù)、射頻信道參數(shù)、信道編碼及糾錯技術(shù)、幀結(jié)構(gòu)、物理信道結(jié)構(gòu)和復(fù)用模式等諸多方面?？v觀3G無線技術(shù)演變，一方面它并非完全拋棄了2G，而是充分借鑒了2G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營經(jīng)驗，在技術(shù)上兼顧了2G的成熟應(yīng)用技術(shù)，未來3G系統(tǒng)所采用無線技術(shù)應(yīng)具有高頻譜利用率、高業(yè)務(wù)質(zhì)量、適應(yīng)多業(yè)務(wù)環(huán)境，并具有較好的網(wǎng)絡(luò)靈活性和全覆蓋能力。3G在無線技術(shù)上的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1.2.1 采用高頻段頻譜資源

為實現(xiàn)全球漫游目標(biāo)，按ITU規(guī)劃IMT-2000將統(tǒng)一采用2G頻段，可用帶寬高達(dá)230MHz，分配給陸地網(wǎng)絡(luò)170MHz，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)60MHz，這網(wǎng)絡(luò)為3G容量發(fā)展，實現(xiàn)全球多業(yè)務(wù)環(huán)境提供了廣闊的頻譜空間，同時可更好地滿足寬帶業(yè)務(wù)。

1.2.2 采用寬帶射頻信道，支持高速率業(yè)務(wù)

充分考慮承載多媒體業(yè)務(wù)的需要，3G網(wǎng)絡(luò)射頻載波信道根據(jù)業(yè)務(wù)要求，可選用5/10/20M等信道帶寬，同時進(jìn)一步提高了碼片速率，系統(tǒng)抗多徑衰落能力也大大提高。

1.2.3 實現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多速率傳送

在寬帶信道中，可以靈活應(yīng)用時間復(fù)用、碼復(fù)用技術(shù)，單獨(dú)控制每種業(yè)務(wù)的功率和質(zhì)量，通過選取不同的擴(kuò)頻因子，將具有不同QoS要求的各種速率業(yè)務(wù)映射到寬帶信道上，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多速率傳送。

1.2.4 快速功率控制

3G主流技術(shù)均在下行信道中采用了快速閉環(huán)功率控制技術(shù)，用以改善下行傳輸信道性能，這一方面提高了系統(tǒng)抗多徑衰落能力，但另一方面由于多徑信道影響導(dǎo)致擴(kuò)頻碼分多址用戶間的正交性不理想，增加了系統(tǒng)自干擾的偏差，但總體上快速功率控制的應(yīng)用對改善系統(tǒng)性能是有好處的。

1.2.5 采用自適應(yīng)天線及軟件無線電技術(shù)

3G基站采用帶有可編程電子相位關(guān)系的自適應(yīng)天線陣列，可以進(jìn)行發(fā)信波束賦形，自適應(yīng)地調(diào)整功率，減小系統(tǒng)自干擾，提高接收靈敏度，增大系統(tǒng)容量，另外軟件無線電技術(shù)在基站及終端產(chǎn)品中的應(yīng)用，對提高系統(tǒng)靈活性、降低成本至關(guān)重要。

1.3 3G協(xié)議［1］

目前全球有代表性的3G協(xié)議有WCDMA、CDMA2000和TD－SCDMA三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)，它們都是被國際電聯(lián)（ITU）寫入3G技術(shù)指導(dǎo)性文件的。

1.3.1W-CDMA

英文名稱是Wideband CDMA，中文譯名為“寬帶分碼多工存取”，它可支持384kbps到2Mbps不等的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持者主要以GSM系統(tǒng)為主的歐洲廠商。

1.3.2CDMA2000

亦稱CDMA Multi-Carrier，由美國高通北美公司為主導(dǎo)提出，摩托羅拉、Lucent和后來加入的韓國三星都有參與，韓國現(xiàn)在成為該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)者。

1.3.3TD-SCDMA

該標(biāo)準(zhǔn)是由中國獨(dú)自制定的3G標(biāo)準(zhǔn)，由于中國的龐大的市場，該標(biāo)準(zhǔn)受到各大主要電信設(shè)備廠商的重視，全球一半以上的設(shè)備廠商都宣布可以支持TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。

這三大標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成了各自的陣營，其中諾基亞、愛立信為主的歐洲陣營把持WCDMA，北美陣營堅持CDMA2000，而以大唐為主的國內(nèi)本土陣營則把更多的目光投向自主產(chǎn)權(quán)的TD－SCDMA。

1.4 全球3G發(fā)展趨勢分析

3G發(fā)展以日韓發(fā)展得比較快，在技術(shù)進(jìn)步和市場驅(qū)動的雙重作用下，3G從概念向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程必然在加快，全球主要設(shè)備廠商都在積極跟蹤研發(fā)基于三大主流技術(shù)的3G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，2001年下半年已推出CDMA2000和W-CDMA可商用系統(tǒng)及TD-SCDMA產(chǎn)品樣機(jī)。此外，3G商用進(jìn)程也已開始，日本DoCoMo已在東京地區(qū)開通世界上第一個W-CDMA商用網(wǎng)，歐洲已完成3G國際漫游測試，全球各大運(yùn)營商對參與3G運(yùn)營態(tài)度積極，歐洲、香港、臺灣及韓國都已完成3G牌照發(fā)放。2008年1月7日，中國工業(yè)和信息化部為中國移動、中國電信和中國聯(lián)通分別發(fā)放了TD-SCDMA(以下簡稱 TD)、CDMA2000 和 WCDMA3張第三代移動通信(3G)牌照。中國真正進(jìn)入了3G時代。三大主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將經(jīng)歷逐步融合，最終實現(xiàn)全球的統(tǒng)一，現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)將向3G過渡已是大勢所趨。

2 3G技術(shù)和移動數(shù)據(jù)通信方案的優(yōu)化

計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展帶動人類進(jìn)入了一個新時代，電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電視網(wǎng)三大網(wǎng)絡(luò)未來都將走向?qū)拵ЩP化和移動化，尤其是移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將催生很多新的業(yè)務(wù)模式，3G、“三網(wǎng)融合”是未來中國通信業(yè)和IT行業(yè)最閃亮的關(guān)鍵詞，而移動通信技術(shù)與軟件技術(shù)的結(jié)合，也逐漸成為所有通信人和IT人的共識。

WMMP控制平臺是中國移動通信集團(tuán)為了提高自身數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，為客戶提供更可靠更安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)服務(wù)所推出的一個通信管理平臺，主要實現(xiàn)對遠(yuǎn)端通訊設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和控制。借助中國移動的WMMP控制平臺得以實現(xiàn)高速遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊，同時解決ADSL/GPRS/CDMA等多網(wǎng)絡(luò)并存所帶來的問題。從而從根本上解決通訊協(xié)議的復(fù)雜性帶來的難題。

2.1 傳統(tǒng)通訊方案

傳統(tǒng)通訊方法最多的應(yīng)用是GPRS系統(tǒng)，如圖1所示。GPRS在最佳狀態(tài)下理論最大傳輸速度是171.2kbps，GPRS在實際使用中，速率能達(dá)到幾十k，GPRS的數(shù)據(jù)報文傳輸特點(diǎn)，限定其上網(wǎng)傳輸速率跟外界環(huán)境有很大關(guān)系，尤其跟附近移動基站的載荷有關(guān)，GPRS數(shù)據(jù)報文占用語音信道，既GPRS數(shù)據(jù)傳輸時不能語音通話，語音通話時不能GPRS上網(wǎng)，CDMA1X傳輸報文跟GPRS不一樣，不占用語音信道，因此其實際使用速率比GPRS要高很多，但CDMA比GPRS無線上網(wǎng)貴的很多。傳統(tǒng)通訊方法存在以下問題：

圖1 傳統(tǒng)通訊方法結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Traditional communication

(1)只提供無線通信通道，數(shù)據(jù)傳輸速度低;

(2)無法準(zhǔn)確判斷通信，不能為客戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù);

(3)客戶無法獲知終端實時狀態(tài)，缺少移動通信相關(guān)的管理手段;

(4)針對不同規(guī)格的終端，客戶須進(jìn)行較大量的二次開發(fā);

（5）終端出現(xiàn)故障后，無法準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)：設(shè)備/網(wǎng)絡(luò)/客戶應(yīng)用中心;

（6）移動網(wǎng)絡(luò)對于客戶不透明，無法獲知終端相關(guān)信息：終端ID與IP的對應(yīng)關(guān)系、終端側(cè)的網(wǎng)絡(luò)狀況、終端當(dāng)前的配置信息等。

2.2 優(yōu)化的方案［2］

WMMP平臺是針對傳統(tǒng)移動通信方案存在的問題，同時為了提升業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，保障集團(tuán)客戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，中國移動專門建設(shè)的通信管理平臺，開發(fā)相關(guān)的管理協(xié)議，規(guī)范移動通信終端，對大客戶業(yè)務(wù)進(jìn)行有效保障：

（1）對終端及無線傳輸通道進(jìn)行監(jiān)控和管理；

（2）實現(xiàn)大客戶對終端的遠(yuǎn)程管理和維護(hù)的需求；

（3）終端規(guī)格統(tǒng)一，二次開發(fā)工作簡單；

（4）終端出現(xiàn)故障后，終端上報故障代碼，移動公司進(jìn)行分析，并及時進(jìn)行處理。

以下是行業(yè)終端監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

圖2 3GWMMP平臺通訊方法結(jié)構(gòu)圖Fig.2 3GWMMP platform communication

3 3G技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用

目前，3G技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，例如：輸油管線監(jiān)控、天然氣管網(wǎng)監(jiān)控、路燈控制領(lǐng)域、熱網(wǎng)監(jiān)控等。

3.1 工控行業(yè)

工控（供暖、熱網(wǎng)）遠(yuǎn)程無線監(jiān)控；路燈遠(yuǎn)程無線監(jiān)控；油田油井遠(yuǎn)程無線監(jiān)控；天然氣管線遠(yuǎn)程無線監(jiān)控；城市自來水管線監(jiān)控；遠(yuǎn)程抄表，如煤氣，自來水，電表，熱表等。

3.2 電力行業(yè)

電力配網(wǎng)自動化解決方案。

3.3 金融行業(yè)

ATM機(jī)無線組網(wǎng)方案；POS機(jī)無線組網(wǎng)解決方案。

3.4 環(huán)保行業(yè)

目前環(huán)保行業(yè)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸方案所存在的問題，以及環(huán)保監(jiān)測設(shè)備的多樣性、設(shè)備傳輸協(xié)議的多樣性和復(fù)雜性，使得環(huán)保局、企業(yè)中心等監(jiān)控中心對遠(yuǎn)端監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)備監(jiān)控和控制管理變的很難，中國移動通信集團(tuán)WMMP控制平臺得到了解決。

3.5 大型設(shè)備監(jiān)控

中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)方案；大型工程機(jī)械建筑機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)；大型紡織機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)方案；設(shè)備遠(yuǎn)程自動化與維護(hù)系統(tǒng)。

3.6 安防監(jiān)控

全球眼無線視頻監(jiān)控項目方案；基于3G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控解決方案。

3.7 智能交通

城市交通誘導(dǎo)無線組網(wǎng)解決方案；電子警察無線組網(wǎng)解決方案。

4 結(jié)束語

當(dāng)今的社會已經(jīng)進(jìn)入了一個信息化的社會，沒有信息的傳遞和交流，人們就無法適應(yīng)現(xiàn)代化的快節(jié)奏生活和工作。人們期望隨時隨地、及時可靠、不受時空限制地進(jìn)行信息交流，提高工作的效率和經(jīng)濟(jì)效益。3G第三代移動通信系統(tǒng)是一種能提供多種類型、高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)，能實現(xiàn)全球無縫覆蓋，具有全球漫游能力，與固定網(wǎng)絡(luò)相兼容，并以小型便攜式終端在任何時候、任何地點(diǎn)進(jìn)行任何種類的通信系統(tǒng)。

不久的將來4G第4代移動通訊也會推出，第四代移動通信以數(shù)據(jù)通信和圖像通信為主。數(shù)據(jù)通信的速率比第三代要大大提高，對全速移動用戶能夠提供150Mbit/s的高質(zhì)量的影像多媒體業(yè)務(wù)；它將是一個全數(shù)字通信網(wǎng)，具有更高的帶寬和更高的比特率，下載速率最高可達(dá)100Mbit/s，它將會與因特網(wǎng)結(jié)合，通信以IP為基礎(chǔ)。

［1］趙曉秋.3G/B3G網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

［2］陳如明.中國3G及3G演進(jìn)的發(fā)展策略思考［EB/OL］.(2007-5-16)［2009-12-15］.http://www.chn3g.cn/technology/GZH/200705/11141.html