工業無線網絡性能測試方法

引言

　　近年來，中短程無線通信技術發展迅速，它正逐步滲透到工業控制領域，具有很好的應用前景?；贗EEE802.15.4a(4A)標準的線性調頻擴頻技術(chirp spread spectrum , CSS)綜合了FSK、PSK和ASK三種調制方式的優點，能有效地抑制惡劣環境中的噪聲和干擾且功耗極低，特別適合應用于工業場合。為了研究該標準下的工業無線產品安全性和穩定性，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絡的各種研究方法，提出了該無線網絡的性能測試分析方法，并開發相應的測試裝置，以考察其在工業無線網絡控制系統中通信的性能指標，為優化和改善工業無線網絡通信提供了依據。

　　一、實時性測試方法

　　1.1 工業無線網絡的實時性

　　實時性是指信號的輸入、運算和輸出都要在一定的時間內完成，并根據生產過程工況及現場情況變化進行及時處理 。實時與快速并非是相同的含義，無論網絡的傳輸速度如何，只要在規定的響應時間內產生響應動作，都說明系統具有實時性。工業無線網絡的實時性是指網絡中的功能節點通過網絡聯系在一起，當某個節點向網絡發出訪問請求時，功能節點能夠在響應時間內完成相應的功能操作川。對于工業無線通信的實時性測試主要是考核該網絡對各類事件的響應速度、穩定性、準確性等性能，其關注的對象是工業無線網絡的性能指標，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絡負載下協議實現性能的一種重要手段。

　　1.2 測試方法

　　目前，基于IEEE802.15.4a標準的無線網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。理論分析是用數學建模的方法對網絡及其環境進行詳細的描述和分析，間接實現對實際應用網絡的研究。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勢。真實測試平臺本質上就是原型系統，最接近于實際應用的網絡環境。

　　理論分析和計算機仿真的方法雖然可以進行多個同類協議的比較，但建模復雜、且不可能完全模擬工業現場的真實環境。真實平臺的測試方法更為真實可信，不僅全面包含影響網絡狀態的各個因素，而且避免了因模型簡化而導致的誤差。通過查閱相關文獻，發現基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協議標準的研究平臺較少，大多數是理論仿真分析;而本課題已經設計好基于IEEE802.15.4a的CSS物理層協議標準無線節點，并將該類節點集成到工業控制系統中去，且運行穩定。因此，本文選擇了真實平臺的測試方法，并開發了測試裝置。

　　1.3 測試方法的實現

　　工業無線產品通常是以協議轉換器、ODBC、OPC和網關等方式接入到現有的控制系統。采用OPC、ODBC等方式的無線網路不能保證測試數據的實時性，但若以硬件的方式接入到控制系統中，如轉換器或者網關等，則可以解決上述問題。

　　本文研究的無線網絡是通過協議轉換器接入到工業控制網絡。按照這種接入方式，測試裝置通過無線發送數據、有線接收數據，實現了數據的跟蹤測試。測試裝置接入無線網絡的測試方法示意圖如圖1所示。