工業(yè)無線網(wǎng)絡性能測試方法

引言

　　近年來，中短程無線通信技術發(fā)展迅速，它正逐步滲透到工業(yè)控制領域，具有很好的應用前景?；贗EEE802.15.4a(4A)標準的線性調(diào)頻擴頻技術(chirp spread spectrum , CSS)綜合了FSK、PSK和ASK三種調(diào)制方式的優(yōu)點，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)場合。為了研究該標準下的工業(yè)無線產(chǎn)品安全性和穩(wěn)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)絡的離線性能分析，新的測試方法和裝置未見報道。本文分析總結了該標準無線網(wǎng)絡的各種研究方法，提出了該無線網(wǎng)絡的性能測試分析方法，并開發(fā)相應的測試裝置，以考察其在工業(yè)無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中通信的性能指標，為優(yōu)化和改善工業(yè)無線網(wǎng)絡通信提供了依據(jù)。

　　一、實時性測試方法

　　1.1 工業(yè)無線網(wǎng)絡的實時性

　　實時性是指信號的輸入、運算和輸出都要在一定的時間內(nèi)完成，并根據(jù)生產(chǎn)過程工況及現(xiàn)場情況變化進行及時處理 。實時與快速并非是相同的含義，無論網(wǎng)絡的傳輸速度如何，只要在規(guī)定的響應時間內(nèi)產(chǎn)生響應動作，都說明系統(tǒng)具有實時性。工業(yè)無線網(wǎng)絡的實時性是指網(wǎng)絡中的功能節(jié)點通過網(wǎng)絡聯(lián)系在一起，當某個節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)出訪問請求時，功能節(jié)點能夠在響應時間內(nèi)完成相應的功能操作川。對于工業(yè)無線通信的實時性測試主要是考核該網(wǎng)絡對各類事件的響應速度、穩(wěn)定性、準確性等性能，其關注的對象是工業(yè)無線網(wǎng)絡的性能指標，如：丟包率、時延、控制周期和吞吐量等，這些性能指標是準確評價在不同網(wǎng)絡負載下協(xié)議實現(xiàn)性能的一種重要手段。

　　1.2 測試方法

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

　　理論分析和計算機仿真的方法雖然可以進行多個同類協(xié)議的比較，但建模復雜、且不可能完全模擬工業(yè)現(xiàn)場的真實環(huán)境。真實平臺的測試方法更為真實可信，不僅全面包含影響網(wǎng)絡狀態(tài)的各個因素，而且避免了因模型簡化而導致的誤差。通過查閱相關文獻，發(fā)現(xiàn)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(shù)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)議標準無線節(jié)點，并將該類節(jié)點集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中去，且運行穩(wěn)定。因此，本文選擇了真實平臺的測試方法，并開發(fā)了測試裝置。

　　1.3 測試方法的實現(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)的實時性，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)關等，則可以解決上述問題。

　　本文研究的無線網(wǎng)絡是通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入到工業(yè)控制網(wǎng)絡。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)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的跟蹤測試。測試裝置接入無線網(wǎng)絡的測試方法示意圖如圖1所示。