基于802.11b協(xié)議的單向遙測信息傳輸方法

董 珩，孫發(fā)魚，鄭小燕，馮 欣，宋鑫霞

（1.機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安710065；2.西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065）

0 引言

彈箭遙測技術(shù)在常規(guī)武器的研制和發(fā)射試驗中，可以實時監(jiān)控彈箭內(nèi)部的工作狀態(tài)，測試并獲取飛行試驗過程中的各項數(shù)據(jù)，為評估和分析彈箭飛行過程中的故障提供依據(jù)，是提高試驗效率、縮短研發(fā)周期必不可少的重要的測量手段。

目前，我國常規(guī)武器遙測的信息傳輸大都采用PCM／FM 體制［1］，該體制傳輸精度高，具有一定信息傳輸速率，所以得到了廣泛的使用，其最大的傳輸速率達(dá)到2 Mb／s?，F(xiàn)代常規(guī)武器在飛行試驗中需要測試的彈道參數(shù)由過去的幾十路增加到上百路甚至上千路，彈道參數(shù)越多，對傳輸速率的要求就越高，采用PCM／FM 體制進(jìn)行信息傳輸，已不能滿足現(xiàn)代常規(guī)武器飛行試驗中對信息傳輸速率越來越高的要求［2］。針對國內(nèi)常規(guī)武器飛行試驗中對遙測信息傳輸更高速率的要求，本文提出了基于802.11b協(xié)議的單向遙測信息傳輸方法。

1 遙測傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 PCM／FM 體制

PCM／FM 體制的模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換采用集成電路實現(xiàn)。在同步信息被插入后，被測多路信號流成為PCM 串行數(shù)據(jù)流，進(jìn)行調(diào)制載波以后被發(fā)射。接收端信號經(jīng)過解調(diào)、位同步提取以及二進(jìn)制碼判決，獲得重新建立的PCM 數(shù)據(jù)，原始被測信號被恢復(fù)。PCM／FM 體制的最高傳輸速率為2 Mb／s。PCM／FM 體制的原理框圖的如圖1所示。

圖1 PCM／FM 體制原理框圖Fig.1 Structure of PCM／FM

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)

無線網(wǎng)絡(luò)是以疊加的層來組織的，其中一種重要的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為TCP／IP 參考模型，該模型包括四層，自下而上分別為主機至網(wǎng)絡(luò)層、互聯(lián)網(wǎng)層、傳輸層、應(yīng)用層。

主機至網(wǎng)絡(luò)層中規(guī)定了主機必須通過某個協(xié)議連接到網(wǎng)絡(luò)，其中該層無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有802.11a、802.11b和802.11g等。802.11b協(xié)議是普及最廣的標(biāo)準(zhǔn)，大部分無線網(wǎng)絡(luò)芯片都支持802.11b協(xié)議。802.11b協(xié)議的兼容性最好，802.11g 等新協(xié)議都與802.11b協(xié)議向后兼容［3］。802.11b協(xié)議的傳輸距離更遠(yuǎn)，是802.11a的7倍。

802.11b 協(xié)議可細(xì)分為邏輯鏈路控制子層（LLC）、介 質(zhì) 訪 問 控 制 子 層（MAC）和 物 理 層（PHY）。

802.11b協(xié)議在802.11的1 Mb／s和2 Mb／s速率下又增加了5.5 Mb／s和11 Mb／s兩個新的信息傳輸速率［4］。任何應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)或者像TCP／IP、Novell NetWare都能夠在802.11b協(xié)議上兼容運行?；?02.11b協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)工作在2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（Industrial Scientific Medicine，ISM）頻段，該頻段為開放頻段，不用特別申請，無需許可證。802.11b協(xié)議的物理層采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS），同跳頻擴(kuò)頻（FHSS）相比，其信息傳輸速率更高，傳輸距離比跳頻擴(kuò)頻和紅外物理層都要遠(yuǎn)，具有很好的可靠性，抗干擾能力也大為增強。802.11b協(xié)議采用BPSK 和QPSK 編碼方式，大部分情況下傳輸速率可達(dá)到11 Mb／s 和5.5 Mb／s，只有在干擾太大、信噪比低于閾值時，信息傳輸速率會調(diào)整為2 Mb／s和1 Mb／s［5］，以保證設(shè)備間的通信質(zhì)量。

傳輸層作用是允許發(fā)送端和接收端上的應(yīng)用程序之間可以對話，傳輸層中定義了兩個端對端的傳輸協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TCP，Transport Control Protocol）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP，User Datagram Protocol）。其中TCP 協(xié)議是面向連接的，UDP 協(xié)議是無連接的。

在用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議中，接收端向發(fā)送端提交發(fā)送數(shù)據(jù)的請求和收到數(shù)據(jù)的情況等信息，是雙向的信息傳輸。

1.3 遙測信息傳輸

目前，常規(guī)武器的遙測信息傳輸是彈箭端到地面站的單向傳輸，不支持雙向傳輸。在遙測信息傳輸時，要求彈箭端的設(shè)備以恒定的信息傳輸速率發(fā)送數(shù)據(jù)，允許有一定程度的數(shù)據(jù)丟失和誤碼，但不允許有過大的時延。

2 基于802.11b協(xié)議的單向遙測信息傳輸方法

2.1 802.11b協(xié)議的實現(xiàn)

基于802.11b協(xié)議的遙測信息傳輸，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 基于802.11b協(xié)議的遙測信息傳輸方法原理框圖Fig.2 Telemetry Transmission Method Based on 802.11b

傳感器采集的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換以及PCM 編碼后，PCM 碼流通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。接收端接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行PCM 解碼和分路可獲得原始數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和接收模塊是采用Ralink公司RT3070芯片為核心實現(xiàn)的，RT3070芯片實現(xiàn)了802.11b協(xié)議，最高通信速率可達(dá)到11 Mb／s。無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和接收模塊電路設(shè)計如圖3所示。

其中穩(wěn)壓器向USB接口電路提供5V 的電壓，向RT3070芯片和功率放大器提供3.3V 的電壓，發(fā)射時，PCM 碼流通過USB 接口輸入到RT3070芯片，RT3070芯片將數(shù)據(jù)編碼后，經(jīng)過帶通濾波器及功率放大器，數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送。接收時，RT3070芯片完成數(shù)據(jù)的解碼，還原出PCM 碼流，通過USB接口輸出。

圖3 基于RT3070的無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊Fig.3 Wireless Network Module Based on RT3070

2.2 遙測信息的單向傳輸

用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議沒有擁塞控制功能，當(dāng)出現(xiàn)擁塞時不會改變發(fā)送端的發(fā)送速率，這就能滿足遙測信息傳輸?shù)膶崟r性的要求。但是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議采用雙向信息傳輸，必須進(jìn)行修改，滿足遙測信息傳輸所需要單向傳輸?shù)囊蟆?/p>

由于用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議具有雙向發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，因此采用數(shù)據(jù)包丟掉的方式，將發(fā)送端的數(shù)據(jù)接收功能屏蔽，將接收端數(shù)據(jù)發(fā)送功能屏蔽掉。

接收端在接收到數(shù)據(jù)后，會自動產(chǎn)生ACK（Acknowledge Character）信號，告知發(fā)送端已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)，如圖4所示。這一過程違背了單向傳輸要求，所以在接收端將發(fā)送ACK 信號的功能屏蔽。發(fā)送端具有超時重發(fā)的功能，發(fā)送端接收不到ACK 信號時，會不斷地重發(fā)數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致系統(tǒng)不可用，因此在發(fā)送端將等待ACK 信號超時重發(fā)功能屏蔽。

圖4 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議中的雙向信息傳輸Fig.4 Information Exchange in UDP

綜上所述，要實現(xiàn)單向傳輸需要對用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議進(jìn)行以下功能修改：

1）屏蔽發(fā)送端數(shù)據(jù)接收功能，屏蔽接收端數(shù)據(jù)發(fā)送功能；

2）屏蔽接收端ACK 信號發(fā)送功能；

3）屏蔽發(fā)送端等待ACK 信號超時重發(fā)功能。

基于802.11b協(xié)議的單向遙測信息傳輸方法，采用802.11b協(xié)議，實現(xiàn)了更高的信息傳輸速率，通過使用修改后的傳輸層用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，實現(xiàn)單向的遙測信息傳輸，信息傳輸速率最高可達(dá)到11Mb／s。

3 驗證

基于以上設(shè)計方案，搭建了硬件測試平臺，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試系統(tǒng)框圖如圖5所示。無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊通過USB接口連接到計算機上，可以通過計算機控制接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。發(fā)射端輸出信號直接推動8 W 功率放大器，發(fā)射天線采用S 波段天線，增益為0dB，接收端為高增益定向天線，增益為24dB。工作頻率選擇靠近S波段的無線網(wǎng)絡(luò)1信道（2 412MHz），采用修改后的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議實現(xiàn)點到點單向的傳輸方式傳輸信息。測試中分別選擇1km、2km、3km 等不同距離進(jìn)行性能測試，發(fā)射端和接收端之間無障礙物遮擋，每次發(fā)送10 000幀數(shù)據(jù)，分別測試兩次。傳輸速率應(yīng)高于傳統(tǒng)的PCM／FM 體制，為了保證傳輸?shù)目煽啃?，根?jù)以往產(chǎn)品的要求，誤碼率不能高于10-4。

圖5 測試系統(tǒng)框圖Fig.5 Testing System

通過對發(fā)送端和接收端數(shù)據(jù)進(jìn)行對比計算，得到基于802.11b協(xié)議的單向遙測信息傳輸誤碼率。同時用PCM／FM 體制進(jìn)行對比實驗，傳輸同樣的一組數(shù)據(jù)，得到PCM／FM 體制的傳輸速率。實驗的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 單向遙測信息傳輸試驗信息傳輸速率Tab.1 Data Transmission Speed

從表1中可分析出，基于802.11b協(xié)議的單向遙測信息傳輸方法速率高于傳統(tǒng)的PCM／FM 體制；信息傳輸速率隨著傳輸距離的增大會有所下降，平均信息傳輸速率約為5 Mb／s，最高信息傳輸速率可達(dá)到約8 Mb／s。誤碼率均小于1.0×10-4，能夠滿足信息傳輸可靠性的要求。

實驗驗證表明，本文提出的基于802.11b協(xié)議的單向遙測信息傳輸技術(shù)傳輸性能良好，高于傳統(tǒng)PCM／FM 體制的傳輸速率，能夠滿足遙測信息傳輸更高速率的要求，同時還具有體積小、成本低、功耗低等特點。

4 結(jié)論

本文提出了基于802.11b協(xié)議的單向遙測信息傳輸方法，該方法通過基于802.11b協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)更高的信息傳輸速率，通過修改并使用傳輸層的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，實現(xiàn)單向的遙測信息傳輸。實驗驗證表明，該單向遙測信息傳輸?shù)膫鬏斝阅芰己?，高于傳統(tǒng)PCM／FM 體制的傳輸速率，信息傳輸速率最高可達(dá)到11 Mb／s，能夠滿足遙測信息傳輸更高速率的要求。

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