GPRS及CDMA网络替代数传电台的可行性讨论
日期：2008-8-15 0:44:56 来源：中国自动化网
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摘要：数传电台在工业控制领域已经有了广泛的应用，目前仍然是工业控制领域的主要传输手段。凭借GPRS/CDMA网络的覆盖广、数据传输可靠性高、组网便捷、成本低廉等优势，GPRS/CDMA的数据传输被称为近2年来迅速崛起的数传方式。本文将从两者的传输机制、组网方式等方面进行比较分析，提供数传电台网络向GPRS/CDMA数传网络迁升的方案。文章可作为用户选择数传媒介的参考。
关键词：GPRS/CDMA；数据传输；数传电台
1 数传电台组网方式及其特点
根据国家无线电管理委员会频率规划，将223.025～235.000 MHz作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段，其中229.0～235.0 MHz频段在北京地区用于射电天文业务。其他业务不得对其产生有害干扰。用于近距离（１ km以内）操作时应≤0.5 W，设置在城区、近郊区时应≤5 W，设置在远郊区、野外时应≤25 W。
数传电台有发射功率限制，传输距离最大只有数十公里，而且，超长距离的发送需要大功率发射，因此需要提供大功率电源。这一特性决定了数传电台的应用只能限定在一定的区域范围内。
数传电台组成的数据传输网络单独占用１个频率资源，在同一频点上，同时只能有１个设备发送数据。一般采用中心对远端多点的通信分配方式，采用轮询方式查询数据，轮询周期与电台数量有密切关系。假设访问１个站点需要0.5 s，轮询等待超时时间设定为3 s，系统有100个终端，那么在所有终端工作正常情况下，轮询周期是0.5×100=50 s，如果有1台终端由于设备故障、频率干扰等原因导致传输失败，系统在此终端将等待3 s，轮询的最长周期可能是3×100=300 s。
数传电台的轮询模式以及覆盖范围，决定了网络的容量有一定限度。
数传电台的建设成本除了数传电台的采购成本外，还包括架设建塔台、天线等基站建设成本，传输距离越远，基站建设成本就越大。数传电台由用户单位自行建造，无需缴纳通信费用，但频率占用费以及对电台设备的维护费用是笔不小的开销，电台数量越少，单位成本就越高。
数传电台建设受城市建设影响大，建设好的数传网络很可能被城市中新增的高大建筑所阻挡，楼群对电波的反射、折射有着很大的影响，自建电台数据传输网络必须针对城市建设中出现的情况不断调整网络，包括移动天线位置、增加天线高度等，必要时可能会根据无线电管理机构的要求调整频率。这些在后期运行成本中占据了很大的份额，而且具有很大的未知性。
2 GPRS/CDMA数据传输网络构成与优势
GPRS/CDMA已经组成了覆盖全国的数据网络，它是利用“分组交换”(Packet-Switched)概念发展起来的无线传输方式，是一种新型的分组数据传输业务。GPRS在数传领域采用DTU+网络接入的方式组网，图２是互联网接入的一种典型应用。
图２
采用GPRS/CDMA方式组成数据传输网络及其方便，只要附近有GPRS/CDMA基站，就可以架设数据采集终端，没有通信距离的限制；GPRS/CDMA终端的发射功率都很小，一般<2 W，加上具有电源管理等功能，可满足部分依靠太阳能电池供电的采集点使用。
在一个应用系统中，利用２台或多台数传电台组网，每个数据网络都会占用１个频率，当此频率受到干扰时，数据传输将受到严重影响。
GPRS与GSM共用频段，GSM采用TDMA/FDMA多址工作方式，每个频道有8个时隙(8信道)。依据小区用户数量(密度)，GSM可采用不同的小区频率复用方式。由于GPRS可用频段宽，容易满足组建公网对信道数的需要。GPRS/CDMA是公众生活中的一个重要交流工具，其工作频率受到无线电委员会的保护，因此频率受干扰的机会非常少。GPRS/CDMA的跳频机制也能有效地解决频率受到干扰的问题。
GPRS采用卷积编码，推荐4种编码方式：CS-1～CS-4(CS-1码率为1/2，CS-2码率为2/3)，可通过减少纠错比特适应不同传输信道质量要求。目前使用的CS-2编码纠错能力较强，即使传输信道质量比较差，也能满足数据传输要求。
CDMA技术早已在军用抗干扰通信研究中得到广泛应用，这一成果迅速成为全球的热门课题。成功转化为民用的CDMA技术，在数据传输领域将会给用户提供更高的安全保障。
GPRS/CDMA网络采用分组交换方式，在满足数据带宽的情况下，中心可以几乎同时向全部终端发送查询数据，组成和上述电台组网案例中相同规模的GPRS/CDMA数据传输网络，整个轮巡周期为3～5 s，而且这个周期不随着终端数量的增长而增长，个别终端故障，不会影响整个系统的轮询周期。针对GPRA/CDMA的网络特点，改变传统的轮询模式，采用终端主动发送数据的方式，数据采集效率更高。
在GPRS/CDMA网络上组建数据传输网络，根据总带宽需求，申请合适的中心接入方式与带宽，对终端数量没有限制。使得其在电力、气象、水文等行业里作为大范围、大容量的检测网络成为可能。
GPRS/CDMA网络属于蜂窝网络结构，高大建筑对网络无线信号的影响只局限在小块区域，而且，移动运营商有专门的网络优化部门，根据网络上的流量、通信故障等情况，可及时调整网络，用户根本不必关心网络的调整，更不需要为网络调整付出额外的支出。
3 GPRS/CDMA网络替代数传电台的实现方案
使用GPRS/CDMA DTU开发新的数据传输网络，只需要按照GPRS/CMDA DTU的组网方案实施即可，方便易行。现有大量的数传电台网络，需要改造成GPRS/CDMA数传网络。本文将重点探讨如何改造，并在改造过程中最大限度地减少工作量，充分利用原有资源，降低改造成本。
(1)网络规划
这是改造过程的第一步，重点是计算整个数据网络中的带宽需求，从而选择合适的终端与中心接入方式。GPRS DTU理论上可以满足13.4～53.6 kbit/s的传输要求，但在实际应用中，建议考虑应用的带宽需要在9600 kbit/s以下，超出这个带宽的需求时，建议使用CDMA DTU。对GPRS/CDMA的选择还要考虑到当地网络的覆盖情况，目前GPRS/CDMA网络可以全面覆盖到大部分地区。数传电台网络中，通常中心接入设备带宽与终端带宽相同，如果改造后的GPRS/CDMA网络同样沿用传统的轮巡模式，则中心带宽的需求同样与终端相同。如果需要改变轮巡模式，对终端同时发送查询指令，则中心带宽是所有终端带宽的总和。对于特别大型的项目中，可以考虑对GPRS/CDMA DTU分组，合理利用中心带宽。
(2)终端改造
也许是整个改造过程最轻松的环节，数传电台与RTU通过RS－232、RS－485等接口连接，改造所要做的是就是从接口上拔掉电台，插上设置好的GPRS/CDMA DTU。剩下的工作就是观察这个安装地点GPRS/CDMA的网络信号状况、记录DTU运行状态、调整天线等，直至终端正常运行并与中心连接。
现在很多中心接入点都可以很方便接入Internet，利用互联网接入方式是大多数工程的首选。部分终端数量大、项目安全性、可靠性要求高的项目可以选用GPRS/CDMA专线接入。
改造过程中的难点是在中心接收软件上，数传电台网络的中心软件一般通过RS－232口与中心电台连接，通过这个串行口与所有终端数据连接。改造方案如下：
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关键词：GPRS/CDMA；数据传输；数传电台
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1 数传电台组网方式及其特点
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根据国家无线电管理委员会频率规划，将223.025～235.000 MHz作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段，其中229.0～235.0 MHz频段在北京地区用于射电天文业务。其他业务不得对其产生有害干扰。用于近距离（１ km以内）操作时应≤0.5 W，设置在城区、近郊区时应≤5 W，设置在远郊区、野外时应≤25 W。
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数传电台有发射功率限制，传输距离最大只有数十公里，而且，超长距离的发送需要大功率发射，因此需要提供大功率电源。这一特性决定了数传电台的应用只能限定在一定的区域范围内。
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数传电台组成的数据传输网络单独占用１个频率资源，在同一频点上，同时只能有１个设备发送数据。一般采用中心对远端多点的通信分配方式，采用轮询方式查询数据，轮询周期与电台数量有密切关系。假设访问１个站点需要0.5 s，轮询等待超时时间设定为3 s，系统有100个终端，那么在所有终端工作正常情况下，轮询周期是0.5×100=50 s，如果有1台终端由于设备故障、频率干扰等原因导致传输失败，系统在此终端将等待3 s，轮询的最长周期可能是3×100=300 s。
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数传电台建设受城市建设影响大，建设好的数传网络很可能被城市中新增的高大建筑所阻挡，楼群对电波的反射、折射有着很大的影响，自建电台数据传输网络必须针对城市建设中出现的情况不断调整网络，包括移动天线位置、增加天线高度等，必要时可能会根据无线电管理机构的要求调整频率。这些在后期运行成本中占据了很大的份额，而且具有很大的未知性。
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2 GPRS/CDMA数据传输网络构成与优势
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GPRS/CDMA已经组成了覆盖全国的数据网络，它是利用“分组交换”(Packet-Switched)概念发展起来的无线传输方式，是一种新型的分组数据传输业务。GPRS在数传领域采用DTU+网络接入的方式组网，图２是互联网接入的一种典型应用。
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图２
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采用GPRS/CDMA方式组成数据传输网络及其方便，只要附近有GPRS/CDMA基站，就可以架设数据采集终端，没有通信距离的限制；GPRS/CDMA终端的发射功率都很小，一般<2 W，加上具有电源管理等功能，可满足部分依靠太阳能电池供电的采集点使用。
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在一个应用系统中，利用２台或多台数传电台组网，每个数据网络都会占用１个频率，当此频率受到干扰时，数据传输将受到严重影响。
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GPRS与GSM共用频段，GSM采用TDMA/FDMA多址工作方式，每个频道有8个时隙(8信道)。依据小区用户数量(密度)，GSM可采用不同的小区频率复用方式。由于GPRS可用频段宽，容易满足组建公网对信道数的需要。GPRS/CDMA是公众生活中的一个重要交流工具，其工作频率受到无线电委员会的保护，因此频率受干扰的机会非常少。GPRS/CDMA的跳频机制也能有效地解决频率受到干扰的问题。
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GPRS采用卷积编码，推荐4种编码方式：CS-1～CS-4(CS-1码率为1/2，CS-2码率为2/3)，可通过减少纠错比特适应不同传输信道质量要求。目前使用的CS-2编码纠错能力较强，即使传输信道质量比较差，也能满足数据传输要求。
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CDMA技术早已在军用抗干扰通信研究中得到广泛应用，这一成果迅速成为全球的热门课题。成功转化为民用的CDMA技术，在数据传输领域将会给用户提供更高的安全保障。
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GPRS/CDMA网络采用分组交换方式，在满足数据带宽的情况下，中心可以几乎同时向全部终端发送查询数据，组成和上述电台组网案例中相同规模的GPRS/CDMA数据传输网络，整个轮巡周期为3～5 s，而且这个周期不随着终端数量的增长而增长，个别终端故障，不会影响整个系统的轮询周期。针对GPRA/CDMA的网络特点，改变传统的轮询模式，采用终端主动发送数据的方式，数据采集效率更高。
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在GPRS/CDMA网络上组建数据传输网络，根据总带宽需求，申请合适的中心接入方式与带宽，对终端数量没有限制。使得其在电力、气象、水文等行业里作为大范围、大容量的检测网络成为可能。
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GPRS/CDMA网络属于蜂窝网络结构，高大建筑对网络无线信号的影响只局限在小块区域，而且，移动运营商有专门的网络优化部门，根据网络上的流量、通信故障等情况，可及时调整网络，用户根本不必关心网络的调整，更不需要为网络调整付出额外的支出。
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使用GPRS/CDMA DTU开发新的数据传输网络，只需要按照GPRS/CMDA DTU的组网方案实施即可，方便易行。现有大量的数传电台网络，需要改造成GPRS/CDMA数传网络。本文将重点探讨如何改造，并在改造过程中最大限度地减少工作量，充分利用原有资源，降低改造成本。
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(1)网络规划
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这是改造过程的第一步，重点是计算整个数据网络中的带宽需求，从而选择合适的终端与中心接入方式。GPRS DTU理论上可以满足13.4～53.6 kbit/s的传输要求，但在实际应用中，建议考虑应用的带宽需要在9600 kbit/s以下，超出这个带宽的需求时，建议使用CDMA DTU。对GPRS/CDMA的选择还要考虑到当地网络的覆盖情况，目前GPRS/CDMA网络可以全面覆盖到大部分地区。数传电台网络中，通常中心接入设备带宽与终端带宽相同，如果改造后的GPRS/CDMA网络同样沿用传统的轮巡模式，则中心带宽的需求同样与终端相同。如果需要改变轮巡模式，对终端同时发送查询指令，则中心带宽是所有终端带宽的总和。对于特别大型的项目中，可以考虑对GPRS/CDMA DTU分组，合理利用中心带宽。
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(2)终端改造
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也许是整个改造过程最轻松的环节，数传电台与RTU通过RS－232、RS－485等接口连接，改造所要做的是就是从接口上拔掉电台，插上设置好的GPRS/CDMA DTU。剩下的工作就是观察这个安装地点GPRS/CDMA的网络信号状况、记录DTU运行状态、调整天线等，直至终端正常运行并与中心连接。
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改造过程中的难点是在中心接收软件上，数传电台网络的中心软件一般通过RS－232口与中心电台连接，通过这个串行口与所有终端数据连接。改造方案如下：
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