传感信息无线传输系统设计与实现

邢悦新，王景伟，孙彦臣，刘倩楠

(1.中国人民解放军65052部队，吉林白城137101;2.中国人民解放军69089部队，新疆库尔勒841000;3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

传感信息无线传输系统主要应用于点对多点传感信息，如靶标信息和水文气象监测信息等的实时传输。中心站开机后可以下发配置参数，包括通信频率和终端在线状态等信息。外围站回传的信息主要包括:①状态信息，包括位置信息和身份信息等，实时性要求较低;② 事件信息，要求实时性、成功率高。

现有传感信息的无线传输手段主要分为2种:数传电台和码分多址与全局分组无线服务(CDMA/GPRS)系统［1］。利用数传电台进行传感信息的传输成本较低，但存在以下主要问题:① 数传电台一般工作在300 MHz左右，很难找到合适的通信频率;②单部数传电台支持的终端数量有限，且上行时延较大;③当终端数量较多时，控制中心需要配备数十部电台，安装、架设不便。CDMA/GPRS系统可以通过短消息实现控制和状态信息的传输［2］，由于存在处理能力强大的核心网设备，支持的用户终端数量原则上可以无限增大，但单基站、单用户使用时短信时延可以达到5～6 s;同时，信息的下发亦不具备实时性，下发的消息不能保证同时或近似同时到达各终端位置;此外，CDMA/GPRS系统在边疆、荒漠等无人区不能实现全覆盖。

本文介绍的传感信息无线传输系统是一种小型化、低功耗传输设备，采用时分双工和时分多址(TDD+TDMA)体制，可用于点对多点的实时数据传输，支持的传输距离和响应时延可以根据需求灵活调整。

1 系统组成与功能

1．1 系统组成

传感信息无线传输系统主要设备与软件包括:中心站1套、中心站配套监控软件1套、外围站多套以及天线、连接线缆等必要的附件［3］。

中心站位于控制中心，主要用于传感信息的实时下发与设备工作状态的监测;

监控软件位于控制中心，安装在笔记本电脑上，可以对单个或多个外围站设备进行控制，并能实时显示中心站与外围站设备状态。

外围站位于传感器附近，用于接收控制中心指令以及传感信息的实时上报［4］。

1．2 主要功能

系统具有以下功能:

①集中管理功能［5］。系统对外围站工作状态采取集中监控管理，监控软件可灵活设置接入外围站的数量、站号，可以实时地显示外围站的在线状态以及在线率。

②低传输时延、多用户接入功能。系统采用TDD+TDMA体制，帧结构可根据外围站数量和传输时延进行灵活配置，进而达到外围站数量灵活配置，上、下行时延可控的目标。

③时隙灵活配置功能。系统设计时隙可以根据接入用户数和上行时延要求灵活调整。

④监控管理功能。监控软件具备日志管理功能，可以记录监控软件与设备的连接断开时间以及外围站的上下线时间。监控软件具备时隙结构调整与配置功能，可以根据需求通过监控软件调用时隙设置，进而修改接入用户数和上行时延［6］。

⑤无人值守与免操作功能。外围站部署在传感器设备附近，开机后可以实现无人值守工作:频率自动跟踪中心站，无需手动设置［7］;时隙结构自动跟踪中心站，无需手动设置;支持迟入网。

2 关键技术设计

2．1 自适应接收设计

复杂环境中的高速移动通信时，接收信号电平的深衰落会造成平均误码率增加，从而影响通信距离和质量［8］。由多径引起的时变色散效应会使信号遭受选择性衰落的影响，产生码间干扰。失真自适应接收机利用波形设计可以在一定范围内消除或显著减少码间干扰，提高误码性能，其原理框图如图1所示。

图1 失真自适应接收机原理

假定输入逆调制的 I、Q支路信号为:I=A(t)cos(lt+θ)和 Q=A(t)sin(lt+ θ)，判决输出为=cosθ和=sinθ，则QPSK信号逆调制后的相干载波为:

综上所述，逆调制输出的载波和接收信号同频、同相、同包络，在失真自适应接收机中，各个支路的鉴相信号相加后，达到了最大比值合并的目的。

2．2 链路控制设计

链路控制单元分为异步数据处理模块和帧结构模块，组成框图如图2所示。异步数据处理模块完成异步数据的接收、存储和发送功能。数据帧在存储器中需按帧存放，位置要明确，并且采用静态循环存储器结构［9］。静态循环存储器由数据帧存储器和帧属性寄存器2部分构成。

图2 链路控制单元功能

本系统中设计3层帧结构:复帧、子帧和突发时隙。其中，突发时隙长度为ts，对应帧长为Ls(bit)，子帧长度为Ts，复帧长度为N·Ts，如图3所示。空口速率fs=Ls/ts，系统同时支持的用户数可以表示为:

图3 帧结构示意

3 系统实现与应用

本文设计的传感信息无线传输系统在实际中得到了实现。经过不断调试，系统的各项功能和性能指标均达到了设计要求，成功应用于竞技中的靶标信息传输中。靶标信息传输应用场景如图4所示，中心站发出靶标控制指令后，外围站根据收到的信息控制靶标动作并把状态信息上报到控制中心。

图4 靶标信息传输应用场景

经测试，利用该系统进行传感信息的传输相比于数传电台，传输频率可控，且可以支持多个终端;另外，系统实时性好，信息传输时延小，在一定程度上优于CDMA/GPRS系统。虽然在测试时遇到一些问题，但经过分析与调试得到解决。需要注意的是，一定要根据实际场所需求进行参数配置。

鉴于系统容易组建及其强大功能，传感信息无线传输系统还可以应用在污染、气象、水文和灾害等的监测与信息的实时传输中［10］，应用示意图如图5所示。

图5 水文、气象、监测等应用场景

4 结束语

本文设计的传感信息无线传输系统是一个有中心的点对多点数据传输系统。采用失真自适应接收机接收信号可以提高其误码性能，并且由于链路控制设计独特，帧结构可根据实际需求对外围站数量和时延进行灵活配置，使得系统具备较低的传输时延。传感信息无线传输系统中心站具备监控功能，能够实现对外围站的灵活控制、状态显示和无人值守操作功能。传感信息无线传输系统具备广泛的应用场景，可以应用在靶标、污染、气象、水文和灾害等信息监测与传输中。

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