无线局域网(WLAN)与变电站综合自动化

无线局域网（ＷＬＡＮ）与变电站综合自动化
［摘要］本文在对无线局域网技术标准IEEE802.11及其三种物理层规范介绍的基础上,进而分析IEEE802.11标准在变电站综合自动化系统中的潜在应用和网络拓扑，并就无线局域网(WLAN)技术模型及在变电站应用的实现技术----扩频通讯FHSS和DSSS进行了相应的研究与探讨。

［关键词］无线局域网扩频通讯变电站综合自动化
0.前言
有线局域网技术和变电站综合自动化技术都是八九十年代发展起来以计算机技术为基础的多专业多学科的综合性技术。

现场总线采用了网络技术、微处理器技术、软件技术等先进技术，实现了现场设备之间的智能化、通信数据化，开创了自动化的新纪元。

无线局域网（WLAN）又称为计算机无线组网，是80年代后期兴起的局域网技术，它起先应用于军事通信的扩频技术。

无线局域网（WLAN）具有组网灵活、速度快、可移动、扩容方便等许多优点，通过WLAN网络，管理人员可以构筑一个无所不在的通讯环境，提供巨大的分布信息库。

随着IEEE802．l、HIPERLAN和WINFORUM等标准的批准或制定，无线局域网在产品报废和不兼容性上的风险日益减少。

而且随着无线局域网越来越多的产品出现，价格日益降低，安全可靠性日益提高，不少工程技术人员开始考虑无线局域网在变电站综合自动化中的应用问题。

采用无线局域网技术，可以减少变电站的占地面积、节约基建投资和电缆费用；另外，通讯设备配置方便，有利于分期扩建；若将来运行人员配备便携式接受装置，可以使运行人员随时随地掌握变电站的运行情况，并根据需要，通过此装置向设备发出控制操作命令。

这将大大提高运行人员的工作效率并保证设备安全可靠运行。

1. 应用方式
目前现场总线广泛采用的是完全分散式体系，通信总线一直延伸到现场设备，构成现场通信网络。

每台现场设备是网络上的一个节点，节点之间可采用
各种通信方式。

在现场总线中，控制站功能分散在现场设备中，通过现场设备就可构成控制回路，实现了彻底的分散控制。

过程控制功能虽然分散到现场设备中，但仍允许在控制室中用数字信号的方式进行操作和调整。

为了充分发挥现有的有线网络在抗电磁干扰、传输速率高、可靠性好、实时性好的优点，可以采用中继式接入方式实现WLAN。

拓扑结构如下图：图1: WLAN在变电站的拓扑结构
中继方式的WLAN是指把无线链路作为原有的基干网的一部分，在多个现场总线和有线LAN网之间传输数据。

中继方式应用中无线LAN主要是充当廉价并易于安装的互连设备，这时通过无线桥接器用无线链路将多个Fieldbus 和LAN网连接起来。

2. 无线局域网标准
1997年6月，IEEE正式颁布了IEEE802.11无线局域网通信标准，具体规定各种移动式客户协议机及应用提供无线链路信息的各种接口。

IEEE802.11对国际无线局域网工作频段、无线局域网拓扑结构、物理层及介质访问层、安全性、移动站漫游等特性都有较具体的技术规范。

（1）媒体访问控制
MAC标准允许网络具有1000多个节点，以高达20Mbps速度处理数据。

当然实际的速度将取决于使用的物理层协议。

在无线局域网上达成的MAC协议，使用了载波侦听多址访问和避免冲突（CSMA／CA）技术。

当使用CSMA时，在网络连接发送之前，局域网要发送数据的节点要等待网络上的无冲突出现。

当检测到网络没有冲突时，节点便可发送数据，然后等待接受来自接受节点的传输认可信号。

如果在传输信息的时间周期内，节点没有收到认可信号，可以认为是出现了冲突，然后每个节点要等待没有冲突，再延迟随机产生的时间周期。

这一随机延迟的设计避免了要传送数据的2个节点之间的另一次冲突，直到节点已探知没有什么冲突发生，便可再次传送信息。

802.11MAC层的优点之一是，它可以连到IEEE802．2逻辑链路控制层上。

这使得802 11所属的局域网容易同其它局域网集成而符合802.2LLC标准。

（2）WLAN参考模型
按照国际标准化组织（ISO）提出的“开放系统互联参考模型”（OSI／RM），由干无线局域网没有复杂的中转、路由等网络控制，网络层结构简单，只涉及OSI／RM中的数据链路层及物理层。

其中数据链路层可细分为逻辑链路控制层（LLC层）及媒体访问控制层（MAC层）。

IEEE802.11只对PHY及MAC 层提出相应规范。

（l）物理层（PHY）。

物理层的任务是定义与实现建立、维持和拆除物理连接信道所必须的机械、电气及功能的特性与规格。

保证可靠的按比特为单位的同步与传输。

例如，物理媒体的类型及规格、连接接头规格的定义与实现，比特信号的变换及传输方式的定义与实现。

（2）数据链路层。

数据链路层的基本功能是两个数据链层之间建立和维持数据链路，为网络层提供无差错的通信服务。

MAC层的任务是在发送数据时，按某种规则从LLC层接收数据，然后执行媒体访问规程，查看网络，如可发送，将给数据加上控制信息，形成帧，送往物理层。

在接收数据时，从物理层接收到数据帧，并检查数据帧中的控制信息，判断是否发生传输错误。

将正确的数据去掉控制信息后送至LLC层。

LLC层的任务是完成两通信实体间点到点链路上的数据帧传输与控制。

同时为上层提供数据报与虚电路两种不同服务。

3. IEEE802.11物理层规范
IEEE802.11定义了三种物理层规范，分别为红外线及两种RF技术规范。

（1）红外线（Infrared）局域网。

红外LAN使用小于一微米的波长，基本传输速率为1Mbit／s，调制方式为16—PPM。

（2）跳频扩频（FHSS）局域网。

跳频是指载波频率在很宽的频带范围内按某种图案（伪随机序列）进行跳变，此序列能被收信机识别、同步并解调。

跳变频率至少为1跳／秒。

跳变过程中将平均能量扩散到整个频带中，以实现扩频的目的。

（3）直接序列扩频（DSSS）局域网。

直接序列扩频是将要发送的信号用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端相同的PN码进行相关处理，恢复出发送信息。

对干扰信号，由于和PN码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通带内的于拢信号功率降低，提高相关器的输出信／干比，达到抗干扰的目的。

直扩系统采用相干解扩解调，它利用了频率和相位信息，性能优于跳频系统。

直接序列扩频是商业上在WLAN采用最普遍的方式，文中重点介绍FHSS和DSSS。

4. 扩频技术
与支持其它技术的产品相比，扩频产品在WLAN市场上占绝大优势。

扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率密度的信号来发射。

它具有抗干扰、抑制多径干扰、提供多址能力等优点，还可增大系统容量、缓解频谱拥挤。

目前使用扩频通信技术的WLAN一般都在900MHZ，2.4GHZ和5.8GHZ 频率范围，这是FCC规定的无需申请频段。

目前在扩频设备中使用DSSS技术要比FHSS技术更多。

在DSSS系统中，用伪随机二进制序列调制发射信号。

它是把伪随机二进制序列与用户数据相乘，用得到的高速比特流调制射频载波。

在接收端接受到的射频信号被解调后用与发送端同样的伪随机码序列进行“或”运算得到正确数据。

由于DSSS系统同一个时间在一个频段的几个频率L发送数据，这就大大增强了信号穿透的机会。

Digital Ocean公司的Grouper100MP，DEC公司的Roamabout和Solectek公司的AirLAN等都是采用DSSS技术的产品。

FHSS则采用了在数据传输期间迅速改变信号的频率这样一个不同的方法。

在FHSS系统中，总的带宽被分成一组带宽相等的子信道。

发射机每隔几微秒就从一个信道跳到另一个信道，同时接收机预先设计好了能够跟随这种变化以保持和这种跳频序列的同步。

当跳频速率高于数据速率时我们称之为快跳频扩频（FFHSS），跳频速率低于数据速率时则称之为慢跳频扩频（SFHSS）。

由于发射机和接受机的频率要同时跳变，所以，慢跳频系统对同步的要求相对要低一些。

Xircom公司的Netwave，Proxim公司的Ranger LAN2等都是采用FHSS技术的产品。

相比较而言，FHSS要比DSSS更安全。

如果有人想截获数据，他首先需要知道传输中使用的跳频序列。

而且FHSS的抗干扰能力也要更强。

如果数据在某一次跳频中丢失了，接受机将会知道并要求在下一次跳频时重发。

5. 无线技术的现状与前景
目前无线局域网还不能完全取代有线局域网。

在数据可靠性方面，抗干扰方面都需要技术的改进与成熟。

但可以预见，在不久的将来，随着无线数字通讯的进一步发展，这些问题将逐步得到解决。

到那时人们将充分享受到无线技术给我们带来的便利。

参考文献：
［1］王建民、史浩山.无线局域网中的通信技术.数字通讯，1997.4.
［2］陈军、傅昕.无线局域网技术和应用.微型机与应用，1997.1.
［3］刘纯勤、李安涛.IEEE802.11无线局域网标准.通讯技术，1998.1.
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”。