3G技术及其在工业控制系统上的应用

杨秉琳

（黑龙江省科学院高新技术研究院，黑龙江哈尔滨，150090）

随着通信网络的不断发展，无线通讯在工业控制领域的应用不断得到创新和实践，并收到很好的效果。伴随着网络的进一步优化，网络带宽、速率的进一步提高，网络延时的进一步缩短，无线通讯将在工业控制的很多领域迎来发展，并将成为有线通讯的有力补充。3G产品结合自身的技术优势，推出了基于无线的解决方案，目前已经在很多领域得到成功应用。

1 3G技术

1.1 3G的含义

3G是英文3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制式手机 (1G)和第二代GSM、TDMA等数字手机(2G)，第三代手机一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆字节 /秒)、384kbps(千字节 /秒)以及 144kbps的传输速度。

1.2 3G技术基本特点

从目前已确立的3G标准分析，其网络特征主要体现在无线接口技术上。蜂窝移动通信系统的无线技术包括小区复用、多址/双工方式、应用频段、调制技术、射频信道参数、信道编码及纠错技术、帧结构、物理信道结构和复用模式等诸多方面。纵观3G无线技术演变，一方面它并非完全抛弃了2G，而是充分借鉴了2G网络运营经验，在技术上兼顾了2G的成熟应用技术，未来3G系统所采用无线技术应具有高频谱利用率、高业务质量、适应多业务环境，并具有较好的网络灵活性和全覆盖能力。3G在无线技术上的创新主要表现在以下几方面。

1.2.1 采用高频段频谱资源

为实现全球漫游目标，按ITU规划IMT-2000将统一采用2G频段，可用带宽高达230MHz，分配给陆地网络170MHz，卫星网络60MHz，这网络为3G容量发展，实现全球多业务环境提供了广阔的频谱空间，同时可更好地满足宽带业务。

1.2.2 采用宽带射频信道，支持高速率业务

充分考虑承载多媒体业务的需要，3G网络射频载波信道根据业务要求，可选用5/10/20M等信道带宽，同时进一步提高了码片速率，系统抗多径衰落能力也大大提高。

1.2.3 实现多业务、多速率传送

在宽带信道中，可以灵活应用时间复用、码复用技术，单独控制每种业务的功率和质量，通过选取不同的扩频因子，将具有不同QoS要求的各种速率业务映射到宽带信道上，实现多业务、多速率传送。

1.2.4 快速功率控制

3G主流技术均在下行信道中采用了快速闭环功率控制技术，用以改善下行传输信道性能，这一方面提高了系统抗多径衰落能力，但另一方面由于多径信道影响导致扩频码分多址用户间的正交性不理想，增加了系统自干扰的偏差，但总体上快速功率控制的应用对改善系统性能是有好处的。

1.2.5 采用自适应天线及软件无线电技术

3G基站采用带有可编程电子相位关系的自适应天线阵列，可以进行发信波束赋形，自适应地调整功率，减小系统自干扰，提高接收灵敏度，增大系统容量，另外软件无线电技术在基站及终端产品中的应用，对提高系统灵活性、降低成本至关重要。

1.3 3G协议［1］

目前全球有代表性的3G协议有WCDMA、CDMA2000和TD－SCDMA三大主流无线接口标准，它们都是被国际电联（ITU）写入3G技术指导性文件的。

1.3.1W-CDMA

英文名称是Wideband CDMA，中文译名为“宽带分码多工存取”，它可支持384kbps到2Mbps不等的数据传输速率，支持者主要以GSM系统为主的欧洲厂商。

1.3.2CDMA2000

亦称CDMA Multi-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。

1.3.3TD-SCDMA

该标准是由中国独自制定的3G标准，由于中国的庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。

这三大标准已经形成了各自的阵营，其中诺基亚、爱立信为主的欧洲阵营把持WCDMA，北美阵营坚持CDMA2000，而以大唐为主的国内本土阵营则把更多的目光投向自主产权的TD－SCDMA。

1.4 全球3G发展趋势分析

3G发展以日韩发展得比较快，在技术进步和市场驱动的双重作用下，3G从概念向产业化的进程必然在加快，全球主要设备厂商都在积极跟踪研发基于三大主流技术的3G网络产品，2001年下半年已推出CDMA2000和W-CDMA可商用系统及TD-SCDMA产品样机。此外，3G商用进程也已开始，日本DoCoMo已在东京地区开通世界上第一个W-CDMA商用网，欧洲已完成3G国际漫游测试，全球各大运营商对参与3G运营态度积极，欧洲、香港、台湾及韩国都已完成3G牌照发放。2008年1月7日，中国工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通分别发放了TD-SCDMA(以下简称 TD)、CDMA2000 和 WCDMA3张第三代移动通信(3G)牌照。中国真正进入了3G时代。三大主流技术标准将经历逐步融合，最终实现全球的统一，现有2G网络将向3G过渡已是大势所趋。

2 3G技术和移动数据通信方案的优化

计算机互联网技术的发展带动人类进入了一个新时代，电信网、互联网、电视网三大网络未来都将走向宽带化、IP化和移动化，尤其是移动通信网和互联网的结合将催生很多新的业务模式，3G、“三网融合”是未来中国通信业和IT行业最闪亮的关键词，而移动通信技术与软件技术的结合，也逐渐成为所有通信人和IT人的共识。

WMMP控制平台是中国移动通信集团为了提高自身数据业务服务质量，为客户提供更可靠更安全稳定的数据服务所推出的一个通信管理平台，主要实现对远端通讯设备的远程管理和控制。借助中国移动的WMMP控制平台得以实现高速远程数据通讯，同时解决ADSL/GPRS/CDMA等多网络并存所带来的问题。从而从根本上解决通讯协议的复杂性带来的难题。

2.1 传统通讯方案

传统通讯方法最多的应用是GPRS系统，如图1所示。GPRS在最佳状态下理论最大传输速度是171.2kbps，GPRS在实际使用中，速率能达到几十k，GPRS的数据报文传输特点，限定其上网传输速率跟外界环境有很大关系，尤其跟附近移动基站的载荷有关，GPRS数据报文占用语音信道，既GPRS数据传输时不能语音通话，语音通话时不能GPRS上网，CDMA1X传输报文跟GPRS不一样，不占用语音信道，因此其实际使用速率比GPRS要高很多，但CDMA比GPRS无线上网贵的很多。传统通讯方法存在以下问题：

图1 传统通讯方法结构图Fig.1 Traditional communication

(1)只提供无线通信通道，数据传输速度低;

(2)无法准确判断通信，不能为客户提供优质服务;

(3)客户无法获知终端实时状态，缺少移动通信相关的管理手段;

(4)针对不同规格的终端，客户须进行较大量的二次开发;

（5）终端出现故障后，无法准确判断故障点：设备/网络/客户应用中心;

（6）移动网络对于客户不透明，无法获知终端相关信息：终端ID与IP的对应关系、终端侧的网络状况、终端当前的配置信息等。

2.2 优化的方案［2］

WMMP平台是针对传统移动通信方案存在的问题，同时为了提升业务服务质量，保障集团客户业务数据的可靠传输，中国移动专门建设的通信管理平台，开发相关的管理协议，规范移动通信终端，对大客户业务进行有效保障：

（1）对终端及无线传输通道进行监控和管理；

（2）实现大客户对终端的远程管理和维护的需求；

（3）终端规格统一，二次开发工作简单；

（4）终端出现故障后，终端上报故障代码，移动公司进行分析，并及时进行处理。

以下是行业终端监控管理系统结构图：

图2 3GWMMP平台通讯方法结构图Fig.2 3GWMMP platform communication

3 3G技术在各行业的应用

目前，3G技术已经在很多领域得到成功应用，例如：输油管线监控、天然气管网监控、路灯控制领域、热网监控等。

3.1 工控行业

工控（供暖、热网）远程无线监控；路灯远程无线监控；油田油井远程无线监控；天然气管线远程无线监控；城市自来水管线监控；远程抄表，如煤气，自来水，电表，热表等。

3.2 电力行业

电力配网自动化解决方案。

3.3 金融行业

ATM机无线组网方案；POS机无线组网解决方案。

3.4 环保行业

目前环保行业的传统数据采集传输方案所存在的问题，以及环保监测设备的多样性、设备传输协议的多样性和复杂性，使得环保局、企业中心等监控中心对远端监测点的设备监控和控制管理变的很难，中国移动通信集团WMMP控制平台得到了解决。

3.5 大型设备监控

中央空调远程监控维护系统方案；大型工程机械建筑机械设备远程监控维护系统；大型纺织机械设备远程监控维护系统方案；设备远程自动化与维护系统。

3.6 安防监控

全球眼无线视频监控项目方案；基于3G网络的视频监控解决方案。

3.7 智能交通

城市交通诱导无线组网解决方案；电子警察无线组网解决方案。

4 结束语

当今的社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无法适应现代化的快节奏生活和工作。人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流，提高工作的效率和经济效益。3G第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信系统。

不久的将来4G第4代移动通讯也会推出，第四代移动通信以数据通信和图像通信为主。数据通信的速率比第三代要大大提高，对全速移动用户能够提供150Mbit/s的高质量的影像多媒体业务；它将是一个全数字通信网，具有更高的带宽和更高的比特率，下载速率最高可达100Mbit/s，它将会与因特网结合，通信以IP为基础。

［1］赵晓秋.3G/B3G网络核心技术与应用［M］.北京：机械工业出版社,2007.

［2］陈如明.中国3G及3G演进的发展策略思考［EB/OL］.(2007-5-16)［2009-12-15］.http://www.chn3g.cn/technology/GZH/200705/11141.html