GPRS及CDMA網絡替代數傳電臺的可行性討論

范廣林1，施偉年2
（1．江蘇省宏圖電子綜合研究所有限公司，江蘇 南京 210003；
2．深圳市宏電技術開發有限公司，廣東 深圳 518040）
摘要：數傳電臺在工業控制領域已經有了廣泛的應用，目前仍然是工業控制領域的主要傳輸手段。憑借GPRS/CDMA網絡的覆蓋廣、數據傳輸可靠性高、組網便捷、成本低廉等優勢，GPRS/CDMA的數據傳輸被稱為近2年來迅速崛起的數傳方式。本文將從兩者的傳輸機制、組網方式等方面進行比較分析，提供數傳電臺網絡向GPRS/CDMA數傳網絡遷升的方案。文章可作為用戶選擇數傳媒介的參考。
關鍵詞：GPRS/CDMA；數據傳輸；數傳電臺

1 數傳電臺組網方式及其特點
根據國家無線電管理委員會頻率規劃，將223.025～235.000　MHz作為遙測、遙控、數據傳輸等業務使用的頻段，其中229.0～235.0　MHz頻段在北京地區用于射電天文業務。其他業務不得對其產生有害干擾。用于近距離（１　km以內）操作時應≤0.5　W，設置在城區、近郊區時應≤5 W，設置在遠郊區、野外時應≤25 W。


數傳電臺有發射功率限制，傳輸距離最大只有數十公里，而且，超長距離的發送需要大功率發射，因此需要提供大功率電源。這一特性決定了數傳電臺的應用只能限定在一定的區域范圍內。
數傳電臺組成的數據傳輸網絡單獨占用１個頻率資源，在同一頻點上，同時只能有１個設備發送數據。一般采用中心對遠端多點的通信分配方式，采用輪詢方式查詢數據，輪詢周期與電臺數量有密切關系。假設訪問１個站點需要0.5 s，輪詢等待超時時間設定為3 s，系統有100個終端，那么在所有終端工作正常情況下，輪詢周期是0.5×100=50 s，如果有1臺終端由于設備故障、頻率干擾等原因導致傳輸失敗，系統在此終端將等待3 s，輪詢的最長周期可能是3×100=300 s。
數傳電臺的輪詢模式以及覆蓋范圍，決定了網絡的容量有一定限度。
數傳電臺的建設成本除了數傳電臺的采購成本外，還包括架設建塔臺、天線等基站建設成本，傳輸距離越遠，基站建設成本就越大。數傳電臺由用戶單位自行建造，無需繳納通信費用，但頻率占用費以及對電臺設備的維護費用是筆不小的開銷，電臺數量越少，單位成本就越高。
數傳電臺建設受城市建設影響大，建設好的數傳網絡很可能被城市中新增的高大建筑所阻擋，樓群對電波的反射、折射有著很大的影響，自建電臺數據傳輸網絡必須針對城市建設中出現的情況不斷調整網絡，包括移動天線位置、增加天線高度等，必要時可能會根據無線電管理機構的要求調整頻率。這些在后期運行成本中占據了很大的份額，而且具有很大的未知性。
2 GPRS/CDMA數據傳輸網絡構成與優勢
GPRS/CDMA已經組成了覆蓋全國的數據網絡，它是利用“分組交換”(Packet-Switched)概念發展起來的無線傳輸方式，是一種新型的分組數據傳輸業務。GPRS在數傳領域采用DTU+網絡接入的方式組網，圖２是互聯網接入的一種典型應用。


圖２
采用GPRS/CDMA方式組成數據傳輸網絡及其方便，只要附近有GPRS/CDMA基站，就可以架設數據采集終端，沒有通信距離的限制；GPRS/CDMA終端的發射功率都很小，一般<2　W，加上具有電源管理等功能，可滿足部分依靠太陽能電池供電的采集點使用。
在一個應用系統中，利用２臺或多臺數傳電臺組網，每個數據網絡都會占用１個頻率，當此頻率受到干擾時，數據傳輸將受到嚴重影響。
GPRS與GSM共用頻段，GSM采用TDMA/FDMA多址工作方式，每個頻道有8個時隙(8信道)。依據小區用戶數量(密度)，GSM可采用不同的小區頻率復用方式。由于GPRS可用頻段寬，容易滿足組建公網對信道數的需要。GPRS/CDMA是公眾生活中的一個重要交流工具，其工作頻率受到無線電委員會的保護，因此頻率受干擾的機會非常少。GPRS/CDMA的跳頻機制也能有效地解決頻率受到干擾的問題。
GPRS采用卷積編碼，推薦4種編碼方式：CS-1～CS-4(CS-1碼率為1/2，CS-2碼率為2/3)，可通過減少糾錯比特適應不同傳輸信道質量要求。目前使用的CS-2編碼糾錯能力較強，即使傳輸信道質量比較差，也能滿足數據傳輸要求。
CDMA技術早已在軍用抗干擾通信研究中得到廣泛應用，這一成果迅速成為全球的熱門課題。成功轉化為民用的CDMA技術，在數據傳輸領域將會給用戶提供更高的安全保障。
GPRS/CDMA網絡采用分組交換方式，在滿足數據帶寬的情況下，中心可以幾乎同時向全部終端發送查詢數據，組成和上述電臺組網案例中相同規模的GPRS/CDMA數據傳輸網絡，整個輪巡周期為3～5 s，而且這個周期不隨著終端數量的增長而增長，個別終端故障，不會影響整個系統的輪詢周期。針對GPRA/CDMA的網絡特點，改變傳統的輪詢模式，采用終端主動發送數據的方式，數據采集效率更高。
在GPRS/CDMA網絡上組建數據傳輸網絡，根據總帶寬需求，申請合適的中心接入方式與帶寬，對終端數量沒有限制。使得其在電力、氣象、水文等行業里作為大范圍、大容量的檢測網絡成為可能。
GPRS/CDMA網絡屬于蜂窩網絡結構，高大建筑對網絡無線信號的影響只局限在小塊區域，而且，移動運營商有專門的網絡優化部門，根據網絡上的流量、通信故障等情況，可及時調整網絡，用戶根本不必關心網絡的調整，更不需要為網絡調整付出額外的支出。
3 GPRS/CDMA網絡替代數傳電臺的實現方案
使用GPRS/CDMA DTU開發新的數據傳輸網絡，只需要按照GPRS/CMDA DTU的組網方案實施即可，方便易行。現有大量的數傳電臺網絡，需要改造成GPRS/CDMA數傳網絡。本文將重點探討如何改造，并在改造過程中最大限度地減少工作量，充分利用原有資源，降低改造成本。
(1)網絡規劃
這是改造過程的第一步，重點是計算整個數據網絡中的帶寬需求，從而選擇合適的終端與中心接入方式。GPRS DTU理論上可以滿足13.4～53.6 kbit/s的傳輸要求，但在實際應用中，建議考慮應用的帶寬需要在9600　kbit/s以下，超出這個帶寬的需求時，建議使用CDMA DTU。對GPRS/CDMA的選擇還要考慮到當地網絡的覆蓋情況，目前GPRS/CDMA網絡可以全面覆蓋到大部分地區。數傳電臺網絡中，通常中心接入設備帶寬與終端帶寬相同，如果改造后的GPRS/CDMA網絡同樣沿用傳統的輪巡模式，則中心帶寬的需求同樣與終端相同。如果需要改變輪巡模式，對終端同時發送查詢指令，則中心帶寬是所有終端帶寬的總和。對于特別大型的項目中，可以考慮對GPRS/CDMA DTU分組，合理利用中心帶寬。
(2)終端改造
也許是整個改造過程最輕松的環節，數傳電臺與RTU通過RS－232、RS－485等接口連接，改造所要做的是就是從接口上拔掉電臺，插上設置好的GPRS/CDMA DTU。剩下的工作就是觀察這個安裝地點GPRS/CDMA的網絡信號狀況、記錄DTU運行狀態、調整天線等，直至終端正常運行并與中心連接。
現在很多中心接入點都可以很方便接入Internet，利用互聯網接入方式是大多數工程的首選。部分終端數量大、項目安全性、可靠性要求高的項目可以選用GPRS/CDMA專線接入。
改造過程中的難點是在中心接收軟件上，數傳電臺網絡的中心軟件一般通過RS－232口與中心電臺連接，通過這個串行口與所有終端數據連接。改造方案如下：
方案1：部分軟件可以重新改寫，中心軟件將原先調用的串行口數據收發的函數替換成GPRS/CDMA DTU配套的中心連接庫函數，就可以方便地實現從數傳電臺到GPRS/CDMA數傳網絡的轉換；
方案2：部分軟件已不便于重新改寫，如國外的軟件、未保留源碼的軟件等等，這樣的項目改造，只能采用增加中間件的方案實現，即增加１個中間處理軟件，將網絡接收到的數據轉換成串口數據，通過虛擬串行口或者實際串口轉發給原有軟件，從而實現從數傳電臺到GPRS/CDMA數傳網絡的平穩過渡。此方案已經在多個項目上實現，讓幾個已經癱瘓的數傳電臺網絡通過GPRS/CDMA網絡改造后重新投入運行。
4 結束語
隨著GPRS/CDMA網絡的發展，適于各種應用的終端產品不斷出現，同數傳電臺相比，GPRS/CDMA數據傳輸在建設成本、維護成本上有很大的優勢。利用公用網絡組建數據網絡也是一種趨勢。
參考文獻：
[1] H711x GPRS DTU使用說明書[Z].深圳市宏電技術開發有限公司.2003.
[2] GB/T16611.數傳電臺通用規范[S].1996.

作者簡介：范廣林（1968-），男，江蘇如皋人，工程師，主要從事電子、網絡、通信等領域的研究與開發工作。
施偉年（1970-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事數據通信系統的研究與開發工作。