基于光载无线技术的工业网关研究与设计

发布时间：2020-07-11 19:11

【摘要】：当前,工业网络互联中对多信号混合传输的高稳定性、强抗干扰性、高实时性等需求不断提高,工业网关是连接工业网络与外部网络的核心模块,因此,研究一种能够解决当前工业网络中需求问题的工业网关是很有必要的。本论文调研了现阶段工业网络及工业网关的研究现状,发现将光载无线技术应用到工业网关中可以很好的解决这些问题。本论文对基于光载无线技术的工业网关进行了研究和设计,主要成果总结如下:1、设计了基于光载无线技术的工业网关的硬件系统,该硬件系统以MT7620A芯片以及STMB2芯片为核心,包含了 LoRa、6LoVPAN、WiFi光载无线模块,同时扩展了 CAN、RS485、RS232、SFP光纤接口及电源等模块。设计工业网关能够完成对多种信号进行光载混合传输、多串口与TCP/I P之间的通信以及多种协议之间的数据转换等功能。2、研究了 SCM RCF系统模型以及通过副载波复用技术对LoRa、6LoWPAN WiFi三种无线射频信号进行光载混合传输的方法,同时设计了一种该环境下传输过程中非线性失真的预失真处理方法,最后通过实验验证了方法的可行性。3、在网关软件系统方面,首先完成了 CpenWrt系统搭建和VPN配置,然后设计了一种转发协议来实现多串口与TCP/IP协议之间的数据互传。此外,还研究了 CAN、6LoWPAN及TCP/IP三种网络之间的数据转换模型,设计了转换流程,实现了三种网络之间的数据转换。
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.05
【图文】：

基本结构,工业网络

术融合了光纤通信技术以及无线通信技术的众多优点，是解决工业网络互联中所面临问题的最行之有效的技术[1]。当前，Internet 的普及率已经达到了很高的水平，而德国提出的工业 4.0 概念则使得工业现场各种设备组成的工业网络连接到 Internet 成为工业接入网未来发展的趋势。工业网关作为连接工业网络内部与外部的核心模块，工业网关的性能好坏将直接决定着工业网络是否能够实现解决当前工业网络中所面临的问题，因此，研究设计一种稳定性高、带宽容量大、灵活性高、传输速度快等特点的工业网关是要想实现工业网络互联而必须要重点关注的。1.2 ROF 技术介绍1.2.1 ROF 系统基本组成及工作原理1.ROF 通信系统的基本组成ROF 通信系统基本结构如图 1-1 所示。主要有中心局（Central Office，CO）、远端天线单元（RemoteAntenna Unit，RAU)以及光纤组成。

结构图,中心局,通信系统,统一管理

Sub-Carrier Multiplexing,SCM）通过光收发模块进行电/光（E/O）信号转换为光波信号，经过光纤传输，在远端天线单元经过光收发（O/E）转换，从光波信号中将射频信号解调出来，经过远端天线口处理，最后通过天线将射频信号发射出去。上行链路方向，射频接收传输至中心局进行处理是与下行方向过程相反的，在此就不中在进行电/光转换所使用到的副载波复用技术在后面的第三章中述以及可能会产生失真现象和对应解决的办法。F 通信系统采用的是分布式部署，分布式部署的意思就是一个中许多个分布的远端天线单元[2]。采用这种结构主要是因为中心局的成的功能相对远端天线单元较为复杂，远端天线单元只需通过光收O 或 O/E 转换即可，结构简单，易于大规模的部署，实现 ROF 系覆盖范围大的特点。ROF 系统分布式部署结构图如图 1-2 所示。

直接调制

这种电光调制根据不同的调制技术主要可以概括为以下两种：一制（Direct Modulation），光源器件一般选用发光二极管（LED）以及半器（LD）；二是外调制（External Modulation），相比较于直接调制，外上就是在直接调制的基础上做了改进，在其中加了外调制器。因为电术是本文中 ROF 通信系统的关键所在，所以在下面我们将分别详细介调制技术的工作原理以及特点等。如前文所述，ROF 系统直接调制技术一般采用 LED 或 LD 光源。其中源因为其性能不够强大，固使用 LED 用作光源进行直接调制的一般为求不高的 ROF 系统上。因此，在目前的 ROF 系统直接调制光源中，用的为 LD 光源，即半导体激光器[4]。如图 1-3 所示，由于 LD 半导体激输入电流与输出光功率之间存在一种特殊的变化，这一变化被称为 L性，即光功率-电流特性，因为这种独特的 P-I 特性的存在，所以可以将信息的射频模拟电信号直接传输到激光器中，再利用激光器控制输出样就将电信号成功调制为了光信号，这一过程即为 ROF 系统中直接调原理。

【参考文献】