工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )性能測試方法

引言

　　近年來(lái)，中短程無(wú)線(xiàn)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，具有很好的應用前景?；贗EEE802.15.4a(4A)標準的線(xiàn)性調頻擴頻技術(shù)(chirp spread spectrum , CSS)綜合了FSK、PSK和ASK三種調制方式的優(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，特別適合應用于工業(yè)場(chǎng)合。為了研究該標準下的工業(yè)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品安全性和穩定性，需要設計相應的測試和驗證方法，以考察其性能。

　　目前，人們對于該標準的大部分研究工作還只是基于普通的計算機網(wǎng)絡(luò )的離線(xiàn)性能分析，新的測試方法和裝置未見(jiàn)報道。本文分析總結了該標準無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的各種研究方法，提出了該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能測試分析方法，并開(kāi)發(fā)相應的測試裝置，以考察其在工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統中通信的性能指標，為優(yōu)化和改善工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信提供了依據。

　　一、實(shí)時(shí)性測試方法

　　1.1 工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性

　　實(shí)時(shí)性是指信號的輸入、運算和輸出都要在一定的時(shí)間內完成，并根據生產(chǎn)過(guò)程工況及現場(chǎng)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(wú)論網(wǎng)絡(luò )的傳輸速度如何，只要在規定的響應時(shí)間內產(chǎn)生響應動(dòng)作，都說(shuō)明系統具有實(shí)時(shí)性。工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性是指網(wǎng)絡(luò )中的功能節點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系在一起，當某個(gè)節點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò )發(fā)出訪(fǎng)問(wèn)請求時(shí)，功能節點(diǎn)能夠在響應時(shí)間內完成相應的功能操作川。對于工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)時(shí)性測試主要是考核該網(wǎng)絡(luò )對各類(lèi)事件的響應速度、穩定性、準確性等性能，其關(guān)注的對象是工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能指標，如：丟包率、時(shí)延、控制周期和吞吐量等，這些性能指標是準確評價(jià)在不同網(wǎng)絡(luò )負載下協(xié)議實(shí)現性能的一種重要手段。

　　1.2 測試方法

　　目前，基于IEEE802.15.4a標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的測試研究方法主要有理論分析、計算機仿真和真實(shí)測試平臺三大類(lèi)。理論分析是用數學(xué)建模的方法對網(wǎng)絡(luò )及其環(huán)境進(jìn)行詳細的描述和分析，間接實(shí)現對實(shí)際應用網(wǎng)絡(luò )的研究。計算機仿真方法是利用NSZ、OPNET、Matlab等仿真軟件對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行研究，這類(lèi)方法具有成本低、靈活性好和可靠性高等優(yōu)勢。真實(shí)測試平臺本質(zhì)上就是原型系統，最接近于實(shí)際應用的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。

　　理論分析和計算機仿真的方法雖然可以進(jìn)行多個(gè)同類(lèi)協(xié)議的比較，但建模復雜、且不可能完全模擬工業(yè)現場(chǎng)的真實(shí)環(huán)境。真實(shí)平臺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(jiǎn)化而導致的誤差。通過(guò)查閱相關(guān)文獻，發(fā)現基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協(xié)議標準的研究平臺較少，大多數是理論仿真分析;而本課題已經(jīng)設計好基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協(xié)議標準無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，并將該類(lèi)節點(diǎn)集成到工業(yè)控制系統中去，且運行穩定。因此，本文選擇了真實(shí)平臺的測試方法，并開(kāi)發(fā)了測試裝置。

　　1.3 測試方法的實(shí)現

　　工業(yè)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品通常是以協(xié)議轉換器、ODBC、OPC和網(wǎng)關(guān)等方式接入到現有的控制系統。采用OPC、ODBC等方式的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路不能保證測試數據的實(shí)時(shí)性，但若以硬件的方式接入到控制系統中，如轉換器或者網(wǎng)關(guān)等，則可以解決上述問(wèn)題。

　　本文研究的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)協(xié)議轉換器接入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )。按照這種接入方式，測試裝置通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送數據、有線(xiàn)接收數據，實(shí)現了數據的跟蹤測試。測試裝置接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的測試方法示意圖如圖1所示。