傳感信息無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邢悅新，王景偉，孫彥臣，劉倩楠

(1.中國(guó)人民解放軍65052部隊(duì)，吉林白城137101;2.中國(guó)人民解放軍69089部隊(duì)，新疆庫爾勒841000;3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

傳感信息無線傳輸系統(tǒng)主要應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳感信息，如靶標(biāo)信息和水文氣象監(jiān)測(cè)信息等的實(shí)時(shí)傳輸。中心站開機(jī)后可以下發(fā)配置參數(shù)，包括通信頻率和終端在線狀態(tài)等信息。外圍站回傳的信息主要包括:①狀態(tài)信息，包括位置信息和身份信息等，實(shí)時(shí)性要求較低;② 事件信息，要求實(shí)時(shí)性、成功率高。

現(xiàn)有傳感信息的無線傳輸手段主要分為2種:數(shù)傳電臺(tái)和碼分多址與全局分組無線服務(wù)(CDMA/GPRS)系統(tǒng)［1］。利用數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行傳感信息的傳輸成本較低，但存在以下主要問題:① 數(shù)傳電臺(tái)一般工作在300 MHz左右，很難找到合適的通信頻率;②單部數(shù)傳電臺(tái)支持的終端數(shù)量有限，且上行時(shí)延較大;③當(dāng)終端數(shù)量較多時(shí)，控制中心需要配備數(shù)十部電臺(tái)，安裝、架設(shè)不便。CDMA/GPRS系統(tǒng)可以通過短消息實(shí)現(xiàn)控制和狀態(tài)信息的傳輸［2］，由于存在處理能力強(qiáng)大的核心網(wǎng)設(shè)備，支持的用戶終端數(shù)量原則上可以無限增大，但單基站、單用戶使用時(shí)短信時(shí)延可以達(dá)到5～6 s;同時(shí)，信息的下發(fā)亦不具備實(shí)時(shí)性，下發(fā)的消息不能保證同時(shí)或近似同時(shí)到達(dá)各終端位置;此外，CDMA/GPRS系統(tǒng)在邊疆、荒漠等無人區(qū)不能實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

本文介紹的傳感信息無線傳輸系統(tǒng)是一種小型化、低功耗傳輸設(shè)備，采用時(shí)分雙工和時(shí)分多址(TDD+TDMA)體制，可用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，支持的傳輸距離和響應(yīng)時(shí)延可以根據(jù)需求靈活調(diào)整。

1 系統(tǒng)組成與功能

1．1 系統(tǒng)組成

傳感信息無線傳輸系統(tǒng)主要設(shè)備與軟件包括:中心站1套、中心站配套監(jiān)控軟件1套、外圍站多套以及天線、連接線纜等必要的附件［3］。

中心站位于控制中心，主要用于傳感信息的實(shí)時(shí)下發(fā)與設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè);

監(jiān)控軟件位于控制中心，安裝在筆記本電腦上，可以對(duì)單個(gè)或多個(gè)外圍站設(shè)備進(jìn)行控制，并能實(shí)時(shí)顯示中心站與外圍站設(shè)備狀態(tài)。

外圍站位于傳感器附近，用于接收控制中心指令以及傳感信息的實(shí)時(shí)上報(bào)［4］。

1．2 主要功能

系統(tǒng)具有以下功能:

①集中管理功能［5］。系統(tǒng)對(duì)外圍站工作狀態(tài)采取集中監(jiān)控管理，監(jiān)控軟件可靈活設(shè)置接入外圍站的數(shù)量、站號(hào)，可以實(shí)時(shí)地顯示外圍站的在線狀態(tài)以及在線率。

②低傳輸時(shí)延、多用戶接入功能。系統(tǒng)采用TDD+TDMA體制，幀結(jié)構(gòu)可根據(jù)外圍站數(shù)量和傳輸時(shí)延進(jìn)行靈活配置，進(jìn)而達(dá)到外圍站數(shù)量靈活配置，上、下行時(shí)延可控的目標(biāo)。

③時(shí)隙靈活配置功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)隙可以根據(jù)接入用戶數(shù)和上行時(shí)延要求靈活調(diào)整。

④監(jiān)控管理功能。監(jiān)控軟件具備日志管理功能，可以記錄監(jiān)控軟件與設(shè)備的連接斷開時(shí)間以及外圍站的上下線時(shí)間。監(jiān)控軟件具備時(shí)隙結(jié)構(gòu)調(diào)整與配置功能，可以根據(jù)需求通過監(jiān)控軟件調(diào)用時(shí)隙設(shè)置，進(jìn)而修改接入用戶數(shù)和上行時(shí)延［6］。

⑤無人值守與免操作功能。外圍站部署在傳感器設(shè)備附近，開機(jī)后可以實(shí)現(xiàn)無人值守工作:頻率自動(dòng)跟蹤中心站，無需手動(dòng)設(shè)置［7］;時(shí)隙結(jié)構(gòu)自動(dòng)跟蹤中心站，無需手動(dòng)設(shè)置;支持遲入網(wǎng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2．1 自適應(yīng)接收設(shè)計(jì)

復(fù)雜環(huán)境中的高速移動(dòng)通信時(shí)，接收信號(hào)電平的深衰落會(huì)造成平均誤碼率增加，從而影響通信距離和質(zhì)量［8］。由多徑引起的時(shí)變色散效應(yīng)會(huì)使信號(hào)遭受選擇性衰落的影響，產(chǎn)生碼間干擾。失真自適應(yīng)接收機(jī)利用波形設(shè)計(jì)可以在一定范圍內(nèi)消除或顯著減少碼間干擾，提高誤碼性能，其原理框圖如圖1所示。

圖1 失真自適應(yīng)接收機(jī)原理

假定輸入逆調(diào)制的 I、Q支路信號(hào)為:I=A(t)cos(lt+θ)和 Q=A(t)sin(lt+ θ)，判決輸出為=cosθ和=sinθ，則QPSK信號(hào)逆調(diào)制后的相干載波為:

綜上所述，逆調(diào)制輸出的載波和接收信號(hào)同頻、同相、同包絡(luò)，在失真自適應(yīng)接收機(jī)中，各個(gè)支路的鑒相信號(hào)相加后，達(dá)到了最大比值合并的目的。

2．2 鏈路控制設(shè)計(jì)

鏈路控制單元分為異步數(shù)據(jù)處理模塊和幀結(jié)構(gòu)模塊，組成框圖如圖2所示。異步數(shù)據(jù)處理模塊完成異步數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和發(fā)送功能。數(shù)據(jù)幀在存儲(chǔ)器中需按幀存放，位置要明確，并且采用靜態(tài)循環(huán)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)［9］。靜態(tài)循環(huán)存儲(chǔ)器由數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)器和幀屬性寄存器2部分構(gòu)成。

圖2 鏈路控制單元功能

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)3層幀結(jié)構(gòu):復(fù)幀、子幀和突發(fā)時(shí)隙。其中，突發(fā)時(shí)隙長(zhǎng)度為ts，對(duì)應(yīng)幀長(zhǎng)為L(zhǎng)s(bit)，子幀長(zhǎng)度為Ts，復(fù)幀長(zhǎng)度為N·Ts，如圖3所示?？湛谒俾蔲s=Ls/ts，系統(tǒng)同時(shí)支持的用戶數(shù)可以表示為:

圖3 幀結(jié)構(gòu)示意

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的傳感信息無線傳輸系統(tǒng)在實(shí)際中得到了實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過不斷調(diào)試，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，成功應(yīng)用于競(jìng)技中的靶標(biāo)信息傳輸中。靶標(biāo)信息傳輸應(yīng)用場(chǎng)景如圖4所示，中心站發(fā)出靶標(biāo)控制指令后，外圍站根據(jù)收到的信息控制靶標(biāo)動(dòng)作并把狀態(tài)信息上報(bào)到控制中心。

圖4 靶標(biāo)信息傳輸應(yīng)用場(chǎng)景

經(jīng)測(cè)試，利用該系統(tǒng)進(jìn)行傳感信息的傳輸相比于數(shù)傳電臺(tái)，傳輸頻率可控，且可以支持多個(gè)終端;另外，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，信息傳輸時(shí)延小，在一定程度上優(yōu)于CDMA/GPRS系統(tǒng)。雖然在測(cè)試時(shí)遇到一些問題，但經(jīng)過分析與調(diào)試得到解決。需要注意的是，一定要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)所需求進(jìn)行參數(shù)配置。

鑒于系統(tǒng)容易組建及其強(qiáng)大功能，傳感信息無線傳輸系統(tǒng)還可以應(yīng)用在污染、氣象、水文和災(zāi)害等的監(jiān)測(cè)與信息的實(shí)時(shí)傳輸中［10］，應(yīng)用示意圖如圖5所示。

圖5 水文、氣象、監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的傳感信息無線傳輸系統(tǒng)是一個(gè)有中心的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。采用失真自適應(yīng)接收機(jī)接收信號(hào)可以提高其誤碼性能，并且由于鏈路控制設(shè)計(jì)獨(dú)特，幀結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)外圍站數(shù)量和時(shí)延進(jìn)行靈活配置，使得系統(tǒng)具備較低的傳輸時(shí)延。傳感信息無線傳輸系統(tǒng)中心站具備監(jiān)控功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外圍站的靈活控制、狀態(tài)顯示和無人值守操作功能。傳感信息無線傳輸系統(tǒng)具備廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，可以應(yīng)用在靶標(biāo)、污染、氣象、水文和災(zāi)害等信息監(jiān)測(cè)與傳輸中。

［1］ 楊孝平，賀德強(qiáng)，苗 劍，等．基于3G終端機(jī)車狀態(tài)信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，36(5):714 －717．

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［3］ 楊 峰．雨水情信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21(6):1 688 －1 689，1 696．

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［5］ 王 飛．無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的無線傳輸系統(tǒng)研究［D］．太原:中北大學(xué)，2012:10 －12．

［6］ 李 鵬，戴亞文，李小強(qiáng)．升降機(jī)試驗(yàn)臺(tái)無線測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］．無線電工程，2011，41(5):11 －13．

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［8］ Takeo Fujii，Mai Ohta，Tomomi Endo．HighEfficient Multiple Sensing Information Gathering for Wireless Sensor Networks［J］．International Conference，IEEE，2013，5(2):202－207．

［9］ 燕 奇，翁曉東，宋占偉．基于LED光通信的傳感數(shù)據(jù)自組織自恢復(fù)系統(tǒng)［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2011，29(1):14 －20．

［10］胡 翔．TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)在水利通信專網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．移動(dòng)通信，2002(9):78－80．