無線信息采集系統(tǒng)的參考模型初探

張建軍+范玉進(jìn)+張鵬泉

摘 要：隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，信息采集系統(tǒng)也出現(xiàn)了快速發(fā)展。為了更好地開發(fā)信息采集系統(tǒng)，該文基于OSI參考模型和數(shù)據(jù)鏈參考模型，設(shè)計(jì)了一種的適合于無線信息采集系統(tǒng)的參考模型。該參考模型包含了傳感器、終端無線通信設(shè)備、無線信息匯集設(shè)備和信息采集服務(wù)平臺的分層結(jié)構(gòu)。根據(jù)該模型，可以便捷地確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的無線信息采集系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：無線通信 信息采集 參考模型 物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（a）-0151-02

1 概述

隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)[1]的發(fā)展，信息采集無線傳輸已成為一種趨勢。無線信息采集系統(tǒng)具有監(jiān)測點(diǎn)分散、分布范圍廣、通信距離遠(yuǎn)，可基于無人機(jī)、無人艇和機(jī)器人在惡劣環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在安全監(jiān)控、抗震救災(zāi)等社會(huì)的各個(gè)方面都得到了很大應(yīng)用[2]。

該文根據(jù)OSI[3]（開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型）、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[3]和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)參考模型[4]（Tactical Data Link Reference Model，TDLRM）針對無線信息采集系統(tǒng)的特性，提出了一種合適的無線信信息采集系統(tǒng)參考模型，為無線信息采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化提供參考和指導(dǎo)。

2 無線信息采集系統(tǒng)參考模型

無線信息采集系統(tǒng)的組成包含若干無線信息采集終端、無線信息匯集設(shè)備和信息采集服務(wù)平臺。無線信息采集終端主要包含傳感設(shè)備和無線通信設(shè)備，該終端的功能是將攝像機(jī)等傳感設(shè)備采集的信息通過無線信道傳輸至無線信息匯集設(shè)備。無線信息匯集設(shè)備通過無線信道接收所有無線信息采集終端回傳的傳感信息。信息采集服務(wù)平臺則通過本地連接，將無線匯集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中數(shù)據(jù)處理包含信息的格式化、存儲(chǔ)、分析和可視化處理等。

該文設(shè)計(jì)了如圖1所示的無線信息采集設(shè)備參考模型。該模型包含傳感器設(shè)備、終端無線通信設(shè)備、無線信息匯集設(shè)備和信息采集服務(wù)平臺4個(gè)設(shè)備。

3 無線通信設(shè)備參考模型

終端無線通信設(shè)備和無線信息匯集設(shè)備實(shí)現(xiàn)的是無線通信功能，兩者具有相同的參考模型，都包含物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。

3.1 物理層

物理層利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，透明地傳送比特流，其主要功能為：

（1）數(shù)據(jù)編碼：將鏈路層要傳輸?shù)脑级M(jìn)制數(shù)據(jù)幀進(jìn)行信道編碼，以提高無線傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（2）波形調(diào)制：將編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形，以便于無線傳輸，提高無線信道的有效性。

（3）無線發(fā)射：將頻率調(diào)制后的波形進(jìn)行功率放大，經(jīng)過天線系統(tǒng)輻射至空間。

（4）無線接收：通過天線系統(tǒng)接收空間的無線信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號。

（5）載波同步：實(shí)現(xiàn)接收機(jī)載波與發(fā)射機(jī)載波頻率和相位的同步，以保證解調(diào)的正確性。

（6）符號同步：實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的同步，使得解調(diào)信噪比最大化。

（7）波形解調(diào)：將合適頻點(diǎn)的信號進(jìn)行采樣、濾波、解調(diào)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

（8）數(shù)據(jù)解碼：將解調(diào)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行信道譯碼，糾正數(shù)據(jù)幀中的錯(cuò)誤比特。

3.2 鏈路層

鏈路層提供點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，在物理層提供比特流傳輸服務(wù)的基礎(chǔ)上，在通信的實(shí)體之間建立數(shù)據(jù)鏈路，以幀為單位，采用差錯(cuò)檢測、流量控制方法，使有可能出差錯(cuò)的物理鏈路，轉(zhuǎn)變成讓網(wǎng)絡(luò)層向下看起來是一條無差錯(cuò)的鏈路。其主要功能為：

（1）幀同步功能：將比特流組合成以幀為單位傳送和重發(fā)。

（2）差錯(cuò)檢測：對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行差錯(cuò)檢測（如CRC），通過的送往更高層進(jìn)行處理，沒有通過的則被丟棄。一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，一般可以采用反饋重發(fā)的方法來糾正。

（3）流量控制：防止數(shù)據(jù)幀傳送過程中發(fā)生溢出或擁塞，控制發(fā)送包的流量。

（4）鏈路管理功能：在通信前，在鏈路兩端的節(jié)點(diǎn)間建立連接，在傳輸過程中維持該連接。如果出現(xiàn)差錯(cuò)，需要重新自動(dòng)建立連接。傳輸完畢后則釋放連接。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)通信子網(wǎng)的特性，通過路由算法，保證網(wǎng)口數(shù)據(jù)包正確地到達(dá)目的地，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的透明傳送。網(wǎng)絡(luò)層為不同平臺之間建立一個(gè)可靠的端到端的傳輸通信服務(wù)，其主要功能為：

（1）數(shù)據(jù)分段與重組：將服務(wù)層產(chǎn)生的報(bào)文進(jìn)行分組或打包，將接收到的數(shù)據(jù)重新組裝成報(bào)文。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理：對來自服務(wù)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)可用性。

（3）傳輸控制：根據(jù)下層通信網(wǎng)絡(luò)特性，向服務(wù)層提供可靠的邏輯信道。

（4）地址轉(zhuǎn)換：實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)單元之間的連接定位，對參與組網(wǎng)單元進(jìn)行唯一地址標(biāo)識。

4 信息采集服務(wù)平臺參考模型

信息采集服務(wù)平臺的參考模型與OSI模型的區(qū)別在于其不僅要與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，同時(shí)還要通過無線通信設(shè)備與系統(tǒng)內(nèi)的所有傳感器進(jìn)行互聯(lián)。其物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的功能與OSI中對應(yīng)層的功能一致。

4.1 服務(wù)層

服務(wù)層將來自上層的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)封裝為格式化報(bào)文，并將來自下層的格式化報(bào)文還原為戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息送往應(yīng)用層。必要時(shí)，服務(wù)層能夠?qū)Σ煌瑪?shù)據(jù)鏈/網(wǎng)絡(luò)之間根據(jù)報(bào)文協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。服務(wù)層負(fù)責(zé)組織應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，并管理數(shù)據(jù)的交換，處理通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式。其主要功能為：

（1）協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)格式變換、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)等功能。

（2）服務(wù)層為根據(jù)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)特別設(shè)置的一層，是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模塊化建設(shè)的關(guān)鍵。

（3）服務(wù)層可能包括視頻數(shù)據(jù)的壓縮與恢復(fù)、視頻語音數(shù)據(jù)加密與解密等。

4.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層確定進(jìn)程之間通信的性質(zhì)，以滿足用戶的需要，它不僅要提供應(yīng)用進(jìn)程所需要的信息交換和遠(yuǎn)程操作，而且還要作為應(yīng)用程序的用戶代理，來完成一些為進(jìn)行信息交換所必需的功能。應(yīng)用層功能類似于OSI模型中的表示層，能夠針對特定的任務(wù)，采用抽象語法對任務(wù)進(jìn)行描述，根據(jù)應(yīng)用進(jìn)程協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各種具體應(yīng)用，如顯示和定位等。

5 結(jié)語

本文根據(jù)無線信息采集系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，基于OSI和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈參考模型，對無線信息采集系統(tǒng)的參考模型進(jìn)行了探索性研究，可為將來的無線信息采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和研制提供參考或者指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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