一種高效的窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計

李軍軍

(河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

伴隨著計算機技術、信息技術的蓬勃發(fā)展，近幾年數(shù)據(jù)通信應用呈現(xiàn)出爆炸式增長勢頭。數(shù)據(jù)通信方式主要有有線通信和無線通信2種，盡管各有優(yōu)劣，但在大部分區(qū)域2種通信方式都能夠?qū)崿F(xiàn)相應的通信目的。然而也存在一些較為特殊的領域，同樣對通信功能有需求卻不便于通過有線通信來實現(xiàn)。譬如一些車載裝置需要添加通信功能[1]，但車輛存在數(shù)量大、放置地點不固定以及長時間移動性等特點，使用有線通信極其不便。另外，有些位置地理環(huán)境極度惡劣或者存在其他原因[2]造成該位置不便于架設電纜，但是這些位置同樣對通信有極大需求。如上述對通信功能有需求但不便于通過有線通信來實現(xiàn)的情形還有許多。無線傳輸由于其組網(wǎng)相對靈活、可擴展性強、布線極少、對地理位置和環(huán)境要求不高以及可遷移性強等優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)、遙測、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、安防以及軍事等眾多領域[3-7]應用越來越廣泛。另外，隨著近幾年低功耗嵌入式芯片、數(shù)據(jù)壓縮等技術的不斷進步[8-10]，無線數(shù)據(jù)通信原來存在的弊端正越來越少，因此，無線通信在數(shù)據(jù)通信領域正扮演著越來越重要的角色。

作為無線通信中的一個重要分支——窄帶無線通信系統(tǒng)，目前應用同樣十分廣泛[11-13]。然而受限于窄帶無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入能力和數(shù)據(jù)傳輸能力，對于存在數(shù)據(jù)傳輸對象多、數(shù)據(jù)傳輸實時性要求高的應用場景下，傳統(tǒng)窄帶無線系統(tǒng)并不能很好地滿足要求[14-16]。針對這些問題，本文提出一種高效的窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持點對多點數(shù)據(jù)實時傳輸，同時能夠很好地解決點對多點存在的時隙多用戶碰撞問題，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率，滿足了通信的實時性要求。

1 系統(tǒng)總體描述

整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)支持點對點以及點對多點的數(shù)據(jù)傳輸功能，可以分為系統(tǒng)控制側和終端執(zhí)行側2部分。如圖1所示，系統(tǒng)控制側包括統(tǒng)一控制部分和系統(tǒng)基站部分，執(zhí)行側為執(zhí)行終端。統(tǒng)一控制部分主要完成對整個系統(tǒng)的流程控制以及與用戶的交互工作；系統(tǒng)基站部分是無線信號發(fā)射源，需要實現(xiàn)和終端的無線信號連接管理；終端側主要負責對實際命令按期望進行執(zhí)行。

圖1 傳輸系統(tǒng)整體框架

整個系統(tǒng)采用星型拓撲結構。終端處于系統(tǒng)側基站信號覆蓋范圍之內(nèi)，具體位置不受限制。終端能夠主動注冊到相應基站，當所處位置有多基站覆蓋時，終端能夠自動識別并選擇信號最佳的基站進行注冊。系統(tǒng)側支持通過統(tǒng)控軟件將文本、音頻等相關數(shù)據(jù)傳輸至終端側并由終端執(zhí)行相關命令。

星型拓撲結構使得系統(tǒng)可擴展性能夠得到保證[17]。隨著終端數(shù)量的增加，系統(tǒng)側基站的壓力會逐步增大[18]，采用單終端理論執(zhí)行時間與實際測試結果相結合的方式推算多終端掛載條件下的業(yè)務執(zhí)行時間，以此作為基站支持的最大終端掛載數(shù)量。最大掛載數(shù)量的限制可以在系統(tǒng)正常運行的同時保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。通過新增基站來對整個結構進行擴展，而系統(tǒng)側統(tǒng)控軟件可以統(tǒng)一對基站進行管理，同時對部分或所有終端下發(fā)具體的業(yè)務指令。

在覆蓋的邊緣或信號強度不佳的區(qū)域，為防止終端無法正常工作，系統(tǒng)會將普通終端替換為大功率終端。另外，系統(tǒng)在終端側添加自動功率控制功能，根據(jù)實際的使用環(huán)境來動態(tài)調(diào)節(jié)終端的發(fā)射功率，保證終端不會持續(xù)工作在大功率狀態(tài)，減小功耗的同時也延長了終端的使用壽命。

2 關鍵技術問題分析

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)最根本的作用是數(shù)據(jù)傳遞，因此數(shù)據(jù)包容性、數(shù)據(jù)完整性保證是衡量系統(tǒng)性能的關鍵。針對文中提出的系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)傳輸流程簡單說明不同消息處理方式，在此基礎上結合時隙碰撞處理完成系統(tǒng)收發(fā)的環(huán)形構建。為保證數(shù)據(jù)完整性增加數(shù)據(jù)重傳設計，同時針對覆蓋邊緣區(qū)域的大功率終端增加自動功率控制功能。下面對系統(tǒng)采用的關鍵技術問題進行詳細分析。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸流程

數(shù)據(jù)傳輸，主要分點對點數(shù)據(jù)傳輸和點對多點數(shù)據(jù)傳輸2種情況，系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)流程

終端側在接收到系統(tǒng)側數(shù)據(jù)后首先對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)校驗，數(shù)據(jù)校驗通過后會對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行判斷。首先對接收到的數(shù)據(jù)頭進行分析可識別數(shù)據(jù)是點對點數(shù)據(jù)還是點對多點數(shù)據(jù)。為了區(qū)分不同終端，每個終端在出廠時含有獨立的標簽號。點對點數(shù)據(jù)頭中攜帶需要執(zhí)行命令的終端所對應的標簽號。

系統(tǒng)側在接收到終端側回復的ACK消息后，會給終端發(fā)送相應的數(shù)據(jù)內(nèi)容。在進行點對點數(shù)據(jù)傳輸時，需要執(zhí)行命令的終端在接收到消息內(nèi)容后立刻執(zhí)行命令并將執(zhí)行結果發(fā)送給系統(tǒng)側。在進行點對多點數(shù)據(jù)傳輸時，終端在接收到消息內(nèi)容后繼續(xù)等待系統(tǒng)側發(fā)送消息。系統(tǒng)通過包含需要執(zhí)行命令的終端標簽號的“點名消息”實現(xiàn)多點數(shù)據(jù)發(fā)送方式的簡化，同時對于終端的動態(tài)分組也提供了便利的實現(xiàn)方式。

2.2 多用戶碰撞處理機制

在點對多點的數(shù)據(jù)傳輸方式下，系統(tǒng)向多個終端發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，執(zhí)行命令的多個終端在完成數(shù)據(jù)處理后都會向同一基站回復ACK消息，所以在極短的時間內(nèi)系統(tǒng)側會收到大量消息。大量消息同時抵達會形成射頻消息串擾，給系統(tǒng)側造成RFID碰撞問題。

較為普遍的RFID防碰撞算法主要是ALOHA算法和樹算法2大類。不管是上述哪種方式，都會存在競爭從而恢復消息重復發(fā)送，由于系統(tǒng)應用的實際背景下終端數(shù)量有限且可估，因此系統(tǒng)最終選用了被動上拉的方式來消除時隙碰撞。

系統(tǒng)側發(fā)送命令消息后延時一段時間對終端逐個發(fā)送上拉消息。終端接收命令處理執(zhí)行后處于等待狀態(tài)，收到系統(tǒng)的上拉命令回傳ACK消息，這樣就避免了并發(fā)帶來的碰撞問題。由于系統(tǒng)側采用多載波并發(fā)機制，這樣利用不同載波對應不同終端分組，避免了單載波串行回復造成命令處理周期過長的問題。

2.3 應用數(shù)據(jù)重傳機制

在實際測試發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)境等因素對空口影響會造成數(shù)據(jù)內(nèi)容產(chǎn)生一定概率的誤碼，導致終端側協(xié)議層對數(shù)據(jù)CRC校驗無法通過，最終命令無法被執(zhí)行。由此可見，開環(huán)的系統(tǒng)到終端消息發(fā)送模式在實際應用中效果并不理想，增加消息狀態(tài)反饋以及消息重發(fā)機制對于整個提高系統(tǒng)的業(yè)務性能是十分必要的。本文系統(tǒng)所使用的消息重發(fā)機制流程如圖3所示。

圖3 消息重發(fā)機制流程

系統(tǒng)側在向終端發(fā)送消息后會開啟消息超時定時器和重發(fā)次數(shù)計數(shù)器。如果在規(guī)定的超時時間內(nèi)未收到終端側回復的ACK消息，那么系統(tǒng)側會重新向終端發(fā)送上一條消息，同時累加重發(fā)計數(shù)器。如果在最大重發(fā)次數(shù)內(nèi)、規(guī)定的超時時間內(nèi)收到終端側的ACK消息，則認為消息發(fā)送成功，否則重復至累加重發(fā)計數(shù)器到達預設的最大重發(fā)次數(shù)，最終將記為消息發(fā)送失敗。消息發(fā)送失敗后進行終端注冊狀態(tài)監(jiān)測，同時將失敗消息反饋至系統(tǒng)側人機交互界面，提醒用戶及時對該現(xiàn)象進行相應的排查工作。

2.4 自動功率控制

終端如果長時間處于大功率工作狀態(tài)會使得終端發(fā)熱嚴重，一方面影響系統(tǒng)運行功耗，另一方面會對系統(tǒng)壽命產(chǎn)生影響。因此，為保證數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠長時間正常工作，在終端側增加了自動功率控制功能。終端的自動功率控制通過檢測基站信號強度以及自身溫度傳感器的實時溫度兩個參數(shù)來進行自動調(diào)節(jié)，自動功率控制具體實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 接收態(tài)自動功率控制流程

首先通過實驗獲取相應基站信號強度下所需終端發(fā)射的最低功率值，適當調(diào)整后制作“基站信號-終端輸出功率表”供終端讀取。終端實時讀取基站信號強度，若數(shù)據(jù)處理后得到的基站信號強度持續(xù)位于功率表某閾值范圍內(nèi)，則將終端輸出功率調(diào)整至該閾值范圍相對應輸出功率。在這基礎上，終端根據(jù)溫度傳感器數(shù)據(jù)與實驗得到的閾值進行循環(huán)比較，并根據(jù)比較結果實時調(diào)節(jié)設備發(fā)射功率，從而將發(fā)射功率和設備溫度穩(wěn)定在可控范圍內(nèi)。

3 系統(tǒng)實測效果及分析

系統(tǒng)目前已應用于一個人防系統(tǒng)，布置初期在實際環(huán)境中對整個系統(tǒng)進行了測試。

實際環(huán)境中系統(tǒng)采用單基站掛載多終端的方式，單基站實際掛載終端數(shù)為200個，時隙間隔30 ms，采用雙載波單信道通信機制。終端放置不同位置，實測最遠距離為10 km左右。對系統(tǒng)進行實際測試，系統(tǒng)指令測試主要分為點對點消息和點對多點消息。

點對點消息在系統(tǒng)中主要對應TTS相關消息，采用TTS_ON、TTS_OFF消息作為點對點消息實測對象。實際測試中發(fā)送次數(shù)為1 000，時間間隔20 s，實測結果如表1所示。

表1 點對點消息業(yè)務測試

消息類型系統(tǒng)側發(fā)送消息數(shù)量終端側接收消息數(shù)量傳輸成功率/%終端側執(zhí)行成功率/%明顯延遲終端數(shù)終端響應平均時間/sTTS_ON1 0001 00010010000.313TTS_OFF1 0001 00010010000.306

點對點消息傳輸時間與終端總數(shù)、載波數(shù)量、信道數(shù)無關，單部終端單幀指令理論時間為僅與時隙間隔時間有關(不考慮代碼處理及傳播時間)，由于系統(tǒng)每隔一個時隙(30 ms)進行一次數(shù)據(jù)傳輸，且點對點消息應該為兩條消息，所以單幀指令理論執(zhí)行時間為：

tsi=tsns+trnr,

式中，tsi為點對點消息執(zhí)行總時間，ts為系統(tǒng)單條消息發(fā)送時間，nr為發(fā)送條數(shù)，tr為終端單條消息回復時間，nr為終端回復消息數(shù)。

在系統(tǒng)參數(shù)下，點對點消息執(zhí)行時間為：

(0.06+0.06)*2=0.24 s。

由表1可知，實測點對點數(shù)據(jù)平均處理時間為0.3 s左右，與理論時間差距較小，滿足實時性要求。

對于點對多點消息傳輸，測試命令采用數(shù)據(jù)發(fā)送命令、數(shù)據(jù)停止命令、授時命令、巡檢命令以及文本編輯等一些常用命令，每條重復發(fā)送數(shù)量固定為1 000次，記錄接收數(shù)量并計算成功率。表2為系統(tǒng)測試階段數(shù)據(jù)。

表2 消息業(yè)務測試

消息類型系統(tǒng)側發(fā)送消息數(shù)量終端側接收消息數(shù)量傳輸成功率/%終端側執(zhí)行成功率/%明顯延遲終端數(shù)終端響應平均時間/s回復碰撞標記數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送1 0001 000100100013.2310數(shù)據(jù)停止1 0001 000100100012.9750授時命令1 0001 000100100013.5440巡檢命令1 0001 000100100013.7420文本編輯1 0001 000100100013.0120其他命令1 0001 000100100012.9730

點對多點消息傳輸時間與系統(tǒng)整體掛載終端數(shù)有關。在不考慮程序執(zhí)行時間、使用上述系統(tǒng)配置下點對多點消息所需理論時間為：

tmt=thnh+tcnc+tnnn+trnr/nca,

式中，tmt為點對多點消息執(zhí)行總時間，th為單條消息頭發(fā)送時間，nh為消息頭發(fā)送數(shù)量，tc為單條消息內(nèi)容發(fā)送時間，nc為消息內(nèi)容發(fā)送數(shù)量，tn為單條點名消息發(fā)送時間，nn為點名消息發(fā)送數(shù)量，tr為終端回復單條消息時間，nr為終端回復消息數(shù)量，nca為載波數(shù)。

上述測試系統(tǒng)同樣采用時隙間隔30 ms，單信道雙載波系統(tǒng)掛載200部終端進行測試。在系統(tǒng)參數(shù)下，點對多點消息所需理論時間為：

(0.06+0.06+0.06*200*2)/2=12.06 s。

由表2所示，實測平均時間均在13 s左右，考慮實際系統(tǒng)執(zhí)行時間，上述實測平均時間滿足實時性要求。由傳輸成功率可知，系統(tǒng)能夠滿足基本的消息通信功能。由碰撞標記數(shù)可知，系統(tǒng)實際運行過程中未發(fā)生RFID碰撞。

通過實驗驗證結果表明：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸成功率很高，同時有效解決了點對多點的RFID碰撞問題。實際傳輸時間與理論計算時間差距較小，符合系統(tǒng)整體的實時性設計要求。

4 結束語

本文提出的窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在保證空口數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)那疤嵯拢鉀Q了系統(tǒng)RFID碰撞、數(shù)據(jù)重傳及覆蓋邊緣區(qū)域的終端自動功率控制等問題，有效地保證了窄帶無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴⒖煽啃院腿蒎e性，提升了窄帶無線信道資源的利用率和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應性和易用性。同時，系統(tǒng)實現(xiàn)過程中所采用的數(shù)據(jù)防碰撞技術、數(shù)據(jù)重傳和自動功率控制技術對于窄帶數(shù)據(jù)傳輸領域也具有積極的參考意義。

該系統(tǒng)目前已成功部署于一個行業(yè)的無線通信領域，并取得了良好的應用效果，可以復制應用到人防、公安以及應急指揮等相關領域，通過穩(wěn)定可靠的空口數(shù)據(jù)傳輸，為行業(yè)應用提供有效的數(shù)據(jù)支撐和保障，提升該領域基于窄帶無線通信的應用能力和水平。