时间：2023-06-08 11:27:07
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇基础的通信协议，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词： 控制系统； 中间件； 异构通信； 通信协议
中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2012）12-11-03
Design of communication middleware and software in heterogeneous system
Huang Guanren1， Zhao Jianyong2
（1. Zhejiang Provincial Testing Institute of Electronic & Information Products， Hangzhou， Zhejiang 310012， China； 2. Hangzhou Dianzi University）
Abstract： Different industrial control systems have different communication interfaces， communication means and communication protocol， which is really inconvenient for application developpers. Middleware technologies are getting more attention as a solution to this problem. Starting with how to amalgamate heterogeneous structure of the communication protocol， based on certain theoretical and experimental research， heterogeneous communications network communication middleware solutions in industrial control systems are studied. The PLC heterogeneous communications network middleware system is designed and realized.
Key words： control system； middleware； heterogeneous communication； communication protocol
0 引言
PLC可编程逻辑控制器、DCS集散控制系统极大地推动了工业自动化的发展。然而，在采用这些控制系统的时候，出于对安全、经济等多方面的考虑，往往会采用多个不同厂家生产的控制器。不同制造商提供的控制系统在结构设计、标准等方面自成体系，互不兼容，技术标准互不公开，这些异构的通信网络环境由于访问方法和机制各不相同，即通信协议各不相同，使得控制系统之间的通信连接不易实现[1-2]。
为了便捷地在不同的通信接口之间通信，更好地开发和运行异构平台上的应用软件，解决PC机与以嵌入式技术为基础的控制系统之间的互通、互连和互操作问题，本文引入异构通信中间件HCM（Heterogeneous Communication Middleware）的概念，并设计了解决方案。该设计解决了异构通信网络的互通、互连，方便了应用层用户开发应用程序，提高了开发效率，缩短了开发周期。
1 异构通信中间件HCM总体设计
中间件技术近年来得到了广泛地研究与实践[3-4]，解决网络异构问题的中间件[5-6]也是研究的热点。根据异构通信网络协议的需要，我们设计了异构通信中间件HCM的整体结构框架，为用户提供了统一的数据访问接口；完成应用层和底层以及底层和异构通信网络间数据的传输和处理；提供适合各种编程模式的开放接口，并提供应用执行时的各种运行机制。
整个系统采用三层构架体系，HCM作为中间层构建在应用层和网络层之间，它有两个接口，分别为与应用服务器的接口（接口一）及与网络资源实体的接口（接口二）。HCM中间件平台的功能集包含以下主要功能模块：协议调度模块、通信模块、数据处理模块，如图1所示。
协议调度模块：在构建好的通信协议库中调度适合当前通信网络所需的通信协议。
通信模块：包括组帧模块（组装读/写数据帧）和通信口操作模块（读/写通信口）。其中组帧模块是面向应用层的接口模块，用来获取应用层数据信息；通信口操作模块是面向网络层的接口模块，用来根据组帧模块的数据帧通过通信接口与通信网络进行数据交互。
数据处理模块：包括数据类型处理模块、规则转换模块和有效验证模块。
2 系统各组成的研究与设计
对HCM系统的各组成部分及功能，从通信协议库的数据结构模型、通信协议调度算法、共享内存访问、通信线程状态转换、规则转换算法几个方面进行研究。
2.1 通信协议库数据结构模型
对于通信协议库ProtocodStore，可以把它看成是一片森林，ProtocodStore（Tree1，Tree2…Treei…TreeN），N≥0，森林中的每棵树Treei（Child1，Child2，…，ChildN），N≥0，是由一个或多个子协议库组成，按照森林的构建方法通信协议库可以抽象为图2所示的数据结构。
图2中，节点A和H代表公司名，节点B、C、D代表隶属于A的PLC类型，节点I、J代表隶属于H的PLC类型，节点E、F、G、K、L分别代表隶属于某个PLC型号的通信协议。
2.2 通信协议调度算法及调度模块设计
2.2.1 协议调度算法
协议调度管理器根据应用层用户提供的调度信息在通信协议库中调度具体通信协议，按照先序遍历ProtocodStore森林的算法来完成协议的调度，具体调度算法如下。
⑴ 取得调度元数据结构struct_Protocol；
⑵ 访问ProtocodStore森林的第一棵树的根节点A；
⑶ 先序遍历第一棵树Tree1中根节点的子树森林；
⑷ 若找到Tree1中节点度为0的叶子节点符合要求则转⑹；
⑸ 先序遍历除去第一棵树Tree1之后剩余的树（Tree2…TreeN）构成的森林；
⑹ 若查找成功返回找到的叶子节点信息，否则返回NULL。
经过该算法得到图2中所示森林中L节点的先序序列为：
ABECFDGHIKJL
2.2.2 协议调度的数学描述
定义1 设通信协议库的所有通信协议的集合为Cprot：
Cprot={C1，C2，C3，…，CN} N≥0 ⑴
式⑴中，Ci为某个通信协议对象，对每个对象Ci的描述形式为：
Ci={Companyi，PLCTypei，CheckSumTypei，
ComInfoi，ConfirmCounti，Modei} ⑵
式⑵中的Companyi，PLCTypei，CheckSumTypei，ComInfoi，ConfirmCounti，Modei表示第i个协议对象的属性。
定义2 设协议调度模块调度集为：
Action={Choose，Fold} ⑶
式⑶中，动作Choose表示调度器调度通讯协议库协议事件；动作Fold表示通信协议导入协议调度管理器事件。
定义3 通过定义1和定义2，协议库中的单个通信协议可定义为协议集、调度和通信网络的集合。
Mi={Ci，Actioni，CommunicationNetWorki} ⑷
式⑷中，Ci、Actioni和CommunicationNetWorki表示协议库中的第i个通信协议、调度事件和对应于Ci的通信网络。
通过以上三个定义描述了在HCM系统中的协议调度模块集合。协议调度模块主要由异构通信网络所需的通信协议库和协议调度器组成，协议调度模块结构框图如图3所示。
2.3 共享内存访问
共享内存作为一种进程间数据共享的方法，通过让两个或多个进程映射到同一个内存映射文件对象的视图，实现不同的进程共享物理存储器的相同页面。当一个进程将数据写入一个共享文件映射对象的视图时，其他进程可以立即获得该视图中的数据变更情况。利用共享内存实现数据的共享访问，能够达到系统资源的高效利用。因此，采用共享内存访问技术，通过HCM提供的接口ConstructReadData实现两者之间的内存交互，如图4所示。
在HCM中的共享内存方式不涉及内存互斥访问的问题，是“半双工”形式的内存共享，即：应用层动态开辟一块内存区域通过接口ConstructReadData分配给HCM，应用层循环从该内存区域获取信息，而HCM则通过数据处理模块将处理好的数据添入该内存区域，从而完成应用层和中间件层的内存交互，达到数据传递的目的。
2.4 通信线程中三态转换
在通信线程中涉及三个状态间的转换关系，分别为读数据状态、写数据状态以及空闲状态。三者之间的转换关系如图5所示。
读/写状态是在进行数据交互时的状态，由于写数据的优先级最高，所以无论是处于读状态还是空闲状态，一旦写数据事件产生，要立即转为写状态。通讯时，若接收到有效命令，则根据具体协议进行译码，执行相应操作，并对命令做出响应；若检查到错误，则说明接收字符不正确，予以丢弃，并保持通信口为接收状态，开始下一次接收操作。设置空闲状态的目的是为了释放内存占用资源，防止产生资源独占。在大多数情况下为读数据状态和空闲状态间的转换，只有在用户传递写数据时才发生读状态和写状态或空闲状态和写状态间的状态转换关系。
2.5 HCM通信模块设计实现
通信模块在整个中间件系统中是一个交互层，包括与上层应用层的接口、与下层网络层的接口。应用层需要读写数据时通过该模块的应用层接口将读写指令传递给组帧处理器。处理器根据用户给出的指令进行相应处理，处理后再通过该模块与网络层的接口进行通信，通信成功后得到需要的数据并交由数据处理模块进行数据处理。
由于在通信过程中不同的通信协议（如波特率等）和应用环境会影响到系统运行速度，如果采用单线程来完成数据处理和通信等功能，系统整体响应速度会很慢。因此，采用异步多线程的处理方案，组帧模块和通信口模块分别采用各自独立线程完成数据帧的组装和与通信网络的数据交互。通信操作时的独立线程方式，可以减少系统的闲置时间，提高通信口的吞吐能力。
2.6 数据处理模块的设计实现
数据处理模块主要负责对通信得到的数据进行分析处理，包括数据有效性验证、数据类型处理、规则转换处理三个子模块，如图6所示。
⑴ 有效性验证模块，目的是为了获得通信网络中正确的数据信息，包括通信站号、数据字节个数、数据校验等有效性验证。如果验证通过则进行数据类型和规则转换的处理，如果有一项验证失败则整帧数据均丢弃。
⑵ 数据类型处理模块，数据的基本类型包括：位（BIT）类型、字节（BYTE）类型、字（WORD）类型、双字（DWORD）类型、浮点数（FLOAT）类型。
⑶ 规则转换模块，目的是对⑴和⑵处理后的数据按照不同的规则进行数据转换，如果不需要转换则将数据直接传递给应用层。数据处理时根据特定通信协议进行设置，对接收数据按照不同协议语法格式进行检查和提取，包括数据有效性检查、数据类型处理、转换规则处理等操作。数据处理结束后，动态刷新接收缓冲区中的数据，该缓冲区与应用层实现内存共享。
3 系统仿真和测试
为了测试HCM系统的稳定性、可靠性等性能，通过建立仿真环境来进行性能测试和数据验证。测试过程中仿真了西门子S7-200、三菱FX1N、欧姆龙CPM2A三种型号的PLC构成的异构通信网络环境，在PC端生成对应的HCM系统并设计了应用层界面下载到Windows CE中运行，PC机模拟PLC运行环境。通过测试异构环境及通信数据，验证了HCM系统的稳定性和可靠性。
参考文献：
[1] Li Xiaoming， Li DongXiao. Protocol conversion of plant control
system consisted of different type PLCs[J].IEEE Trans on Software Engineering，2002.2：1509-1512
[2] 李男，黄永忠，陈海勇.一种嵌入式系统通信中间件的设计[J].微计算
机信息，2006.22（1-2）：48-50
[3] Richard Soley and the OMG Staff Strategy Group. Model Driven
Architecture：OMG White Paper Draft 3.2[EB/OL].http：///mda，2000，Nov 27th.
[4] 杨放春，龙湘明，赵耀.异构网络中间件与开发式API技术[M].北京邮
电大学出版社，2007.
[5] Richard E. Schantz，Douglas C. Schmidt.Middleware for Distributed
Systems： Evolving the common Structure for Network-Centric Applications[M]. Chapter in The Encyclopedia of Software Engineering. John Wiley & Sons，2001.
关键词:阶梯电价; 运行; 负担
中图分类号：TU986.4+7文献标识码： A 文章编号：
1 阶梯电价改革的执行
但具体实施时则需要可靠的低压集抄系统进行保证，由主站将阶梯电价标准传输给各区集中器，集中器则负责将其转发给各居民电表，居民电表则根据阶梯电价标准进行计价。整个过程的关键环节包括通信技术、通信协议、智能电表和集中器。
1． 1 通信技术
通信技术是实现低压集抄系统的关键，目前主流使用的是低压电力线载波通信方式，因为其低压电力线复用，易施工，后期运行费用低，且综合成本低，即使低压电力线本身存在组网结构复杂，线路干扰噪声强、阻抗变化大和信号衰减大等缺陷，但只要选择合理的载波通信方式，如当前运用的过零同步发送技术、扩频通信技术和数字调频技术等，合理结合后即可保证有效及时的数据传输，点对点通信距离最远也可达2 km，避免了路由管理复杂造成的总通信时间过长。
1． 2 通信协议
电表与手持单元( HHU) 或其它数据终端设备进行点对点的或一主多从数据交换时所规定的通信协议，即应用层协议。需要包含读取/修改电表内记录的阶梯电价标准功能，从而由主站控制居民电表执行的阶梯电价标准，避免人为修改电表内阶梯电价标准，需要包含阀控功能，为主站提供阀控的方法。主站与集中器通信的协议也需具备相应内容。
1． 3 智能电表
智能电表需保证用电量的准确计量，并支持不同阶梯电价标准的记录和切换，以适应阶梯电价标准的调整，保障居民电价平稳; 具备按当前阶梯电价计算当前消费电价功能，以供提醒居民合理规划用电; 具备阀控功能，以供主站警示处理不合理用电和非法用电。
1． 4 集中器
集中器负责采集并存储每日某区内居民用电情况，同样需支持不同阶梯电价标准的记录和切换，从而可以及时发现居民不合理用电情况，及时报警反馈给主站，由主站决定下一步动作。准确统计某区用电情况和线损情况，为阶梯电价标准的制定提供最有利的依据。
2 低压集抄系统建设情况
某地区供电局建设的低压集抄系统选用低压电力线载波方式，由于该供电局过去没有较成熟的集抄系统建设的经验，初期建设规模为20个区域，4169户，并在全部安装日结束，经测试，系统运行安全正常。
2． 1 系统功能
集抄系统要求具备以下功能:
(1) 应能实现远程抄读电能表的“日冻结电量”，且抄读成功率能达到95%的标准，在实际建设阶段应该按100%的成功率要求;
(2) 应能实现远程阀控电能表的功能;
(3) 应能实现每日早上8 点之前对某区用户用电量进行统计，对某区用电情况进行分析。
2．2 系统建设成效
自该项目建设完成以来，对促进用电网络的高质量管理发挥了重要作用，也对阶梯电价改革的推广奠定了坚实基础。其成效主要表现在以下几个方面:
(1) 实现了居民用电信息及时掌握。智能电表支持定时冻结电量功能，结合集抄系统定时抄表，保证了抄表时间的统一并提高了抄表质量，从而解决了传统人工抄表工作效率低、漏抄、误抄和估抄等问题，还可避免因抄表人员同用电户合伙作弊，少抄电量而给供电企业带来损失的弊端。供电企业第一时间获得居民每日用电情况，既能准确把握普遍居民用电量、居民用电和工商用电比例情况等，为阶梯电价标准中电量分档的制定提供最有利的依据，同时可对明显浪费用电的用户给予警告或停电。
(2)实现某区用电信息分析。低压电力线载波通信方式可准确区分某区用户是接在A/B /C 三相的哪一相上，集抄系统既可得到某区负荷的各相统计数据，并能依此调整某区负荷情况以实现三相用电更加合理; 目前集抄系统中的集中器将原数据终端、某区考核表等终端功能集为一体，并且具备广播校时功能，统一了某区总表和居民用户表的抄表时间，减少了某区总表和居民用户表抄表的时间差，就可实现准确的线损考核，一方面为用电检查人员对线损排查更有针对性，从而减少因窃电等原因带来的损失，同时为阶梯电价标准中各档电价的制定提供最有利的依据。
3 结束语
阶梯电价的改革，体现了资源性产品价格的市场化改革的方向，体现了节能减排的总体要求和根据收入分配适当调控的总体原则，其实质就是利用价格杠杆，通过经济手段，调节电力需求。但其顺利推广需要低压集抄系统的可靠运行作为基础，因为抄、核、收等环节的人为因素，不能完全杜绝人情电、关系电、权利电。
参考文献
［1］刘树杰，杨娟． 阶梯电价保基本抑奢侈———一种基于政策目标与理论基础的解读［J］． 中国电力企业管理，2010( 27)
［2］林伯强． 争议阶梯电价［J］． 中国电力企业管理，2010(27) ．
关键词：嵌入式；Web服务器；动态Web技术
Web作为一种Intel应用服务层，目前已经成为人们生活和工作中必不可少的一部分。将嵌入式技术和Web技术融合起来，实现嵌入式Web服务，形成远程控制和管理智能化嵌入设备，构建起远程控制和管理嵌入式设备。嵌入式Web技术具备良好的用户界面，具备较强的远程交互能力。嵌入式系统具备其自身的系统特色，传统的Web服务器上通过各种协议实现数据交换。本文针对嵌入式Web服务器中的动态Web技术进行研究，以期能够减少Web服务器的开发难度，并提高服务器的性能。
1 动态Web技术以及Web服务器概述
近年来，随着Web技术不断提高，新型的动态Web技术的出现，使得Web技术在嵌入式Web服务器中应用更加普遍。浏览器和服务器之间存在着很强的交互性，需要采用各种服务器端技术动态来生成Web网页。传统的Web服务器技术有SSI、JSP、ASP、CGI以及PHP技术。但是大多数的解决Web服务器难点方案都是针对某种语言，或者依赖于某种特定的操作系统和软件作为基础。如JSP、ASP和PHP技术都需要相应的语言支持，而对于嵌入式的Web服务器都需要考虑到编程语言的限制和资源的有限性。
嵌入式Web服务器指Web服务器嵌入到控制设备和现场测试之中，依靠相应的硬件和软件构成的平台系统将嵌入式转变为网络协议来实现网络通信。嵌入式Web服务器是以HTTP协议为基础的网络通信形式和通信协议，其接入网络之后用户通过浏览器界面来进行数据交互。Web服务器必须具备独立的平台，因此在某种程度上来看，Web动态技术在Web服务器上使用将会降低软件的开发难度，使得通信系统和软件系统的维护和设计工作变得更加容易。
2 嵌入式Web服务器的硬件架构
2.1 软件服务器构架
嵌入式Web服务器主要需要解决的问题就是通过Intel网络实现远程访问和控制，因此嵌入式的设备之中必须要有网络协议支撑。通常使用TCP/IP协议来实现通信和数据交互。嵌入式服务器系统需要一些基本的网络功能，网络通信协议也应该减去一些使用不到的功能，以节省嵌入式的有限资源。
2.2 精简TCP/IP协议
嵌入式Web服务器中的TCP/IP协议应适当精简，以满足Web服务器的网络数据交互需求。精简的Web服务器网络通信协议包括TCP、IP、ICMP以及ARP四种协议模式。其中ARP协议模式实现过程则是系统收到ARP协议的请求之后，ARP协议报文中的目标机和本地IP和物理地址进行交换，并将EWS的物理地址写成ARP应答报文实现数据交换。
2.3 HTTP协议
HTTP引擎主要是以Web服务器作为核心，HTTP也是浏览器和Web服务器通信协议。因此HTTP协议规定了服务器和Web之间数据和信息交换的格式，通过这种特殊的格式实现消息发送和报文应答。
2.4 TCP/IP协议实现
TCP/IP协议主要是连接可靠字节流服务，建立起数据连接和关闭的工作系统，确保TCP协议数据传输的稳定性和可靠性。数据传输之前，必须与数据传输源之间组成连接通道。数据的接收端也应对接收到的报出判断，凡是未经判断的报文均会被认为会出错。嵌入式Web服务器在本地打开一个监听端口，监测到远程用户系统，并使用TCP协议连接，当系统确认发送报文之后建立起TCP连接，然后实现服务器和Web网页之间的数据交换。
3 嵌入式动态Web技术的实现
在嵌入式设备之中加入Web服务器并实现Web功能，因为Web服务器的资源和处理能力有限，要求通过Web技术来构建Web服务器精简系统。嵌入式的动态Web生成模块需使用一种方法来处理Web服务器，以增强Web服务器的功能。嵌入式动态Web技术在网页中穿插动态数据，并将其用于控制和信息，实现用户和嵌入式设备间相互交互。Web服务器精简模块由CGI实现，扩展的CGI则是在HTTP服务器和嵌入式应用。每个客户端需要发送URL请求来和Web服务器之间实现数据交互，实现对设备参数的控制和读取。
嵌入式Web服务器的文件系统是Web服务器必不可少的组成部分，但为了实现Web页面的生成，网页的内容采用文件形式进行组织。扩展的CGI设计中，需要用到HTML模块，在网页生成过程中还可能涉及到图片信息。嵌入式Web服务器设计时，需要有一个文件系统，改系统主要用于存储生成的网页其他信息。完成一个文件系统使用HTML模块使用嵌入式Web服务器提供相应的文件系统服务，同时实现对数据库文件管理。
4结束语
嵌入式Web服务器的动态解决Web技术难点方案，在嵌入式服务器中扩展CGI，扩展的设计用于嵌入式Web服务器，并且结合CGI和HTTP技术等优势解决维护性差的问题。随着信息技术不断发展，嵌入式Web服务器动态Web技术的应用越来越广泛，但是在使用过程中如何提升动态技术的开发和维护质量已经成为了当前的研究重点。
参考文献：
[1]潘琢金，王秋实. 嵌入式Web服务器中动态Web技术的研究[J]. 计算机工程与设计，2010，18：3975-3978.
关键词移动通信；实践教学；实验室建设
前言
通信技术，尤其是移动通信，在近几年发展得非常迅速，其应用也越来越广泛。随着社会的发展，移动通信已经由一门新兴的实用技术成为一门成熟的学科。由于市场对移动通信人才的大量需求，也使得众多高校都开设了移动通信的相关课程，大批量的实验设备在高校中投入使用，让学生能够从实践中了解移动通信。但是目前移动通信人才的发展还没有跟上实际发展的步伐，主要原因在于学校的理论教学与社会实际的岗位需求存在一定的差距。因此，如何根据学校自身条件建设移动通信实验室，成为众多高校越来越重要的研究课题。市场上有众多的实验教学设备，如何合理利用这些设备，建设一个真实系统的移动通信网络，让学生能够真实了解移动通信的整个过程，尽量缩小与实际工作的差距，是本文将要探讨的主要内容。
1移动通信实验室建设现状
对于目前大部分学校来说，实验箱依然是建设移动通信实验室的首要选择。这些实验箱能够对移动通信课程中的调制解调、扩频解扩等原理进行一个模拟仿真，帮助学生了解基础的原理知识。但是这类的实践教学存在很大的局限性，学生无法将真实的移动通信系统与所做的实验仿真结合，无法真实理解移动通信过程，并且这种培养方案与实际工作岗位对人才的要求相差比较大。移动通信技术专业要求掌握移动通信技术的基础理论和专业技能，毕业后能够从事通信设备安装、调试、管理与维护，移动基站设备的研发等等。并且根据高校培养方向的不同，学生的就业方向也有不同。图1展示的是目前通信人才市场上两大类就业方向。第一种为研究型人才，这类岗位需要对移动通信系统具有深刻的理解，对移动通信行业相关产品能够有独到的理解并能加以改进；第二种是工程应用型人才，这种岗位主要是要求对目前市场上现存的通信产品能够了解应用，解决产品在使用过程中的问题。在实际的市场需求情况中，工程应用型人才的岗位数量要比研发型岗位多很多。
2移动通信实验室建设现状分析
学校的实践教学水平，直接影响了学生的培养质量，从而影响了学生的就业。对于学校来言，这是很大的问题。对于市场而言，人才的稀缺，也影响了通信行业的发展。因此，学校的实践教学方案和思路应该与市场人才培养的方向相匹配，培养出与市场需求相契合的专业型人才。从图1分析的通信工程类专业就业方向来看，学校在移动通信的课程实践教学方面应该采用基础实验教学与实训教学相结合的思路。从当前众多高校的实验建设情况来看，主要采用的是以下几种方案和思路：移动通信实验箱、用几台实验箱搭建一个模拟的移动通信架构、采用大型商业设备以及采用移动通信协议分析仪或路测分析系统对移动通信原理以及网络优化进行理解和实训。2.1采用基础实验箱来建设移动通信实验箱对于大多数高校来说，是一个基础类的实验室。不管是本科类院校还是职业类院校，这类型的实验室都必须要建，因为对于学生来说，单纯的移动通信课程理论知识学习，他们很难理解，这就需要基础的实验来做支撑。通过做实验，让学生了解实际电路的搭建、系统的构成，真真实实看到信号的调制解调，从而加深对理论知识的理解。但这种实践教学也仅仅是让学生了解学习底层原理知识，不能展现移动通信现网的真实数据、业务流程以及系统原理，这种培养方案培养的学生难以与社会岗位需求对接。2.2采用实验箱搭建移动通信系统随着教学仪器行业的发展，在移动通信这块，有部分厂家提供了这样一种方案。结合移动通信实验箱，加上自主研发的小型基站和移动交换中心，搭建一个真实的移动通信网络。这种建设方案相比于基础实验箱的方案，增加了系统网络结构的展示，学生既能够通过基础的实验箱来熟悉理解理论知识，又可以通过模拟的移动通信网络来了解移动通信系统的架构，对学生来讲，就不再是纸上谈兵了。但深入了解之后发现，这种模拟的移动通信系统仅仅只是拼凑了一个系统的结构，它与真正的移动通信系统相差很大，学生通过这样的实验设备学习的知识会让其对真实生活中的网络产生误解，对以后就业很不利。2.3利用大型商业设备建设移动通信实训室随着通信行业的发展，部分高校也开始着眼于真实的商用设备。华为、烽火、中兴等通信设备公司都是三大运营商的直接供货商，他们生产的设备都是用于真实的网络系统搭建。因此，部分高校采用这种大型的商用3G、4G设备，在学校内部搭建一个真实的、独立于大网的3G网络。部署这样一个真实的通信网络系统能让学生接触到实际的系统网络设备，还可以完成一些实际业务以及系统配置。学生可以通过这种设备了解一些工程实训的内容。但是这种商业设备封闭性很强，外在的借口较少，开放性不够，学生不能达到有效的硬件及系统搭接方面的训练，只能熟悉设备的操作。而且这些商用设备都价格昂贵，学校需求资金投入量非常大，经费难以控制。因此，这种大型商业设备建设的移动通信实训室也不能符合众多高校实验室建设的需求。2.4采用移动通信协议分析仪或路测分析系统目前移动、联通、电信三大运营网络非常成熟，这也正是以后学生工作所要面对的。因此，在进行实训的时候，需要对真实的网络系统进行分析。采用路测及协议分析的方法，抓取手机与基站通信的整个通信过程及其底层数据，并对其进行解析，研究它的工作原理和过程。学校可以通过这种方式来对学生进行很好地训练，让学生可以对移动通信系统的底层协议、信令、流程以及网络架构等方面进行深入的观察和分析。学生一直学习的是真实实际的通信网络，在以后实际的工作中，无论是进行网络建设、还是进行网络优化，或者是在技术开发中进行与协议栈有关的开发或增值应用，都会有一个很好的基础。
3移动通信实验室建设目标
移动通信是一门实践性很强的专业课程。从事移动通信行业的学生，不仅需要较高的理论知识，还需要较高的实践能力。因此在教授这门课程时，除了培养学生移动通信基本的理论知识，更重要的是培养学生移动网络规划、优化设备的实践能力，为今后从事相应的岗位工作做好准备。从教材编排方面可以看出，移动通信分为两大部分，即基础理论部分和系统原理部分。针对这两个部分，应该采用不同的实验及训练方案。基础理论部分可以通过实验箱完成一些基础实验来加强理解，系统原理部分则需要通过实训来让学生了解系统的架构、相关的接口以及一些基本的流程、重要的参数等等。图2展示了移动通信实验室建设方面的一个总体思路。整个移动通信实验室的建设可以有以下几部分组成：（1）基础实验箱。主要用来学生平时的实验，帮助学生加强对理论知识点的了解。部分教仪厂家还研发了对应的虚拟仿真软件，将实验箱搬到了电脑上，学生可以随时随地打开仿真软件来进行实验。（2）实训网络。建设一个真实的实训网络，能够让学生了解移动通信中的终端技术、空口无线接口技术、核心网技术等理论知识，学习如何分配无线频谱资源，了解影响各种网络融合的因素等等，让学生对移动通信技术体系有真实直观的认知。（3）协议分析仪。用协议分析仪能让学生能真正观察和捕捉空中的数据码流进行细致的分段并解析，让学生对基站、手机甚至是移动交换中心的相关工作过程以及网络中各个设备的交互均可以从进行较为深入的观测和分析，这对学生以后从事网络建设、网络优化等相关工作有很大帮助。
4结束语
通信行业的快速持续发展，对通信人才提出了更加专业的需求。高校在培养模式这块，要加强对实践教学的把握。建立一个系统、完整地展示移动通信底层理论知识的移动通信实验室，是培养移动通信专业合格人才的保障。本文从多个方面分析了现有的实验室建设存在的问题和不足，最后提出了一个相对完善的建设方案，从分析来看，这种方案比较合适现在的人才需求。
参考文献
[1]江敏,黄祎.中国3G现状与高职通信专业就业前景分析.中国电力教育,2012:133-134.
[2]李永江.高职院校通信专业就业岗位能力培养分析.商情,2013:282-282.
[3]杜建凤.浅析未来移动通信发展方向.中国电信建设,2003(8).
[4]冯德尹.3G移动通信实验室建设初探.计算机光盘软件与应用,2014(12).
【关键词】智能建筑；IT技术；社会环境
自1984 年在美国出现第一幢智能建筑以来，智能建筑就受到了世界各国的广泛关注和大力提倡，并在世界各地建造了大量的智能建筑。我国的智能建筑从80年代中期开始起步，目前发展非常迅速，从一般的商住楼到旅游文化设施，从行政大楼到金融贸易建筑，从机场车站到港口仓储，从医院学校到科研开发的建筑，几乎到处都有智能建筑的身影。
一、智能建筑特点
由于智能建筑的“智能”特性是以IT技术和计算机技术为基础的，因而它们的发展直接决定了智能建筑的发展，因而可将智能建筑的发展分为如下四个阶段：（1）单功能系统：上世纪80年代初期，随着计算机控制技术在建筑设备自控领域的应用，出现了以通用型控制器为基础的直接数字控制系统。并逐渐形成了以闭路电视监控、火灾自动报警、空调设备监控等系统为代表的“孤立系统”。在这种控制系统中，由于控制器只需调整相应控制参数即可应用于不同系统，因而这些设备是通用的、可互换的。（2）多功能系统：上世纪90年代中期，随着信息技术以及微电子技术的发展，出现了以微控制器(MCU，Micro Controller Unit)为核心的专用控制器(ASC，Application Specific Controller)。这种控制器一般都是根据具体应用进行定制的，也就是只能完成特定的功能。相比较单功能系统，这些控制器具有通信功能，并通过现场总线或网络进行互联，实现了各专用控制器间的信息共享以及一定程度上的管理功能。由于其专用特点，逐渐形成了以综合保安系统（电视监控、防盗报警、门禁、电子巡更）、建筑设备设备自控系统、火灾自动报警与控制系统、有线电视、通信系统等为中心的建筑应用子系统。（3）集成系统：上世纪90年代末期，互联网的风靡给人们带来了思想上的变革。以往的“孤立系统”已经不能满足人们日益增长的物质文化需求，因此，控制现场通信协议由专有型向开放型转变。在这场没有硝烟的角逐中，目前在智能建筑领域只有BACnet和LonWorks成为公认的两大开放性标准。由于所有的现场总线通信协议或标准在制订之初都是以面向现场设备为目标的，而不是面向企业应用集成，因而造成建筑设备管理系统不能很好地与物业信息管理系统互联和信息共享。（4）集成管理智能化系统：系统集成工作以计算机网络为核心，实现整个智能建筑系统的系统化、集成化与智能化运行和管理。从集成上看，智能建筑已经从基于单机应用发展到基于网络的协同应用，特别是基于Internet和Intranet网络集成的应用。从信息处理上来看，已经从简单的状态信息组合和基于监控的处理，发展到基于内容的处理和融合，以及基于虚拟现实与多媒体技术的人机接口。
根据IT技术的发展进行的阶段划分，在智能建筑业界还有另外一种划分方式――以建筑的智能化程度为中心进行的划分。按照这种方式将建筑智能化系统的发展分为以下四个阶段：（1）3A 阶段，包括建筑设备自动化(BA)、办公自动化(OA)、通信自动化(CA)；（2）5A及多子系统阶段，此阶段中除了上述的3A外，还包括了安防自动化(SA)、消防报警自动化(FA)、停车场管理、一卡通、机房工程等多个子系统；（3）子系统集成阶段；（4）数字化阶段。以上两种划分方式都具有代表性，不同之处在于看待“智能化”的角度，前者以技术为主线，后者则以形式为参考。无论从哪种角度划分智能建筑的发展阶段，不可否认的是，智能建筑始终朝着以信息共享和高度智能化为目的的方向发展。
二、结语
智能建筑所具有的各个子系统及其实现技术的内在联系。好比人体各个器官相互协调工作一样，智能建筑中的各个子系统被颇像大脑一样的集成控制系统调度。智能建筑通过建筑设备自控网络将众多分布在智能建筑中具有网络通信功能的建筑设备监控系统联系起来，使之具有数据共享(Data-Sharing)和互操作(interoperability)功能。由此得出，实现智能建筑的基础非建筑设备自控网络(Building Automation and Control Networks)莫属。
参考文献
[1]谢社初．《建筑智能技术》．北京：中国建筑工业出版社，2003
1 bacnet网络体系结构和控制器功能分析
1.1 bacnet网络体系结构
bacnet建立在包含四个层次的简化分层体系结构上。这四层相当于osi模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层。bacnet标准定义自已的应用层和简单的网络层,对于其数据链路层和层,提供了五种选择方案,在附件j-bacnet/ip中加入了对ip的支持。
图1是bacnet/ip网络体系结构层次图。bacnet没有对应于osi的第四、五、六层,也就是说,bacnet没有传输层、会话层和表示层。bacnet网络层屏蔽了底层采用的网络技术的差异。
1.2 bacnet控制器的功能分析
在一个bacnet控制网络中,一个bacnet控制器通常和多个控制设备直接相连,负责监控这些设备的运行。概括起来说,bacnet控制器应该具有三个方面的功能。①通信功能。bacnet控制器是一个网络控制器,所以它必须能够发送和接收bacnet报文,和其它bacnet设备进行通信。②监视功能。bacnet控制器要监视与它直接相连的控制设备的状态。这样,它就要提供数据结构来描述这种状态。在bacnet协议中,描述这些状态是用bacnet对象。bacnet协议提供了42个标准对象。③控制功能。bacnet控制器要控制与它相边听设备的运行,不仅要使这些设备之间具有互动能力,而且要使这些设备和系统的远程设备能够互动,所以在bacnet控制器中应该有逻辑控制模块来实现这一功能。值得注意的是,不同时间、不同地点,bacnet控制器中的控制逻辑可能是不同的,因而在bacnet控制器中要提供改变控制流程的工具。这种工具最好是图形界面的,以方便用户使用。
图1 bacnet体系结构层次图
2 基于嵌入式linux开发软件的可行性
①linux是一个和unix相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。在开发过程中,可以根据实际需要,通过内核构筑工具对linux内核功能进行裁减,做成体积很小的嵌入式操作系统,可使其达到500kb或更小的规模。
②在实时性应用方面,通用的linux在强实时性应用方面存在欠缺。linux调度程序原来主要是针对台式计算机操作系统。重点考虑的是在应用程序的吞吐量上,即采用了一种“公平共享”的策略保证所有进程得到平均的cpu时间。在楼宇控制设备这种弱实时性应用中,如果采用先进的内核机制、进程调度算法和较小粒度的系统时间(10ms),是可以满足弱实时应用要求的,因此,linux可用于楼宇自动化系统。
③linux是源代码开放的操作系统,可以很容易得到内核的接口和源码,我们可以把bacnet的协议实现集成到内核中去。
④linux是自由软件。在gnu gpl许可证协议下,可以自由使用、修改和,所以采用嵌入式linux可以降低bacnet控制器的成本。
3 bacnet控制器软件的实现
3.1 bacnet控制器软件的体系结构
基于bacnet协议的体系结构和上面对bacnet控制器功能的分析,可以得出bacnet控制器软件包括以下几个模块:bacnet协议栈、bacnet对象和服务、底层驱动模块、应用控制逻辑模块和控制配置模块。
对linux内核中不必要的模块加以裁减,并把bacnet控制器的一些模块嵌入到linux内核,最终的开发体系结构如图2所示。
3.2 bacnet协议栈的实现
bacnet协议栈报文的封装流程如图3所示。
bacnet协议的分层体系结构支持多种底层通信协议。bacnet的网络层功能则对不同层和链路层的抽象,其原理与tcp/ip的ip层相。在bacnet应用层,定义了标准的对象和服务,以实现不同厂家的bacnet产品的互连。因此,从bacnet体系结构的各层协议内容来看,bacnet的体系结构呈“哑铃状”,最低层包容不同的通信协议,最高层承接多样的“实体”和应用。
在bacnet协议中,bacnet网络层是相对稳定的部分,也是bacnet协议的核心,应放入内核之中。其应用程序接口(api)应以系统调用(sys-call)的方式提供。这种构成方式不仅可以在内核内部高效实现对bacnet网络层的处理,而且对外挂模块还提供简洁和高效的调用方式,使外挂模块代码紧凑。对于bacnet的低层协议和应用层则应放在内核之外,以模块的方式外挂或为系统程序。在本开发过程中,将低层协议以原代码的形式编译在内核中。原因是,对于具体的应用,低层协议通常是固定的,即一旦某个设备接入一种网络系统,该设备的低层通信协议就不会改变,从而形成一个类别的楼宇设备自动化产品。
3.3 bacnet对象和服务的实现
bacnet对象是驻留在bacnet设备中的数据结构,提供到一个楼宇自控设备的“网络可见”部分的抽象描述。每个对象都有一组属性,描述对象的特片和结构。bacnet对象按其功能可分为两类。一类是采集数据的对象,如模拟输入/输出对象。这类对象需要访问设备硬件,对象实现会根据不同设备硬件而变化,因此如果硬件发生变化,就要重写驱动程序。另一类对象是在采集的数据基础上完成复杂功能,如环对象以及其它实现报警事件功能的对象。这类对象不需访问硬件。每一种bacnet控制器需要对已实现的对象进行配置。
bacnet服务提供了用于访问和操作设备中bacnet对象的命令,并定义了这些命令的格式和内容(即服务原语)。banet根据设备功能将不同服务分组得到7个部分:数据共享、报警和事件管理、时间表、趋势记录、设备管理、网络管理、虚拟终端。
bacnet所定义的通信设备一致遵守的编码规则是asn.1。bacnet对象和服务原语都通过asn.1进行编码,因此对象和服务实现的核心是bacnet编/解码器和bacnet标准数据类型、对象和服务原语的抽象数据类型。
对于bacnet对象的处理必须放在内核之外。原因是:不同bacnet控制器具有不同的bacnet对象集合,且bacnet对象类型较多。这就要求嵌入式系统具对bacnet对象进行灵活的配置方式。实现这种灵活配置的方法仍需要采用linux常用的抽象方法,将不同的具体bacnet对象进行抽象,形成“虚拟bacnet对象”的概念。此处是“虚拟对象”不同于面向对象程序设计语言中的“虚拟对象”。这两个概念不同的。前者是相对bacnet协议中定义的具体对象而言,其作用是管理bacnet协议中定义的具体bacnet对象,是内核提供配置和操作具体bacnet对象的接口,相当于linux内核中的“虚拟文件系统”等。
3.4 驱动程序的实现
bacnet支持多种底层通信协议。在bacnet控制器中,必须为这些通信协议编写驱动程序,同时在bacnet控制器中还要为一些数据采集卡之 类的设备写驱动程序。linux操作系统下的驱动程序,是以模块的形式存在的,能够被动态地加载。对于不同的底层结构,可以灵活地加载不同的驱动程序。
开发设备驱动程序必须对内核有严格要求,其主要内容是根据内核的file_operations数据结构开发相应的设备操作函数,并填写数据结构。如果设备具有中断功能,则需要开发中断处理函数并安装中断函数。file_operations的数据结构,内核版本不同时,其结构可能不同,可以相看linux/fs.h头文件以确定具体的结构。在file_operations的众多函数指针成员中,通常只需实现reax、write、open和release即可;ioctl可以根据需要加以实现,以增强对设备的控制和管理功能。
3.5 bacnet控制器应用层实现
应用逻辑层是建立在嵌入式操作系统之上的具体应用。根据bacnet协议中定义了3个级别的bacnet控制器——楼宇控制器、高级应用控制器和应用控制器、实现不同类别bacnet设备规定的互操作域(interoperationarea)。这样,就可以在应用逻辑层中实现协议规定的5个互操作域。这种方式不仅使协议的互操作域开发简单,而且使互操作域的开发具有可管理性。
这5个操作域是:数据共享、报警和事件管理、时序安排、趋势记录及设备和网络管理。
①数据共享功能包括数据的文档存储、数据的表示、监测对象、设备点和参数修改。bacnet控制器要将本地采集的数据传送到操作员工作站上进行存储,主要是那些需要查看记录的值,如模拟输入/模拟输出当前值属性等等。对于数据更新的时间间隔,快速采样时,用1~5s;对于慢速过程,如空间温度监测,采用30~60s间隔。当控制器收到了writeproperty/writepropertymultiple,服务,要求控制器重新设置端点和修改参数时,就调用本地方法,修改某些对象的属性值。
②报警和事件管理支持预定值改变报告、值改变通告和事件通知。当控制器某一个对象的属性值发生改变时,它就向预定这一服务的设备发送值改变通告服务。告诉接收者这一变化。控制器发送一个事件通告服务,通知远程设备有一个事件发生。控制器还要支持响应getalarmsummary,通告报警状态和事件。
③时序安排。控制器支持响应用来修改设备的calendar、shedular对象的writeproperty服务请求,接收到该服务后,修改控制器的时序表。
④趋势记录。支持响应用来修改trendlog对象属性的writeproperty服务,接收该服务后,修改登陆的数据点、采样速度、间隔。
⑤设备和网络管理。该操作域支持device communicationcontrol服务,操作员可以通过该服务禁止控制器;同时,该操作域还支持响应timesynchronization和utctimesynchronization服务,保证时间同步;支持响应atomicreadfile服务,允许远程读取/修改控制器的配置文件,允许通过网络备份来恢复被配置。
摘要：本文介绍了一些常见的误用密码协议的例子，进而探讨了信息安全专业密码学教学中的一些可行性方法。
关键词：信息系统；密码；协议；教学
中图分类号：G642
文献标识码：B
1简介
由于使用了数学中的有限域和数论理论，因此密码学课程一直被视为是非常数学的。诚然，数学基础对现代密码方案设计和算法理解是至关重要的，但是对于密码系统开发和评估人员来说，一般不需要考虑底层的密码算法，而是需要分析高层密码协议(如密钥分配协议，身份认证协议)的安全性。因此，过分强调数学在密码学中的作用而忽视一般密码知识的重要性，就导致出现了很多有缺陷的密码系统，而这些缺陷一般都不是因为底层密码算法的瑕疵而引起的。故此，如何使信息安全的思想和方法更有效地被系统开发者理解，引起了国内外政府、大学、科研机构的高度关注。我国于本世纪初在一些大学先后开设了信息安全专业，但是如何将密码学从纯粹数学研究或者科学研究领域转变为非数学和科研工作者应用的开发工具，是一个严峻的挑战，而分析和总结非数学专业密码学课程的教学是一项有意义的工作。
2一些例子
本节介绍一些有缺陷的密码系统，从中可以看出缺乏对必要的密码协议的理解将带来的安全隐患。
2.1商场支付卡系统
商家的支付可系统通常用一个PIN码簿加密客户的PIN码。由于系统的敏感性，PIN码簿应周期性地更新。而在早先的装置中，这些系统使用主密钥管理系统，这就需要信用卡认证主机定期下载一个新的会话密钥充当PIN码簿。但不幸的是，商家终端和信用卡认证主机之间通信协议的设计者没有意识到这个问题，在通信协议中不提供对更新会话密钥的下载，因此大多数情况下，会话密钥没有更新。
2.2IBM 4758处理器
一些银行的ATM机利用了IBM 4758密码处理器，但在执行库设计上存在着一个缺陷，这就使得某个心怀叵测的银行职员可以获得设备使用的密钥。
2.3等价保密
为了达到与有线通信等价的保密性，无线通信协议标准IEEE 802.11b利用RC4密码算法实现加密。而为了防止RC4密码算法被破解，密钥不能重复使用，但在IEEE 802.11b标准中并未提及这点，因此在许多依据此标准构造的安全体系中，密钥可以重复使用，导致系统很容易受到攻击。
2.4Microsoft护照
Microsoft Passport系统主要是为了提供.NET服务而引入的，使用的协议是Kerberos协议的一个变体。Passport不需要每个用户拥有一个私钥，这样用户的认证就得不到保证，攻击者就可以通过其他方式获取Passport，而在线商家并不能检验出来。
3一个概念
大多数学生会认为密码系统就是那些密码算法。实际上密码系统还有两个重要的组成部分：一个是密钥管理，定义密钥的选择和交换；另一个是密码使用，定义数据保密策略。
上节例子可以看出，缺陷的产生源于对密钥的选择或密码使用不当，而不是因为没有很好地理解有限域和数论理论。事实上，如果缺乏相应的数学基础，真正能够攻击底层密码算法的攻击者很少，大量的安全问题出自于对密码不恰当的使用和对密钥管理的疏忽。因此，对于信息安全专业的学生，密码学课程的重点应该集中在基于密码算法之上的信息安全系统的理解，强调密码管理和应用方面的理解和技术实现。
4课程要点
密码课程内容从密码基本原理与信息系统相结合进行选材，包含对有缺陷系统的剖析。在实验中，尽可能将一些开发密码系统的工具介绍给学生，使学生在解决问题中体会密码系统可能产生的问题。从而强化学生对密码基本原理的理解以及对密码管理和应用的思考。
针对学生在工程设计中可能出现的问题，集中讨论以下问题：
1) 理解密码算法的基本要求以及不同算法相互之间的关系。如讨论RC4密码算法为什么要求使用不可重复的随机密钥。讨论DES的不同操作模式应用场景。
2) 讨论密钥更新的时间和方法。
3) 检查所有协议是否存在中间人攻击方法。了解防止该攻击的消息认证方法。
4) 检验所有协议是否存在重放攻击，了解防止该攻击的时间戳和会话密钥分配方法。
5) 理解信息泄露攻击。不经意的设计会引起信息泄露。一些协议和API库函数都有自己特定的使用方法和范围，应慎重使用。例如诊断请求只需报告系统的正常状态，而不需要提供系统中处于密码保护的信息
6) 新的研究成果的介绍。如新发现的系统缺陷和攻击(防御)技术。
7) 关注信息安全领域的发展，扩展密码原理和技术的应用范围。
5自由选择
学生对于课程的兴趣点会有所不同，有的学生喜欢编写程序，而有些学生对项目管理感兴趣。为了更好的理解密码学原理和应用，以及满足对大部分学生的教学要求，适当给学生布置一些交叉作业，并以相应的难度计分，充分调动学生学习的主动性和积极性。通常给学生一定的自由度，学生可以根据其兴趣和能力选择合适的作业完成。对于在某一方面突出的学生，给他发挥自己特长的条件，引导其了解一些关键的密码系统的设计思想，或者推荐一些研究文献扩展知识面。见下表。
6教材选择
鉴于在教学中的实践和体会，我们选择清华大学出版的《现代密码学》作为学生学习密码基础的主要教程，该教材较简练地给出了密码学中基本原理，相比其他教程，较容易理解，适合非数学专业的学生学习，但对密码应用和安全协议的讨论不足。为此，Wenbo Mao著的《现代密码学理论与实践》可以弥补其不足，该书着重强调了应用密码学研究与开发的原则，可以根据学生的知识结构选择适当的素材开展实验和讨论。
7教学实践
教学实践中，对信息安全专业的大学低年级学生而言，建立信息系统安全的整体概念，了解安全需求，分析安全隐患对于密码学学习尤为重要。主要体现在两方面：一方面，许多密码安全协议后来证明是不安全的。另一方面，密码误用可能出现第二节分析的系统问题。因此，在教学中以密码协议和密码应用为核心开展教学，将密码学基本原理渗透其中，可以得到不错的教学效果。针对具体实际，可以分学期安排教学重点，力求使学生系统而全面的理解、掌握密码学原理和应用。在计算机网路发展日新月异的当今社会，信息安全的价值不可估量，密码学的相关课程的教学应该引起相当的重视。
参考文献
[关键词] 宽带移动数据网； 矿井； 机车无人驾驶系统
矿井机车是煤矿生产运输中的重要工艺设备，长期处于恶劣的生产环境，充斥着害气体及粉尘多，给驾驶矿井机车的工作人员的身体带来了巨大的伤害，而且生产率低下、操作质量落后、劳动强度大。而矿井机车无人驾驶系统的采用可以解放操作工人，提高劳动生产率、降低生产成本、保证生产安全。随着无线数据传输技术、计算机技术、安全保障技术的快速发展，矿井机车无人驾驶系统的研究日益成熟，本文研究重点主要为以宽带移动数据网为基础的矿井机车无人驾驶系统。
一 宽带移动数据网介绍
宽带移动数据网在矿井机车无人驾驶系统的应用，主要根据煤矿矿井的工作环境的特殊性，利用无线宽带移动数据通信网，构建井下移动数据网，将多路视频数据通过跨AP移动接入技术，将机车工作情况反映在总控制室，实现无人的驾驶的功能。无线宽带移动数据通信网，主要是由四个部分组成：
（1）应用软件和程序。该层面由驻留在主机上的软件模块组成，主要是控制无线宽带移动数据网模块的运行。
（2）固件和软件栈。这个层面管理链接的建立，并规定和执行QoS要求。这个层面的功能常常在固件和软件中实现。
（3）基带装置。它负责数据传送所需的数字数据处理，其中包括编码、封包、检错和纠错。基带还定义装置运行的状态，并与主控制器接口（HCI）交互作用。
（4）无线电。无线电链接经D/A（数一模）和A/D（模一数）变换处理的所有输入/输出数据。它接收来自和到达基带的数据，并接收来自和到达天线的模拟信号。
在矿车无人驾驶系统中，为了更好的完成运输工作，保证复杂矿井环境下的无线宽带移动通信网的一系列网络服务质量，必须要提高系统的可靠性。就软件而言，需要提高软件代码的质量，备份关键数据和状态，增加网络冗余协议的支持，提高基本网络协议的冗余特性，以及建立良好的软件系统结构，能够满足不同数据和状态的要求，提供实时和定时的备份；就硬件设备而言，需要在硬件设备关键部件上采用大量的冗余设计方式和降额设计方式。
二 矿井机车无人驾驶系统
1 矿井机车无人驾驶系统现状
变频调速严格来说，主要是为了针对交流的用电设备，以及交流的供电系统。为了改变电动机的转速，使调速目的得以实现，通过对交流电源的频率进行改变。在矿用电机车中所应用的单片机变频调速的途径主要有：交一直一交和交一交直接变频两种途径。其中，交一直交变频主要是将交流整流转换成直流，直流转换成功后再将其逆变转换成交流，在其逆变的过程中，将逆变器的导通频率控制，用来得到不相同的频率的交流电。而交一交变频主要是用于大功率速率低的设备中，这是因为它的变频范围狭窄，且只有工频的40%。在这里，矿用电机车中主要选用的是交一直一交变频途径。主要有两个原因，其一是变频的范围没有受到限制，工频可以达到200%。其二是供电系统具有交一直整流的部分，单相的直流电与三相的交流电相比矿用供电系统要更为方便。将设置好的逆变装置安装在每台电机中，从电网上获得直流电逆变可调频率三相的交流电。直流电动机由简单三相的交流电来替换。通过对电源频率的改变，就可以满足矿用电机车行驶速度得到调动。
在煤矿中矿井机车无人驾驶系统，主要是由无人工操作的全自动驾驶和基于视频监视和远程遥控的半自动驾驶结合。在该系统中，对于机车移动视频监控技术、视频识别技术、无人驾驶机车的控制技术、井下机车精确定位技术、以及信号调度技术要求严格。目前主要的技术瓶颈就是井下流媒体宽带移动通信技术，即在无人驾驶系统中，将摄像机采集的关于机车运作高清视频数据和状态信息，能够实时准确的传送到地面监控中心，然后接受到相关的控制，进行指定的反应。为了完成上述的操作，主要想通过建立覆盖矿井大巷运输轨道沿线的宽带移动数据网而实现，这对网络的实时性以及可靠性提出的新的挑战。而且，应该理性的认识到，就无人驾驶系统而言，我国与国外还有明显的差距，国内公司在已有的地铁无人驾驶和铁路无人驾驶系统的市场方面还未有成熟经验。尤其是适用于复杂的矿井环境的矿车无人驾驶系统还没有。
2 矿井机车无人驾驶系统组成
在无人驾驶中，主要的构成部分分为三部分，为地面监控中心、移动终端一一车载信号机、以及无线基站――固定信号机。
（1）地面监控中心。主要是通过CAN/ETHERNET的网关与固定信号机进行通信，运行上位机程序，实现对井下机车的位置、机车当前运行状态、当前岔道信号灯状态的实施监控，然后根据运作的状态，通过控制岔道信号灯和车载信号机，从来实现智能预警。根据对数据帧的传输方向，可分为发送和接收两种状态，即监控中心将控制命令发送给固定信号机和车载信号机；监控中心接受车载信号机的定时上传信息/固定信号机确认信息。
（2）车载信号机。该部分主要主功能板与显示模块组成，主要是负责机车内信号（车速、电源电压、电池电压、语音报警）等的处理，显示模块负责实时显示机车前方岔道的信号灯状态。
（3）固定信号机。该部分主要是负责给出进路开放与闭锁及运行方向信号，于此同时还可以通过无线射频将车况信息上传给地面中心站，下达控制命令。
三 宽带移动数据网在无人驾驶系统中应用
1 通信协议
在矿井机车无人驾驶系统中，机车之间，以及与控制站之间数据传输主要是采用的TCP/ IP通信协议。在煤矿的运作中，往往矿下工作环境恶劣，需要监控点较多，而且与控制站距离较远。受上述条件的制约，在已构建的宽带移动数据网中，数据发送端与中心接收端在遵循通信协议TCP/ IP的基础上采用自定义格式进行数据传输，保证了通讯过程较好的加密性和数据高压缩性以及数据采集的准确性。
2 无线宽带移动数据网传输技术
近年来，我国对于矿井机车无人驾驶系统的研究，采用无线宽带移动数据网等传输技术，大大的促进了矿井无人驾驶系统的发展。覆盖矿井大巷运输轨道沿线的宽带移动数据网的构建，使得煤矿运作中四大机车之间以及它们和主控室之间的数据通讯的传输得到了有力地保证。采用具有较强抗干扰能力数字信号处理（DSP）技术，先进的基于正副本多冗余校验机制的DFI通信协议，以及先进的点对点、点对多点SCADA电台，大大的提高了现场数据交换及通信的可靠性。使得在数据传输过程中，每辆机车的车地无线通信带宽≥20Mbps；网络丢包率≤1%；最不利情况下端到端通信时延≤1s；避免了视频图像显示出现明显断点、失帧、抖动、马赛克等现象。
总而言之，随着计算机技术、数据传输技术等高科技的开苏发展，我国的矿井机车无人驾驶系统已经取得了可喜的进步。但是我们应该理性的认识到，我国的技术现状与国外先进技术的差异，不骄不躁，为矿井机车无人驾驶系统的进步与完善不懈努力。
[参考文献]
[1] 凌信东，张宝民. KJ15A矿井机车运输监控系统研究及应用[J]. 煤矿现代化，2006年S1期
关键词：高层建筑；电气；智能化；设计
Abstract: on the one hand, because of the introduction of new technology, new material, on the other hand, is because of the growth of the population and the city of further expand the scale of the high-rise building became the current and future in the construction of city mainstream. Relative to the ordinary buildings for, tall buildings have building highly higher, the floor, the floor more with larger area etc. Characteristics. Therefore, the electrical and intelligent design puts forward the new requirements. This paper combines the characteristics of the high-rise building, of a high-rise building electrical and intelligent design a discussion.
Keywords: high building; Electrical; Intelligent; design
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
进入新世纪后，我国的经济社会进一步发展。一方面，是因为新技术新材料的引入，高层建筑物开始如雨后春笋般出现；另一方面，随着人口的增长和城市规模的进一步扩大，向空间要地成为当前城市建设的一大共识。因此，高层建筑成为了当前以及今后城市建设中的主流。然而随着建筑的体型增大，层数增多，高度增加，其对电气以及智能化设计的要求也有了新的变化。总的说来，高层建筑对电气以及智能化设计有着如下几点要求：一是要求负荷的容量大，二是要求其供电的距离足够长，三是要求通讯的距离足够远，最后对资金的投入也要求较高。本文就此对高层建筑电气与智能化设计进行了一个探讨。
一、变电所的设置
高层建筑物的建筑高度较高，尤其是一部分超高层建筑物，其建筑高度已经达到或是超过了250m。变电所的位置的设置，直接影响到了整栋建筑物的用电情况。一般说来，电缆线的电压损耗同电力供应的距离成正比，供电的距离越远，其电压的损耗就越高，最终导致供电接收端的电压同供电端的电压出现巨大的偏差。所以，通常要求的供电半径应该低于200m。同时高层建筑每一层的层面面积也较大，用电的需求度很高。因此，在变电所的设置上，高层建筑一般需要设置两个到两个以上才能够完全满足其用户的用电需求。
根据相关规定的要求，变电所的位置应该处于用电负荷中心附近，所以高层建筑物中的总变电所多被设置在地下层中。这是因为高层建筑物的大量用电设备，例如水泵房、送排风机组、中央空调冷冻机组等，多集中在地下层。同时，分变电机被设置在一些用电负荷相对较低的地方附近，如消防泵、风压机、电梯等，多为高层建筑物的中间避难层或屋顶避难层。
二、供电电压等级
高层建筑的建筑面积较为巨大，部分超高层建筑物的建筑面积甚至达到了十多万平米以上，其用电的负荷容量也是相当巨大，最高可达几兆伏安。而目前我国的大部分城市的高楼变电所大都使用的是传统的供电电压模式，即35/10/0.4kV。然而这种供电模式并不适合高层建筑的供电，一是因为其主接线的结构形式较为复杂，在电力供应的可靠性上存在着一定的问题。二是因为其变电的层次过多，对资金投入的要求较高，经济效果不甚理想。三是因为变电的容量损耗很大，维持运转的资金要求较高。而采用10/0.4kV的供电模式，则需要使用10kV专用线进行电力供应。但是10kV专用线却无法满足高层建筑的电力需求，这是因为其的容量小、供电的范围小、电压损耗大、线路多。由此可见，常用的供电电压模式是无法满足现代化高层建筑的用电需求的。
因此，我国部分省市推出的供电方式——20/0.4kV，一举解决上述两种供电方式带来的种种问题。同35/10/0.4kV相比，20/0.4kV的变电层次以及变电容量损耗都得到了有效的控制和减少，使得投入的成本和运行的成本大幅降低。同时，20/0.4kV还有简化了35/10/0.4kV复杂的主接线形式，使得供电可靠性得到了有效保证。同10/0.4kV供电模式相比，20/0.4kV的供电质量得到了显著提升，电压损耗相比于前者降低了75%。同时，更很好的解决了10/0.4kV容量小、供电的范围小、电压损耗大、线路多等几大缺点。
三、电力智能监控管理系统
高层建筑具有用电负荷大，变电所的数量较多，供电线距离长等特点。因此，整个供电系统具有一定复杂性。而要保证整栋建筑物的供电安全可靠，就需要对其内部的供电系统进行实时监控，及时掌握各个变电所的情况以及线路电压的参数。显然，传统的人工管理、人工监控的方法已经无法满足现代化高层建筑物用电管理的需要。因此，电力智能监控管理系统应运而生。目前，高层建筑物普遍采用的是RS485通信总线。然而传统的RS485在信号的收发上采用的是以“差分电压”为基础的通信模式，这样的模式会因为距离的原因产生衰变，甚至出现信号丢失的现象。因此，高层建筑物中，以“差分电压”基础的通信模式不再适用于RS485通信传输，取代其的是以“差分电压的压差区别”为基础的通信模式。在以“差分电压的压差区别”为基础的通信模式中，信号会因为差分电压的不同，产生不同的衰减，而接收端受到的信号也会有相应的区别。以“差分电压的压差区别”为基础的通信模式在有效减少干扰的同时，增加信号传输距离，保证RS485通信总线的稳定运行。
四、消防水泵的直接启动
《高规》（《高层民用建筑设计防火规范》，简称《高规》）规定，临时高压给水系统的每个消火栓处应设直接启动消防水泵的按钮。在一般建筑中，消防水泵的启动基本采取的是常闭触点串接的方式。然而，这种方式并不适用于高层建筑。因为高层建筑的高度较高、楼层较多、楼层面积较大，因此消火栓的数量也很多。如果使用常闭触点串接的方式，就会因为某处消火栓的误启动，导致整个消防系统和消防水管出现问题，影响到高层建筑内正常办公和生活秩序。同时，这种误操作一旦出现，排查故障起来很困难，会消耗到大量的人力、物力以及时间。因此，在高层建筑中，消火栓的启动方式，应该设计成常开触点并接启泵接线的方式，有效减少因误操作引起的经济损失。
五、设备监控
高层建筑中，各类建筑设备较多且分布在各个楼层之间，传统的人工管理方式耗时耗力，并且效果不佳。因此，设备自动化管理成为高层建筑中一块必不可少的部分。目前，建筑的设备自动化管理最常采用的通信协议为基于BACnet以及LonWorks的BAS。但这种通信协议并不适用于高层建筑，高层建筑应该采用基于TCP/IP协议的BAS。基于TCP/IP协议的BAS通信传输速率高，数据的存储和取用都十分迅速。此外，基于TCP/IP协议的BAS，控制器都是对等的，没有级别之分。因此，一旦某处控制器出现问题，对整个网络的正常使用影响较小。这一点对高度较高、楼层较多、楼层面积较大的高层建筑来说，极为重要。
结语：
随着时代的发展，高层建筑渐渐成为了城市建筑的主流。这种趋势的出现，一方面是因为建筑工艺和建筑技术的进步，另一方面是也人口增长，城市扩张的必要要求。相对于普通的建筑物来说，高层建筑对电气和智能化设计的要求有着诸多不同。在高层建筑实际的电气和智能化设计中，我们要充分考虑到高层建筑物高度较高、楼层较多、楼层面积较大等特点，结合实际情况，完善设计思想，做好设计工作。
参考文献：
1] 常永东.高层建筑电气系统设计与线路安装要点探析[J].中小企业管理与科技,2009,(12):126.
[2] 管清宝.超(限)高层建筑电气与智能化设计探讨[C].//2010年超(限)高层建筑电气设计高峰论坛论文集.2010:62-64.
[3] 王立显.高层建筑电气设计要点分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2011,(33).
[4] 王立显 .高层建筑电气设计要点分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2011,(31).
关键词：构成原理；模型的建立；通信分类；适用范围
Abstract: Wireless data communication in mobile data communication, which is based on the wired data communication. The wired data communication depends on the wired transmission, therefore only suitable for communication between fixed terminal to a computer or computer. While the mobile data communication is to transmit data through the propagation of radio waves, so it is possible to realize the mobile state of mobile communication. Wireless communication between the mobile data communication is a computer or computer and human. It is through the cable data network and Internet, the application of wired data networks is extended to mobile and portable users
Key words: construction principle; model; communication; application
中图分类号：E965 文献标识码：A 文章编号：
一、数据通信的构成原理
1.1数据通信的构成原理DTE是数据终端。数据终端有分组型终端(PT)和非分组型终端(NPT)两大类。分组型终端有计算机、数字、真机、智能用户电报终端、户分组装拆设备、用户分组交换机、专用电话交换机、视图文接入设备、局域网等各种专用终端设备;非分组型终端有个人计算机终端、可视图文终端、用户电报终端等各种专用终端。数据电路由传输信道和数据电路终端设备组成，如果传输信道为模拟信道，DCE常就是调制解调器，它的作用是进行模拟信号和数字信号的转换;如果传输信道为数字信, DCE的作用是实现信号码型与电平的转换，以及线路接续控制等。传输信道除有模拟和数字的区分外，还有有线信道与无线信道,专用线路与交换网线路之分。交换网线路要通过呼叫过程建立连接，通信结束后再拆除;专线连接由于是固定连接就无需上述的呼叫建立与拆线过程。 计算机系统中的通信控制器用于管理与数据终端相连接的所有通信线路。中央处理器用来处理由数据终端设备输入的数据。
二、系统模型的建立
监控系统的功能要求和XML的特点，将系统的数据通信问题转化为如何实现网络文件传输和如何使用XML文件表示数据这两个子问题。同时，为了便于实现，提高系统的可靠性、稳定性及可维护性，采用层次结构，将系统的功能划分为七层模型。
2.1 物理链路层
是指网络通讯的线路，本系统采用电信的ADSL有线方式，其它也可以是局域网（双绞线、同轴电缆、光纤等）或者无线通讯方式（GPRS、GSM、CDMA等）；物理链路层是系统数据通信的基础，但与上层的实现方式基本无关。
2.2.1标准网络协议层
是指TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议族，网络中TCP/IP协议叫做传输控制网际协议，又叫网络通讯协议，是Internet国际互联网络的基础，其中的TCP协议和UDP(User Datagram Protocol)协议是两种最常用的数据通信协议。
2.2.2文件传输层
使用Socket（套接字）技术实现文件的传输。Socket是Windows与网络的接口。Windows通过Socket把数据格式转换成网络传输格式，也把网络数据格式转换成Windows格式。Socket可以使用面向连接的协议(如TCP)，也可以使用无连接的协议(如UDP)。Socket一般用来描述IP地址和端口，是一个通信链接的句柄。应用程序通常通过Socket向网络发出请求或者应答网络请求，可以通过Socket传送数据，进一歨封装成传送任何文件（字节流）的功能。
2.2.3 XML文件控制层
在XML中的数据可能是接收到的数据，也可能是要发送的数据，监控中心和站点必须准确控制XML文件的接收和发送。特别是对于监控中心，可能同时接收到多个站点发送来的XML文件，发送XML文件时也要准确控制发送的目标站点。
2.2.4XML文件封装/解析层
这是两个相逆的过程，也是两种相对应的操作。XML文件封装是指将要发送的数据按照一定的协议打包组装成一个特定格式的XML文件，解析是指对一个XML文件按照特定的协议进行分析解读，还原出其中所描述的数据。
2.2.5数据表示层
将采集到的数据、处理中的数据或者在数据库中存储的数据等各种数据格式转换为能够用XML文件描述的格式。这一层在本地操作的数据和远程传输的数据之间建立了一个通道，使两者之间互不影响，从而不会降低系统的执行效率。
2.2.6业务逻辑层
实际上就是整个系统的用户接口，或者说是系统功能的实现层，包括打印单据、防作弊、报警处理、用户管理、查询统计、费用计算、实时监控、基础数据录入、系统管理等。
三、数据通信的分类
3. 1有线数据通信①数字数据网(DDN) 数字数据网由用户环路、DDN 节点、数字信道和网络控制管理中心组成，DDN是利用光纤或数字微波、卫星等数字信道和数字交叉复用设备组成的数字数据传输网。也可以说DDN是把数据通信技术、数字通信技术、光迁通信技术以 及数字交叉连接技术结合在一起的数字通信网络。数字信道应包括用户到网络的连接线路，即用户环路的传输也应该是数字的，但实际上也有普通电缆和双绞线，但传输质量不如前。
3.2 DDN的主要特点:
①传输质量高、误码率低:传输信道的误码率要求小。②信道利用率高。③要求全网的时钟系统保持同步，才能保证DDN电路的传输质量。④DDN的租用专线业务的速率可分为2.4-19.2kbit/s，N×64kbit/s(N=1-32);用户入网速 率最高不超过 2Mbit/s。⑤DDN 时延较小。
关键词 数字油田；信息安全；数据加密；RTU；无线异构网络
中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）21-0134-01
在油田生产过程当中，油气田相关的油藏信息、井站管网等地面工程重要设施的空间位置、区域范围，以及相关的生产动态信息都是非常重要的信息资源，在强调这些重要的信息资源在油田范围内的开放性、共享性的同时，必须考虑其安全性和保密性。
1 数字化油田的组成
油田数字化以及物联网技术已经提及多年，也实践了多年，在多年的油田数字化实践过程中，各油田都总结出一套适用于自身的油田数字化生产系统。一般的油田数字化生产系统是由以下几部分组成的。
1.1 采集与控制子系统
该部分主要是利用传感、射频等技术，感知油气生产信息，在油田数字化实践过程中多采用RTU（Remote Terminal Unit远程终端控制系统）作为生产接入终端，建立覆盖油气全过程准确、可靠的自动化采集与控制子系统。
1.2 数据传输子系统
该部分是物联网架构中用于连接前端感知层和应用服务层各设备单元，并进行高效数据传输的载体。在数字化油田实践过程中，由于各油田中各井场、站库的位置比较分散，多采用有线和无线技术相结合的方式实现，所以在传输网接入层多采用无线异构网络作为接入终端网络。
1.3 生产现场监控与管理子系统
该部分主要是利用采集与控制子系统采集到的油气生产数据，建立覆盖油气生产全过程的生产指挥、管理决策系统。
2 油气生产数据面临的威胁
RTU（Remote Terminal Unit 远程终端控制系统）和无线传输技术广泛应用于油田数字化建设，承担油田生产动态数据的采集、传输功能。针对油田生产动态数据的安全性和保密性，有以下几点问题亟待解决。
1）RTU终端的合法性接入。RTU终端设备本身具有基础的身份信息，但这些基础的身份信息在有针对性的攻击下容易被篡改，进而用于模拟性接入。如何有效的对合法RTU终端设备进行身份认证，对非法的RTU终端设备进行有效的阻断，是在接入终端安全防护方面需要考虑的问题之一。
2）传输网安全性。油田生产动态数据传输网通常由无线异构网络和有线网络构成，其中无线专网本身具有一定的安全机制，如无线终端认证、专用无线传输频段等，一定程度上可以防止安全入侵。但对于有针对性的安全入侵，就需要对无线传输信道采取一定安全措施，保障数据传输和存储安全。①传输网身份验证。由于无线信道的开放性，如果在通信链路上不采取相关安全措施，通过搭线、信号拦截等方式可以对RTU设备进行数据窃取、数据篡改，使得通信链路存在严重的安全隐患。RTU设备应具备对传输网身份进行验证的能力，保证接入的传输网为可信的传输网；②传输网安全通信。在RTU设备与传输网进行双向身份验证的基础上，应能够建立可信的安全通信信道，实现信道加密。
3）油田生产动态数据的安全性和保密性。油田生产动态数据是油田生产指挥、运营的重要依据，生产数据被窃取、篡改和丢失是难以恢复的，并将影响到生产数据的应用以及业务处理。所以应采取有效的信元加密方式对油田生产动态数据进行完整性保护和机密性保护。
3 建立油气生产安全防护体系
针对接入终端的面临的威胁和油田生产动态数据的安全性、保密性要求，提出一种基于硬件芯片强加密和双向身份认证技术，从信元加密和信道加密两方面对油田生产数据进行全面保护。
1）信源加密：在RTU终端部署硬件芯片加密卡，并且对传输的油气生产数据进行基于高强度、硬件芯片的端对端加解密，通过路由和虚拟子网的功能将RTU采集的油气生产数据通过VPN通道加密传输。
2）信道加密：RTU终端通过硬件芯片的身份证书和安全接入网关的VPN客户端实现RTU终端与VPN安全接入网关之间的双向身份认证，并建立VPN通道，实现信道加密。
另外，大多无线通信协议在现阶段都会有自身的安全机制，可以根据采用的无线通信协议的不同，采用无线传输网自身的安全机制对安全体系进行辅助加固。
该项安全方案应用后，油田数字化生产系统将由原来的无身份验证转变为双向身份验证：
1）由RTU对生产接入网进行合法性身份验证。
2）由生产接入网对接入的RTU进行合法性身份验证。
通过这种双向身份认证的方式，进而保证RTU设备与安全接入网关双方均为合法性接入。
该方案应用后，油田数字化生产系统将由原来的明文数据传输或基于软件的低密级加密传输方式转变为基于硬件芯片、高密级的加解密传输方式：
1）由硬件芯片加密卡和安全接入网关对油田生产数据进行加解密。
2）加密密级采用高等级要求，可采用国际通用的3DES、RSA或AES加密算法等。
通过对信源、信道的加密，以及加入身份属性作为共有属性集来设计加密方案，这样将由原来的无信道加密方式或无线接入网自身加密方式转变为安全、可控的信道加密方式，实现RTU设备与安全接入网关的安全数据传输，能够建立、维持与关闭安全通信，满足信道加密要求。
硬件芯片强加密与双向身份认证技术是RTU接入终端安全防护与油田生产动态数据安全防护的重要手段，可大幅提高油田生产动态数据在采集和传输过程中的安全水平，能够有效降低油田生产动态数据被窃取、篡改的安全风险。
硬件芯片强加密与身份认证技术在接入终端安全防护中应用的目的是为油气水井生产提供一个安全的数据传输与管理平台，其本身并不具备产品或服务带来的直接经济效益，但该项技术的应用能够降低生产设备运维成本，提高生产数据的安全性、可用性；能够提供接入终端安全防护的宝贵经验，为物联网和油田工控系统的安全应用提供参考模型。
在未来的应用中，这种基于硬件加密和双向身份认证的油气生产安全方案可以有效的应用于IPv4或IPv6网络环境当中，接入方式也适用于无线网络和有线网络，适用于对信源加密和信道加密有较高要求的多种工业控制系统和环境当中，有较为广阔的推广应用价值。
参考文献
[1]檀朝东，等.油气生产物联网功能设计研究[J].中国石油和化工，2011（10）：60-61.
[2]何生厚，韦中亚.“数字油田”的理论与实践[J].地理学与国土研究，2002，18（2）：5-7.
关键词： 无线通信系统； 建模仿真； 无线信道； GNU Radio USRP
中图分类号： TN911?34； TP923 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）18?0073?05
0 引 言
无线通信技术正处在飞速发展的阶段，并开始广泛运用于个人、商业、军事等多个领域。随着无线通信系统复杂度的日益上升，使用传统的分析方法来评估和设计无线通信系统已经变得十分困难；采用硬件原型测试的方法由于实现成本高、难度大，往往在系统开发的后期才能得以实现；以软件为基础的建模仿真方法则能够使研究和开发人员在花费较少的人力和财力的情况下，获得接近真实系统的评估能力，因此成为了通信系统开发前期主要的设计和验证手段。目前，无线通信系统的建模仿真主要通过Matlab Simulink，SystemView，SPW等软件实现[1]。但对于特性变化快、易受干扰的无线传输环境来说，上述基于纯软件的建模仿真手段难以对系统实现快速和准确的测试、分析和评估。
本文提出将软件无线电开发平台GNU Radio和通用软件无线电外设USRP（Universal Software Radio Peripheral）组成的软件无线电系统用于无线通信系统的建模仿真，首先分析了该系统的软件特性和硬件结构；随后对MPSK调制系统分别建立基于仿真信道和实际信道的通信链路模型，进行误码率测试的对比实验，验证该方法将实际无线信道纳入系统仿真中的可行性；最后在采用实际信道的链路模型基础上，进一步设计并实现了无线视频流传输原型系统，能够通过无线方式实现视频流传输。分析和实验结果表明相对于常用的软件建模仿真手段，软硬件结合的新方法能够快速实现系统原型，将特性复杂、仿真困难的实际无线信道纳入系统仿真模型中。
1 GNU Radio和USRP组成的软件无线电系统
1.1 软件无线电
软件无线电的概念于1992年由Joseph Mitola正式提出[2]。这一概念的提出和发展是针对于无线通信领域出现的多种体系并存、标准间竞争激烈的局面。软件无线电的架构体系突破了无线通信系统以专用硬件为核心的传统设计模式[3]，通过将宽带的AD和DA器件尽可能地靠近射频天线，尽早地将获得的模拟信号转换成数字信号，并以通用硬件作为基本平台，尽可能多地由通用处理器上的软件实现无线及通信功能，以实现无线通信系统的可升级和可重配置。将软件无线电技术应用于无线通信系统的建模仿真，能够发挥其架构灵活、开放、软硬件结合、多层次协同的特性，解决传统软件工具存在的一些局限。
软件无线电发展至今，已有多套开源及商业系统可用于原型设计及通信系统研究，如微软研究院推出的Sora系统[4]、弗吉尼亚理工大学的OSSIE（Open Source SCA Implementation Embedded）项目等。其中，开源无线电软件GNU Radio和通用软件无线电外设USRP组成一套基于PC的软件无线电系统，是适用于无线通信系统建模仿真的较好的解决方案。
1.2 GNU Radio的软件特性
GNU Radio是基于软件无线电思想开发的开源平台[5]，运行在Linux系统上，遵循GNU的GPL（General Public License）条款分发。作为一个软件无线电开发平台，GNU Radio具有很强的可重构性。通过它所提供的多种实用的信号处理模块和将这些信号处理模块连接起来的流图机制，可以建立起不同的通信链路模型，满足不同类型通信系统的需要。GNU Radio主要用于通信链路的建模和仿真，其标准库十分丰富，覆盖了调制解调、信源编/解码、信道编/解码、多址接入、均衡、同步、滤波器设计、小波分析等常用的信号处理模块，且有类似于Matlab Simulink框图式结构的图形化建模环境，能够方便、快速地建立起链路级系统的模型。同时，出于运行效率的考虑，GNU Radio采用了数据通道和控制通道分离的两级设计，其中C++用于描述需要较高运行效率的信号处理模块，Python则用于模块之间的配置和连接。
由于GNU Radio采用了通用的编程语言Python作为专门的控制通道，代替了单一的模块连接机制，这样除了能够对信号处理模块进行更方便地配置和管理之外，借助Python的灵活特性[6]，还能实现在通信链路的上层建立网络模型，进行整个通信协议的定制和设计，甚至与应用程序进行直接交互。这使得在GNU Radio中实现跨层次设计和联合优化成为可能。
以GNU Radio内建的测试程序为例具体分析，通过解析测试程序中的代码可知，GNU Radio规定了如图1所示的帧结构格式。最底层的帧结构提供了前导码、同步码用于接收端系统的频率和时序同步；帧头则提供帧长度、高斯白化偏置等信息；帧的上层结构提供了CRC（Cyclic Redundancy Check）校验和发送包数目统计功能。此外，GNU Radio在MAC（Media Access Control）层还提供了载波监听多路访问/冲突检测机制，用于检测当前信道上的信号冲突。当USRP接收到的信号幅度大于设定的门限值时，则认为该信道被占用，并采用二进制指数退避重传算法等待重传。通过USRP数据的时间戳配合，亦可以在GNU Radio中实现分时隙传输的超帧结构。同时，通过导入Socket模块，Python能够方便地进行网络编程。而调用TUN/TAP提供的虚拟以太网通道可以让基于TCP/IP的应用层程序直接加载到GNU Radio上，并通过GNU Radio所提供的通信系统进行通信。另外，上层网络模型中的数据为异步数据，不能够直接被通信链路上的同步信号处理模块处理，对此，GNU Radio在网络模型和链路模型之间使用了一个FIFO（First In First Out）缓存，实现了信号从异步到同步、由信息比特到基带波形的转换，将通信链路和上层网络紧密地结合起来。
通过使用上述GNU Radio提供的功能和特性，研究和开发人员可以方便地构建起由通信链路和上层网络模型组成的更为完整的通信系统，并从全局性能的角度考虑，对定制的通信系统进行跨层次联合设计和优化。
1.3 USRP的硬件结构
在GNU Radio和USRP组成的软件无线电系统中，GNU Radio仅负责低速率基带信号的处理，USRP则充当了数字中频和射频前端的角色[7]，对高通量信号进行处理。基于软件无线电思想设计的USRP的硬件结构具有灵活、通用的特性，能够兼容当前无线通信的多种协议标准，为建立自定制协议和多标准融合的系统建模和测试提供了强大的支持。
如图2所示，USRP的结构中主要包括了负责数字中频处理的FPGA（Field Programmable Gate Array）、负责模/数与数/模转换的ADC与DAC器件和负责射频信号处理的射频子板。在具体的收发过程中，接收端的天线捕捉空中的射频信号，由射频子板进行模拟域的下变频，将信号由射频移至中频，然后通过A/D器件的转换，进入数字域；FPGA作为数字下变频器，将信号从数字中频进一步移至基带，并同时完成信号的抽取工作，使信号速率降至通用处理器能够处理的范围；最后，通过控制芯片将低速率的基带信号送入PC。发送端则完成一个大致相反的信号处理流程。
在USRP的结构中，宽频段、可更换的收发射频子板和天线可以覆盖多数无线协议标准所在的频率范围，ADC和DAC器件具有高采样速率和较好的分辨率，基于FPGA的数字中频处理和基于PC端软件的基带信号处理易于重构，灵活的总线结构的采用则降低了各硬件模块之间的耦合性。当前的无线通信协议标准很多都工作在相近的频段，在射频端上亦有很大的相似性，协议标准的主要区别集中在基带信号的处理上。USRP作为通用的射频前端，基于软件无线电思想设计，具有开放性、模块化和高通用性的特点，因此能够兼容绝大多数现有的通信协议标准，并且可以根据需要，在软件层面自行定义通信系统的收发频段和通信带宽，进行无线通信系统的定制化设计。
2 基于实际信道环境的通信系统模型实现
无线信道稳定性较差，信道特性会随着地形、地貌以及信号频率和传播方式的变化而变化，而且不可避免地会受到阴影效应和多径衰落的影响。因此，在实际无线通信系统的链路级仿真中，通常需要建立准确的信道模型来预测系统的整体性能和评估信号处理算法的优劣[8]。但由于真实的无线信道具有时变特性，建立高精度的仿真信道模型难度很大，且仿真模型也很难做到和实际信道完全匹配，结合硬件原型进行实际环境测试的做法在设计前期难以实现，这一直是无线通信系统仿真中的难以解决的问题。而GNU Radio与USRP软硬件无缝连接的特性有效地改善了传统硬件原型建立困难的局限，通过快速实现无线通信系统的硬件原型，将真实的无线信道环境纳入仿真过程中，对信道特性进行评估。
2.1 通信链路建模仿真对比
相移键控PSK（Phase?Shift Keying）利用载波的多种不同相位状态来进行数字信号的调制，相比幅移键控和频移键控调制系统，在频带利用率和抗噪声性能方面均有优势，因此在中、高速数据传输中得到了广泛的应用[9]。本部分使用GNU Radio和USRP对具体的MPSK调制系统进行建模，通过软件仿真、实际环境测试和结果的对比分析，验证由GNU Radio和USRP无缝连接特性所带来的硬件原型快速实现的能力，并说明该系统相比传统仿真软件在评估实际信道环境方面的优势。为了能够最大程度地减小仿真模型和实际测试模型在基带信号处理上的差别，实验调用GNU Radio中的模块建立仿真模型，然后去除仿真信道，其他部分采用相同的模块配合USRP实现硬件原型。为此，需要在仿真模型中加入加扰、解扰、载波频偏恢复和信号时序恢复等实际信号传输中所需的模块。仿真系统的构建如图3所示。在该系统的发送端，矢量信号源负责产生信号；信号被送入加扰模块进行信道编码，做伪随机化处理；编码后，信号进入MPSK模块进行调制。系统的接收端调用MPSK解调模块进行信号解调，在该模块中已经插入了载波频偏恢复和信号时序恢复的子模块；最后对信号进行相应的解包和解扰操作，并与预设信号对比，获得误码率数据。在解调模块中还调用了信号强度探针，用来获得当前信号的信噪比大小。发送端与接收端之间则通过加性高斯白噪声信道模块连接，以仿真整个链路级的通信过程。
对上述仿真系统只需进行收发部分的分离和简单修改，即可配合USRP设备实现该系统的硬件原型。见图4，发送端经MPSK调制后的信号被送入USRP模块，该模块对射频信号的发射参数进行配置，然后由USRP设备进行上变频等处理并发送到实际环境中；经过室内实际信道传输，接收端的USRP捕捉到环境中的射频信号，并进行射频和数字中频的相应处理，最后输出数字基带信号到GNU Radio中的MPSK解调模块，做后续的基带信号处理。这样，使用两台USRP设备就能够建立起通过实际信道进行信号收发的系统硬件原型。
对上面建立的仿真模型和硬件原型，分别调用BPSK，QPSK，8PSK，16PSK四种调制方式，进行加性高斯白噪声信道的仿真和实际环境下的测试。测试在约15 m2大小的室内环境中进行，每个测试点对30 min内采集到的信噪比和误码率数据进行平均化处理，对比仿真结果，获得如图5所示的误码率曲线。
误码率曲线对比
从测试结果生成的曲线可以得知，低信噪比情况下，室内环境测试所得的数据与仿真信道下测得的数据符合较好；在高信噪比情况下，尤其在高阶调制模式下，实际测试数据与仿真信道下测得的数据产生了较大偏离，在同样误码率情况下，偏离可能达到2～3 dB。由MPSK调制系统的理论分析可知，高阶调制模式相比低阶调制对噪声更为敏感，受载波频率和相位恢复模块引入的相位噪声影响也更大，容易对误码率数据产生影响。从实际的测试过程来看，室内环境由于人、物移动引起的信号遮挡和散射造成信号传播路径的变化，会使信号的信噪比产生5～10 dB左右大范围变动的现象，这也是测试数据与仿真曲线偏离的原因之一。由此看来，在低误码率的情况和高阶调制模式下，理想的加性高斯白噪声的仿真信道不足以精确描述实际的室内信道特性。
2.2 无线视频流传输系统原型
通过GNU Radio灵活的软件特性和Python的编程能力，可以进一步在上述链路级模型的基础上，建立基于实际无线信道传输的无线通信系统原型。以无线视频流传输系统为例，本文设计了如图6所示的系统结构，并据此实现了相应的原型系统。
在系统发送端，视频采集设备从真实环境中实时采集视频流数据，经过PC上的视频编码程序编码后送到设定好的TCP或UDP网络端口；通过Socket网络编程方法[10]，可以方便地绑定网络端口，将视频流数据送入GNU Radio中的程序进行处理；GNU Radio中的程序对网络端口的数据流做进一步的MAC层成帧和同步处理，然后进行基带信号的调制和编码工作，最后送入USRP发射。接收端系统则进行大致相反的处理流程，经过解码后的视频流数据可以在相应的显示器上显示。
在实际测试过程中，该原型系统能够正确显示视频采集端采集到的视频信号，达到了预想的效果，如图7所示。其架构具有很强的灵活性和可扩展性，包括视频格式、视频编/解码方式、分组帧结构、信道编/解码、信号调制方式、传输频段和传输带宽在内的各个部分均易于调整和修改，这便于研究和开发人员根据视频信号在实际信道中的传输效果进行整体系统的定制性设计和优化。
2.3 实验结果分析
上述实验表明，GNU Radio建立的链路模型能够几乎不经修改地通过USRP进行实际信号的发射和接收，实现无线通信系统原型，并进一步用于室内外等常见真实环境下的系统测试。相比纯软件仿真结果，结合硬件原型进行测试将实际信道纳入仿真过程，使研究和开发人员在早期阶段就能够对目标传输频率和传输环境下的信道进行研究，对传输过程中的路径损耗、频段上其他系统的干扰、信道特性的变化等因素进行合理评估。实际信道测试的结果对于系统后期开发也有更强的指导意义。借助该方法进行原型测试，能够使无线通信系统开发中的问题在早期迅速浮现，并在系统规划和设计阶段就被解决，有助于减少后期设计迭代过程的产生，缩短整个系统的设计流程。
3 结 语
本文提出将软件无线电开发平台GNU Radio和通用软件无线电外设USRP组成的软件无线电系统用于无线通信系统的建模仿真。首先介绍并分析了GNU Radio的软件特性和USRP的硬件架构；随后以MPSK系统在仿真信道和实际信道下的通信链路建模仿真对比实验为例，验证了该方法将实际的无线信道纳入链路层仿真中的可行性；最后在前述链路级模型的基础上，设计并实现了一套基于实际无线信道收发的无线视频流传输原型系统。分析和实验结果表明，本文所提出的具有软硬件结合特性新方法具有快速系统原型实现的能力，而且通过引入实际信道进行仿真，能够避免复杂的信道建模过程，直接建立更精确的通信系统模型，提高对系统分析的速度和准确性，并可以基于仿真分析结果进行系统各部分的联合设计和优化。
该方法适用于对通信协议标准及整体系统有定制化需求、针对的传输环境较复杂的无线通信系统的研究开发，有助于减少系统开发后期的迭代过程，缩短系统的研发周期。
参考文献
[1] 苗强，伟，解蕾.通信系统链路级仿真软件比较及仿真应用优选[J].计算机仿真，2010，27（10）：107?111.
[2] MITOLA J. Software radios： survey， critical evaluation and future directions [J]. Aerospace and Electronic Systems Magazine， IEEE， 1993， 8（4）： 25?36.
[3] MITOLA J. The software radio architecture [J]. Communications Magazine， IEEE， 1995， 33（5）： 36?38.
[4] BAJAJ J， KIM W， GERLA M. Cognitive radio implementation in ISM bands with Microsoft SORA [C]// Proceedings of 2011 IEEE 22nd International Symposium on Personal Indoor and 5 Mobile Radio Communications. [S.l.]： IEEE， 2011： 531?535.
[5] TUCKER D C， TAGLIARINI G A. Prototyping with GNU radio and the USRP： where to begin [C]// Proceedings of SOUTHEASTCON ′09. [S.l.]： IEEE， 2009： 50?54.
[6] ZELLE J. Python programming： an introduction to computer science [M]. 2nd ed. Portland： Franklin， Beedle & Associates Inc， 2010.
[7] DI R A. USRP?based GNSS and interference signal generator and playback system [C]// Position Location and Navigation Symposium （PLANS）. [S.l.]： IEEE， 2012： 470?478.
[8] 胡圣领.基于FPGA的无线信道模拟器设计[J].现代电子技术， 2012，35（5）：108?109，113.
