工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)性能測試方法

引言

　　近年來，中短程無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，它正逐步滲透到工業(yè)控制領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景?；贗EEE802.15.4a(4A)標(biāo)準(zhǔn)的線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)(chirp spread spectrum , CSS)綜合了FSK、PSK和ASK三種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)，能有效地抑制惡劣環(huán)境中的噪聲和干擾且功耗極低，特別適合應(yīng)用于工業(yè)場合。為了研究該標(biāo)準(zhǔn)下的工業(yè)無線產(chǎn)品安全性和穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的測試和驗(yàn)證方法，以考察其性能。

　　目前，人們對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)的大部分研究工作還只是基于普通的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的離線性能分析，新的測試方法和裝置未見報(bào)道。本文分析總結(jié)了該標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)的各種研究方法，提出了該無線網(wǎng)絡(luò)的性能測試分析方法，并開發(fā)相應(yīng)的測試裝置，以考察其在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中通信的性能指標(biāo)，為優(yōu)化和改善工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通信提供了依據(jù)。

　　一、實(shí)時(shí)性測試方法

　　1.1 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性

　　實(shí)時(shí)性是指信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時(shí)間內(nèi)完成，并根據(jù)生產(chǎn)過程工況及現(xiàn)場情況變化進(jìn)行及時(shí)處理 。實(shí)時(shí)與快速并非是相同的含義，無論網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度如何，只要在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)動(dòng)作，都說明系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是指網(wǎng)絡(luò)中的功能節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出訪問請(qǐng)求時(shí)，功能節(jié)點(diǎn)能夠在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的功能操作川。對(duì)于工業(yè)無線通信的實(shí)時(shí)性測試主要是考核該網(wǎng)絡(luò)對(duì)各類事件的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等性能，其關(guān)注的對(duì)象是工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，如：丟包率、時(shí)延、控制周期和吞吐量等，這些性能指標(biāo)是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下協(xié)議實(shí)現(xiàn)性能的一種重要手段。

　　1.2 測試方法

　　目前，基于IEEE802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)的測試研究方法主要有理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和真實(shí)測試平臺(tái)三大類。理論分析是用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的描述和分析，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的研究。計(jì)算機(jī)仿真方法是利用NSZ、OPNET、Matlab等仿真軟件對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，這類方法具有成本低、靈活性好和可靠性高等優(yōu)勢。真實(shí)測試平臺(tái)本質(zhì)上就是原型系統(tǒng)，最接近于實(shí)際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

　　理論分析和計(jì)算機(jī)仿真的方法雖然可以進(jìn)行多個(gè)同類協(xié)議的比較，但建模復(fù)雜、且不可能完全模擬工業(yè)現(xiàn)場的真實(shí)環(huán)境。真實(shí)平臺(tái)的測試方法更為真實(shí)可信，不僅全面包含影響網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的各個(gè)因素，而且避免了因模型簡化而導(dǎo)致的誤差。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的研究平臺(tái)較少，大多數(shù)是理論仿真分析;而本課題已經(jīng)設(shè)計(jì)好基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)無線節(jié)點(diǎn)，并將該類節(jié)點(diǎn)集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中去，且運(yùn)行穩(wěn)定。因此，本文選擇了真實(shí)平臺(tái)的測試方法，并開發(fā)了測試裝置。

　　1.3 測試方法的實(shí)現(xiàn)

　　工業(yè)無線產(chǎn)品通常是以協(xié)議轉(zhuǎn)換器、ODBC、OPC和網(wǎng)關(guān)等方式接入到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。采用OPC、ODBC等方式的無線網(wǎng)路不能保證測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，但若以硬件的方式接入到控制系統(tǒng)中，如轉(zhuǎn)換器或者網(wǎng)關(guān)等，則可以解決上述問題。

　　本文研究的無線網(wǎng)絡(luò)是通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。按照這種接入方式，測試裝置通過無線發(fā)送數(shù)據(jù)、有線接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的跟蹤測試。測試裝置接入無線網(wǎng)絡(luò)的測試方法示意圖如圖1所示。