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作者简介
近年来，随着智慧地球、智慧城市、智能家居等热点话题的兴起，物联网产业逐渐成熟，正在从科研单位的实验室走进了普通居民的生活。物联网被认为是信息产业在计算机和互联网的高度发展之后的第三次革命浪潮。我国当前物联网产业发展迅速，了解物联网的关键技术，将会对它的发展有更深入的认识。
【关键词】物联网 互联网
1 物联网概述
物联网作为未来网络发展的主要驱动力，其概念的提出已经很久，最近几年由于和大数据的结合，已经成为下一代网络的整合部分，是在当前互联网基础上的功能和范围的延伸。物联网技术主要通过统一编码物品和制作通讯协议，将传感技术结合通信、控制技术按照标准将任何物品之间、以及物品与互联网之间相连，进行信息的共享和管理。2005年在信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）正式在其的《ITU互联网报告2005：物联网》中给出了“物联网”的概念。作为信息化浪潮下下一个振兴经济的关键点，在许多国家物联网已经上升到了国家战略的高度。美国权威咨询机构FORRESTER预测在未来五年内，物联网将达到一个万亿级的通信业务，产业容量将达到30倍于人与人之间的通信需求产生的经济拉动力。基于这种原因，全球各国都在大力发展物联网。
近年来，物联网已经在人们的生活、工作中起到了巨大的作用。在销售业、智慧交通和智能家居中的使用最为广泛。这种新技术的使用大大降低了劳动时长，带了了巨大的经济效益。随着物联网技术的通信协议规范得到逐渐的统一化，它的发展不断走向成熟，而同时大量新型传感器的使用，是的它的适用范围得到了很大的增加，在农业、制造业、建筑业甚至是防恐中都得到体现。其中以美国、中国、日本和欧盟等多个国家和地区的不断努力，使得一个开放、透明的物联网标准开始逐渐形成，确保了行业的健康发展。我国近年科技实力不断加强，科研资金投入逐年加大，同时由于较早就对物联网技术开始了研究，并从国家发展战略的高度予以重视，现在保持了较高的实力，技术积累优势明显，是国际物联网标准制定的主导国之一。
2 物联网的关键技术
物联网虽然是物物互联，但是其基础还是互联网。以互联网通信为核心，依靠传感器、射频识别（RFID）、红外感应器（Infrared Sensors）、智能IC卡、GPS系统、无线通讯装置等信息传感和通信设备，按约定的协议，实现对接入互联网的物体进行监控和管理[2]。
物联网的关键技术从单一模块分，可以区分为射频识别技术、传感器技术和无线通信技术的结合使用。
2.1 射频识别技术
射频识别技术（Radio Frequency Identifi-cation，缩写RFID）是一种利用RF信号及其空间耦合传输特性对物体进行自动身份信息识别的技术。RFID系统的组成有主机、传输天线、电子标签和读写器组成。
2.2 无线网络技术
无线网络技术是物联网功能构成的主要部分。特别是短距离的无线通讯技术，是物联网中进行信息交换和识别活动最活跃的部分。目前常用的技术主要有NFC、Bluetooth、Z-wave、ZigBee、UWB、WI-FI、RFID等。
NFC近场通讯技术在标签识别和数据传输中运用广泛，是下一代智能移动设备的标配。 它的通讯频率固定在13.56MHz，是对RFID技术的改进，能快速匹配设备和连接。
ZigBee主要面向低速率无线个人区域网，适用于家庭监控、远程控制、工业监控、安全系统、传感器网络和玩具等领域。在生物医学领域，这项技术在许多的产品上都得到使用，包括迈瑞等公司的多种型号的血糖仪、家庭监护仪均采用了这种通信方式。
Bluetooth使用的工作频率为2.4G-2.5G之间，具有低成本、低功率、近距离无线连接简单安全的特点。可以实现10m全双工通信。
“UWB”（ultra wideband）是一种使用1GHz以上带宽的超宽带无线技术。
Wi-Fi属于无线局域网的一种，可以实现各种设备的高速互联。在部署物联网之时，考虑到设备成本和易用度，WLAN都是十分方便的。国内厂商小米、TP-Link等公司最近在智能路由器领域的新产品，都是以物联网的家庭流量入口为重点。
2.3 传感器技术
传感器是物联网中实现自动检测和自动控制的首要环节。它能够感受并处理被测量信息，使其变为系统可以辨识的信号。传感器的发展是物联网拓宽应用范围的关键所在。高精度传感器技术一直被国外所掌握。目前，国内的高端传感器市场研发还处于空白期。在工业、家庭、医疗卫生领域，传感器的精度和稳定性是其性能研发的难点。
宏观角度下，物联网产业的布局和生态如果从整体来看，则可以分为平台服务和终端接入技术两大块：
（1）平台服务技术。平台服务技术关系到这个物联网产业的生态圈的建立。一个适合未来发展的物联网应用体系，应该具有强适应能力和通用的数据平台，兼容行业内大部分使用者的需求，可以实现业务流程定制、各种设备的冗余自修复、数据集中管理、平台间物件的通信管理等。
（2）终端接入技术。物联网系统的庞大要求了它的终端种类的繁杂，各个终端设备的互联互通是物联网接入技术的关键。根据现阶段的发展状况，通信模块、物联网网关和智能终端是目前物联网终端接入所关注的重点内容。制定统一的国家（国际）标准，是打通物联网产业不同方向、拓展不同领域进行信息交流的重中之重。
3 结束语
物联网的发展前景已经得到了世界的认可，无线传感器网络的铺设和通信技术的应用是物联网技术的关键，借助软硬件的结合实现智能感知是基础，良好的识别技术是保障。在当前大数据和云计算的背景下，物联网与新技术的结合，对智慧地球的建设起到了越来越大的作用。很明显，它将成为网络技术的下一个爆发点。对物联网关键技术的了解，将对以后的学习工作起到一定的指导作用。
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关键词:企业信息化;SaaS;关键技术;PaaS
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2647-03
Study of Key Technique of SaaS
LIN Xuan
(Department of Math and Information Tech, Hanshan Normal University, Chaozhou 521041, China)
Abstract: Software-as-a-Service (SaaS) is a new software delivery mode.Firstly,the status and development of SaaS are introduced.Then the paper emphasizes on the key technique of Saas and proposes the view about the SaaS solution on the basis of research summary lastly.
Key words: enterprise informationize; SaaS; key technique; PaaS
随着信息经济时代的到来,软件及其相关的信息服务产业已成为引导未来经济的核心力量,企业信息化水平则是衡量软件产业的重要指标。现在企业管理软件已经历了由Mainframe结构、Client/Server结构、B/S多层分布式结构到SOA的演变,变得越来越分散、越来越开放和强调互操作性[1]。软件交付方式也从传统的IT外包转为了应用服务提供商模式(Application service Providers,ASP)模式[2],独立软件开发商逐步发展为应用服务联盟。而相比传统的ASP 模式,软件即服务模式(Software-as-a-Service , SaaS)更适合中小企业应用。
SaaS是一种通过Internet 提供软件的模式, 用户不用再购买软件,而改为向服务提供商租用基于Web 的软件来管理企业经营活动,服务提供商会全权管理和维护软件[3]。自2003年Salesforce首次推出SaaS概念以来,SaaS取得了很大的发展,已成为当前的研究热点。本文首先介绍SaaS的发展趋势,然后重点分析构建SaaS平台的关键技术,最后提出了对SaaS解决方案的看法。
1 SaaS的现状和发展
据Gartner预测,到2010年全球SaaS市场将占整个软件行业市场份额的25%[4]。国外出现了包括Salesforce、Rightnow、Taleo以及Google、Microsoft、SAP等从事SaaS业务的公司,已形成包括支撑平台与网络环境提供商、软件运营服务平台提供商、SaaS软件提供商、SaaS软件集成商、咨询、实施、维护提供商、软件运营商和用户在内的SaaS生态系统,并呈现从中小应用往大型应用过度的趋势。
在国内,也涌现了包括用友、金蝶、金算盘、800CRM和阿里软件等SaaS服务提供商,SaaS生态系统中的各种角色都已出现,但是角色的分工尚不明晰,总体处于市场发展阶段初期。据“计世资讯”统计,SaaS市场2007年比2006年增长104.5%,2008年将达8亿元的规模,未来3-5年是SaaS市场发展的黄金时期,2015年之后,将进入成熟期[5]。在2007年,管理型SaaS中制造、服务、流通领域占的市场份额为20%、16%和21%,服务内容主要针对企业的通用性应用,软件流程简单。往后,应用趋势将朝着行业化、个性化、集成化和多功能渗透发展。
未来SaaS的发展呈现几个趋势:
1)所涉及的领域不断扩大,所提供的功能也不断深化。技术上快速地从基于云计算的垂直应用过渡到多种应用功能架构和服务集成。中小企业的医疗、法律、财务和旅行等领域也开始受到关注[6]。
2)应用服务供应商逐渐趋向于提供API(应用编程接口),在SaaS平台上帮助用户拓展功能,而不仅仅是提供成熟的应用软件。平台即服务(Platform as a service,PaaS)是这种趋势的典型代表,体现了互联网低成本、高效率和规模化应用的特性[7]。目前的产品包括Salesforce的、Google的App Engine和Amazon的EC2。
2 SaaS的关键技术
2.1 系统架构
系统结构是SaaS中最重要的部分,以下是几种典型的方案:
2.1.1 成熟度模型
文献[8]认为SaaS结构应该至少满足以下三个特点中的一个或多个,即
1)可扩展性:指能最大限度提高并行性,以便更高效地利用应用资源。
2)可配置性:指让每个客户能用元数据配置应用的外观和行为,同时保证配置的使用简易和零费用。
3)多用户高效性:指能最大化不同用户间的资源共享,但要区分不同用户的数据。
根据是否满足这三个特点,可以建立SaaS的四级成熟度模型,每一级都比前一级增加了上述三种成熟特性中的一种。
1)成熟度Ⅰ: 如应用程序提供商(ASP)提供的模式,每一个用户运行一个不同的实例。
2)成熟度Ⅱ:所有的用户提供相同的实例。但是在这个模式下,实例具有可配置性,用户可以根据自己的需要配置自己运行的实例。
3)成熟度Ⅲ:这种模式具有可配置性及多用户效率,所有的用户运行在同一个实例下。
4)成熟度Ⅳ:这种模式下,供应商在负载平衡的服务器群上为不同的顾客提供服务
每种成熟度的特点看参考文献[1]。文献[9]则提出了可根据业务模型、架构模型和运营模型来选择成熟度模型的策略。
2.1.2 三层模型
文献[10]认为SaaS系统可以分为表现层、接口层和应用实现层,表现层侧重于管理流和业务流的分离,在接口层必须提供统一的用户远程调用接口,而应用实现层则计算能力共享、存储能力共享、个性化配置能力和大容量支持能力。
2.1.3 标准SaaS体系结构
文献[11]提出一个标准的SaaS体系结构,包括数据中心、硬件层、OS平台、应用基础设施、应用服务层以及系统监控管理等部分,微软、谷歌和IBM等公司的SaaS方案基本涵盖了该结构的主要部分。
2.2硬件方案
解决方案包括HTML静态化、图片服务器分离、数据库集群、库表散列、缓存、镜像、负载均衡、CDN加速技术、分布式服务器集群、链路聚合技术、更高层交换技术等等[12]。当前,集群技术是主流的解决方法。而服务器集群的负载平衡问题则是当前研究人员关注的重要问题。主流的集群系统有:LVS是通用的集群系统,MOSIX集群系统主要是针对于科学计算;EDDIE主要是针对于WEB服务,它使用了DNS负载调度策略。KTCPVS主要介绍了一种基于内容请求分发的集群体系结构[13-14]。近年来,服务器虚拟化成为新的研究热点,它和云计算结合也引起了很多讨论[15],但是相关研究刚刚起步。
2.3 集成技术
因为SaaS平台致力于为各类不同企业集中提供信息化特色服务,具有多行业、多架构、多模式、跨地域、跨平台、多语言的特点,要求灵活开放易扩展的集成方式。现有很多ASP平台的系统集成方案以及体系结构可以使用于SaaS,这些系统一般都采用多层模型,建立统一的集成框架,如平台与应用层的“基于统一安全认证的应用集成模式”,数据层、功能层和过程层的“基于企业服务总线的应用集成模式”等[16]。但是SaaS更强调软件服务的组合以提供个性化和灵活性的支持,因此采用基于服务组合的思想来构建SaaS平台正成为趋势。这种思想是:基于SOA的思想,采用ESB技术,在平台与应用系统之间建立中间层,将所有应用作为服务用XML模板来描述,使用SOAP协议传递与调用,从而不仅可以实现平台与应用系统的整合,还可以方便地整合应用系统间的数据和流程[17]。基于SCA(Service Component Architecture)的SaaS平台以及IBM的SaaS平台是其中的代表[18]。另外SaaS平台还综合了基于CORBA、XML、Agent、工作流等技术的集成方法[19]。但是服务软件的编制和集成缺乏统一标准。
2.4 安全
目前SaaS没有统一的安全标准,热点的安全问题涉及到了数据中心、硬件、操作系统和软件服务客户端等,许多信息安全领域的理论和技术被引进来,包括基于角色、网络安全、信任关系和风险评估等[20-21]。
2.5 个性化支持
主要技术有建立动态联盟,提供不同灵活的应用组合;灵活的角色权限控制;数据管理;用户界面;报表自定义等等。基于平台的服务(PaaS)则允许用户不写代码而组合出适合自己的应用系统,现在处于试验阶段。在个性化方面,有很多的技术和方法问题尚在研究之中。
可以看到,SaaS不仅是软件交付模式的改变,管理思想的革新,而且还给理论和技术研究带来了很多新的课题。
3 结束语
SaaS的应用中,选型很重要。如第四级成熟度很好,但是它需要负载均衡技术的支持,成本较高,因此必须结合各方面的能力和应用的要求来确定SaaS解决方案。第三级成熟度模型则比较适合我国的情况,因为可以在资源的利用率和成本间取得较好的平衡。该模型中,SaaS平台提供单个实例来满足不同客户的需求,并采用可配置的元数据为不同的用户提供独特的用户使用体验和特性集。相同的实例能最大化不同用户间的资源共享,并且从最终用户的角度来看,不会察觉到应用是与多个用户共享的。不同用户的数据彼此分开,通过授权和安全策略来确保不同的用户访问各自权限范围内的数据,以及区分不同用户的数据。
从该文的论述可看到,无论从技术领域研究,还是应用前景来看,SaaS都是值得关注的。往后,SaaS将会吸引其他学科的注意,如管理学、协同学等。
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关键词：CAD组件变量化(VGX)实体造型特征造型
1.引言
随着传统CAD系统在工业界的应用普及以及现代设计问题的复杂化、智能化，人们不再仅仅满足于用计算机取代人进行手工绘图。所幸随着计算机图形学、人工智能、计算机网络等基础技术的发展和计算机集成制造、并行工程、协同设计等现代设计理论和方法的研究，使得CAD系统也由单纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态仿真方向发展，参数化设计向变量化和VGX(超变量化)方向发展，几何造型、曲面造型、实体造型向特征造型以及语义特征造型等方向发展；另一方面，伴随着CAD软件复杂程度的增加和各个不同应用系统间互操作的现实需要，人们希望CAD系统具有极佳的开放性同时又能“搭积木”似的自由拼装形成不同的功能配置，软件工程技术特别是组件开发技术的研究应用和逐渐成熟为解决这一问题提供了坚实的基础。
组件技术使得各CAD系统开发商们不必再完全遵从“一切从零开始”的开发模式，他们可根据自己的技术优势在满足组件接口规范要求下开发不同的构件，然后在得到许可的情况下便可以自由使用这些构件来搭建用户所需要的CAD系统。这种方式因其开发周期短、见效快、系统柔性高、开放性好、以及容易“即插即用”和进行并行开发等优势而倍受亲赖。
本文主要讨论采用组件技术开发国产商品化CAD/CAM系统——“金银花”系统的一些关键技术。
2.系统框架
“金银花”是在ACIS几何建模平台上，采用变量化特征造型技术，基于STEP标准——遵循AP214和AP203协议而研制开发出来的商品化三维CAD系统。该系统基本框架结构如图一所示，大体分为三个层次——数据层、功能层、接口层：
数据层包括物理数据文件、数据库和逻辑数据模型两部分，它是CAD系统的设计结果，也是CIMS信息集成的主模型，由于本系统是符合STEP标准的，故可以通过标准数据存取接口(SDAI)进行操作，数据是用户利用系统功能实现的。
功能层是主体部分，主要有三维零件设计、装配设计、二维工程图设计三大模块，由于有主模型的支持，三块之间相互关联：即任一部分的改变都将引起其它部分相关的自动更新。在零件设计中采用特征造型和实体造型相结合、特征模型与实体模型共存，大大方便了后续工艺分析和加工对特征信息的需求又满足了显示、变换、物性计算、干涉检查等操作对实体信息的要求。变量化VGX技术主要在草图设计、特征造型、装配设计等部分应用，极大的方便了用户对设计的编辑和修改。
接口层是提供系统的对外接口，分为功能接口与数据接口。功能接口便于用户进行二次开发，组件重用等；而数据接口为其它环节如CAPPCAMCAEPDM等提供一致性的数据访问方式。
3.组件结构
系统的组件结构设计是基于组件技术开发CAD系统的关键，主要内容是根据应用系统的功能需求列出所有构成组件、各个组件间的依赖关系和接口，并确定哪些组件自己开发而哪些可直接从组件供应商处购买以缩短开发周期。而本系统就是通过从美国STI公司(SpatialTechnologyInc.)购买三维CAD系统所需几何造型、文件管理、内存管理等基本功能组件，而集中精力开发支持特征造型、VGX约束求解、装配设计、关联绘图、用户接口等组件。
由于ACIS是完全基于组件技术开发的，其所有基础功能均通过不同的组件（表现为动态联接库DLL）实现。在ACIS6.0中大约有五十多个DLL，所有这些DLL实际可划归为两部分：ACIS3DToolkit（核心模块）和OptionalHusks（可选模块）。其中核心组件提供构造系统所需的基本功能（如：基本几何和拓扑、内存管理、模型管理、显示管理、图形交互等），这部分是ACIS几何建模的核心，类似机的发动机，其中包括许多开发商的必选构件；而另一部分可选组件则提供一些更专业化和更高级的功能（如：高级过渡、高级渲染、可变形曲面、精确消影、拔模、抽壳、与CATIA和Pro/E等系统的数据接口等），这部分作为可选组件由用户根据实际开发的系统需要自由挑选、搭配和组合，当然用户也可用自己开发的组件取代ACIS的部分组件。ACIS的各组件之间存在一定的依赖关系，其中核心组件详情可参见ACIS6.0核心组件依赖关系图。
金银花系统组件结构是在对系统功能需求和总体框架结构分析基础上得出的，同时也参照了ACIS的组件划分思想。图二给出了系统组件依赖关系简图（为节省篇幅，主要表示了三维零件设计部分的组件，而没有详细表示关联绘图和装配部分的组件），为方便组件的集中管理和调用系统采用了层次结构，主要分为核心组件、功能组件、接口组件三层，上层组件可任意调用下层组件提供的所有服务。以下对图二作一些介绍：
核心组件层：该层包含了系统最重要和最基本的组件，是三维特征造型、二维关联绘图、部件装配、动态仿真等模块的共享部分。ACIS核心组件也位于其中，为系统提供ACIS几何造型基本功能；LM_GI是提供底层显示支持，如：对OpenGL的调用、对屏幕刷新的操作、基本几何元素的绘制；LM_PUBFUN中提供通用数学运算以及公用链表、队列、堆栈的类定义；LM_RUB包容了各种几何元素的橡皮条——rubberband，该部分是支持VGX动态拖放造型（drag-and-drop)、动态约束添加以及装配模块中的动态干涉检查等的基本组件；LM_KERN包括本系统特征造型功能和ACIS几何造型引擎连接相关的类LmSuperElement(详见4)，以及为上层提供的管理类、约束类、特征类等提供超类。
功能组件层：该层建于核心层之上，系统面向应用的主要功能部件均在这一层实现。用户的不同需求会希望配置不同功能的软件系统，从该层选折所需组件集进行不同配置即可。图二所示为三维部分的核心组件LM_KERNPART、特征造型组件LM_FEATURE、VGX约束管理器组件LM_VGX、处理选折对象的组件LM_PICK、和负责总体协调管理的组件LM_MANAGE等。而其征造型和VGX组件中又分别进一步细化为：草图特征、高级特征、自定义特征和VGX约束操作、约束管理约束求解等组件。
接口组件层：是系统的最高层，也是与用户直接进行交互操作管理的组件层，所以主要有处理鼠标事件MouseTool的LM_MT和管理系统界面中涉及到的对话框、菜单、工具条等资源的组件。
可见，这种组件设计结构不仅极大的方便了不同用户需求系统的配置，而且将系统的用户接口与功能的具体实现分开，便于针对不同语种、不同操作系统平台、不同使用习惯开发丰富多彩的界面，也从技术角度实现了与ACIS几何引擎的无缝集成。
4.关键技术实现
采用软件组件技术建立组件依赖关系为三维CAD系统架设了总体结构，但具体实现还需解决许多关键性技术，以下主要以特征造型技术为例说明系统的设计思路。
由于ACIS本质上一个几何实体造型的平台，通过B-rep表示提供实体几何、拓扑结构的完整描述，但它并不直接支持特征造型。因此，如图三所示系统在实体模型和特征模型之间通过引入构造点、边、面的机制建立一种映射关系。每个特征中不仅包含工艺制造信息还包含其具体构造点、边、面信息，这些构造元素再与实体模型中的点、边、面建立联系。
其中LmFeature最终派生于ACIS的ENTITY，以便于进行内存管理、文件存储和模型操作管理。m_Construction属性记录该特征的所有构造点LmSuperPoint、边LmSuperEdge、面LmSuperFace（三者均派生于LmSuperElement)，它们又分别记录ACIS的VERTEX，EDGE，FACE和部分几何参数以及特定的语义信息；同时在每个ACIS拓扑元素（FACE，EDGE，VERTEX）中通过属性ATTRIB机制又嵌入其对应的LmSuperElement。这种双向链表结构方式不仅便于实现特征造型和实体造型间的无缝链接和快速查找，而且也为系统重建时维护拓扑关系奠定了基础。因为仅记录ACIS拓扑元素（FACE，EDGE，VERTEX）是不可能保证拓扑关系一致的。m_OtherInfo属性主要用于存放特征语义、工艺信息等，另外还为用户提供了手工添加特征语义的接口，为真正支持CIMS环境下信息集成奠定了基础。
在特征创建删除修改或模型重建过程中，为维护设计者的设计意图关键在于维护模型修改前后拓扑结构的对应关系即：拓扑一致性，因此必须考虑拓扑编码的问题。系统通过为每个从ENTITY派生的实体引入索引标志的方法解决，该索引标志不仅记录全局唯一标志符，而且通过充分利用ACISENTITY中的ATTRIB和ANNOTATION类对模型操作的具体变化做了详细的记录：操作前有那些面、边、点，操作后又产生了那些新的面、边、点等等。操作后系统自动重新整理，保证了拓扑结构的对应关系。
要支持特征造型，还必需维护特征之间的依赖关系，以便修改特征参数后重建所有依赖特征，这些关系一般形成树形结构，又称特征树。特征树方便了对特征的管理，但这种关系往往也限制了设计人员的设计思路，并且还可能出现：父特征的删除导致所有子特征的删除，如果某特证的参数依赖于其后续特征的参数导致系统重建时的崩溃等现象。于是系统采用双重坐标方法：即对每个特征既记录其相对父特征的坐标，也记录其在全局坐标系下的坐标。这样，当父特征不存在时，子特征可在全局坐标系下"生存"；另外，采用VGX技术，将约束关系从几何关系中独立出来，建立全局约束链，相对独立的约束求解器，结合代数方法和数值求解方法对约束整体联立求解，既增加了系统的动态导航、动态约束添加和动态修改机制又保证了模型的修改可以超越设计历史树的限制，使得设计人员随时、随地、随意修改成为现实。
5.结论
软件组件技术的发展为大型复杂的三维CAD/CAM系统的开发提供了极好的解决之道，它完全改变了传统CAD/CAD系统开发的低效率模式，使得该类复杂系统也可以“搭积式”的快速构建。本文深入研究了基于组件技术开发三维CAD系统的相关技术，介绍了具体实现方法，同时给出了系统组件层次结构，可为开发该类系统提供一定的参考。
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3OnlineHelpforACISVersion6.0。
【关键词】GPON；关键技术；GEM封装
随着互联网和网络通信技术的的持续快速发展，GPON技术也得到了快速的发展，而互联网的各类增值业务不断涌现，例如网络视频会议、大型的网络游戏、IPTV等相关业务的开展，对网络的带宽、网速都提出了比较高的要求，尤其是在以IPTV为代表的网络视频点播业务、对于网络带宽和网速的要求远远超出了WEB服务功能的要求。
1 GPON的系统结构和GEM功能描述
（1）GPON的协议栈。GPON的控制功能主要由控制管理平面C/M平面和用户平面U平面组成，其中，C/M平面管理系统的用户的数据流，完成系统数据的加密和解密等OAM功能，U平面完成系统用户数据流的传输功能，用户的平面可以分为物理媒介相关子层、GPON数据汇聚子层和系统的高层，其中系统的高层用户数据和控制与管理信息的功能通过GEM适配子层进行封装，完成数据的传输。GPON的数据协议栈的模型图如下图1所示：
（2）C/M平面的协议栈。该协议栈主要由内嵌的OAM、PLOAM和OMCI ONU构成三部分构成，其中OAM主要完成数据的上行带宽的授权、系统的密钥切换指示和DBA的信息报告功能，PLOAM主要实现传送物理层中不通过OAM的数据信息，OCMI主要实现系统数据的种类、业务、Qos质量控制等功能，通过ATM的PV/PC或GEM的封装，实现GPON网络集中业务管理的信令传输和控制管理等。
（3）U平面协议栈。一般地，GPON网络具有ATM和GEM两种数据封装和传输模式，数据通过U平面协议栈可以实现数据的有效传递和数据交换，GPON中的数据传输可以采用ATM格式，也可以采用GEM模式，也可以将上述两种模式混合使用，以实现数据的封装功能，在具体工作时，选取那种数据封装模式，一般在GPON初始化时开始进行选择。
2 GEM的功能与帧结构
（1）GEM的功能。就GEM的帧结构而言，他和其他数据的结构的封装方式相似，但是GEM的数据封装在GPON的内部，独立于系统的OLT端的SNI，而且也独立于ONU端的UNI，在GEM封装内嵌与GPON之中后，SNI与UNI无法对GEM的封装进行辨识。
（2）GEM的帧结构。根据规定GEM帧结构是由5个字节的帧节头和L字节的净荷组成，GEM的帧头由PLI、端口ID、净荷类型指示和13bit的头错误控制等五个相关的部分组成。
PLI指示的是净荷的字节长度，可以将PLI视为一个指针，实现数据的传输和管理，用以指示下一个GEM的帧头；Port-ID由12个字节组成，可以提供4096个不同的数据端口；PTI主要用以指示净荷的类型，用以判别GEM帧的信息是否为OAM信息；13bit的HEC主要实现GEM封装数据的帧头检错和纠错的功能。一旦帧头确定以后，系统的发送机就可以进行计算，将计算的结果发送出去，并对接收到的信息进行同样的计算，以恢复GEM的帧头部信息。
3 GEM帧的同步和分片
（1）GEM帧的同步。GEM的数据封装要能够顺利的传递，GEM帧必须实现两项非常重要的功能：捕获GEM帧头并对帧头的信息进行计算以及数据传递的方式保持帧同步。帧同步包括预同步状态、同步状态和搜索状态三种状态，保证GEM的封装能够准确在指定的位置得到传输。搜索状态为数据传输的链路初始化或GEM接收机接受失败时的基本状态，并告知GEM封装信息的发送方。捕获GEM封装信息的帧头和实现帧的同步是通过系统的HEC部分来实现的。GEM帧头在解码以后，通过HEC来寻找GEM的其他部分信息，如果寻找到的信息是正确的话，HEC就会将GEM封装的信息转移到预同步状态，并根据PLI数据特性，主动的寻找到下一个GEM封装的信息，通过GEM帧的帧头并找到HEC，并进行判断找到的HEC是否满足要求，匹配是否正确。如果该HEC正确匹配，则GEN帧就会转移到帧同步状态，若找到的HEC不匹配则系统会转移到HEC的搜索状态。由于GEM帧的帧头都要和0xB6AB31E055异或，并根据相关的数据情况进行对比，符合条件的帧进行传输，而将空闲帧的帧头定义为全“0”，即该帧不承载任何信息，所以空闲帧在接收机接收时是GEM帧与0xB6AB31E055进行异或后的信息，即0xB6AB31E055本身的信息，也是进行异或后得到“0”的帧头，这样发射机就完成一个GEM信息的封装和传输。
（2）GEM帧的分片。一般地，用户发送的数据帧的长度是随机的，不是按照GEM数据封装的长度进行的，有的帧长度超过了GEM数据帧封装的长度，数据帧的长度超过系统的GEM协议规定的净荷长度，在数据发射的过程中，就要采用GEM的分片机制，完成GEM数据的分割，GEM的分片机制采用与协议规定的净荷长度进行对比，把超过规定的长度限制的用户数据帧进行分割，完成GEM帧的若干块的分割。根据数据传输的要求，分片的帧信息必须连续传输，不能跨帧或者断帧传输，否则会发生错误。GEM帧的分片过程，必须注意当前传输GEM帧净荷中剩余的长度和剩余的时间，系统根据帧的实际情况进行分片处理。当高优先级的GEM帧在发送完成后，系统会根据GEM帧剩余4字节或更少（小于GEM帧的最小值，GEM帧头为5字节）进行适当的处理，对于不能满足净荷长度的帧进行加入空闲帧进行填充并发送。接收端通过分析和判断。识别其为发射端的空闲帧并将其丢弃。GEM帧的固有的分片机制具有自动判断的特征，发射端和接收端都提供了时延敏感业务（如语音数据业务），对于系统的GEM帧的敏感数据，能够抢先于非时延敏感业务传输，提前完成数据的传输。要想完成这种GEM帧的传输，一种简单的实现方法就是在系统发射紧急业务的GEM帧的分片后，在净荷区的前部传送，完成敏感数据的有效传递，在发射端GTC帧的发射周期为125us，使得GEM帧的传输的时延很小。因此，GEM帧的分片机制是有效保证GPON数据传输的重要保证，也是保障用户发送时延敏感业务Qos质量的的一种有效手段和GEM封装的重要途径。
4 小结
采用GPON技术是解决宽带多业务接入和带宽问题的有效途径之一。GPON的特性相对于以太网业务的EPON业务和TDM通信业务优化设计的SDH技术来说，GPON在技术和信息的封装方式上，更有效、更适用于宽带通信提供有的Qos信息封装的质量保证的全业务接入和传递。而如何有效的、高效的实现对于多样性信息传递和封装业务，实现信息的高效透明的封装和适配，在基于GPON网络传输的通信系统中，通过采用全新的传输汇聚层协议___GEM封装映射技术的方式来实现的，并对信息进行传递。
关键词：LTE；3D-MIMO；系统容量；信道；数据传输；多天线技术
1 什么是3D-MIMO
作为无线关键技术之一的3D-MIMO，得到了越来越多的关注。在垂直方向上增加一个天线维度逐渐成为可能。3D-MIMO技术通过引入二维天线阵列，有效的打破了传统天线只提供水平维度的限制，能够同时实现水平和垂直方向上的MIMO，进一步提升了MIMO可利用的空间维度，而且利用3D-MIMO信道模型所生成的信道传输参数也能够与真实的通信场景具有较好的相符性，可以说3D-MIMO技术将多天线技术推向了更高的发展阶段，为无线通信系统性能的提升提供了更广阔的发展空间。
2 3D-MIMO技术对现有系统有哪些影响
一直以来移动通信蜂窝系统采用的是传统的2D波束赋形技术，这就导致基站发射端波束只能进行水平维度的调整，但由于3D信道的存在，只对每个用户设置固定的下斜角，无法保证系统吞吐量处于最佳水平。特别是小区用户不断增加的新形势下，用户所处位置各不相同，这就导致无法在竖直维度上进行信道信息区分，这必然会对系统性能带来较大的干扰。
与传统的2D-MIMO相比，3D-MIMO是在竖直维上增加了一维可供利用的维度，通过引入二维天线阵列，可同时实现水平和垂直方向上的MIMO，进一步提升MIMO可利用的空间维度。因此可以有效的利用3D-MIMO技术在竖直维上的信道信息，不仅能够对小区间同频用户的干扰起到有效的抑制作用，而且有利于整个小区平均吞吐量的提升。而且在利用3D-MIMO技术的同时，随着收发天线数目的逐渐增多和传输模式的不断丰富，在提高数据传输效率和可靠性的同时，全面提升无线通信系统性能。
3 3D-MIMO为提升无线通信系统性能提供更多可能
MIMO多天线技术作为LTE系统物理层的基本构成之一，主要可以分为空间复用、传输分集和波束赋形三种模式。它可以充分利用空间特性，通过在发送端和接收端均使用多根天线进行数据的发送和接收，对于提升数据传输峰值速率、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量都发挥相当重要作用。现有的MIMO传输方案由于受限于传统的基站天线构架，只能在水平维度实现对信号的控制，还无法利用3D信道中垂直维度的自由度，不能从更深层次开发出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率与性能。而随着天线设计构架的演进，移动通信系统底层设计及网络结构的设计思路也产生了巨大变化，这一发展趋势直接推动MIMO技术向着更高维度发展，为进一步提升系统性能提供了更多可能。
空间自由度是MIMO多天下技术的安身立命之本。在有源天线系统技术的有力支持下，垂直维度的空间自由度的大门已悄然向MIMO技术开启，也就是有了有源天线系统的技术。在3D-MIMO技术应用过程中，能够在不对现有天线尺寸改变的基础上，对每个垂直天线阵子进行分解，形成多个阵子，开发出MIMO另一个垂直方向的空间自由度。这不仅有效的提高了MIMO技术的水平，而且为LTE系统性能的提升奠定了良好的基础，对抑制小区间干扰及提高系统吞吐量都起到了非常重要的作用。
4 3D-MIMO突破应用场景限制，有效提升系统容量
与传统MIMO不同的是，3D-MIMO中所采用的天线规模发生了巨大变化，天线数目大幅增加，不只是简单地扩增天线数量，因为量变可以引起质变。随着基站天线数目趋向于很多时，各UE的信道将趋向于正交，用户间的干扰趋于消失，由此带来的巨大的天线阵列增益将有效提升每个用户的信噪比，因此可在相同的时频资源上支持更多用户的传输，提升小区的平均频谱效率。在单天线对单天线的传输系统中，由于环境的复杂性，电磁波在空气中经过多条路径传播后在接收点可能相位相反，互相削弱，此时信道很有可能陷于很强的衰落，影响用户接收到的信号质量。而当基站天线数量增多时，相对于用户的几百根天线就拥有了几百个信道，他们相互独立，同时陷入衰落的概率便大大减小，这对于通信系统而言变得简单而易于处理。3D-MIMO通过引入新天线和新技术，在满足灵活组网需求的同时，有效提升系统容量，诸多优势引来业界多数通信设备厂商都相继推出了具有3D-MIMO功能的新设备。
首先，当前城区建筑多以高层建筑为主，这就导致传统基站无法实现对高层建筑高处楼层的全面覆盖，因此需要利用3D-MIMO技术，通过该技术来分割出指向不同高度位置的波瓣来实现场景的全面覆盖，而且依托于多个并行数据流进行传输，有效的提高了频率利用效率。利用3D-MIMO技术后，所占用的天面数量较少，而且垂直面覆盖加宽，利用天线阵来实现对整个楼层的覆盖，而且在对高层建筑进行覆盖的同时，还能够实现虚拟分区，不仅达到了空分复用的效果，而且对频谱效率的提升起到了积极的作用。
其次，3D-MIMO技术可以降低对邻区的干扰。
3D-MIMO天线相比于常规天线的垂直面不能随终端位置的变化而实时调整，3D-MIMO天线可通过AAS（有源天线阵子）组合而成，每个阵子都可以独立调整权值，波束在垂直面实时跟踪终端，从而可从整体上降低对邻区的干扰。
最后，3D-MIMO技术可实现垂直面空分复用，提升频谱效率。
由于采用的常规天线无法在垂直面上实现针对终端的多波束，但利用3D-MIMO多天线技术时，在实现针对不同终端的垂直面多波束的同时，还能够提供垂直面波束赋形，而且从垂直维度上再进行一次区分，形成对准他们的波束进行信号传输，提升频谱效率。水平面维度与基站的夹角不同，所以基站可以在水平面维度上形成3个分别对准他们的波束进行服务。
5 多天线技术持续演进，全面推动网络智能化发展
西成铁路客运专线预应力混凝土箱梁预制
摘 要：客运专线后张法预应力箱梁预制关系全线的桥梁施工，以铁路客运专线昭化梁场为对象，在梁场总体布置、箱梁预制的混凝土施工、预应力张拉、箱梁收缩徐变等关键技术方面进行了阐述。梁场的预制情况结果表明，箱梁预制控制质量良好。
关键词：客运专线 箱梁 预制梁场 预应力
中D分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0051-04
Key Technology of Precast Concrete Prestressed Concrete box Girder Construction of Xi’an-Chengdu Passenger Dedicated Line
Fan Chen
（Xi’an-Chengdu Passenger Dedicated Line Sichuan Co.，Ltd， Chengdu Sichuan， 610000， China）
Abstract：The bridge construction of Prestressed Precast Box Girder for passenger dedicated line relationship across the board， the railway passenger dedicated line ZhaoHua beam field as the object， the key technology in the field of general layout， girder box girder precast concrete construction， prestressed box girder， shrinkage and creep are discussed， the results show that the precast beam field good quality control， precast box girder.
Key Words：Passenger Dedicated Line； Box girder； Precast beam field； Prestress
作为桥梁施工的关键工序，客运专线建设中的箱梁预制具有技术含量高、设备用量大、投资费用高、质量要求严、建设期长等特点[1，2]。如何合理地对预制梁场进行总体规划布置及对预制梁进行有效的施工质量进度控制就成为箱梁预制工作的关键。该文以西成铁路客运专线昭化梁场C50高性能混凝土后张法预应力箱梁预制为例，介绍了梁场各组成单元的总体布置建设、箱梁预制的混凝土施工、预应力张拉、箱梁收缩徐变等关键技术问题。
1 工程概况
新建西成铁路客运专线（以下简称西成客专）西安至江油段位于陕西与四川两省境内，设计时速250 km/h，全长约509 km，其中陕西省境内约343 km，四川省境内约166 km。
西成客专四川省境内设计桩号为DK344+469.4～ DK512+428.418，包含四川段正线工程和广元地区、江油车站及成都枢纽工程。西成客专四川段全线设置桥梁84座45.342 km，箱梁孔数1 106孔，其中32 m梁737孔，24 m梁369孔。
由于西成客专四川段桥梁建设任务桥隧比高，受控制性工程影响多；根据全线桥梁分布特点及各梁区的供应数量，结合每个梁场的合理覆盖范围及制梁进度满足总工期要求，统筹划分全线的预制及架梁区段，选定梁场位置及规模[3]。全线分为利州梁场、昭化梁场、江油厚坝梁场及双河梁场四个梁场，其中昭化梁场占地规模102.5亩，生产能力为373孔，为其中规模最大、生产能力最强的梁场。下面就以其为代表进行分析。
2 制梁场的总体布置
梁场的总体布置合理与否关系不仅到梁场正常运转，也关系到箱梁的预制质量，故梁场的布置应因地制宜地进行。
2.1 梁场主要区域划分
梁场各区域划分要充分考虑所选机械、场地条件、制梁工期等各种因素，统筹合理安排。昭化梁场主要区域划分为五区一站一室，五区包括：（1）钢筋加工区。（2）制梁区（包括制梁台座、内模存放台座）。（3）存梁区（含存梁及检测台座、提梁通道）。（4）提梁区（包括龙门吊轨道及临时存放台座）。（5）办公及生活区。一站一室主要为混凝土拌合站（包括砂石料场、筛洗区、拌合站）及试验室。其中还有一些辅助生产设置（如，锅炉房、混凝土输送车等设备存放区、材料仓库、机加工棚、水电及其配套系统、场内道路等）。
2.2 区域规划建设
当昭化梁场各区域划分完成后，一般按以下原则进行梁场的规划建设：（1）场地各区域功能设置尽量单一，减少各工序的施工交叉干扰。（2）钢筋加工场和绑扎区设在梁场的一端，减少与制梁区混凝土、模板等的施工交叉。（3）梁场道路宽度、台座间距、工装布置等要考虑选用设备的外形尺寸、性能参数的影响及现场拼装运梁车及架桥机的位置和方向。（4）制梁及存梁台座的数量及布置形式要满足制梁周期、效率及工期要求。（5）制梁、提梁设备的配置要与制梁工序，存梁台座数量，架梁起止时间及存梁方式相结合。
2.3 优化后的梁场布置
昭化梁场根据场地情况、施工任务、机械设置，对各区域进行了优化设计，优化后的梁场布置情况如图1所示。
从图1可以看出，梁场共设置制梁台座6个（含32 m/24 m共用制梁台座1个），生产能力为30榀/月，存梁台座48个（其中32 m与24 m共用存梁台座20个，静载试验台座1个），双层存梁最大可存放箱梁95榀。
（5）生产初期，应至少应对两孔梁预应力筋的管道及喇叭口摩阻等预应力瞬时损失进行测试，根据测试结果并对张拉应力进行修正；预应力施加实行智能控制，防止超张拉，确保预应力徐变上拱限值满足要求。
3.5 控制张拉工艺
箱梁混凝土的预应力按预张拉、初张拉和终张拉三个阶段进行。张拉时在梁的两端及两侧四个顶同时进行，以张拉力控制为主，以力筋伸长值为校核。
3.5.1 预张拉
预张拉在混凝土强度达到设计度的60%+3.5 MPa时内模拆除后进行。张拉顺序严格按设计要求进行，注意保持两端力筋的伸长量基本一致。
预张拉施加过程及监测：0～0.2 σcon（测初始伸长量及夹片外露量）设计张拉力（持荷5 min，并维持油压表读数不变，量测控制油压伸长量及夹片外露量）锚固（量测锚固回缩量）。
3.5.2 初张拉
初张拉要求在梁体混凝土强度达设计强度80%+3.5 MPa（43.5 MPa）后进行，初张拉后就可用龙门吊将梁体移出台位。初张拉力的施加过程及监测与预张拉相同。
3.5.3 终张拉
当梁体混凝土强度及弹性模量达到设计值后，龄期不少于10天才能进行终张拉。终张拉施加过程及监测：0初应力σ预张拉或初张拉σcon（测控制油压伸长量及夹片外露量）σcon（持荷5 min并维持油压表读数不变，测控制油压伸长量及夹片外露量）锚固（测锚固回缩量）。
3.5.4 管道压浆
（1）终张拉完毕后，必须在48 h内采用真空辅助灌浆工艺对管道进行压浆。压浆时及压浆后3天内，梁体及环境温度均不能低于5 ℃。
（2）压浆水泥采用42.5低碱普通硅酸盐水泥及复合型外掺料，水泥浆体质量应符合《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》的规定：浆体水胶比不超过0.34，流动度应控制在30～50 s之间并不能泌水。试验室要通过多次试验进行分析比较，以确定最佳的水泥浆配合比。
（3）压浆工艺。管道压浆采用真空压浆技术[7]，压浆顺序为先下后上，各道工序一定要严格按操作要求进行。压浆过程应连续一次性完成，储浆筒中的浆体要不停地搅动。压入的浆体不得含未搅匀的水泥团块，终凝时间不宜大于24 h。水泥浆要满足以下要求：28 d抗压强度≥50 MPa，抗折强度≥10 MPa；24 h内最大自由收缩率≤3%。
3.6 箱梁检验与移运
3.6.1 出场检验
预制梁出场检验主要有预制梁制造过程检验和成品检验。
（1）预制箱梁生产工艺过程控制由质检部进行逐项检验，对不合格的原材料、半成品及配件等均不得使用。凡是本道工序质量不符合标准要求的，一律不得进行下道工序施工。
（2）当箱梁首孔生产时、批量生产中及当有影响抗裂性的质量缺陷时，应进行静载试验，要求梁体下翼缘底部边角及梁底无受力裂纹，预制梁静载弯曲抗裂性不小于1.20，静活载实测挠度不大于1.05倍设计计算值[8]。
（3）预制好的箱梁要逐件进行成品检查验收、合格后签发技术证明书。均设置桥牌，标明跨度、活载等级、设计图号、梁号、梁体质量、制造厂家、制造年月、许可证编号等。
3.6.2 箱梁场内移运
预制箱梁在梁场内运输、存梁及出场装运时，要采取有效措施确保梁不会出现损坏，梁端的容许悬出长度要符合设计要求。箱梁在场内运输、起落和出场装运时，均采用联动液压装置落梁；运、存梁时要求每个支点实际反力与四个支点的平均反力值相差不超过10%（或四个支点不平整量最大不超过2 mm）。
梁场采用900 t提梁机装梁，要确保装梁安全。当提梁机行走至待移箱梁上方时，用提梁机专用吊具与箱梁吊点进行可靠联结，然后缓慢将箱梁吊起离地10 cm左右停车制动，仔细检查梁体纵、横向水平度是否满足要求，如不满足要求应将梁体落下重新调整吊杆螺栓或提梁机起升高度；同时检查提梁机起升制动是否可靠，一切正常后方可继续装梁。提梁机装梁应由经验丰富的专业人员进行指挥，吊梁行走时应保持在低位，梁底距存梁台位支承台面上方约30 cm高度，当运行到距运梁车3 m左右时停车，待梁体稳定后起升梁体到高出运梁车约30 cm位置，再将梁体吊至运梁车上方，调整梁置直到满足或运梁车承载要求后平缓落梁。
4 结语
客运专线梁场功能多、工期紧，在规划建设时应综合考虑场地条件、所选用机械设备、水电、场内道路、生产生活用房等多项内容，既要经济又安全适用；箱梁采用的C50高性能预应力混凝土质量要求严格，必须要从原材料、配合比、钢筋模板加工、预应力张拉、养护及移梁各方面进行严格的质量控制。昭化梁场的箱梁预制由于场地布置合理，质量控制到位，所生产的箱梁均满足规范及设计要求，为全线的桥梁上构施工奠定了良好的基础。
参考文献
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[3] 王吉连，袁开诚，李陆平.客运专线铁路预制梁场选址与总体布局的实践[J].铁道标准设计，2008（6）：35-39.
[4] 周玉华，赵秀典，李平.客运专线预制箱梁高性能混凝土质量控制技术[J].铁道标准设计，2008（8）：63-67.
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