工业无线网络性能测试方法

引言

　　近年来，中短程无线通信技术发展迅速，它正逐步渗透到工业控制领域，具有很好的应用前景。基于IEEE802.15.4a(4A)标准的线性调频扩频技术(chirp spread spectrum , CSS)综合了FSK、PSK和ASK三种调制方式的优点，能有效地抑制恶劣环境中的噪声和干扰且功耗极低，特别适合应用于工业场合。为了研究该标准下的工业无线产品安全性和稳定性，需要设计相应的测试和验证方法，以考察其性能。

　　目前，人们对于该标准的大部分研究工作还只是基于普通的计算机网络的离线性能分析，新的测试方法和装置未见报道。本文分析总结了该标准无线网络的各种研究方法，提出了该无线网络的性能测试分析方法，并开发相应的测试装置，以考察其在工业无线网络控制系统中通信的性能指标，为优化和改善工业无线网络通信提供了依据。

　　一、实时性测试方法

　　1.1 工业无线网络的实时性

　　实时性是指信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并根据生产过程工况及现场情况变化进行及时处理 。实时与快速并非是相同的含义，无论网络的传输速度如何，只要在规定的响应时间内产生响应动作，都说明系统具有实时性。工业无线网络的实时性是指网络中的功能节点通过网络联系在一起，当某个节点向网络发出访问请求时，功能节点能够在响应时间内完成相应的功能操作川。对于工业无线通信的实时性测试主要是考核该网络对各类事件的响应速度、稳定性、准确性等性能，其关注的对象是工业无线网络的性能指标，如：丢包率、时延、控制周期和吞吐量等，这些性能指标是准确评价在不同网络负载下协议实现性能的一种重要手段。

　　1.2 测试方法

　　目前，基于IEEE802.15.4a标准的无线网络的测试研究方法主要有理论分析、计算机仿真和真实测试平台三大类。理论分析是用数学建模的方法对网络及其环境进行详细的描述和分析，间接实现对实际应用网络的研究。计算机仿真方法是利用NSZ、OPNET、Matlab等仿真软件对无线网络进行研究，这类方法具有成本低、灵活性好和可靠性高等优势。真实测试平台本质上就是原型系统，最接近于实际应用的网络环境。

　　理论分析和计算机仿真的方法虽然可以进行多个同类协议的比较，但建模复杂、且不可能完全模拟工业现场的真实环境。真实平台的测试方法更为真实可信，不仅全面包含影响网络状态的各个因素，而且避免了因模型简化而导致的误差。通过查阅相关文献，发现基于IEEE802.15.4a的CSS物理层协议标准的研究平台较少，大多数是理论仿真分析;而本课题已经设计好基于IEEE802.15.4a的CSS物理层协议标准无线节点，并将该类节点集成到工业控制系统中去，且运行稳定。因此，本文选择了真实平台的测试方法，并开发了测试装置。

　　1.3 测试方法的实现

　　工业无线产品通常是以协议转换器、ODBC、OPC和网关等方式接入到现有的控制系统。采用OPC、ODBC等方式的无线网路不能保证测试数据的实时性，但若以硬件的方式接入到控制系统中，如转换器或者网关等，则可以解决上述问题。

　　本文研究的无线网络是通过协议转换器接入到工业控制网络。按照这种接入方式，测试装置通过无线发送数据、有线接收数据，实现了数据的跟踪测试。测试装置接入无线网络的测试方法示意图如图1所示。

　　由图1可知，测试数据包的传输路径为性能测试装置(无线子节点)→协议转换装置(无线主站)→主干网络PLC主站→协议转换装置( Modbus/TCP Client)→性能测试装置。协议转换装置由无线主站、 Modbus/TCPclient、Profibus-DP从站等组成。无线主站收到测试数据包后，通过协议转换装置变换成 Profius-DP报文并上传至PLC控制器;PLC将报文分发至有线网络的数据映射区，进行数据处理后，通过Profibus-DP报文分发至协议转换装置。协议转换装置将该Profibus-DP报文转换为Modbus/TCP网络协议报文，发送给测试节点。在此过程中采用时间戳的概念，记录下每次数据包在各种协议中的接收厂发送时间、收发数据包的数量及其他有效信息，并最终计算出无线网络的各种性能参数。

　　本文选择了无线网络的丢包率、无线网络流量、无线网络令牌循环时间和有线无线网络的控制周期作为无线网络性能的指标。丢包率指一段时间内无线丢失的包个数与发送的包的总数量之比;无线网络流量指单位时间内发送接收的数据总和;令牌循环周期指同一个无线节点相邻两次收到令牌的循环时间，表达式为：

　　TokenCycle=Tn+1-Tn (1)

　　式中：Tn为无线节点C第N次收到令牌的时间;T n+1为第N+1次收到令牌的时间。

控制周期指在一组测试中，数据包离开A网络源节点记录时间为Tsend ，经过网关或者协议转换器有效地