26、无线测量系统：移动网络与无线电调制解调器的应用与技术

无线测量系统：移动网络与无线电调制解调器的应用与技术

1. 基于移动电话网络的测量系统

1.1 5G 移动网络

5G 移动网络是目前最强大的无线传输网络，使用 26 GHz（24.25 - 27.5 GHz）和 42 GHz（40.5 - 43.5 GHz）频段，66 - 71 GHz 频段用于单个操作内设备和传感器的本地无线互连。为满足不同技术需求，如手机注重连接速度，自动驾驶车辆强调最短响应时间，开发了网络切片方法，可将 5G 网络划分为具有不同参数的子网。此外，5G 网络部分去中心化，允许设备间直接通信，提高了数据传输的可靠性、速度，降低了反应时间和大数据集传输成本。

1.2 GSM 分布式测量系统

基于 GSM 网络的分布式测量系统由系统控制器和 GSM 模块组成，GSM 模块可以是数据手机。这些模块可通过 USB、蓝牙、IrDR 等接口直接连接测量设备，也可让设备配备 GSM 模块，或使用带有 GSM 模块的 PCMIA 插卡连接测量设备。数据通过固定电话网络或互联网传输到系统控制器，若通过互联网，支持 WAP 协议的手机也可接收数据。

SMS 消息从测量站计算机到 SMS 中心的传输路径分为两部分，使用不同传输协议。第一部分从终端适配器（计算机）到手机，因无标准协议，协议选择较自由，手机制造商也未必会公开所用协议。第二部分从手机到 SMS - C，SMS 数据在 PDU（协议数据单元）内传输。PDU 协议有两种：
- SMS - SUBMIT：手机向 SMS - C 传输 SMS 消息。
- SMS - DELIVER：SMS - C 向手机发送 SMS 消息。

两种 PDU 类型的格式如下表所示：
| 接收消息格式 | 1 字节 | 1 字节 | 2 - 12 字节 | 1 字节 | 1 字节 | 1 - 7 字节 | 1 字节 | 0 - 140 字节 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| | 类型 PDU | MR | DA | PID | DCS | VP | UDL | UD |
| 发送消息格式 | 1 字节 | 2 - 12 字节 | 1 字节 | 1 字节 | 1 - 7 字节 | 1 字节 | 1 字节 | 0 - 140 字节 |
| | 类型 PDU | OA | PID | DCS | SCTS | VP | UDL | UD |

以基于 GSM 的 Metex 3850 万用表为例，数据通过 RS - 232 串行接口传输到计算机，最大传输速率为 1.2 kb/s，不进行奇偶校验。万用表发送的数据帧包含 14 个 SDU 字符，第 14 个字符为 CR 以结束帧传输。使用 PCMCIA GSM 卡将数据从计算机传输到 GMS 网络，但该系统传输速度有限，且缺乏数据传输可靠性保障，不适合传输大量数据。

1.3 通用移动电信系统（UMTS）

UMTS 是 GSM 移动网络发展遵循的标准，由 3GPP 协会主导，满足 ITU IMT - 2000 对第三代（3G）移动蜂窝网络的要求。2001 年在日本首次推出，2004 年 6 月在 SNR 开始运行，并逐渐在其他欧洲国家引入。支持 UMTS 网络的典型手机品牌有三星、LG 和铱星等。

UMTS 本身虽不直接为用户带来好处，但为其他技术部署提供框架，其中 HSDPA 显著提高了数据传输速度。不同代移动网络的数据传输速度如下：
| 网络类型 | 传输速度 |
| ---- | ---- |
| 2G GSM | 9.6 kbit/s（CSD）或使用 HSCSD 时为倍数 |
| 2.5G GPRS | 最高 107 kbit/s（可提升至 EDGE 类型传输） |
| 2.75G EDGE | 最高 384 kbit/s |
| 3G UMTS | 最高 384 kbit/s（可升级到 HSDPA） |
| 3.5G 和 HSDPA | 最高 14 Mbit/s（可提升至 84.4 Mbit/s） |
| 3.9G LTE | 最高 326 Mbit/s |
| 4G LTE advanced | 最高 1 Gbit/s |
| 5G | 最高 80 Gb/s |

UMTS 的优势在于结合了 GSM 频段的 TDMA 传输和 1.9 - 2.2 GHz 频段的 WCDMA 传输，以共享接入信道，还能与固定网络（包括 B - ISDN 网络）合作。GSM 网络中激活数据套餐且支持 UMTS 的用户，在有 UMTS 信号的地方会自动切换到 UMTS 系统。UMTS 网络也用于传输电话呼叫。

UMTS 系统的特点包括在任何电话网络中保留单个用户号码，提供个性化传输服务，以及实现全球网络接入（包括卫星网络）。无人居住区域（如海洋、沙漠）和人口密度极低的地区可通过 UMTS 内的卫星通信系统（SCS）覆盖，其他地区则基于地面网络（如 GSM）或在人口密集区域建设微蜂窝。

UMTS 网络中的数字数据传输能实现以下传输速度和错误率：
| 服务类型 | 传输速度 | 错误率 |
| ---- | ---- | ---- |
| 电话传输 | 8 - 32 kb/s | 10⁻⁴ |
| 视频传输 | 64 - 384 kb/s | 10⁻⁷ |
| 音频数据传输 | 2.4 - 64 kb/s | 10⁻⁶ |
| SMS 消息和呼叫 | 1.2 - 9.6 kb/s | 10⁻⁶ |
| 数字数据传输 | 64 - 1920 kb/s | 10⁻⁶ |
| 数据库访问 | 2.4 - 768 kb/s | 10⁻⁶ |
| 远程控制 | 1.2 - 9.6 kb/s | 10⁻⁶ |

为说明不同数据传输方法的特性，以下是传输 1 MB 数据文件所需的速度和时间：
| 传输类型 | 传输速度 | 传输时间 |
| ---- | ---- | ---- |
| CSD | 9.6 kb/s | 14 分钟 |
| GRPS | 115 kb/s | 90 s |
| EDGE | 384 kb/s | 20.8 s |
| UMTS | 1.92 Mb/s | 4.6 s |

UMTS 标准还包括确定移动台（或手机）位置的功能。目前有多种定位系统，最广泛使用的是美国全球定位系统（GPS），商业用途分辨率为 10 m（特殊用途为 1 m）。定位系统可用于以下方面：
- 海陆导航
- 运输基地监控卡车位置
- 识别被盗车辆位置
- 优化汽车和卡车路线
- 工程测量中设置点和路线
- 监控可疑人员移动
- 确定受伤人员位置

确定 UMTS 移动台位置的方法有两种：
- RTT（往返时间）：测量信号从移动台到基站（上行链路信号）再返回移动台（下行链路信号）所需的时间和信号电平。
- OTDOA（到达时间差定位）：通过测量至少三个附近基站接收到信号的时间差来确定位置。

选择定位方法由运营商决定，两种方法都不会中断正在进行的连接或降低传输质量。由于 RTT 方法在大蜂窝系统中难以实现，因此通常使用基于地面站坐标知识的 OTDOA 方法。

2. 无线电调制解调器测量系统

2.1 无线电调制解调器测量系统

无线电调制解调器测量系统由收集和处理数据的系统中心以及与中心通信的多个测量站组成。每个测量站安装带有合适定向天线的无线电调制解调器，可降低传输功率、减少接收器对干扰的敏感度，避免信号向不需要的方向传输。定向和加密信号传输可降低数据被非法拦截的风险，非电话无线电通道的数据传输比公共电话网络更安全。

然而，使用无线电调制解调器可能会遇到连接质量不稳定甚至中断的问题。建议使用带有无线电电话附加功能的调制解调器，以便对无线电通道进行简单声学控制。不稳定的主要原因是天气条件影响无线电波传播。可通过增加发射功率或天线高度来改善接收效果，但这些参数受许可证和许可费用限制。也可让部分测量站作为中继器（转发器）来解决连接质量差和使用区域受限的问题，此时需使用修改后的转发通信协议，可使用的无线电调制解调器如 Satel 2ASxE、3AS EPIC 和 3AS(d)。

2.2 无线电调制解调器和无线电通道

无线电调制解调器除了串行接口外，还包含调制解调器、调制器、解调器、发射器、接收器和高频信号天线组合器。常见串行接口有 USB 接口或 RS - 232。传输信号在调制解调器中转换为调制信号，经放大后通过天线组合器输送到无线电调制解调器的天线。接收信号时，信号被解调并转换为串行接口信号。

各国相关无线电通信管理机构确定用于无线电通信的频段，以下是捷克共和国的无线电通信频段分配：
| 频段 | 带宽 | 天线长度 | 站类型 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 77.5 - 79 MHz | 12.5 kHz | ≈ 1 m | 移动 |
| 159.4 - 160 MHz | 12.5 kHz | ≈ 0.5 m | 移动 |
| 299 - 309 MHz | 12.5 - 25 kHz | ≈ 0.5 - 5 m | 移动或固定 |
| 335 - 345 MHz | 12.5 - 25 kHz | ≈ 0.5 - 3 m | 移动或固定 |
| 452 - 457 MHz | 12.5 - 25 kHz | ≈ 0.5 - 3 m | 移动或固定 |
| 890 - 919 MHz | 12.5 - 25 kHz | ≈ 0.5 - 2 m | 移动 |

要合法使用无线电频段进行数据传输，需从相关政府机构获得许可证并付费。在频率范围低于 800 MHz 且发射天线功率小于 20 mW 的情况下，使用无线电调制解调器无需许可证。许可证中还可指定载波高频信号的调制类型。

2.3 无线电调制解调器中的信号调制

无线电调制解调器连接中使用的调制方式包括频率调制（FM）、频率脉冲调制（FSK）和扩频频率调制（SSFM）。

2.3.1 频率调制（FM）

在 FM 频率调制中，调制（载波）谐波信号 (u_c(t) = U_c \cdot \sin(\omega_c t)) 被谐波调制信号 (u_m(t) = U_m \cdot \sin(\omega_m t)) 调制，调制后的信号为：
[u_{FM}(t) = U_c \cdot \sin\left(\omega_c t + \Delta \omega \cdot \frac{U_m}{\omega_m} \cdot \sin(\omega_m t)\right)]
其中 (\omega = \omega_c + \Delta \omega \cdot \cos(\omega_m t))，(\Delta \omega = 2\pi \cdot (1/T_{min} - 1/T_{max})) 是调制信号的频率偏移。

引入频率调制信号的调制指数 (m_{FM} = \Delta \omega / \omega_m) 后，频率调制信号可表示为：
[u_{FM}(t) = U_c \cdot \sin\left(\omega_c t + m_{FM} \cdot \sin(\omega_m t)\right)]

FM 信号频谱的对称分量幅度由一阶贝塞尔函数确定。对于调制频率的小变化，频率调制信号的特性接近幅度调制信号。以下是调制指数在 0.25 - 5 范围内的幅度值：
| (m_{FM}) | (\omega_c) | (\omega_c \pm \omega_m) | (\omega_c \pm 2\omega_m) | (\omega_c \pm 3\omega_m) | (\omega_c \pm 4\omega_m) |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 0.25 | 0.98 | 0.12 | < 0.01 | < 0.01 | < 0.01 |
| 0.50 | 0.94 | 0.24 | 0.03 | < 0.01 | < 0.01 |
| 1.00 | 0.77 | 0.44 | 0.11 | 0.02 | < 0.01 |
| 1.50 | 0.51 | 0.56 | 0.23 | 0.06 | < 0.01 |
| 2.00 | 0.22 | 0.58 | 0.35 | 0.13 | 0.03 |
| 2.50 | 0.05 | 0.50 | 0.45 | 0.22 | 0.07 |
| 3.00 | 0.26 | 0.34 | 0.49 | 0.31 | 0.13 |

2.3.2 频率脉冲调制（FSK）

FSK 用一个二值调制信号 (s(t)) 调制载波谐波信号的频率，信号的低电平 (L) 对应调制信号的较低频率 (f_L = 1/T_L)，反之亦然。

2.3.3 扩频频率调制（SSFM）

扩频频率调制使用直接序列系统（DSS）对信号进行调制，可采用线性变化的载波信号调制频率（LFM）或步进变化的调制频率（SFM），其中频率由伪随机二进制频率调制（PRBFM）伪随机二进制信号生成。

在发射机的初级调制器中，输入信号先进行 PCM 脉冲编码调制，通常使用二进制相移键控（BPSK）进行二次调制。初级调制器的输出信号带宽 (F_B) 等于 PCM 调制信号比特率（BR）的两倍。该信号再输入另一个 BPSK 调制器，由伪随机二进制信号调制，伪随机信号的比特率 (BR_{pn}) 比调制信号比特率 (BR_i) 高几个数量级。实际中，比特率关系为 (BR_{pn} = (10^3 \text{ 到 } 10^5) \cdot BR_i)，因此第二个调制器输出信号的带宽 (B_{vj}) 比 (B) 大得多。

在接收端，扩频信号进入乘法器，与带通滤波器一起起到相关器的作用。乘法器的第二个输入是来自伪随机信号发生器的编码信号，该信号与发射机的伪随机发生器生成的序列相同。这样，乘法器的输出信号去除了调制信号的伪随机序列，经过频率滤波后在 BPSK 解调器中解调，得到与发射机输入调制信号基本匹配的基带 PCM 信号。

伪随机信号发生器带有线性反馈，由 (N) 个触发器组成，部分触发器的输出信号进行模 2 求和后反馈到寄存器输入。根据反馈设置，生成序列的周期和其他特性会发生变化，最大可实现长度为 (L = 2^N - 1)。以四位伪随机发生器为例，初始将触发器设置为逻辑 1 状态，会逐渐生成重复周期为 15 的代码字四元组，其十进制等效值为 15、7、3、1、8、4、2、9、12、6、11、5、10、13、14。伪随机代码字序列的生成频率由时钟脉冲发生器（CLK）的频率决定。

扩频频率调制也用于直接序列扩频（DSSS）系统，该系统使用调制信号频率偏移的多状态键控。发射机是快速宽带频率合成器，输出信号频率在 (B_{vf}) 频段内按等距时间段和等距分级频率变化，频率大小由伪随机二进制信号确定，其比特率 (BR_h) 比信息信号比特率 (BR_i) 高约一个数量级。为使系统有效，合成器需在 10³ - 10⁵ 范围内生成大量离散频率。生成的信号与辅助载波信号在发射机混频器中混合，辅助载波信号先在初级调制器中进行 B - FSK 调制，调制后的中频信号经放大后由定向天线发射。

接收端有相同的频率合成器和伪随机代码字发生器，与接收信号进行频率和相位同步。输入信号在混频器中降低到中频带 (f_m)，去除载波信号频率，然后用伪随机信号和解调器进行解调。同样，使用带有线性反馈的移位寄存器生成伪随机编码信号，每个伪随机生成的代码组合对应合成器输出信号的特定频率。

除上述两种基本扩频通信系统外，实际中还使用线性频率调制系统（LFMS），其中脉冲信号用于传输数据，频率线性增加或减少以实现频率谱的扩展。这种系统最初用于无线电定位，也用于无线电调制解调器的无线数据传输。

基于时间跳跃方法（SFM）的系统中，调制信号输入发射机调制器进行离散（脉冲）调制，但调制器由伪随机编码信号控制开关，形成短时间内看似不规则的传输，确保消息具有高抗非法拦截能力。

通过组合上述基本调制方式可创建混合扩频频率调制系统。实际中，常使用相位调制和代码序列调制与载波信号频率变化系统的组合，以及脉冲时间调制与载波信号频率变化系统和脉冲时间调制系统的组合。与单一调制技术相比，混合扩频频率调制系统具有更好的传输性能，包括更高的抗错误能力。

分布式无线电传输测量系统可用于住宅建筑和能源网络中水电热气消耗的无线测量。为确保数据传输可靠性，在暴露应用中建议将无线数据传输与电缆传输系统结合使用。典型的现代无线电调制解调器如美国国家仪器公司的 ADAM - 4550，功率为 100 mW，工作在 2.442 GHz 频段，传输速率可选范围为 3.2 - 115.2 kb/s，使用直接序列扩频（DSSS）方法进行数据传输，可连接 RS - 232 和 RS - 485 接口。

2.3.4 调制方式对比与应用场景分析

不同的调制方式在无线电调制解调器中各有优劣，适用于不同的应用场景，以下是对上述几种调制方式的对比分析：
| 调制方式 | 优点 | 缺点 | 应用场景 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 频率调制（FM） | 抗干扰能力较强，信号质量相对稳定 | 占用带宽较宽 | 广播、音频传输等对音质要求较高的场景 |
| 频率脉冲调制（FSK） | 实现简单，对设备要求较低 | 传输速率相对较低 | 低速数据传输，如远程控制、传感器数据传输等 |
| 扩频频率调制（SSFM） | 抗干扰和抗截获能力强，可实现高速数据传输 | 技术复杂，设备成本较高 | 军事通信、保密通信、高速数据传输等对安全性和速率要求较高的场景 |

在实际应用中，需要根据具体的需求和条件选择合适的调制方式。例如，在对传输速率要求不高，但对成本和实现难度有要求的场景下，可以选择 FSK 调制；而在对安全性和抗干扰能力要求较高的军事或保密通信中，SSFM 调制则更为合适。

2.4 无线电调制解调器的应用案例

无线电调制解调器在多个领域都有广泛的应用，以下是一些具体的应用案例：
- 工业自动化 ：在工业生产线上，无线电调制解调器可用于连接各种传感器和执行器，实现数据的无线传输和远程控制。例如，通过无线电调制解调器将温度、压力、流量等传感器的数据实时传输到监控中心，以便及时调整生产参数，提高生产效率和质量。
- 环境监测 ：在环境监测领域，无线电调制解调器可用于连接气象站、水质监测仪、土壤湿度传感器等设备，实现对环境参数的实时监测和数据传输。这些数据可以帮助环保部门及时掌握环境状况，采取相应的措施进行环境保护和治理。
- 智能交通 ：在智能交通系统中，无线电调制解调器可用于车辆与车辆（V2V）、车辆与基础设施（V2I）之间的通信。例如，通过无线电调制解调器实现车辆的实时定位、交通信息的实时共享、自动驾驶等功能，提高交通安全性和效率。

2.5 无线电调制解调器的发展趋势

随着科技的不断进步，无线电调制解调器也在不断发展和演进，未来的发展趋势主要包括以下几个方面：
- 更高的传输速率 ：随着数据量的不断增加，对传输速率的要求也越来越高。未来的无线电调制解调器将采用更先进的调制技术和编码算法，实现更高的传输速率，以满足高速数据传输的需求。
- 更低的功耗 ：为了延长设备的续航时间，降低能源消耗，未来的无线电调制解调器将采用低功耗设计，优化电路结构和工作模式，减少不必要的能量损耗。
- 更强的抗干扰能力 ：在复杂的电磁环境中，无线电调制解调器需要具备更强的抗干扰能力。未来将采用更先进的抗干扰技术，如自适应滤波、扩频通信等，提高信号的稳定性和可靠性。
- 集成化和小型化 ：为了满足不同应用场景的需求，未来的无线电调制解调器将朝着集成化和小型化的方向发展。将多个功能模块集成到一个芯片中，减小设备的体积和重量，提高设备的便携性和易用性。

3. 移动网络与无线电调制解调器测量系统的综合比较

3.1 性能比较

移动网络和无线电调制解调器测量系统在性能方面各有特点，以下是对两者的性能比较：
| 性能指标 | 移动网络 | 无线电调制解调器测量系统 |
| ---- | ---- | ---- |
| 传输速率 | 移动网络的传输速率随着技术的发展不断提高，如 5G 网络可达到最高 80 Gb/s 的传输速率 | 无线电调制解调器的传输速率相对较低，一般在几 kb/s 到几百 kb/s 之间，但也有一些高速调制解调器可达到较高的速率 |
| 覆盖范围 | 移动网络的覆盖范围广，可实现全球覆盖 | 无线电调制解调器的覆盖范围受限于发射功率和天线高度，一般在几十公里到几百公里之间 |
| 抗干扰能力 | 移动网络采用了多种抗干扰技术，如纠错编码、分集接收等，抗干扰能力较强 | 无线电调制解调器的抗干扰能力取决于调制方式和信号处理技术，一般来说，扩频调制方式具有较强的抗干扰能力 |
| 可靠性 | 移动网络有完善的网络架构和备份机制，可靠性较高 | 无线电调制解调器的可靠性受天气、地形等因素影响较大，需要采取一些措施来提高可靠性，如使用中继器、增加发射功率等 |

3.2 成本比较

在成本方面，移动网络和无线电调制解调器测量系统也存在差异：
- 设备成本 ：移动网络需要建设基站、核心网等基础设施，设备成本较高；而无线电调制解调器的设备成本相对较低，只需要购买调制解调器和天线等设备即可。
- 运营成本 ：移动网络需要支付网络建设、维护和运营等费用，运营成本较高；而无线电调制解调器的运营成本主要是电费和频谱使用费，相对较低。

3.3 应用场景比较

移动网络和无线电调制解调器测量系统适用于不同的应用场景：
- 移动网络 ：适用于需要广泛覆盖、高速数据传输和实时通信的场景，如智能手机通信、物联网应用、云计算等。
- 无线电调制解调器测量系统 ：适用于对数据传输安全性要求较高、通信距离较近且对成本敏感的场景，如工业自动化、环境监测、智能交通等。

3.4 选择建议

在选择移动网络还是无线电调制解调器测量系统时，需要综合考虑以下因素：
- 传输需求 ：如果需要高速、大容量的数据传输，且对覆盖范围要求较高，移动网络是更好的选择；如果数据传输量较小，且对传输距离和安全性有要求，无线电调制解调器测量系统可能更合适。
- 成本预算 ：如果成本预算有限，且对设备和运营成本较为敏感，无线电调制解调器测量系统可能更经济实惠；如果对成本不太敏感，且需要大规模的网络覆盖和高速数据传输，移动网络是更好的选择。
- 应用场景 ：根据具体的应用场景，选择最适合的通信方式。例如，在工业自动化场景中，无线电调制解调器测量系统可以提供更稳定、可靠的通信；而在智能手机通信场景中，移动网络则是必不可少的。

4. 总结与展望

4.1 总结

本文介绍了基于移动电话网络和无线电调制解调器的测量系统。移动电话网络中的 5G 网络具有高速、低延迟等优势，通过网络切片可满足不同技术需求；GSM 分布式测量系统利用 GSM 模块实现数据传输，但存在传输速度和可靠性问题；UMTS 为 GSM 网络发展提供框架，HSDPA 提升了数据传输速度，且具备定位功能。无线电调制解调器测量系统由系统中心和测量站组成，通过定向天线和加密传输提高安全性，但受天气影响较大，可通过中继器等方式解决连接问题。不同的调制方式（FM、FSK、SSFM 等）在无线电调制解调器中各有优劣，适用于不同的应用场景。

4.2 展望

随着科技的不断发展，移动网络和无线电调制解调器测量系统将不断演进和完善。未来，5G 网络将进一步普及，其高速、低延迟的特性将推动物联网、自动驾驶等领域的快速发展。同时，无线电调制解调器将朝着更高的传输速率、更低的功耗、更强的抗干扰能力和集成化、小型化的方向发展，为工业自动化、环境监测、智能交通等领域提供更可靠、高效的通信解决方案。此外，移动网络和无线电调制解调器测量系统的融合也将成为未来的发展趋势，以满足不同用户在不同场景下的多样化需求。

mermaid 流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B{选择通信方式}:::decision
    B -->|移动网络| C(确定传输需求):::process
    B -->|无线电调制解调器| D(评估应用场景):::process
    C --> E(考虑成本预算):::process
    D --> F(选择合适调制方式):::process
    E --> G(部署移动网络设备):::process
    F --> H(安装无线电调制解调器):::process
    G --> I(进行数据传输):::process
    H --> I
    I --> J{传输是否稳定}:::decision
    J -->|是| K([结束]):::startend
    J -->|否| L(调整参数或采取措施):::process
    L --> I

这个流程图展示了选择通信方式（移动网络或无线电调制解调器）的决策过程，以及后续的数据传输和问题处理流程。用户首先需要根据自身需求选择通信方式，然后根据所选方式进行相应的准备工作，最后进行数据传输。如果传输不稳定，需要调整参数或采取措施来解决问题，直到传输稳定为止。