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導(dǎo)語：在通信標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
【論文摘要】：在許多基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要實現(xiàn)遙控功能，而紅外通信則是被采用較多的一種方法。紅外通信具有控制簡單、實施方便、傳輸可靠性高的特點，是一種較為常用的通信方式。
在許多基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要實現(xiàn)遙控功能，而紅外通信則是被采用較多的一種方法。紅外通信具有控制簡單、實施方便、傳輸可靠性高的特點，是一種較為常用的通信方式。紅外線通信是一種廉價、近距離、無線、低功耗、保密性強(qiáng)的通訊方案，主要應(yīng)用于近距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，也有用于近距離無線網(wǎng)絡(luò)接入。從早期的IRDA規(guī)范（115200bps）到ASKIR（1.152Mbps)，再到最新的FASTIR（4Mbps），紅外線接口的速度不斷提高，使用紅外線接口和電腦通信的信息設(shè)備也越來越多。紅外線接口是使用有方向性的紅外線進(jìn)行通訊，由于它的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以只適合于短距離無線通訊的場合，進(jìn)行"點對點"的直線數(shù)據(jù)傳輸，因此在小型的移動設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。
一、紅外通信的基本原理
紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號調(diào)制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。接收端將接收到的光脈轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號后輸出。常用的有通過脈沖寬度來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制（PWM）和通過脈沖串之間的時間間隔來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈時調(diào)制（PPM）兩種方法。
簡而言之，紅外通信的實質(zhì)就是對二進(jìn)制數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，以便利用紅外信道進(jìn)行傳輸；紅外通信接口就是針對紅外信道的調(diào)制解調(diào)器。
二、紅外通訊技術(shù)的特點
紅外通訊技術(shù)是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺所支持：
⑴通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)；
⑵主要是用來取代點對點的線纜連接；
⑶新的通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容早期的通訊標(biāo)準(zhǔn)；
⑷小角度（30度錐角以內(nèi)），短距離，點對點直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng)；
⑸傳輸速率較高，目前4M速率的FIR技術(shù)已被廣泛使用，16M速率的VFIR技術(shù)已經(jīng)。
三、紅外數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的用途
紅外通訊技術(shù)常被應(yīng)用在下列設(shè)備中：
⑴筆記本電腦、臺式電腦和手持電腦；
⑵打印機(jī)、鍵盤鼠標(biāo)等計算機(jī)設(shè)備；
⑶電話機(jī)、移動電話、尋呼機(jī)；
⑷數(shù)碼相機(jī)、計算器、游戲機(jī)、機(jī)頂盒、手表；
⑸工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備；
⑹網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器。
四、紅外數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的缺點
⑴通訊距離短，通訊過程中不能移動，遇障礙物通訊中斷；
⑵目前廣泛使用的SIR標(biāo)準(zhǔn)通訊速率較低（115.2kbit/s）；
⑶紅外通訊技術(shù)的主要目的是取代線纜連接進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，功能單一，擴(kuò)展性差。
五、紅外通信技術(shù)對計算機(jī)技術(shù)的沖擊
紅外通信標(biāo)準(zhǔn)有可能使大量的主流計算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品遭淘汰，包括歷史悠久的調(diào)制解調(diào)器。預(yù)計，執(zhí)行紅外通信標(biāo)準(zhǔn)即可將所有的局域網(wǎng)(LAN)的數(shù)據(jù)率提高到10Mb/s。
紅外通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射功率很低，因此它自然是以電池為工作電源的標(biāo)準(zhǔn)。目前，惠普移動計算分公司正在開發(fā)內(nèi)置式端口，所有擁有支持紅外通信標(biāo)準(zhǔn)的筆記本計算機(jī)和手持式計算機(jī)的用戶，可以把計算機(jī)放在電話機(jī)的旁邊，遂行高速呼叫，可連通本地的因特網(wǎng)。由于電話機(jī)、手持式計算機(jī)和紅外通信連接全都是數(shù)字式的，故不需要調(diào)制解調(diào)器。
紅外通信標(biāo)準(zhǔn)的廣泛兼容性可為PC設(shè)計師和終端用戶提供多種供選擇的無電纜連接方式，如掌上計算機(jī)、筆記本計算機(jī)、個人數(shù)字助理設(shè)備和桌面計算機(jī)之間的文件交換；在計算機(jī)裝置之間傳送數(shù)據(jù)以及控制電視、盒式錄像機(jī)和其它設(shè)備。
六、紅外通信技術(shù)開辟數(shù)據(jù)通信的未來
目前，符合紅外通信標(biāo)準(zhǔn)要求的個人數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)助理設(shè)備、筆記本計算機(jī)和打印機(jī)已推向市場，然而紅外通信技術(shù)的潛力將通過個人通信系統(tǒng)(PCS)和全球移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)的建立而充分顯示出來。由于紅外連接本身是數(shù)字式的，所以在筆記本計算機(jī)中不需要調(diào)制解調(diào)器。便攜式PC機(jī)有一個任選的擴(kuò)展插槽，可插入新式PCS數(shù)據(jù)卡。PCS數(shù)據(jù)卡配電話使用，建立和保持對無線PCS系統(tǒng)的連接；擴(kuò)展電纜的紅外端口使得在PCS電話系統(tǒng)和筆記本計算機(jī)之間容易實現(xiàn)無線通信。由于PCS、數(shù)字電話系統(tǒng)和筆記本計算機(jī)之間的連接是通過標(biāo)準(zhǔn)的紅外端口實現(xiàn)的，所以PCS數(shù)字電話系統(tǒng)可在任何一種PC機(jī)上使用，包括各種新潮筆記本計算機(jī)以及手持式計算機(jī)，以提供紅外數(shù)據(jù)通信。而且，由于該系統(tǒng)不要求在計算機(jī)中使用調(diào)制解調(diào)器，所以過去不可能維持高性能PC卡調(diào)制解調(diào)器運(yùn)行所需電壓的手持式計算機(jī)，現(xiàn)在也能以無線方式進(jìn)行通信。紅外通信標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者還在設(shè)想在機(jī)場和飯店等地點使用步行傳真機(jī)和打印機(jī)，在這些地方，掌上計算機(jī)用戶可以利用這些外設(shè)而勿需電纜。銀行的ATM(柜員機(jī))也可以采用紅外接口裝置。
預(yù)計在不久的將來，紅外技術(shù)將在通信領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，數(shù)字蜂窩電話、尋呼機(jī)、付費(fèi)電話等都將采用紅外技術(shù)。紅外技術(shù)的推廣意味著膝上計算機(jī)用戶不用電纜連接的新潮即將到來。由于紅外通信具有隱蔽性，保密性強(qiáng)，故國外軍事通信機(jī)構(gòu)歷來重視這一技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。這一技術(shù)在軍事隱蔽通信，特別是軍事機(jī)密機(jī)構(gòu)、邊海防的端對端通信中將發(fā)揮出重要的作用。正如前面所述，它還將對計算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生沖擊，對未來數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生重大影響。
參考文獻(xiàn)：
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中圖分類號:TN911-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)21-0093-03
Research on Technology and Application of IEC 61850
HUANG Wen-hua1, LI Yong2
(1. School of Telecommunications and Information Engineering, Xi’an University of Posts & Telecommunications, Xi’an 710121, China;
2. Xi’an Beareu, Shannxi Electrical Power Corp., Xi’an 710032, China)
Abstract: IEC 61850 is the seamless communication standard of substation automation system (SAS) in next generation. The technical characteristics of IEC 61850 are summarized in this paper for the purpose of the equipment development in the application of IEC 61850. It is pointed out that IEC 61850 is the intension of the integration of heterogeneous information. The substation configuration (including the structure of configuration file and the flow path of configuration) and the application of XML technology in IEC 61850 are analyzed. The ideal communication model is obtained. The security questions to the substation communication network are discussed. The research provides a foundation for the design of SAS which is coincident with IEC 61850.Keywords: IEC 61850; integration of heterogeneous information; XML; security of power network
收稿日期:2010-05-24
0 引 言
IEC 61850是國際電工委員會負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)控制及其通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的第57技術(shù)委員會(IEC TC57)制定的關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的一個國際標(biāo)準(zhǔn),目的是使變電站內(nèi)不同廠家的智能電子設(shè)備(IED)之間通過一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實現(xiàn)互操作和信息共享,實現(xiàn)“一個世界、一種技術(shù)、一個標(biāo)準(zhǔn)”[1]。
在制定IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的過程中,美、德、荷蘭等國都建有示范工程,而應(yīng)用IEC 61850的數(shù)字化變電站技術(shù)是我國十一五重點研究課題,目的在標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品研發(fā)方面追趕國際先進(jìn)水平。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的正在我國電力系統(tǒng)普及發(fā)展,而符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的開發(fā),需要對標(biāo)準(zhǔn)的深刻理解與掌握,本文對IEC 61850的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究與討論。
1 IEC 61850的內(nèi)涵分析
1.1 IEC61850 技術(shù)特點分析
IEC 61850規(guī)約體系完善,相對于基于報文結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)規(guī)約,應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的IEC 61850有明顯的技術(shù)特點和優(yōu)勢[2]。
(1) 系統(tǒng)分層技術(shù):IEC 61850明確了變電站自動化系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu):變電站層、間隔層和過程層以及各層之間的接口意義。將由一次設(shè)備組成的過程層納入統(tǒng)一結(jié)構(gòu)中,這是基于一次設(shè)備如傳感器、執(zhí)行器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。
(2) 面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù):為了實現(xiàn)互操作性,IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù),建立統(tǒng)一的設(shè)備和系統(tǒng)模型,采用基于XML的SCL[3]變電站設(shè)備通信配置語言來全面的描述設(shè)備和系統(tǒng),提出設(shè)備必須具有自描述功能。自描述、自診斷和即插即用的特性,極大方便了系統(tǒng)的集成,降低了變電站自動化系統(tǒng)的工程費(fèi)用。
(3) 抽象服務(wù)通信接口技術(shù):IEC 61850為實現(xiàn)無縫的通信網(wǎng)絡(luò),提出抽象通信服務(wù)接口(ACSI)[4],接口技術(shù)獨立于具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議,與采用何種網(wǎng)絡(luò)無關(guān),可充分適應(yīng)TCP/IP以及現(xiàn)場總線等各類通信體系,而且客戶只需改動特定通信服務(wù)映射 (SCSM),即可完成網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換,從而適應(yīng)了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多樣的特點。
1.2 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)內(nèi)涵
作為下一代變電站的無縫通信標(biāo)準(zhǔn),IEC 61850充分借鑒了變電站通信、計算機(jī)、工業(yè)控制等領(lǐng)域的長期經(jīng)驗[5]。在IEC 61850鮮明技術(shù)特點的背后,是IEC 61850與以往變電站通信標(biāo)準(zhǔn)的實質(zhì)性差別,而理解IEC 61850的本質(zhì)是應(yīng)用IEC 61850的基礎(chǔ)。
IEC 61850是變電站自動化通信標(biāo)準(zhǔn),通信標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)目標(biāo)是實現(xiàn)雙方快速準(zhǔn)確的理解相互傳達(dá)與接收到的邏輯信息命令,并正確執(zhí)行命令。由于各設(shè)備生產(chǎn)商生產(chǎn)的智能電子設(shè)備,可能采用不同的芯片、不同的硬件架構(gòu)、不同的嵌入式系統(tǒng),它們組成了一個復(fù)雜的異構(gòu)環(huán)境系統(tǒng),所以變電站中設(shè)備之間的通信是一個復(fù)雜的分布式信息交互問題。變電站設(shè)備要實現(xiàn)互操作實際就是解決如何在異構(gòu)環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的問題。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)制定的思路與以往IEC 60870等標(biāo)準(zhǔn)在解決信息表達(dá)與傳輸問題方面相比上存在著根本的區(qū)別,主要是借鑒了近些年來計算機(jī)解決異構(gòu)環(huán)境領(lǐng)域的常用的ASN.1,XML等技術(shù)來解決變電站中的信息交互問題,因此IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)可以理解為是解決變電站中異構(gòu)環(huán)境下數(shù)據(jù)交換問題的一個實現(xiàn)方案。
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)充分綜合了ASN.1與XML兩種技術(shù)的各自優(yōu)勢,利用ASN.1的二進(jìn)制編碼信息傳輸效率優(yōu)勢,用它作為主要的實時信息交互通信方式,利用XML直觀與帶自描述特性在XML 1.0版本的基礎(chǔ)上推出了變電站配置語言SCL,用于描述變電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與智能電子設(shè)備的能力及定義通信參數(shù)等。如圖1所示。W2G組織提出了要將MMS映射到XML,采用XML技術(shù)來代替MMS協(xié)議中的ASN.1編碼,所以ASN.1與XML兩者正在不斷的相互借鑒發(fā)展。
2 IEC 61850中XML配置的運(yùn)用
2.1 基于XML的變電站配置
變電站配置描述語言(Substation Configuration Description Language,SCL)是IEC 61850規(guī)定的基于XML 1.0,利用其自描述特性主要用于智能電子裝置能力描述和變電站系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述的語言[6]。IEC 61850-6部分規(guī)范了SCL語言規(guī)范了裝置所含有的邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)集、報告控制塊、站內(nèi)連接方式、IP地址等通信配置等[7]。由于XML技術(shù)已經(jīng)受到眾多軟件集成商如微軟、IBM,SUN等的支持,開發(fā)人員可以方便的處理XML文檔,對XML的處理獨立于操作系統(tǒng)平臺、編程語言等等[8]。因此采用SCL語言描述以后使得變電站系統(tǒng)集成變得更為簡單,各廠商一致采用IEC 61850-6與IEC 61850-7對變電站的抽象模型框架提供的IED就可以通過各自的IED配置工具和系統(tǒng)配置工具通過對XML文檔的解析、讀取數(shù)據(jù),進(jìn)行配置信息的交互。各廠商對配置文件實現(xiàn)解析與處理過程可能不同,但采用了相同的變電站描述結(jié)構(gòu)和相同的參數(shù),最終就能相互理解,這是IEC 61850互操作性體現(xiàn)之一。
圖1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中的異構(gòu)信息集成技術(shù)
圖2為一個變電站系統(tǒng)配置的最基本描述情況,SCL至少有以下幾個元素,Header,Substation,Communication,IED,DataTypeTemplates。Header元素定義了SCL配置文件的修改歷史記錄版本號、修改的時間、修改的原因、何人最終修改等。
圖2 系統(tǒng)配置文件的基本結(jié)構(gòu)圖
2.2 變電站配置的流程與技術(shù)
配置的主要流程如圖3所示,配置的過程主要分為四步,首先是廠家提供的IED配置器工具將產(chǎn)生IED設(shè)備的ICD能力描述文件,然后傳遞到系統(tǒng)的子站端,根據(jù)系統(tǒng)的集成規(guī)范SSD以及系統(tǒng)端的配置器,生成系統(tǒng)端的描述文件SCD,再將SCD發(fā)送回IED的配置器,最終獲得IED的配置文件CID。配置文件主要包含如何進(jìn)行通信,在系統(tǒng)所處的位置的描述,相關(guān)的鏈接通信節(jié)點,以及報告節(jié)點、數(shù)據(jù)集設(shè)置等相關(guān)約定,同時ACSI到MMS映射的實現(xiàn)、MMS通信服務(wù)過程中需要借助CID配置文件,解析出其中相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息作為參數(shù),比如GOOSE報文的接收端MAC地址。
圖3 配置流程圖
通過采用XML的配置可以實現(xiàn)裝置的功能自動組合,裝置內(nèi)的程序可以通過直接修改配置文件而動態(tài)的改變裝置所具有的功能,比如修改邏輯節(jié)點或者數(shù)據(jù)集等,從而實現(xiàn)裝置側(cè)的程序通用,對于廠家而言,可以實現(xiàn)一個通用的通信程序,然后根據(jù)具體特定裝置功能需求,設(shè)計配置不同的XML文件即可實現(xiàn)不同裝置的通信。最理想的IEC 61850通信程序(見圖4)的明顯優(yōu)勢在于:程序一次編譯完成,可以只需要簡單的修改配置文件就可以應(yīng)用到各個裝置設(shè)備中,綜合自動化后臺通過讀取裝置配置文件就可以自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)裝置接入與生成。
圖4 理想的IEC 61850通信程序
3 IEC 61850應(yīng)用安全問題
IEC 61850的應(yīng)用依賴于一個安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此,當(dāng)前電力系統(tǒng)在解決了信息異構(gòu)集成問題后,突出面臨的一個問題就是如何構(gòu)造一個安全的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),WG15已經(jīng)開始專注于電力數(shù)據(jù)和通信安全領(lǐng)域,來保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行[9]。
電力系統(tǒng)安全防護(hù)重點在實時控制系統(tǒng)[10],IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在變電站分層中提出了過程層,并在這一層也采用以太網(wǎng)通信完全替代原來傳統(tǒng)的硬接線方式。由于在過程層中諸如跳閘的GOOSE報文要求在4 ms內(nèi)到達(dá)通信接收的另一端,與以太網(wǎng)在變電站層和間隔層相比需要保障更高的安全可靠性,因此,如何保障變電站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)的安全性問題比以往顯得更為突出和重要。從應(yīng)用安全的角度出發(fā),基于IEC 61850的變電站通信系統(tǒng)應(yīng)具備以下防御措施:
(1) 采用VPN技術(shù)解決端到端的數(shù)據(jù)安全問題。主要采用隧道技術(shù)、加解密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)、使用者與設(shè)備身份認(rèn)證技術(shù)等四項技術(shù)來保證安全。通過安全策略和安全規(guī)則的制定,把網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的安全區(qū)域,控制VPN通道內(nèi)不同的安全區(qū)域之間的訪問,可以進(jìn)一步減少了內(nèi)部竊聽的風(fēng)險和不安全因素,使網(wǎng)絡(luò)的安全性得到進(jìn)一步的提升。
(2) 采用SSL/TLS加密技術(shù),對變電站通信系統(tǒng)中面向連接通信機(jī)制的服務(wù)器連接進(jìn)行授權(quán)驗證,在對象建模中對不同用戶加入訪問權(quán)限限制,并報告試圖進(jìn)行未授權(quán)下的訪問操作。
(3) 采用SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)來管理變電站通信網(wǎng)絡(luò),定期建立數(shù)據(jù)備份與實施冗余機(jī)制。
(4) 建立入侵監(jiān)測防御措施,建立控制中心安全策略應(yīng)對措施,基于IEC 61850的變電站通信系統(tǒng)控制中心應(yīng)采取多層安全機(jī)制保證,當(dāng)受到攻擊時可以降低使用情況而不至于系統(tǒng)癱瘓。
除了以上從技術(shù)的角度應(yīng)對電網(wǎng)安全問題外,還應(yīng)注意人員的管理與安全意識、工程施工等與電網(wǎng)安全運(yùn)行密切相關(guān)的因素。
4 結(jié) 語
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)作為未來國際變電站的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)在逐步走向成熟。本文為了IEC 61850具體應(yīng)用中IED設(shè)備開發(fā)的目的,對IEC 61850的技術(shù)特點進(jìn)行了總結(jié),首次提出IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是對異構(gòu)信息進(jìn)行集成的實質(zhì)內(nèi)涵,應(yīng)用XML技術(shù)具體對IEC 61850中變電站的配置進(jìn)行了研究和設(shè)計,包括系統(tǒng)配置文件的結(jié)構(gòu)、配置的流程,得到了理想的IEC 61850通信程序模型;針對應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)電力網(wǎng)絡(luò)通信的安全問題提出了建議和策略。研究為開發(fā)符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站通信系統(tǒng)提供了依據(jù)。在中高壓綜合自動化系統(tǒng)中,IEC 61850的性能與優(yōu)勢能得到更多的體現(xiàn)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)可以有效地解決變電站內(nèi)設(shè)備的互操作問題,作為一致公推的變電站標(biāo)準(zhǔn)必將給變電站自動化系統(tǒng)帶來深遠(yuǎn)的影響。
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關(guān)鍵詞：zigBee通信技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)，身份卡，定位
1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指通過傳感器、通信和計算機(jī)技術(shù)，按照特定的應(yīng)用要求，將功能不同、輸出形式各異的傳感器以一定的方式連接起來，并具有通信等功能的測控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用模擬通信方式，在高速移動的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和資源管理等策略最大化帶寬的利用率，同時為用戶提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)，如基于現(xiàn)場總線（如CAN總線等）的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在國內(nèi)礦井監(jiān)控領(lǐng)域已得到初步的應(yīng)用。從工業(yè)現(xiàn)場總線移植而來的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以簡單地構(gòu)造傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個傳感器節(jié)點組成，節(jié)點一般包含傳感器、執(zhí)行器、控制器和通信等模塊，具有較為完整的傳感與執(zhí)行控制能力、計算能力和通信能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測對象信息，并對這些信息進(jìn)行處理，傳送給需要這些信息的用戶。相對于目前井下廣泛應(yīng)用的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在靈活、高可靠性、易維護(hù)和低成本等方面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使技術(shù)人員在選擇監(jiān)測點時，不再局限于線纜的分布。在有線通信系統(tǒng)中常見的斷線或是節(jié)點故障，也不會對整個監(jiān)測系統(tǒng)造成致命影響。對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)時，不涉及線纜的接駁，直接取下傳感器模塊即可；符合煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的通信線纜價格昂貴，無線通信技術(shù)可以減少系統(tǒng)中使用線纜的數(shù)量，有效的降低成本。
ΖigΒee技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術(shù)。ΖigΒee名字的來源于蜜蜂之間的通信方式，蜜蜂之間是通過跳ΖigΒee形狀的舞蹈來相互交流信息，以便共享食物源的方向、距離和位置等信息。ΖigΒee技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高，安全性好、易應(yīng)用等特點。ΖigΒee技術(shù)以2.4GHz為主要頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)。是被業(yè)界認(rèn)為最適合應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域的無線通信技術(shù)。
2.ZigBee技術(shù)
ΖigΒee技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)，具有低功耗、低成本和短延時等特性，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。ΖigΒee技術(shù)主要工作在2.4GHz頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)，是建立在ΙΕΕΕ802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的。這些優(yōu)勢使其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。在礦井安全監(jiān)測這樣的環(huán)境中，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小、傳輸速率低，并且傳感器節(jié)點通常采用電池供電，對設(shè)備的成本和功耗都有具體的要求。ΖigΒee技術(shù)應(yīng)用在這樣的場合，具有獨特的優(yōu)勢。其主要特點[6]如下：
支持250kbps、40kbps、20kbps三種數(shù)據(jù)傳輸速率；
支持星狀、樹狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式；
分配16位短地址或64位擴(kuò)展地址；
網(wǎng)絡(luò)容量大，可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)；
支持時隙保證機(jī)制，通過預(yù)留保證時隙（GΤS）提供無競爭媒體訪問；
競爭期以CSΜΑ-CΑ機(jī)制訪問媒體；
通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短；
以完全確認(rèn)的協(xié)議保證傳輸?shù)目煽啃裕?/p>
低功耗，能量檢測（ΕD）以及鏈路質(zhì)量指示（LQI）；
ΖigΒee協(xié)議架構(gòu)建立在ΙΕΕΕ802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，主要由物理層（ΡΗY），媒體接入控制層（ΜΑС），網(wǎng)絡(luò)層（ΝWΚ）、應(yīng)用層（ΑΡL）以及安全服務(wù)規(guī)范組成。ΖigΒee協(xié)議棧的每層都為其上層提供特定的功能服務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)是由數(shù)據(jù)實體來提供，管理實體則用來提供其他服務(wù)。每個服務(wù)實體通過其自身與上層之間的SΑΡ（服務(wù)訪問點）交換一組服務(wù)原語，為上層提供相關(guān)的服務(wù)功能。
ΖigΒee的體系結(jié)構(gòu)如下圖1所示。其中ΡΗY（物理層）和ΜΑС（媒體訪問控制層）是由ΙЕЕЕ802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制定的，ΖigΒee聯(lián)盟則定義了ΝWΚ（網(wǎng)絡(luò)層）和ΑΡL（應(yīng)用層）以及安全服務(wù)規(guī)范。
圖1 ΖigΒee協(xié)議棧模型
ΙЕЕЕ802.15.4和ΖigΒee聯(lián)盟所制定的標(biāo)準(zhǔn)對于網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，有著不同的定義方法。根據(jù)功能功能的不同，ΙЕЕЕ802.15.4把網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備（FFD）和簡化功能設(shè)備（RFD）。根據(jù)個人局域網(wǎng)（ΡΑΝ）中承擔(dān)的任務(wù)不同，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備又可分為PAN協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和一般設(shè)備。ΖigΒee聯(lián)盟把它們分別稱為ΖigΒee協(xié)調(diào)器、ΖigΒee路由器和ΖigΒee終端設(shè)備。見表1。
ΖigΒee協(xié)調(diào)器的主要職責(zé)是建立ΖigΒee網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)（選擇射頻頻道、分配網(wǎng)絡(luò)地址、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)身份確認(rèn)）。路由器主要是發(fā)展多鏈路路由，連接終端設(shè)備，使其加入傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)。具體的應(yīng)用由終端設(shè)備來負(fù)責(zé)，同時終端設(shè)備還負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)以及發(fā)送給路由器，然而終端設(shè)備之間是不能直接通訊的，它們只能通過路由器傳輸數(shù)據(jù)來完成通信。
ΖigΒee技術(shù)共支持星形、網(wǎng)狀和簇樹三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這些網(wǎng)絡(luò)的配置中，協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點是不可或缺的兩種組成設(shè)備。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由一個ΡΑΝ主協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個從設(shè)備節(jié)點組成的，主協(xié)調(diào)器節(jié)點必須是具有完整功能設(shè)備（FFD），從設(shè)備節(jié)點既可是具備完整功能設(shè)備（RFD）也可是簡化功能設(shè)備（FFD）。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Μesh網(wǎng)）的骨干網(wǎng)一般是由若干個FFD連接在一起組成，這種不規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易適應(yīng)外界環(huán)境的變化。
Μesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，也稱作點對點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。它們之間進(jìn)行的是完全對等的通信，通信可以在每個節(jié)點和它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點之間進(jìn)行[7]，但它們中也有一個會被推薦為ΖigΒee協(xié)調(diào)點，例如把第一個在信道中通信的節(jié)點作為ΖigΒee協(xié)調(diào)點，骨干網(wǎng)中的節(jié)點還可以組成以它為協(xié)調(diào)點的子網(wǎng)，前提是它需要連接FFD或RFD。Mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有非常強(qiáng)大的功能，它可以通過“多級跳”的方式來進(jìn)行通信。在Μesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，同樣也存在一個主設(shè)備，但Μesh網(wǎng)絡(luò)不同于星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的任何一個設(shè)備，在它的通信范圍之內(nèi)可以和其他設(shè)備進(jìn)行通信。
Μesh網(wǎng)絡(luò)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)并且具備自組織、自恢復(fù)等等其他的功能。它可以提供多條路徑給需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，一旦某條路徑出現(xiàn)故障的情況出現(xiàn)，則可以選擇另一條或多條其他的路徑，但也正是因為多條路徑存在于兩個節(jié)點之間，所以它也是一種“高冗余”的網(wǎng)絡(luò)。
在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都是一個能夠預(yù)估路徑的路由器，并且是一個為網(wǎng)絡(luò)提供最強(qiáng)、最可靠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的路由器。模塊被配置為Μesh節(jié)點后，可控制周圍的RF情況、相鄰的節(jié)點活動和連續(xù)的發(fā)包錯誤統(tǒng)計等等，據(jù)此調(diào)整它的本地路由選擇，從而選擇最佳的傳輸路徑。這種簇-樹結(jié)構(gòu)對面臨不穩(wěn)定或未知網(wǎng)絡(luò)連接狀況的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是極其有價值的。如圖2。
節(jié)點可以采用Cluster-Tree路由傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，枝干末端的葉子節(jié)點一般為RFD，每一個在它的覆蓋范圍中充當(dāng)協(xié)調(diào)點的FFD向與它相連的節(jié)點提供同步服務(wù)，這些協(xié)調(diào)點又受ΖigΒee協(xié)調(diào)點的控制，ΖigΒee協(xié)調(diào)點比網(wǎng)絡(luò)中的其它協(xié)調(diào)點具有更強(qiáng)大的處理能力和存儲空間。簇-樹結(jié)構(gòu)的一個顯著優(yōu)點就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增大，信息的傳輸時延會增大，而且同步也會變得比較復(fù)雜。
ΖigΒee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模式分為三種類型：
從設(shè)備向主協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)；
主協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備接收數(shù)據(jù)；
各從設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)；
對于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)來說，數(shù)據(jù)在主協(xié)調(diào)器和從設(shè)備之間交換，因此，只有兩種數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)類型。而對于Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說，允許網(wǎng)絡(luò)中任何兩個從設(shè)備之間進(jìn)行交換數(shù)據(jù)。因此，在該結(jié)構(gòu)中，可能包含著三種數(shù)據(jù)傳輸類型。
每種數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏敊C(jī)制還取決于該網(wǎng)絡(luò)是否支持信標(biāo)的傳輸。通常，在低延遲設(shè)備之間通信時，應(yīng)采用支持信標(biāo)的傳輸網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)中不存在低延遲設(shè)備時，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中可選擇不使用信標(biāo)方式傳輸，值得注意的是，在這種情況下，雖然數(shù)據(jù)傳輸不采用信標(biāo)，但在網(wǎng)絡(luò)連接時，仍需要信標(biāo)，才能完成網(wǎng)絡(luò)連接。
3.井下人員定位的原理
通常，將無線通信網(wǎng)絡(luò)中需要定位的節(jié)點稱為未知節(jié)點。而將通過人工部署的已知位置、并幫助未知節(jié)點定位的稱為信標(biāo)節(jié)點。無線通信網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)現(xiàn)有的定位方法都包含兩個步驟：（1）距離（或角度）測量；（2）位置計算方法。
3.1距離（或角度）測量
目前，常用測量方法中，ΤDΟΑ和ΤΟΑ測距精確較RSSΙ測距精度高，但是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點必須做到時刻同步，這對硬件要求太高，這和目前傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的小型化和廉價趨勢是相反的；ΑΟΑ測距技術(shù)必須配備天線陣列，接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此不適合低成本、低功耗的井下應(yīng)用場合；而RSSΙ測距技術(shù)在距離較短時，測距誤差較小。當(dāng)距離較大時，測距誤差增大，但是不需要額外的硬件開銷。根據(jù)以上分析，可根據(jù)不同應(yīng)用場合選用適當(dāng)測距技術(shù)。
3.2位置計算方法
關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)研究很多，基本的定位算法是通過已經(jīng)知道地理位置的節(jié)點定出未知地理位置的節(jié)點。
例如可以使用三角測量計算方法，三邊測量計算方法，極大似然估計算方法等等。
當(dāng)利用RSSΙ、ΤDΟΑ、ΤΟΑ等技術(shù)獲得未知節(jié)點與鄰近信標(biāo)節(jié)點的距離時，可以采用三邊測距算法等定位算法來計算未知節(jié)點位置，如圖4所示。
圖4 三邊測距算法示意圖
4.論文小結(jié)
視訊業(yè)務(wù)是一種集視頻、音頻和數(shù)據(jù)于一體的實時、交互式多媒體通信業(yè)務(wù)。它具有基本通信業(yè)務(wù)的所有共同特征,同時又是所有基本通信業(yè)務(wù)中最生動、最全面、最豐富和最完善的通信方式。它對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求較高,是一種典型的寬帶通信業(yè)務(wù)。
一、視訊主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
視訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就是保證視,訊網(wǎng)絡(luò)整個系統(tǒng)能夠正常工作的共同語言。 視訊系統(tǒng)中常用的標(biāo)準(zhǔn)(協(xié)議)大致可以分為:框架協(xié)議、視頻標(biāo)準(zhǔn)、音頻標(biāo) 準(zhǔn)、控制協(xié)議、通信幀協(xié)議。國際電信聯(lián)盟―電信標(biāo)準(zhǔn)化組ITU-T制定了以下標(biāo)準(zhǔn)。
1.通信標(biāo)準(zhǔn);2.視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn);3.音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn);4.數(shù)據(jù)會議標(biāo)準(zhǔn);5.其他標(biāo)準(zhǔn)。
二、視訊業(yè)務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)框架體系及發(fā)展趨勢
現(xiàn)代的視訊業(yè)務(wù)系統(tǒng)是建立在nYJ―T的H.32X系列框架體系之上,在未來幾年內(nèi),視訊技術(shù)將體現(xiàn)出多種應(yīng)用協(xié)議并存、接入手段多樣的特點。在通信網(wǎng)中由于電路交換網(wǎng)(1SDN、E1、DDN等)獲得了較早的普及,因此基于H.320的視訊業(yè)務(wù)較早地進(jìn)入了商業(yè)化運(yùn)營,并已經(jīng)形成一定的市場規(guī)模。但是隨著IP寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,基于H.323的視訊技術(shù)以它的開放性與互操作性、普及迅速、系統(tǒng)綜合成本低等特點,正慢慢取代以H.320為基礎(chǔ)的視訊技術(shù),將成為主流。H.323視訊業(yè)務(wù)代表了視訊業(yè)務(wù)發(fā)展的方向。
三、視訊業(yè)務(wù)的幾種實現(xiàn)方式及其特點
1.PSTN視頻通信。采用H.324標(biāo)準(zhǔn)的PSTN視頻通信已很普遍。對于有可視電話需求的普通電話用戶,可以采用這種方式。PSTN可視電話傳輸速率很低,視頻質(zhì)量比較差,通常8～12幀/秒,一般適合點對點的靜止圖像或慢速移動圖像的傳送應(yīng)用,不宜傳送運(yùn)動圖像,不能用于組建點對多點視訊業(yè)務(wù)系統(tǒng)。
2.ISDN視頻通信。采用H.320標(biāo)準(zhǔn)的視頻通信是目前最基本的用于公眾化運(yùn)營的視訊業(yè)務(wù),能方便地進(jìn)行撥號與聯(lián)網(wǎng)的任何地區(qū)建立確定速率的視頻連接,實現(xiàn)點對點的通信。利用ISDN也可以組建點對多點視頻會議系統(tǒng),需要多點控制單元設(shè)備的支持。
3.ATM視頻通信。H,321標(biāo)準(zhǔn)是針對ATM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的視頻通信標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。ATM以快速分組交換和統(tǒng)計時分復(fù)用的方式進(jìn)行信息傳輔,具有很多優(yōu)點,但由7技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備昂貴,加上ATM的各項標(biāo)準(zhǔn)制定遲緩,未能得到大規(guī)模的應(yīng)用。ATM正在由原來設(shè)想的端對端的業(yè)務(wù)平臺逐漸成為一種支持多種應(yīng)用的傳送平臺。因此基于ATM的視頻通信很難再進(jìn)一步發(fā)展。
4.E1、V.35、DDN專線等基于電路交換網(wǎng)絡(luò)的視頻通信。建立在E1、DDN專線等電路交換網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上,遵循H,320標(biāo)準(zhǔn)的視訊網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定性和可靠性高、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成熟、設(shè)備種類豐富、網(wǎng)絡(luò)線路專網(wǎng)專用等特點,主要用于那些對圖像質(zhì)量要求高,強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性和可靠性的群體,比如軍隊、政府、企業(yè)等。
5.基于p網(wǎng)絡(luò)的視頻通信。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技-術(shù)發(fā)展和寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的規(guī)模化,遵循H.323標(biāo)準(zhǔn)的視訊網(wǎng)絡(luò)逐漸成為發(fā)展的主流,這種視訊技術(shù)主要是基于TCP/IP技術(shù),可以數(shù)據(jù)網(wǎng)上迅速部署視訊網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)的主要弱點表現(xiàn)在其所基于e61P網(wǎng)絡(luò)的QoS問題沒有得到很好的解決,存在網(wǎng)絡(luò)抖動、包序混亂、網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題,導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性受到一定的影響。
四、構(gòu)筑公眾化運(yùn)營、電信級的視訊業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)
(一)公眾化運(yùn)營、電信級的視訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備的特點
1.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。電信級的視訊網(wǎng)絡(luò)一般采用分級分區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),包括多點控制單元MCU、網(wǎng)守GK、網(wǎng)關(guān)GW、視訊終端設(shè)備以及將上述設(shè)備連接起來的路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
2.運(yùn)營支撐系統(tǒng)。運(yùn)營支撐系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)全網(wǎng)MCU的設(shè)備配置管理、監(jiān)控管理、故障管理;負(fù)責(zé)全網(wǎng)業(yè)務(wù)管理服務(wù)器的監(jiān)控管理、故障管理;負(fù)責(zé)終端的監(jiān)控管理、故障管理;負(fù)責(zé)全網(wǎng)網(wǎng)管的日志管理和統(tǒng)計分析管理。業(yè)務(wù)管.理系統(tǒng)負(fù)責(zé)用戶管理、會議管理、業(yè)務(wù)管理、計費(fèi)結(jié)算、業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析等。
3.面向全部社會用戶提供業(yè)務(wù)。電信級視訊網(wǎng)絡(luò)既可以為有較多視訊通信需求的高端用戶提供有質(zhì)量保證的視訊會議、可視電話,也可以為一般大眾提供成本較低、接入方式靈活的視訊業(yè)務(wù)。
4.完善的計費(fèi)和營賬系統(tǒng)。電信級的視訊業(yè)務(wù)必須具備完善、安全、便捷的計費(fèi)和營賬系統(tǒng),用戶可以預(yù)付費(fèi)、后付費(fèi)或充值卡充值;該系統(tǒng)還須具備靈活資費(fèi)套餐的模塊化設(shè)計,能和運(yùn)營商已有的電信業(yè)務(wù)營賬系統(tǒng)充分結(jié)合。
5.具有全網(wǎng)乃至國內(nèi)、國際統(tǒng)一的號碼資源。電信級視訊網(wǎng)絡(luò)上的所有會議電視終端、可視電話終端都應(yīng)指配全網(wǎng)(乃至國內(nèi)、國際)唯一的號碼,各種類型終端之間通過撥叫對方號碼,實現(xiàn)多點及點對點的視訊通信。
6.系統(tǒng)的安全可靠性、兼容性及平滑擴(kuò)容能力。視訊系統(tǒng)要采用主備倒換、模塊冗余、負(fù)荷分擔(dān)、數(shù)據(jù)備份等技術(shù),保證系統(tǒng)24小時不問斷運(yùn)行,具有電信級的安全可靠性;系統(tǒng)應(yīng)能夠接入不同廠家、不同接口的設(shè)備。
(二)視訊業(yè)務(wù)對p網(wǎng)絡(luò)的要求
1.網(wǎng)絡(luò)帶寬。視訊通信是一種對網(wǎng)絡(luò)帶寬有很大消耗、同時對網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量有高要求的業(yè)務(wù)。自呼叫發(fā)起開始一直到視訊通信結(jié)束,必須保證視訊終端到終端之間數(shù)據(jù)和信號傳輸高效且有保障,因此要求網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬并且要求網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠。
2.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。為了支持市場上主流視頻會議系統(tǒng)產(chǎn)品,網(wǎng)絡(luò)要支持UDP、Muhicast、RPT、RSVP、RTCP和流分類協(xié)議。為了方便Qd配置,三層以上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最好采用同廠家的產(chǎn)品。要做好防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的配置,保證有關(guān)協(xié)議穿過。
3.網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。在IP網(wǎng)絡(luò)中,骨干網(wǎng)絡(luò)路由器或者三層交換設(shè)備必須選用質(zhì)量較好的設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
(三)目前國內(nèi)主流視訊產(chǎn)品
目前,國內(nèi)全面兼容H.320和H.323標(biāo)準(zhǔn)的視訊交換系統(tǒng)有華為公司的viewPoint 8000 系列視訊交換系統(tǒng),中興通訊的寬帶網(wǎng)絡(luò)視訊服務(wù)器ZXMVC8900。它們都能同時采用E1\DDN專線、ISDN撥號,IP網(wǎng)等方式進(jìn)行視訊通信,都能夠由系統(tǒng)自動完成不同線路模式的轉(zhuǎn)換而不需要獨立的外置網(wǎng)關(guān)GW。
北京郵電大學(xué)
教授 碩士生導(dǎo)師
1 通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的政府干預(yù)之手
在移動通信標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，市場機(jī)制是失效的。因此政府通常采取各種措施將自己國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推向世界。歐盟在1G時期，為了扭轉(zhuǎn)歐盟各國在標(biāo)準(zhǔn)上各自為政的被動局面，11個國家的郵電部長組成一個團(tuán)體叫“Group of Special Moment”，這是最初的GSM含義，1982年歐盟確立了全歐統(tǒng)一的GSM標(biāo)準(zhǔn)。美國政府在保護(hù)國民利益上更是不遺余力。GSM技術(shù)1989年已經(jīng)成熟，但美國到1994年還不讓GSM進(jìn)入。1990年高通宣布自己CDMA研制成功，雖然還是實驗室階段，但美國政府立即把CDMA定為美國的標(biāo)準(zhǔn)。美國以頻率資源為交換，使得眾多企業(yè)支持CDMA，直到1994年美國把頻率資源拍賣完畢，才允許歐洲GSM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入。同時，美國政府還以中國接受CDMA標(biāo)準(zhǔn)作為入世條件之一來實施其標(biāo)準(zhǔn)國際化戰(zhàn)略。高通的CDMA現(xiàn)在每年光賣標(biāo)準(zhǔn)就有幾十億美元的進(jìn)項，如果當(dāng)初沒有美國政府的支持，很難走到今天。
因此，中國TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)要走向世界，真正成為國際標(biāo)準(zhǔn)，政府就必須從戰(zhàn)略高度對TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全球部署。
2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之爭是國家利益之爭
在知識經(jīng)濟(jì)時代，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的競爭已經(jīng)成為國際經(jīng)濟(jì)和科技競爭的焦點。標(biāo)準(zhǔn)不僅是提高效率的工具，更是利益分配的手段。為此，發(fā)達(dá)國家紛紛出臺國家標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略，將爭奪控制國際標(biāo)準(zhǔn)作為國際經(jīng)濟(jì)競爭的重要策略。在歐美，專利挖掘、專利部署、專利申請的搶先提交被稱為一種戰(zhàn)爭手段?！凹夹g(shù)專利化、專利標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)市場化、市場國際化”是標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展之路。由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對科技、貿(mào)易、產(chǎn)業(yè)以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供支撐，因此，發(fā)達(dá)國家以標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，采用由技術(shù)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和合格評定程序設(shè)置的技術(shù)性貿(mào)易措施，強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)在國際中的競爭地位。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尤其是移動通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不可替代性，增強(qiáng)了技術(shù)自我保護(hù)、防止模仿的力量，大大增加了標(biāo)準(zhǔn)控制者的收益。
標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)規(guī)范和知識產(chǎn)權(quán)的載體，從源頭上控制了產(chǎn)業(yè)的資源整合能力和技術(shù)升級的主動權(quán)。掌握標(biāo)準(zhǔn)，可以使知識產(chǎn)權(quán)的持有者最大限度地控制生產(chǎn)成本，并且自主地優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改善產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)境，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)資源的動態(tài)分配。發(fā)達(dá)國家之所以不遺余力地扶植和幫助本國企業(yè)共同開發(fā)和維護(hù)行業(yè)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，歸根到底是為了實現(xiàn)本國和本地區(qū)利益的最大化。隨著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)競爭的不斷升級，發(fā)達(dá)國家和跨國公司都力求將專利變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，知識產(chǎn)權(quán)政策與標(biāo)準(zhǔn)化政策越來越多地揉合在一起，以獲取最大經(jīng)濟(jì)利益，標(biāo)準(zhǔn)化已成為專利技術(shù)追求的最高實現(xiàn)形式。
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略是為市場競爭服務(wù)的，實施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略的最終目標(biāo)就是要取得市場的主導(dǎo)作用和領(lǐng)先地位，以獲取最大的經(jīng)濟(jì)利益。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之爭事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)利益，其背后往往有政府的強(qiáng)力支持。各發(fā)達(dá)國家千方百計地控制國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，并通過標(biāo)準(zhǔn)建立貿(mào)易技術(shù)壁壘，是現(xiàn)在國際競爭中的最大利益。目前國際標(biāo)準(zhǔn)秩序主要是歐美等發(fā)達(dá)國家制定的，國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO、IEC和ITU所屬的17個技術(shù)委員會秘書處中，1/3為美國主導(dǎo)，其他發(fā)達(dá)國家占2/3。
移動通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)長期以來一直為歐美所壟斷，并試圖繼續(xù)將1G、2G的壟斷延伸到3G、4G乃至以后的發(fā)展，從而使高額壟斷利潤持續(xù)不斷地收入囊中。在此背景下，要保護(hù)我國利益，政府必須制定標(biāo)準(zhǔn)的國際化發(fā)展戰(zhàn)略。
3 加速TD-LTE的國際化戰(zhàn)略部署
要逐步化解歐美對移動通信標(biāo)準(zhǔn)的壟斷，就必須從國家戰(zhàn)略高度和全球視野扶植我國自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)在國際市場的突破和發(fā)展。從我國移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展來看，如果說3G的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)是在歐美嚴(yán)密壟斷的移動通信標(biāo)準(zhǔn)的路徑上撕開了一道口子的話，那么，我國4G標(biāo)準(zhǔn)TD-LTE則為世界移動通信發(fā)展另辟了一條蹊徑。
市場為TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)在國際上推廣提供了契機(jī)。來自全球著名投行高盛的一份研究報告顯示，全球運(yùn)營商正在加速采用TD-LTE技術(shù)，該技術(shù)正在成為非對稱頻譜方面的全球性解決方案。在國際頻譜劃分中，TDD頻譜資源比較匱乏，全球只有25%的頻譜分配給TD-LTE，而且主要定位在FDD補(bǔ)充的位置上。目前，F(xiàn)DD和TDD規(guī)劃好的頻段數(shù)量之比是5.6：1，而且TDD獲得的多是FDD分配剩下的零散頻段。但TDD比FDD擁有更高的頻譜效率，頻譜是全球稀缺資源，TD-LTE能夠使運(yùn)營商得以開發(fā)非對稱頻譜的商業(yè)價值。很多運(yùn)營商已經(jīng)獲得了非對稱的、不支持FDD-LTE的WiMAX或PHS頻譜，由于FDD頻段已經(jīng)基本分配完畢，現(xiàn)存的頻段拍賣價格也特別高，適用于非對稱頻段的TD-LTE技術(shù)開始得到國際運(yùn)營商的關(guān)注，這部分運(yùn)營商正在考慮是否要選擇TD- LTE作為過渡和演進(jìn)。因此，我國的TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)國際化戰(zhàn)略應(yīng)盡快出臺，把握時機(jī)，將更多的運(yùn)營商收歸麾下。
關(guān)鍵詞 ：智能變電站；IEC61850規(guī)約
IEC61850規(guī)約是全世界唯一的變電站網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，也將成為電力系統(tǒng)中從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫連接自動化標(biāo)準(zhǔn)，本文將對IEC61850規(guī)約進(jìn)行簡要介紹。
1.IEC61850系列變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)實施標(biāo)準(zhǔn)概述
伴隨著現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化二次設(shè)備的數(shù)據(jù)來源發(fā)生變化，正逐步的從傳統(tǒng)的模擬信號階段走向現(xiàn)代的數(shù)字信號階段，智能變電站應(yīng)運(yùn)而生。智能變電站是由智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在IEC61850通信協(xié)議基礎(chǔ)上分層構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。與常規(guī)變電站相比，智能變電站間隔層和站控層的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)接口只是接口和通信模型發(fā)生了變化，而過程層卻發(fā)生了較大的改變，由傳統(tǒng)的電流、電壓互感器、一次設(shè)備以及一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的電纜連接，逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅?、智能化一次設(shè)備、合并單元、光纖連接等內(nèi)容。
2.IEC61850裝置模型及配置方式
2.1 模型（model）的概念
模型是現(xiàn)實事物的某些代表性特點的表示，可以是物理實體，也可以是某種圖形或者是一種數(shù)學(xué)表達(dá)式。創(chuàng)建模型的目的是幫助我們?nèi)ダ斫狻⒚枋?、探索特定實體或現(xiàn)象的簡單表示，預(yù)測實際世界發(fā)生的事情。用這種方法處理問題，可以大大減少實驗工作量，還有助于了解過程的實質(zhì)。例如，IEC61850-7-x定義的模型著眼于變電站數(shù)據(jù)通信特征和功能來建模。所建模型為變電站自動化系統(tǒng)提供了類似的環(huán)境鏡像（電力系統(tǒng)過程、開關(guān)場）。
依據(jù)建模方法，可將現(xiàn)實世界重變電站的三相分相斷路器虛擬化為一個虛擬環(huán)境中的邏輯節(jié)點XCBR，將實際斷路器的位置、動作次數(shù)等信息虛擬化為邏輯節(jié)點下的數(shù)據(jù)Pos、OpCnt，這樣就實現(xiàn)了真實世界中的事物到虛擬環(huán)境的虛擬化，事物的屬性也映射到了虛擬的模型環(huán)境中，在這個虛擬的環(huán)境中，我們就可以研究分析現(xiàn)實事物的原理、行為等，例如可以獲得斷路器的分合狀態(tài)以及斷路器的動作次數(shù)等信息，依據(jù)所獲得的這些信息，進(jìn)一步又可以研究是否需要分合斷路器、或者是判斷斷路器是否需要檢修。
將現(xiàn)實變電站中的相關(guān)的事物及屬性、方法逐一虛擬到模型文件中，即完成了設(shè)備的建模。例如實際的斷路器可虛擬為一個LN（XCBR），該LN包含位置信息（Pos）、動作次數(shù)（OpCnt）等數(shù)據(jù)；另外電壓互感器可虛擬為TVTR邏輯節(jié)點，電流互感器虛擬為TCTR邏輯節(jié)點，刀閘地刀虛擬為XSWI邏輯節(jié)點，以此類推，現(xiàn)實中的各種實物都可虛擬到不同功能的LN中。
2.2 ICD模型文件
智能變電站自動化系統(tǒng)中，存在著功能各異、數(shù)量不一的智能設(shè)備，為了能較好的了解各智能設(shè)備的行為、互操作性，工程實施采用了面向?qū)ο蟮姆椒?，通過可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML，創(chuàng)建一個可全面描述IED功能的文件，這個文件稱為智能設(shè)備的配置描述（IED Configuration Description），簡稱ICD。ICD文件僅經(jīng)過IED配置工具的配置，未經(jīng)過變電站系統(tǒng)配置工具的配置，只是對現(xiàn)實智能設(shè)備的功能的一個全面描述。
2.3 CID文件
一個置于變電站通訊網(wǎng)中的智能設(shè)備，除了本身可獨立運(yùn)行外，還需要與其他智能設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以完成自身的某些功能，或者輸出數(shù)據(jù)供其他智能設(shè)備使用，那該智能設(shè)備如何才能知道與其他智能設(shè)備交換些什么數(shù)據(jù)，我們可以通過變電站配置描述語言（Substation Configuration description Language）工具對裝置ICD模型文件予以配置，主要包括MMS、GOOSE、SMV部分，告知智能設(shè)備需要與外界交換那些信息，那么這個經(jīng)過SCL工具配置過的文件稱之為經(jīng)過配置的智能設(shè)備描述（Configured IED Description）文件，簡稱CID文件，它是對ICD文件的一個擴(kuò)充，不僅包含IED的功能描述，同時還包含了數(shù)據(jù)交換信息、報文控制信息等。
3.MMS 服務(wù)
3.1 MMS介紹
MMS（Manufactoring Message Specification）即制造報文規(guī)范，是ISO/IEC9506 標(biāo)準(zhǔn)所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議。MMS是由ISO/TC184開發(fā)和維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計算機(jī)或IED之間交換實時數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的一套獨立的國際標(biāo)準(zhǔn)報文規(guī)范。它獨立于應(yīng)用和設(shè)備的開發(fā)者。MMS特點介紹如下：
（1） 定義了交換報文的格式；結(jié)構(gòu)化層次化的數(shù)據(jù)表示方法；可以表示任意復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；ASN.1編碼可以適用于任意計算機(jī)環(huán)境；（2） 定義了針對數(shù)據(jù)對象的服務(wù)和行為；（3） 為用戶提供了一個獨立于所完成功能的通用通信環(huán)境。
3.2 MMS 功能
（1）信號上送
開入、事件、報警等信號類數(shù)據(jù)的上送功能通過BRCB（有緩沖報告控制塊）來實現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。通過有緩沖報告控制塊，可以實現(xiàn)遙信和開入的變化上送、周期上送、總召、事件緩存。由于采用了多可視的實現(xiàn)方案，事件可以同時送到多個后臺。brcbRp是帶緩存的報告控制塊，而urcbRp 是不帶緩存的報告控制塊。一般遙信類信號緩存，保護(hù)模擬量不緩存。
（2）測量上送
遙測、保護(hù)測量類數(shù)據(jù)的上送功能通過URCB（無緩沖報告控制塊）來實現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。通過無緩沖報告控制塊，可以實現(xiàn)遙測的變化上送（比較死區(qū)和零漂）、周期上送、總召。由于采用了多可視的實現(xiàn)方案，使得事件可以同時送到多個后臺。
（3）控制
遙控、遙調(diào)等控制功能通過IEC61850的控制相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。IEC61850提供多種控制類型，南瑞繼保PCS系列裝置實現(xiàn)了增強(qiáng)型SBOw功能和直控功能，支持檢同期、檢無壓、閉鎖邏輯檢查等功能。
（4） 故障報告
故障報告功能通過RDRE邏輯節(jié)點實現(xiàn)，映射到MMS的報告和文件操作服務(wù)。錄波文件產(chǎn)生時，RDRE下的RcdMade和FltNum通過報告上送到后臺；后臺以如下方式召喚故障報告，其過程如下：
首先裝置給客戶端上送故障報告， 客戶端會對裝置下發(fā)查詢波形列表文件，注意這時候有的廠家的裝置目錄有點不一致的，需要確認(rèn)，比如南自的是“/comtrate/”，PCS 裝置是“/comtrade”和“comtrade/”都可以認(rèn)別。裝置會將波形的所有列表送給客戶端，客戶端進(jìn)行打開文件列表請求，裝置對客戶端打開文件列表回應(yīng)，客戶端進(jìn)行讀取文件請求，裝置對客戶端讀取文件回應(yīng)，文件讀取后，客戶端要關(guān)閉文件請求，文件讀取后，裝置對關(guān)閉文件請求回應(yīng)。
4.結(jié)論
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是新一代的變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議，適應(yīng)分層的智能電子裝置和變電站自動化系統(tǒng)，該協(xié)議根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特點，制定了滿足實時信息傳輸要求的服務(wù)模型；采用抽象通信服務(wù)接口、特定通信服務(wù)映射，適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展；采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，面向設(shè)備建模和自我描述，以適應(yīng)功能擴(kuò)展，滿足了應(yīng)用開放互操作的要求；采用配置語言，配備配置工具，在信息源定義了了數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性；定義和傳輸元數(shù)據(jù)，擴(kuò)充了數(shù)據(jù)和設(shè)備管理功能。
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為是全世界唯一的變電站網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，也將成為電力系統(tǒng)中從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫連接的自動化標(biāo)準(zhǔn)， IEC61850體系使變電站信息建模標(biāo)準(zhǔn)化成為可能，信息共享具備了可實施的基礎(chǔ)前提，為電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品的“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一模型、互聯(lián)開放”的格局奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
M2M： Business Scope and Technical Development
摘要： 指出M2M是使用電信運(yùn)營商提供的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)支撐平臺并提供給其他各種規(guī)模垂直行業(yè)的公共物聯(lián)網(wǎng)，它是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個子集。M2M的主要技術(shù)包括Thing-based M2M技術(shù)、機(jī)器對機(jī)器直接通信技術(shù)和M2M通信網(wǎng)技術(shù)。M2M市場潛力巨大，但還存在很多不確定因素，需要我們開展更多研究。
關(guān)鍵詞： 機(jī)器對機(jī)器；物聯(lián)網(wǎng)；機(jī)器類型通信；傳感器；無線射頻識別
Abstract： M2M is a kind of IoT that supports all kinds of vertical industry applications that are based on a telecommunication network and a telecommunication service platform. M2M application is a subset of IoT applications. The main M2M technologies are thing-based M2M technology， technology for direct communication between machine and machine， and M2M communication network technology. The M2M market has great potential， but there is still much uncertainty and more research needs to be done.
Key words： M2M； internet of things； machine-type communication； sensor； radio frequency identification
隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日趨廣泛，“M2M”也成為伴隨物聯(lián)網(wǎng)在信息通信領(lǐng)域中最熱門的詞匯，M2M應(yīng)用、M2M業(yè)務(wù)、M2M平臺等名詞和術(shù)語層出不窮。如果把這些名詞術(shù)語中的M2M替換為物聯(lián)網(wǎng)，它們也是行業(yè)的高頻詞匯，而且這些詞匯的內(nèi)涵和M2M相關(guān)詞匯的內(nèi)涵非常相近。可以看出，物聯(lián)網(wǎng)和M2M的內(nèi)涵和外延非常接近，也說明了目前物聯(lián)網(wǎng)和M2M的產(chǎn)業(yè)界線、業(yè)務(wù)研究范圍、技術(shù)發(fā)展方向仍然沒有特別清晰的認(rèn)識。
1 M2M國際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀
1.1 ITU-T
國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織（ITU-T）M2M焦點組（FG M2M）首次會議于2012年4月17—18日在日內(nèi)瓦召開。會議吸引了眾多醫(yī)療和信息、通信和技術(shù)（ICT）領(lǐng)域的專家參與，共同探討垂直醫(yī)療市場的M2M標(biāo)準(zhǔn)化需求。焦點組的工作集中在醫(yī)療領(lǐng)域中M2M的應(yīng)用，并據(jù)此分為3個工作組：第1工作組負(fù)責(zé)M2M使用案例和業(yè)務(wù)模型；第2工作組負(fù)責(zé)確定M2M業(yè)務(wù)層的要求和架構(gòu)框架；第3工作組負(fù)責(zé)M2M應(yīng)用程序接口（API）和協(xié)議，其工作將在前兩個工作組完成相關(guān)工作后逐步開始，目前主要是研究M2M業(yè)務(wù)層的需求和M2M業(yè)務(wù)層支持下的e-health。
ITU-T M2M焦點組的研究報告沒有給出M2M的準(zhǔn)確范疇和定義，目前只是給出M2M業(yè)務(wù)層研究的范疇，即處于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的功能。
1.2 OneM2M
為了促進(jìn)國際物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化活動的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，減少重復(fù)工作，降低企業(yè)生產(chǎn)及運(yùn)營成本，保障各行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，從而推動國際物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，2012年7月，由中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）、日本的無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會（ARIB）和電信技術(shù)委員會（TTC）、美國的電信工業(yè)解決方案聯(lián)盟（TIS）和通信工業(yè)協(xié)會（TIA）、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI），以及韓國的電信技術(shù)協(xié)會（TTA）等7家標(biāo)準(zhǔn)組織推進(jìn)成立了OneM2M。OneM2M專注于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)層標(biāo)準(zhǔn)的制訂，并致力于M2M設(shè)備在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)互通的技術(shù)規(guī)范和相關(guān)報告的制訂。
OneM2M已經(jīng)成立了需求（WG1）、架構(gòu)（WG2）、安全（WG3）、管理和語義（WG4）4個工作組。目前具體工作項目（WI）有：M2M需求、M2M術(shù)語、M2M架構(gòu)3個項目，并有兩個內(nèi)部項目，分別對應(yīng)用場景和標(biāo)準(zhǔn)組織提交的架構(gòu)融合問題進(jìn)行相關(guān)研究。
1.3 3GPP
第三代合作伙伴計劃（3GPP）對M2M的研究聚焦在通過移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)器通信，既MTC。3GPP從R10開始對MTC進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目前R10階段的工作已經(jīng)完成，R11的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究接近尾聲，R12的研究工作開始啟動。R10階段的標(biāo)準(zhǔn)化重點是移動通信核心網(wǎng)擁塞控制的優(yōu)化；R11階段的標(biāo)準(zhǔn)化涉及的內(nèi)容包括MTC架構(gòu)、標(biāo)識、尋址、設(shè)備觸發(fā)、RAN的擁塞控制；R12階段則重點關(guān)注小數(shù)據(jù)和設(shè)備觸發(fā)、監(jiān)控增強(qiáng)、UE低功耗優(yōu)化、基于組的優(yōu)化。MTC是不需要人干預(yù)的一個或多個實體之間的數(shù)據(jù)通信，可以看出MTC實際就是我們平常說的M2M通信。
1.4 ETSI
歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化委員會（ETSI）M2M工作組于2008年成立，以歐洲運(yùn)營商主導(dǎo)，吸引了來自歐、美、中、日、韓等地區(qū)或國家的電信和ICT行業(yè)的參與，以制造商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商為主（分別占59%、26%），也包括研究團(tuán)體、政府管理機(jī)構(gòu)、大學(xué)和一些最終用戶。ETSI M2M TC的主要研究目標(biāo)是從端到端的全景角度研究機(jī)器對機(jī)器通信，并與ETSI內(nèi)電信和互聯(lián)網(wǎng)融合業(yè)務(wù)及高級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TISPAN）及3GPP已有的研究進(jìn)行協(xié)同工作。
目前ETSI M2M Release 1核心的3個系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)：M2M需求（ETSI TS 102 689）、M2M功能架構(gòu)（ETSI TS 102 690）和M2M接口描述（ETSI TS 102 921）。OneM2M成立后，ETSI M2M的標(biāo)準(zhǔn)化成果將轉(zhuǎn)移到OneM2M中繼續(xù)研究，ETSI主要維護(hù)歐洲地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)事務(wù)。
2 M2M內(nèi)涵及邊界
M2M的范疇也在不斷放大，例如有人把M2M的縮略語解釋為機(jī)器對機(jī)器、人對機(jī)器或機(jī)器對人，這也就意味著M2M與物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)類似，都是提供未來人與物、物與物的通信。特別是OneM2M標(biāo)準(zhǔn)組織的成立，從名稱上就彰顯出“一個”M2M就能夠提供所有與機(jī)器相關(guān)的應(yīng)用和業(yè)務(wù)，這似乎與物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)和業(yè)務(wù)范疇一樣。因此從產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的角度有必要說明M2M的內(nèi)涵及其與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系。
物聯(lián)網(wǎng)目前還沒有大規(guī)模的應(yīng)用，目前應(yīng)用主要集中于各種小規(guī)模的垂直行業(yè)應(yīng)用以及基于公眾通信網(wǎng)支撐的應(yīng)用中。物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)末梢的感知能力和應(yīng)用層的信息處理能力來實現(xiàn)應(yīng)用需求，因此通信網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)體系同樣適用于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)體系，即基于公眾通信網(wǎng)（包括電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)）增強(qiáng)其感知能力構(gòu)建公共物聯(lián)網(wǎng)。
公共物聯(lián)網(wǎng)不僅可以提供公眾物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，還可以使其他服務(wù)行業(yè)共享這種公共信息基礎(chǔ)設(shè)施，避免不同的行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重復(fù)建設(shè)；而電力、交通等行業(yè)的信息化程度相對較高，又有其自身特殊的、封閉的應(yīng)用需求，它們將基于各自現(xiàn)有行業(yè)的信息通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來發(fā)展行業(yè)專屬的物聯(lián)網(wǎng)，智能電網(wǎng)、智能交通（ITS）、智能工業(yè)將是這些行業(yè)專屬物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的目標(biāo)，如圖1所示[1-3]。
這種公共物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供方式不同于專屬物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供方式，它是開放、共享信息通信基礎(chǔ)設(shè)施給應(yīng)用提供者，因此從標(biāo)準(zhǔn)化的角度，有必要把這種方式與其他專屬物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供的方式區(qū)別開。M2M近年來成為全球電信運(yùn)營商廣泛使用的詞匯，電信運(yùn)營商希望通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)電信網(wǎng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)等末梢延伸網(wǎng)的連接， 從而實現(xiàn)公眾通信網(wǎng)連接各種感知物理世界的感知設(shè)備，例如傳感器、射頻識別（RFID）裝置，這種使用電信運(yùn)營商提供的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)支撐平臺而提供各種小規(guī)模垂直行業(yè)應(yīng)用的公共物聯(lián)網(wǎng)，我們可以把它稱為M2M。如果說物聯(lián)網(wǎng)是一個全集，那么M2M就是基于電信運(yùn)營商驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，應(yīng)該是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個子集。
3 M2M的主要技術(shù)
3.1 Thing-Based M2M
圖2是中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會基于電信運(yùn)營商在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面的實踐制訂的現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)總體框架。由于現(xiàn)階段各行各業(yè)都在物聯(lián)網(wǎng)的旗幟下發(fā)展各自的行業(yè)信息化應(yīng)用，因此圖2中雖然示意的是物聯(lián)網(wǎng)，但實際就是電信運(yùn)營商驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用——M2M。
端節(jié)點和通信網(wǎng)之間建立網(wǎng)絡(luò)連接的方式有兩種：一種是直接連接方式，端節(jié)點向通信網(wǎng)直接進(jìn)行注冊認(rèn)證，并從網(wǎng)絡(luò)獲取所需要的標(biāo)志或地址等信息；另一種方式是通過接入網(wǎng)關(guān)和通信網(wǎng)建立連接，此時接入網(wǎng)關(guān)作為端節(jié)點和通信網(wǎng)之間的連接媒介和連接中轉(zhuǎn)節(jié)點，同時向端節(jié)點提供必要的連接配置信息，而對于接入網(wǎng)關(guān)中繼端節(jié)點到通信網(wǎng)之間的連接，某些端節(jié)點可能只具有近距離通信功能，為了連接到廣域通信網(wǎng)絡(luò)，需要通過延伸網(wǎng)和接入網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)到廣域網(wǎng)的接入。另外一種典型需求是利用接入網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的匯聚和信息的匯聚，并簡化網(wǎng)絡(luò)連接和相應(yīng)管理等。延伸網(wǎng)絡(luò)位于端節(jié)點與接入網(wǎng)關(guān)之間，主要是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實現(xiàn)通信的進(jìn)一步延伸，使通信的覆蓋區(qū)域和服務(wù)領(lǐng)域得到擴(kuò)展。為了實現(xiàn)對各種物聯(lián)網(wǎng)端節(jié)點的接入，特別是工作在特定環(huán)境或場景下的智能節(jié)點設(shè)備的接入，延伸網(wǎng)絡(luò)通常會利用各種近距離技術(shù)、自組織組網(wǎng)技術(shù)等，通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)等方式，來實現(xiàn)信息的傳遞，同時業(yè)務(wù)支撐平臺負(fù)責(zé)向應(yīng)用提供一些共性的能力和支撐，并提供開放的接口，使應(yīng)用可以接入和使用網(wǎng)絡(luò)資源和能力。通過向具體應(yīng)用屏蔽底層具體網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，可以簡化和降低上層應(yīng)用開發(fā)和部署的復(fù)雜度。應(yīng)用可能由第三方運(yùn)營，在這種情況下，可以通過業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)應(yīng)用的安全接入，此時業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)來屏蔽物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)用進(jìn)行認(rèn)證和授權(quán)，并可以提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序編程接口（API）接口等[4]。
目前典型的應(yīng)用是利用物聯(lián)網(wǎng)端節(jié)點（如傳感器、RFID、視頻采集器等）采集物理世界中的信息，然后經(jīng)接入網(wǎng)關(guān)傳送到應(yīng)用層的服務(wù)器進(jìn)行分析處理，再提供相應(yīng)的應(yīng)用。因此這種應(yīng)用并非如M2M縮略語中的意思，提供機(jī)器到機(jī)器直接通信應(yīng)用，因此我們就把它稱作為Thing-based M2M。
Thing-based M2M應(yīng)用基本還是綜合利用現(xiàn)有的信息通信技術(shù)（包括現(xiàn)有的信息采集技術(shù)、信息傳遞技術(shù)）提供應(yīng)用，而接入網(wǎng)關(guān)和業(yè)務(wù)支撐平臺則是需要重新構(gòu)建功能或設(shè)備，此外由于電信運(yùn)營商作為M2M平臺的業(yè)務(wù)提供者需要管理和維護(hù)終端，因此M2M業(yè)務(wù)支撐平臺和終端之間的管理和維護(hù)協(xié)議、業(yè)務(wù)傳送的協(xié)議也需要構(gòu)建。中國電信運(yùn)營商，例如中國電信、中國移動都為之定義了企業(yè)協(xié)議。中國電信M2M通信協(xié)議稱之為M2M終端管理協(xié)議（MDMP），中國移動M2M通信協(xié)議稱之為無線M2M協(xié)議（WMMP）通信協(xié)議，設(shè)計這些協(xié)議的目的是為了屏蔽不同應(yīng)用在延伸網(wǎng)使用的不同技術(shù)協(xié)議，在接入網(wǎng)關(guān)、M2M終端與業(yè)務(wù)支撐平臺之間使用統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)M2M終端管理、控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。雖然這些技術(shù)已經(jīng)具備，但是從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度看，M2M平臺和M2M通信協(xié)議由于不同運(yùn)營商定義了不同的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此還需要進(jìn)一步的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化[5]。
3.2 機(jī)器對機(jī)器通信
通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，給社會生活帶來了極大的變化，越來越多的設(shè)備需要通信和連網(wǎng)。目前僅僅是計算機(jī)和其他一些IT類設(shè)備具備與其他機(jī)器的直接通信的能力，眾多的普通機(jī)器設(shè)備幾乎不具備聯(lián)網(wǎng)和其他機(jī)器直接通信的能力，例如工業(yè)設(shè)備、儀器儀表、家電、車輛、自動售貨機(jī)、工廠設(shè)備等。M2M技術(shù)的目標(biāo)就是使所有機(jī)器設(shè)備都具備連網(wǎng)和通信能力，預(yù)計未來用于人對人通信的終端可能僅占整個終端市場的1/3，而更大數(shù)量的通信是機(jī)器對機(jī)器的直接通信業(yè)務(wù)。事實上，目前機(jī)器的數(shù)量至少是人類數(shù)量的4倍，因此M2M具有巨大的市場潛力[6]。
M2M通信將由M2M層、傳送層、ID層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入控制（MAC）層、物理層構(gòu)成，如圖3所示。
M2M層是為了實現(xiàn)采用不同語言的應(yīng)用之間通信，而需要在網(wǎng)關(guān)設(shè)置實現(xiàn)語言翻譯而設(shè)計的通信層，目前可用的協(xié)議有UPnP、DPWS、CoAP。
傳送層將用于提供端到端的性能保證，特別是按序并有一定的可靠性傳送，因此在提供M2M應(yīng)用時，傳送層根據(jù)應(yīng)用對服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求可以是任選；ID層是對傳統(tǒng)輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（TCP/IP）協(xié)議棧簇增加的的標(biāo)識層。由于IP作為全球?qū)ぶ返募夹g(shù)出現(xiàn)，不僅用于標(biāo)記“位置”，還用于標(biāo)記“標(biāo)志（資源名）”，目前業(yè)界正在研究位置與標(biāo)識的分離；網(wǎng)絡(luò)層用于分組包的尋址，目前基本還是采用IP的技術(shù)（可能是IPv4或IPv6）；MAC層和物理層決定于通信網(wǎng)具體采用的通信技術(shù)。
（1）UPnP
通用型即插即用（UPnP）是即插即用（PnP）的擴(kuò)展，它可發(fā)現(xiàn)和控制各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、Internet網(wǎng)關(guān)等，并能提供相應(yīng)服務(wù)。但UPnP不是即插即用的簡單擴(kuò)展，它支持“0配置”和無線網(wǎng)絡(luò)，可自動發(fā)現(xiàn)其他供應(yīng)商提供的設(shè)備。在UPnP協(xié)議下，一個設(shè)備可動態(tài)加入網(wǎng)絡(luò)，獲得IP地址，廣播其功能，并了解其他設(shè)備的功能。很多種類的設(shè)備都可以使用UPnP協(xié)議，包括智能設(shè)備、無線設(shè)備。UPnP使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP和Internet協(xié)議，能夠很好地在現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中使用。使用這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議使UPnP從已有的各種經(jīng)驗和知識中獲利，打破各種信息孤島，越過各種物理層，具有設(shè)備間的相互協(xié)作基本特點。M2M通信也需要管理M2M終端，未來UPnP可以用來為之服務(wù)。圖4是UPnP協(xié)議棧。
（2）DPWS
設(shè)備的Web服務(wù)（DPWS），它定義了在資源有限的終端上使用的、用于實現(xiàn)安全的 Web 服務(wù)的最小接口集。 Windows Vista上內(nèi)置了DPWS的客戶端類庫（WSDAPI）， 那些支持DPWS的設(shè)備（比如常見的某些支持DPWS的打印機(jī)）自動出現(xiàn)在Windows Vista的Network Explorer中。從某種程度上說，DPWS是UPnP的Web 服務(wù)實現(xiàn)，未來M2M通信也需要用來管理M2M終端，因此DPWS可以用來為之服務(wù)。圖5所示為DPWS的協(xié)議棧。
（3）CoAP
CoAP是一種面向網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，它采用了與HTTP類似的特征，核心內(nèi)容為資源抽象、指表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移（REST）式交互以及可擴(kuò)展的頭選項等等。
HTTP作為IETF 成功長期采用的標(biāo)準(zhǔn)，可以用較小的腳本程序來融合不同的資源和服務(wù)，并且它提供的互操作性正是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵討論內(nèi)容，因此它被推向設(shè)備層面。由于HTTP基于TCP傳輸協(xié)議，采用點對點的通信模型，因此不適合推送通知服務(wù)，而且對于資源能力受限的設(shè)備來說也過于復(fù)雜。
CoAP協(xié)議基于REST 構(gòu)架，是互聯(lián)網(wǎng)資源訪問協(xié)議的一般性設(shè)計風(fēng)格。為了克服HTTP對于受限環(huán)境的劣勢，CoAP需要考慮到數(shù)據(jù)報長度的最優(yōu)化以及可靠通信。一方面，CoAP提供統(tǒng)一資源標(biāo)志符（URI），REST 式的方法（如GET，POST，PUT和DELETE），以及可以獨立定義的頭選項提供的可擴(kuò)展性。另一方面，CoAP基于輕量級的UDP協(xié)議，允許IP多播，而組通信是M2M最重要的需求之一。為了彌補(bǔ)UDP傳輸?shù)牟豢煽啃裕珻oAP定義了帶有重傳機(jī)制的事務(wù)處理機(jī)制，并且提供資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制。CoAP協(xié)議不是盲目壓縮了HTTP協(xié)議，考慮到資源受限設(shè)備的低處理能力和低功耗限制，CoAP重新設(shè)計了HTTP的部分功能以適應(yīng)設(shè)備的約束條件。另外，為了使協(xié)議適應(yīng)M2M 應(yīng)用，CoAP協(xié)議改進(jìn)了一些機(jī)制，同時增加了一些功能。圖6 顯示了HTTP和CoAP的協(xié)議棧。CoAP和HTTP在傳輸層有明顯的區(qū)別。HTTP協(xié)議的傳輸層采用了TCP協(xié)議，而CoAP協(xié)議的傳輸層使用UDP協(xié)議，開銷明顯降低，并支持多播。
3.3 M2M對通信網(wǎng)的技術(shù)需求
M2M應(yīng)用具有海量終端接入和小數(shù)據(jù)頻發(fā)等特點，但是目前的移動通信網(wǎng)的設(shè)計是針對人類的通話設(shè)計，因此直接使用現(xiàn)有的移動通信技術(shù)支持M2M應(yīng)用將會造成對頻率資源的低效使用。為了充分利用頻譜資源，需要對移動通信網(wǎng)進(jìn)行改造和增強(qiáng)。
目前3GPP正在研究現(xiàn)有移動通信網(wǎng)如何高效支持M2M 應(yīng)用，包括體系架構(gòu)、擁塞和過載控制、簽約控制、標(biāo)識和尋址、時間控制特性、MTC監(jiān)控特性的研究。
4 結(jié)束語
物聯(lián)網(wǎng)在中國被認(rèn)為是未來的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是推動產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會的“發(fā)動機(jī)”，而M2M無疑是其中重要的生力軍。物聯(lián)網(wǎng)和M2M能夠帶來真正新的產(chǎn)業(yè)是什么，仍在探索中，還存在著很多不確定因素，需要我們投入更多的精力來研究。
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關(guān)鍵詞:城市軌道;信號系統(tǒng);工程設(shè)計;CBTC
1 引言
城市軌道交通信號系統(tǒng)是保證列車運(yùn)行安全,實現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行現(xiàn)代化,提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備。城市軌道交通信號工程造價高,高科技內(nèi)容含量高,涉及到通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)等。從事這一領(lǐng)域的企業(yè),要求企業(yè)的擁有較高的技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力。
2 城市軌道交通信號系統(tǒng)方案
一般城市軌道交通線路在城市交通疏解任務(wù)中擔(dān)當(dāng)非常重要的角色，為滿足以上要求，地鐵信號系統(tǒng)應(yīng)采用完整的、先進(jìn)的、高效的列車控制系統(tǒng)。
(1)正線信號系統(tǒng)采用完整的列車自動控制（ATC）系統(tǒng)，由ATS、ATP、ATO、聯(lián)鎖設(shè)備組成。
(2)車輛段/停車場由聯(lián)鎖設(shè)備、微機(jī)監(jiān)測設(shè)備、ATS分機(jī)等主要設(shè)備組成。
a)閉塞方式分析
目前城市軌道交通的信號系統(tǒng)主要有準(zhǔn)移動閉塞和移動閉塞系統(tǒng)選擇。
1.基于目標(biāo)距離模式的準(zhǔn)移動閉塞ATC系統(tǒng)
目標(biāo)距離模式一般采用音頻數(shù)字無絕緣軌道電路，具有較大的信息傳輸量和較強(qiáng)的抗干擾能力。列車車載設(shè)備根據(jù)由鋼軌傳輸而接收到的聯(lián)鎖、軌道電路編碼、線路參數(shù)、控制管理等報文信息，對列車追蹤運(yùn)行以及折返作業(yè)進(jìn)行連續(xù)的速度監(jiān)督，實現(xiàn)超速防護(hù)，控制列車運(yùn)行間隔，以滿足規(guī)定的通過能力。由于音頻數(shù)字軌道電路傳輸信息量大，可向車載設(shè)備提供目標(biāo)速度、目標(biāo)距離（指從占用音頻軌道電路始端至停車點的距離）、線路狀態(tài)（坡道、彎道數(shù)據(jù)等），使ATP車載設(shè)備結(jié)合固定的車輛性能數(shù)據(jù)計算出適合于本列車運(yùn)行的模式速度曲線。
2.移動閉塞系統(tǒng)（CBTC）
基于通信的移動閉塞列車控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，是列車控制技術(shù)的發(fā)展方向，代表了國際ATC的先進(jìn)水平。
獨立于軌道電路的高精度列車定位；
連續(xù)、大容量的車－地雙向數(shù)據(jù)通信；
車載和軌旁的處理器執(zhí)行安全功能。
CBTC系統(tǒng)采用自由空間無線天線、交叉感應(yīng)電纜環(huán)線、漏泄電纜以及裂縫波導(dǎo)管等方式實現(xiàn)車-地、地-車間雙向數(shù)據(jù)通信。軌旁ATP設(shè)備根據(jù)列車的位置信息和進(jìn)路情況計算出每一列車的移動權(quán)限，并動態(tài)更新，通過連續(xù)車地通信設(shè)備發(fā)送給列車。車載設(shè)備根據(jù)接收到的移動授權(quán)和自身的運(yùn)行狀態(tài)計算出列車運(yùn)行速度曲線和防護(hù)曲線，在ATP子系統(tǒng)的防護(hù)下，ATO子系統(tǒng)或人工駕駛控制列車在該速度曲線下運(yùn)行。后續(xù)列車可最大限度地接近前行列車尾部，與之保持一個安全距離。在保證安全的前提下，CBTC系統(tǒng)能最大程度地提高區(qū)間通過能力，不受軌道電路區(qū)段分割的限制。
雖然CBTC系統(tǒng)在調(diào)試時存在一些不盡如人意的地方，但是CBTC系統(tǒng)在具有自身優(yōu)越性的同時已經(jīng)成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的首選方案。其相對于準(zhǔn)移動閉塞系統(tǒng)的優(yōu)越性是不可取代的。
4 城市軌道交通信號系統(tǒng)構(gòu)成
信號系統(tǒng)設(shè)備按地域劃分可分為控制中心設(shè)備、車站與軌旁設(shè)備、車輛段和停車場設(shè)備、維修中心設(shè)備及車載設(shè)備五部分。
控制中心的設(shè)備主要是ATS子系統(tǒng)的中央級設(shè)備及顯示終端設(shè)備。
a)控制中心設(shè)備（ATS）
1.控制中心ATS系統(tǒng)
信號系統(tǒng)的控制中心設(shè)備設(shè)于控制中心大樓內(nèi)，是列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）的核心部分，設(shè)冗余ATS服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)時鐘服務(wù)器、總調(diào)度長及行車調(diào)度員工作站、綜合顯示系統(tǒng)、中心計算機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)行圖編輯工作站、維護(hù)工作站、培訓(xùn)模擬工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及電源設(shè)備等。
（1）ATS服務(wù)器
信號設(shè)備室設(shè)置中心計算機(jī)系統(tǒng)，包括ATS系統(tǒng)中心控制主機(jī)、中心通信處理器、中心數(shù)據(jù)服務(wù)器、中心局域網(wǎng)及各自配備的外部設(shè)備。為了保證系統(tǒng)的可靠性，上述主要硬件設(shè)備采用雙機(jī)熱備方式。
（2）調(diào)度長及行車調(diào)度員工作站
根據(jù)車站及線路配置情況及行車組織要求，一般情況下在控制中心中央控制室各線設(shè)置3個行車調(diào)度工作站，其中兩個行車調(diào)度員工作站，一個調(diào)度長工作站。
在運(yùn)行圖室設(shè)置運(yùn)行圖編輯工作站及相應(yīng)的打印設(shè)備，用于運(yùn)行計劃人員編制及修改列車運(yùn)行時刻表，通過人機(jī)對話可以實現(xiàn)對運(yùn)行時刻表的編輯、修改及管理。
（4）維護(hù)工作站
在維護(hù)室設(shè)維護(hù)工作站。維修工作站主要用于ATS系統(tǒng)的維護(hù)及修改系統(tǒng)數(shù)據(jù)、ATC系統(tǒng)的故障報警處理等。
（5）培訓(xùn)、模擬工作站
在培訓(xùn)室設(shè)置培訓(xùn)、模擬工作站及打印機(jī)，工作站內(nèi)配有各種系統(tǒng)編輯、裝配、連接和系統(tǒng)構(gòu)成工具以及列車運(yùn)行仿真的軟件。可與調(diào)度員工作臺具有相同的顯示內(nèi)容和相同的控制功能，并能實際仿真列車在線運(yùn)行及各種異常情況，而不參與實際的列車控制。
（6）繪圖儀和打印機(jī)
打印室配備兩臺彩色激光網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)和一臺網(wǎng)絡(luò)繪圖儀，用于輸出運(yùn)行圖及各種報表。
（7）控制中心綜合顯示屏（大屏幕）
綜合顯示屏顯示的信息及實現(xiàn)的功能：
實現(xiàn)正線列車運(yùn)行及信號系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視
顯示行車信息
CCTV圖像
行車、防災(zāi)、電力調(diào)度等有關(guān)的綜合信息
其顯示內(nèi)容采用區(qū)域顯示方式，并可根據(jù)調(diào)度的要求調(diào)整顯示畫面。
（8）電源設(shè)備
電源室設(shè)置ATS電源系統(tǒng)，包括為ATS設(shè)備正常工作提供電量的電源屏及在線式UPS，可提供30分鐘后備電源的免維護(hù)電池。
2.車站ATS設(shè)備
正線車站ATS設(shè)備設(shè)在設(shè)備集中站，由車站ATS分機(jī)、通信接口設(shè)備、車控室操作設(shè)備等組成。
（1）車站ATS分機(jī)采用數(shù)據(jù)通信接口設(shè)備，該設(shè)備為雙套冗余。
（2） 車站工作站由鍵盤及彩色顯示器組成，當(dāng)中心設(shè)備故障或下放控制權(quán)時，車站工作站可完成對進(jìn)路、信號機(jī)的控制。
（3） 通信接口設(shè)備與通信傳輸設(shè)備配合完成車站ATS與中心ATS間信息傳輸及各種通信。
（4）發(fā)車指示器，設(shè)在發(fā)車站臺端部。
3.車輛段、停車場ATS設(shè)備
（1）車場信號設(shè)備室設(shè)一臺ATS分機(jī)，與車場聯(lián)鎖系統(tǒng)接口。
（2）行車值班室和車輛派班室各設(shè)一臺終端以及必要的打印機(jī)。
（3）與OCC（控制中心）通信的傳輸網(wǎng)及其接口。
b)車站與軌旁設(shè)備
1.正線設(shè)備集中站室內(nèi)設(shè)備包括聯(lián)鎖設(shè)備、ATP/ATO設(shè)備、車地雙向通信室內(nèi)設(shè)備、列車空閑檢測設(shè)備、ATS車站設(shè)備、電源設(shè)備等。
2.站臺設(shè)備包括發(fā)車時間指示器、緊急停車按鈕、PIS系統(tǒng)。發(fā)車指示器：設(shè)置于發(fā)車正方向站臺端部，每站臺1個。緊急停車按鈕：每側(cè)站臺設(shè)置2個，設(shè)置位置應(yīng)便于緊急情況下的使用。
3.軌旁包括轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)、列車占用檢查設(shè)備、車地通信設(shè)備等。
4.在非設(shè)備集中站，將主要設(shè)置電纜分線架、安全門接口設(shè)備、ATS接口設(shè)備、軌旁信號機(jī)等。
5.在全線所有車站的控制室設(shè)緊急后備盤。在車站值班員認(rèn)為必要的情況下，可通過按壓緊急后備盤上的有關(guān)按鈕。
6.對于聯(lián)鎖設(shè)備集中站，在車站控制室還應(yīng)設(shè)置用于車站級控制的控制工作站，用于在車站級控制情況下，能對本聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)的信號元素進(jìn)行監(jiān)控以及故障報警。
（1）設(shè)備集中站的設(shè)置
綜合考慮聯(lián)鎖設(shè)備、ATP、ATO和ATS車站設(shè)備的控制能力及控制距離的要求，正線區(qū)段的ATP/ATO室內(nèi)設(shè)備原則上集中設(shè)置于設(shè)備集中站。設(shè)備集中站的設(shè)置及控制范圍需結(jié)合線路具體情況及運(yùn)營需求統(tǒng)籌考慮，此處不再贅述。
（2）軌旁ATP/ATO設(shè)備
1）軌旁骨干網(wǎng)
信號系統(tǒng)利用光纖及通信設(shè)備自行組建用于安全信息交換的冗余的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)符合開放的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。該網(wǎng)絡(luò)也可以傳輸ATS信息。
2）車－地通信軌旁設(shè)備
軌旁設(shè)備包括軌旁設(shè)備、區(qū)間接入點設(shè)備、天線以及連接這些設(shè)備的光纜及電纜等組成。區(qū)間接入點與骨干通信網(wǎng)的連接應(yīng)是冗余的。
區(qū)間接入點的布置位置及數(shù)量應(yīng)該滿足任意區(qū)間點的無線重疊覆蓋，即任何單個的區(qū)間接入點故障不影響車－地的正常通信。
3）地面信標(biāo)
信標(biāo)是CBTC的重要組成部分，其作用為：
列車位置初始化，即運(yùn)行方向判定；
列車位置校準(zhǔn)；
輪徑磨耗自動補(bǔ)償；
根據(jù)目前市場實際情況，有歐標(biāo)和查詢信標(biāo)兩種方式可供選擇：歐標(biāo)應(yīng)答器具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力并且適應(yīng)更高的速度，并且進(jìn)行了國產(chǎn)化。查詢信標(biāo)具有價格優(yōu)勢。
（3）正線聯(lián)鎖設(shè)備
聯(lián)鎖設(shè)備設(shè)于設(shè)備集中站，按照車站配線及控制范圍考慮聯(lián)鎖集中站，主要包括計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備及設(shè)備機(jī)架，完成信號機(jī)、進(jìn)路、道岔的聯(lián)鎖等功能。
1）正線區(qū)段信號機(jī)的顯示方式符合該項目所在城市地鐵相關(guān)規(guī)范的要求并考慮CBTC系統(tǒng)的實際情況。
通常正線區(qū)段地面防護(hù)信號機(jī)的顯示方式如下：
紅燈―禁止通行，列車在信號機(jī)前停車；
綠燈―進(jìn)路開通道岔直向位置，準(zhǔn)許列車按規(guī)定速度運(yùn)行；
黃燈―進(jìn)路開通道岔側(cè)向位置，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的限制速度運(yùn)行；
黃燈+紅燈―引導(dǎo)信號，允許列車以不大于25km/h（具體根據(jù)運(yùn)營要求確定）速度越過該信號機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，并隨時準(zhǔn)備停車。
2）全線設(shè)輔助列車檢測設(shè)備，采用計軸設(shè)備。
（4）車載設(shè)備
每列車原則上配備兩套車載ATP/ATO單元。包括車載ATP/ATO主機(jī)機(jī)柜、速度傳感器、控制顯示單元以及車地通信天線等主要設(shè)備。每套ATP/ATO車載設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備均采用冗余結(jié)構(gòu)。 兩套車載單元互為熱備，熱備切換時不能影響列車的正常運(yùn)營。
人機(jī)界面的主要內(nèi)容包括：
列車實際速度/最大允許速度顯示
目標(biāo)距離/速度顯示
駕駛狀態(tài)（動力運(yùn)行、惰行和制動）顯示
駕駛模式（ATO、人工ATP、限速人工、自動折返）表示
ATO模式啟動按鈕
自動/人工關(guān)門開關(guān)及表示
列車折返表示
列車停車精度（到位）情況
門表示（含司機(jī)室車門）及控制元件
緊急制動的啟動表示
ATP/ATO故障表示
駕駛員輸入有關(guān)數(shù)據(jù)（輪徑、乘務(wù)組號、車輛號、目的地號等）
列車完整性表示
（5）在運(yùn)行交路的折返站，將考慮在站臺設(shè)有折返按鈕和折返設(shè)備，實現(xiàn)列車折返或車載設(shè)備駕駛端的自動轉(zhuǎn)換。
c)系統(tǒng)后備模式設(shè)備
正線ATC系統(tǒng)在通信設(shè)備故障時可全部或局部按照設(shè)定的后備模式（限制人工駕駛模式）運(yùn)行。后備模式通過計軸、發(fā)車表示器、信號機(jī)、聯(lián)鎖、應(yīng)答器及相應(yīng)編碼設(shè)備等設(shè)備完成對列車的運(yùn)行控制。
在線路上的每架信號機(jī)、道岔以及各車站正向出站處附近設(shè)置計軸設(shè)備，用于軌道空閑的檢測，在移動閉塞ATC系統(tǒng)通信故障時，降級為后備模式，聯(lián)鎖系統(tǒng)利用這些設(shè)備配合ATP和機(jī)車信號控制列車安全運(yùn)行。
d)車輛段、停車場設(shè)備
車輛段/停車場信號設(shè)備主要有車場ATS分機(jī)、聯(lián)鎖設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、試車線設(shè)備、培訓(xùn)設(shè)備及日常檢修和檢查等設(shè)備。行車控制室設(shè)有計算機(jī)聯(lián)鎖監(jiān)視、操作終端設(shè)備和ATS工作站。通過ATS工作站可監(jiān)視出入段線和正線部分的列車運(yùn)行情況。
1.車場ATS設(shè)備
（1）車場信號設(shè)備室設(shè)一臺ATS分機(jī)，與車場聯(lián)鎖系統(tǒng)接口。
（2）行車值班室和車輛派班室各設(shè)一臺終端以及必要的打印機(jī)。
（3）與OCC通信的傳輸網(wǎng)及其接口。
2.聯(lián)鎖設(shè)備
計算機(jī)聯(lián)鎖室內(nèi)設(shè)備主要包括聯(lián)鎖機(jī)柜、接口柜、防雷柜、繼電器柜、分線盤設(shè)備和UPS電源等，電源室設(shè)有智能電源屏。設(shè)備室同時設(shè)有計算機(jī)監(jiān)測的下位機(jī)設(shè)備和維修監(jiān)測工作站等。
3.試車線設(shè)備
在試車線旁設(shè)置試車設(shè)備室和控制室，裝設(shè)與正線相同的ATP、ATO室內(nèi)設(shè)備，軌旁設(shè)備以及相應(yīng)的試驗設(shè)備。
室內(nèi)設(shè)備包括：試車線工作站和控制盤、ATP/ATO線路計算機(jī)設(shè)備、電源屏及UPS電源等，同時還應(yīng)包括與屏蔽門接口的模擬設(shè)備。
室外設(shè)備包括列車占用檢查設(shè)備、車地通信設(shè)備、信號機(jī)。
試車線上的道岔和道岔防護(hù)信號機(jī)均由車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)控制。作為信號樓聯(lián)鎖控制的一部分。
4.計算機(jī)監(jiān)測設(shè)備
車輛段/停車場站場較大，養(yǎng)護(hù)維修工作量較多綜合考慮設(shè)置鐵道部統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在國鐵中已全面采用，并可與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)緊密結(jié)合。
[關(guān)鍵詞]4G 煤礦 無線通信
全I(xiàn)P化4G技術(shù)支持下，4G無線通信技術(shù)得到了空前發(fā)展，煤礦開采施工的復(fù)雜性和危險性對無線通信系統(tǒng)提出了更高的要求。在4G通信技術(shù)支持下，煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)能夠逐漸完善自身信息化、自動化、智能化需求，并提升煤礦生產(chǎn)的安全性，為煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)效益帶來極大幫助。
一、無線通信技術(shù)發(fā)展概述
1、PHS無線通信系統(tǒng)。PHS無線市話技術(shù)是在微蜂窩技術(shù)上實現(xiàn)的，它通過微蜂窩基站達(dá)到無線覆蓋的目的，并以無線方式完成用戶端和本地電話網(wǎng)的對接，實質(zhì)上屬于固定電話技術(shù)的補(bǔ)充。PHS無線通信系統(tǒng)已于2011年底實現(xiàn)清頻退網(wǎng)。2、Wi-Fi無線通信系統(tǒng)。Wi-Fi屬于短程無線通信傳輸技術(shù)的一種，它能在100米范圍內(nèi)實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)無線信號接入。Wi-Fi傳輸帶寬受到環(huán)境動態(tài)影響，帶寬與延時呈反比例增長，因此常常出現(xiàn)通話雜音、回聲等質(zhì)量問題。3、3G無線通信技術(shù)。TD-SCDMA是指時分服用同步滿分多址接入，這是我國第一次提出，并依靠無線傳輸技術(shù)完成的國際移動通信標(biāo)準(zhǔn)。CDMA2000實在窄帶CDMA技術(shù)上發(fā)展而來的寬帶CDMA技術(shù)，屬于3G通信標(biāo)準(zhǔn)，被國際電信聯(lián)盟的IMT-2000標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可。4、4G無線通信技術(shù)。4G是指第四代通信技術(shù)的泛稱，它集合了3G與WLAN的特性，并能傳輸高質(zhì)量視頻圖像，其下載速度可達(dá)100Mb/s，上傳速度也能達(dá)到50Mb/s，極大限度的提升了無線服務(wù)質(zhì)量，TD-LTE是3GPP基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，屬于LTE的一種。
二、基于4G信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)
2.4無線移動通信系統(tǒng)架構(gòu)
1）基于TD-LTE通信技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)。TD-TLE煤礦無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是由基站、接入網(wǎng)關(guān)、BRAS和核心網(wǎng)通信組成。其語音通信、數(shù)據(jù)傳輸和集群呼叫主要由核心網(wǎng)網(wǎng)元實現(xiàn)，實現(xiàn)模式則是通過IMS、EPS、DSS集群完成。2）建立基于TD-LTE通信技術(shù)的基站通信系統(tǒng)。以Femto Pico基站為基礎(chǔ)建立無線通信系統(tǒng)，不但能夠擴(kuò)大通信覆蓋范圍，還能以IP SEC方式，通過自身的傳輸網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一接入到安全網(wǎng)關(guān)中，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩阅堋Ｔ诨就ㄟ^提供WLANAP承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)過程中，一般是以PDG為媒介直接接入網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通過接入3GPP核心網(wǎng)來提升通話質(zhì)量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，實現(xiàn)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)活動。此外，還可以通過Small Cell基站的網(wǎng)管系統(tǒng)，形成上下層無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的對接。3）以IMS、EPC、DSS集群模式為基礎(chǔ)的核心網(wǎng)。系統(tǒng)中的核心網(wǎng)主要用于用戶連接、系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡(luò)承載，具體業(yè)務(wù)包括遙感業(yè)務(wù)、簡單消息傳遞和監(jiān)視控制等。TD-LTE無線通信系統(tǒng)采用IMS+EPC+DSS集群構(gòu)架的融合核心網(wǎng)系統(tǒng)ZXUN iEPC-5。ZXUN iEPC-5小型化產(chǎn)品集合了電信級EPC核心網(wǎng)的特性，使用5U插箱，集合MME、SGW、PGW、HSS等功能特性，為用戶提供高速、安全可靠的通信傳輸。4）綜合應(yīng)用系統(tǒng)平臺。綜合應(yīng)用系統(tǒng)平臺是以多場景分布式高性能云計算框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分析處理引擎等專用支持工具，對各數(shù)據(jù)進(jìn)行高速、可靠、統(tǒng)一處理的平臺。它具備靈活性、可裁剪、可適配等多種明顯特點，綜合應(yīng)用系統(tǒng)平臺可以實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲、應(yīng)用接口支撐生產(chǎn)自動化管理、安全管理等多種功能，它在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)以及LTE終端基礎(chǔ)上，保障語音、視頻和數(shù)據(jù)等各類業(yè)務(wù)的有效進(jìn)行，為煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)和數(shù)據(jù)處理提供技術(shù)支持。