多标准无线通信系统

多标准无线通信系统（共10篇）

多标准无线通信系统 篇1

一、引言

随着数字通信技术的迅速发展, 多载波、多标准通信系统得到了广泛应用。信道化技术是在多抽样率理论基础上发展起来的, 也是软件无线电等领域中广泛采用的一种技术[1]。信道化技术可将某一频带进行划分, 使得划分后的各自频带之间具有较强的独立性, 从其信道划分方式来区分, 可分为均匀信道化与非均匀信道化两种[2]。一般情况下, 由于均匀信道化方式其结构设计相对简单, 在没有特殊要求的场合, 使用较为广泛。

二、信道化滤波

利用不同的复调制因子与输入信号进行混频, 可将输入信号调制到基带, 从而形成了多个不同的信道。对于形成的多个信道, 采用低通滤波器即可实现不同信道的滤波, 对其进行多抽样率的抽取, 最后将会得到多个不同信道的输出, 从而实现了信道化滤波, 具体实现方法如图1所示。其中, 抽取因子需要保证抽取后信号不发生混叠[3]。

三、信道化高效结构

对于图1所示的信道化滤波实现过程中, 低通滤波器会重复使用, 划分信道数目越大, 低通滤波器数量也就越大, 这在结构的实现过程中将会极大地增加该结构的计算量, 因此需要采用高效结构进行优化设计。高效结构设计与推导过程如下[4,5]:

设K=FM, 其中K为信道数, M为信道抽取倍数, El (Z) 为多相分量, 则滤波器h0[n]的多相结构可表示为:

其中:, 则多相输出为

其Z变换表达式为:

则第k个传递函数为:

由于则有:

信道抽取后输出:

把抽取倍数M移到IDFT之前, 得到抽取后的输出为:

其Z变换表达式为:

其中K/M=F为一整数, , 则:

用替换, 则可得到:

将wk=2πk/K代入上面公式中, 即可得到多标准通信系统信道化高效结构如图2所示[6]。

四、结论

信道化技术是目前多载波、多标准通信系统中的关键技术之一, 开展信道化技术的研究, 设计一种适用于多载波、多标准通信系统的具有高效结构的信道化模型具有重要的现实意义。

参考文献

[1]Zahirniak D R, Sharpin D L, Fields T W.A hardware-efficient, multirate, digital channelized receiver architecture[J].IEEE Transactions on aerospace and electronic systems, 1998, 34 (1) :137-147P

[2]张文旭, 司锡才, 郭立民.一种被动雷达导引头数字信道化技术[J].哈尔滨工程大学学报., 2010.6:92-98页

[3]Kohri, T.;Hattori, T.;Digital-to-radio converter for software radio.Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2000.PIMRC2000.The11th IEEE International Symposium on.2000, Page (s) :34-38vol.1

[4]王益民, 彭霞.基于软件无线电的机载数字接收系统设计[J].现代雷达, 2010, (08) .10-13

[5]Chunxiao Li;Raghunathan, A.;Jha, N.K.;An architecture for secure software defined radio.Design, Automation&Test in Europe Conference&Exhibition, 2009.DATE'09.2009, Page (s) :448-453

[6]辛渊博, 侯宏.基于FPGA的数字信道化接收机的研究及实现[J].电子技术应用, 2009, (5) :163-165页

多标准无线通信系统 篇2

采用多业务传送平台优化电力SCADA系统通信组网方案

着重讨论如何利用多业务传送平台(MSTP)的二层交换功能实现电力SCADA系统传输带宽的.统计复用,通过对各种可能的解决方案进行深入比较分析,特别是从原理上深入分析MSTP和二层交换机在二层交换实现方式上的区别,提出一个经济简单、安全可靠、完全满足电力SCADA系统QoS要求的全新解决方案.

作 者：赵晟 Zhao Sheng 作者单位：中铁二院工程集团有限责任公司,成都,610031刊 名：铁路通信信号工程技术英文刊名：RAILWAY SIGNALLING & COMMUNICATION ENGINEERING年，卷(期)：20107(1)分类号：U2关键词：MSTP 二层交换 带宽 电力SCADA 统计复用

多标准无线通信系统 篇3

关键词：无线多跳网络视频监控系统；设计；实现

中图分类号：TP399

1 无线多跳网络视频监控系统的设计

1.1 无线视频终端系统设计

无线多跳网络的视频监控系统主要有采集视频功能的模块，进行数据处理压缩的模块以及发送与接收无线数据的模块几部分构成，当然如果网关所接的是以太网的话，还需要以太网接口模块。这样才形成无线视频的整个系统图，如图1-1所示。

由图可知，获取收集视频数据的工作主要由其中视频采集模块来完成，它将所收集的数据进行整理，把有效一帧数据的传送到处理器处进行下一工作；数据压缩处理模块，也就是上图所示的视频编码模块，将处理器接收到的数据进行压缩与编码，可以减少数据量，提高网络传输效率，最大程度的减轻网线网路负担；而无线收发模块主要负责接受与发送整个无线网络视频监控的数据，包括无线网络的维护与组织等都是通过这一功能模块来完成的。在这一无线视频系统中，所有的功能模块的接入方式都有所不同，其中视频采集模块的接入比较特殊，是由自带的专用的数据接口来连接系统的，而视频压缩编码是通过MPEG4点解码引擎来进行视频压缩编码处理的，USB方式连接的是无线收发模块和信息处理器。

对于无线多跳网络视频监控系统关键在于硬件设施的选择，这样才能使得网络通畅，保证所收集的视频数据可以按时顺利的传送到目的地。正因为如此，在硬件设施的选择上最好采用功能比较强大的芯片来完成无线视频节点的设计，有助于缩短信息处理器所耗时间，尽可能保证网络的畅通无阻。因此，进行无线多跳网络视频监控系统硬件的设计时，多选择GM8120，这是由台湾所生产的具有高性能的视频处理器。这种处理器内核是ARM9，主频较高且芯片上有视频音乐的接口，还包括了实时时钟、以太网接口、视频编解码引擎和PCI接口等。而对于视频采集芯片最常用的就是SA7113，它能够完美的辅助处理器的工作，将接收的视频由CCD转换成YUV4：2：0，不仅如此，在视频数据接收处理完一帧以后，会自动中断视频数据的转换，而进行下一步工作，充分的将视频转换时间缩短了。

由于视频处理器的主频过高，因此在进行网络视频监控硬件布线时要尤其注意线路的距离与长度。这样才能很好的避免线路混乱、不匹配问题的产生，使无线视频系统中每个功能模块都能顺利的完成数据传输。

1.2 通过路由协议构建的无线多跳视频网络

（1）无线多跳网络。无线多跳网络也就是通常所说的无线自组织网络，它拥有路由、应用两种不同的使命，与无线传感器网络这种设备有一定的相似之处，即设备的节点是路由转发设备，除了进行用户程序中的特定任务外，还必须进行路由协议，才能保证视频监控网络的顺畅。在网络出现的时候，就需要由路由协议来完成网络的组织、建立与维护，而无线多跳网络有许多自身优良的特性，使得路由协议在网络应用中具有重要的地位。它不需要进行网线的铺设，还有很好的组网方案，只需要在合适的位置安装好网络节点就可以进行视频监控，大大的降低了网络建立的成本。（2）无线网络路由协议。相对于今天方便快捷的无线网络，有线网络具有一定的弊端。它所采用的路由协议，需要通过与其相邻的其他路由器来进行接收信息的交换，或是依靠链路分组进行信息的维护，制定出有效网络拓扑图，是比较固定的路由协议。在无线网路移动频繁，加入与退出自由的今天，有线路由协议根本无法满足要求。无线多跳网络的路由协议包含：表驱动路由协议、按需路由协议和混合式路由协议三种。其中表驱动路由协议，在网络的每个节点处，都需要对一张或更多的路由表进行维护，才能按照网络需求收集节点之间的路由信息，还要定期的检查更换路由表，确保网络与路由信息一致，主要有WRP、GSR、DSDV等几种协议，也被称作先应式路由协议。按需路由协议又叫反应式路由协议，它不同于表驱动路由协议每个节点都有路由协议，而是在所有节点中的一个对另外一个进行信息传输时，才会自动进行的找寻路由的一种路由协议。当合适的路由找到以后，才进行信息的发送，当然网络节点可以保存传输中的路由信息，供后续视频信息的发送，可以有效的提高网络传输效率。ABR、DSR、TORA、AODV是集中常见的按需路由协议。（3）无线视频监控系统的路由策略。普通的移动网络终端可以在整个网络里面漫无目的的随意移动，无线传感器网络的节点可以大面积任意的抛洒，而无线多跳网络却具有一定的自身特殊性。它的节点终端都必须安置在恰当的位置上，一般没有什么特别要求会将其固定在固体建筑中，不能随意进行移动，就算进行监控移动也是很小规模的移动。在无线多跳网络系统中的视频监控所涵盖的区域较广，因此进行监控设备安装铺设时，按照需求在一些适当的重要处进行安置便可，不需要大面积高密度的铺设。而且，无线多跳网络视频监控系统的数据所通过的网关各不相同，都有其固定的网关设备，再将所收集的视频数据传送到以太网。

2 无线多跳视频监控系统实现

无线多跳网络视频监控系统由视频采集压缩编码部分、无线多跳传输部分、网关和客户端监控系统等四大部分组成。在这一视频监控系统中，不同的设备具有不同的功能，但是彼此又具有双重使命，数据的采集、压缩，路由协议的维护、数据的转发等都必须相互协作完成。当然每个设备除了进行自身数据处理外，还要关注处理其他节点上所传送的信息。例如：有线与无线网络进行沟通的桥梁就是网关节点，它不仅将无线网络的节点进行组织集中，还把所收集的视频数据通过一定形式传送到以太网中，让互联网可以顺利的接收到视频数据，并对其进行实时监控，如图2-1所示。

上图中，左面是呈树形集聚的路由协议组成的多跳视频监控网络，主要负责视频的采集、传输、维护、监控工作。在视频设备进入多跳网络前，仅保持路由协议的运行，而不进行视频的采集，等加入多跳网络后才能将采集的视频进行编码，然后经过路由协议传送到下一线路，根节点处是所有视频数据最终的汇集处，也是网关。在网关设备处，把所收集的视频数据进行汇总后，再转发到互联网的客户端处，这就是完整的无线多跳网络视频监控系统。

3 结语

在安全防范意识增长的今天，人们对于可靠安全的监控设备需求也日益渐长。无线视频监控器成为人们的首要选择，它没有传输线铺设的束缚，比起传统的视频监控更具灵活机动性，可以满足人们对监控的更多要求。

参考文献：

[1]刘亭亭，李柏年，张金生.基于无线局域网的城市视频监控系统[J].现代电子技术，2008，9：272.

[2]张睿萍.视频监控系统关键技术研究[J].自动测量与控制，2008，27：3.

作者简介：王琦（1986-），男，中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师，研究方向：网络架设与通信融合。

地铁无线通信多系统引入问题分析 篇4

无线通信系统为地铁交通运输业的发展注入新鲜的血液, 在得到快速发展的同时, 地铁无线通信多系统也出现了一系列的问题。在地铁这一有限的空间里, 并不允许各种无线通信信号自由的进入。在地铁无线通信多系统设备中, 不管是移动无线信号、联通无线信号、还是电信的无线信号, 都不能在地铁中无限的传播[1]。类似问题的解决需通过无线通信设备打破传统的传输方式, 进行特殊的无线通信设计。在地铁中的无线通讯系统, 各种通讯设备的频带远远超过地铁无线通信系统的需求, 导致各种通讯在信息泄漏的情况下, 埋下了信息的安全隐患。在地铁无线通讯多系统中还存在的问题是信息输出与信息传入的冲突, 主要是由于地铁无线通讯系统中的系统在分路与合路的过程中, 功率的不合理以及出现的各种干扰造成的。

2 无线通信系统干扰严重

2.1 无线通讯系统干扰类型

在地铁无线通讯多系统中, 出现的无线干扰从问题的整体来看主要是对信息的干扰。具体来讲地铁无线通讯多系统的干扰类型主要有以下几种:一是对同频的干扰, 此种干扰主要是针对在地铁无线通讯多系统的通讯过程中, 不管是移动的无线通讯信息, 联通的无线通讯信息, 还是电信的无线通讯信息, 在信息通讯过程中出现同频率的输入、同频率的输出, 或是同频率的输入与输出一起出现, 这几种同频率的冲突, 都给无线信息的传入或是输出带来巨大干扰;二是无线通讯调频的干扰, 在这种干扰出现的问题主要是上行调频与下行调频不能处在同一数值上出现, 给信息的传播带来巨大的障碍。

2.2 无线通讯系统干扰后果

在上述两种地铁无线通讯多系统干扰的类型中, 着重分析的是同频的干扰与无线通讯调频的干扰, 这两种无线系统干扰都带来严重的后果。在同频的地铁无线信息多系统中, 往往给用户的信息造成破坏。当两种无线通讯调频处在相同的调频时, 例如联通的地铁无线通讯多系统的调频与移动的地铁无线通讯多系统的调频处在相同的数字时, 在地铁内的联通用户与移动用户, 在使用无线通讯设备时, 就不能实现安全的通讯, 严重的造成信息的泄露。同频的出现, 还会造成信息的流失, 甚至会严重阻碍信息的流通与传播, 导致信息的无法畅通和交流。在无线通讯调频时给无线通讯多系统带来的干扰后果就更为严重, 在调频时, 由于地铁狭小的空间, 无线信息的通道受到很大的限制, 每一种无线通讯系统的调频, 都会影响到其他正常的信息通讯系统的影响。假如出现两种或是多种共同的无线通讯调频, 就会出现信息的严重干扰现象, 给地铁中无线通讯用户带来重大负面影响。同时, 无线通讯设备的调频的频繁性与不固定性, 都给无线通讯多系统带来破坏。由此可见, 不管是同频无线通讯系统, 还是在调频的无线通讯多系统, 都会对地铁内各无线通讯的使用用户带来不良的影响。

3 问题解决措施

3.1 制度严格执行

针对地铁内出现的同频干扰以及调频, 给地铁用户带来的严重影响。就需要地铁通讯管理部门制定相应的规章制度, 确保地铁通讯系统畅通无阻的使用。由于地铁无线通讯系统内部存在的通讯设备不是一种, 而是存在多种不同部门的通讯设施, 由于利益的分歧, 就会带来冲突。因此地铁这一共同无线配置范围内, 制定各种移动无线通讯的规章制度以及法律法规, 以文字的形式形成管理制度, 进一步确保地铁内无线通讯设备在有效的范围内顺畅安全的使用。严格贯彻执行地铁内的规章制度, 是地铁内无线通讯稳定安全的制度保障。

3.2 科学制定频率

在地铁内的无线通讯多系统中, 由于通讯系统中的各通讯设备部门存在的利益分歧, 就会从自身利益出发, 制定获利最多的频率。在地铁内是多种无线通讯设备共同组成的, 以部门无线通讯频率或高或低都会影响到地铁内其他无线通讯设备的通讯质量以及安全问题。在多种不同频率存在地铁无线通讯的统一体中, 就会出现地铁通讯的不稳定, 或是不安全, 甚至出现无线通讯系统崩溃的现象。因此, 在地铁内依据地铁无线通讯设备各种不同的特点, 从地铁部门的通讯的畅通以及安全性, 和地铁用户多方位的利益作为出发点与落脚点, 在不产生地铁无线通讯系统破坏的情况下, 以科学为手段, 制定最为有效科学的地铁无线通讯频率, 从而从根本上保证地铁内无线通讯设备的安全以及畅通使用, 维护地铁无线通讯用户的利益。制定科学的无线通讯频率, 是确保地铁内无线通讯顺利畅通的根本保证。

3.3 定期系统维护

在地铁内无线通讯设备系统, 由于空间狭小的现实条件决定, 对无线系统设备的定期维护是艰巨而又是一项首要的任务。在地铁中, 无线通讯设备不管是在日常的通讯设备中, 还是在无线通讯的系统中, 都会由于各种各样的原因, 造成一些问题, 严重的会导致无法正常的运行。这就需要针对地铁内的无线通讯设备, 定期对无线通讯设备的多系统进行检查与维护。在定期的维护过程中, 就要严格要求地铁内无线通讯各运营商必须在规定的调频范围内运行, 不能擅自非法的随意改动地铁内的调频频率。同时, 还要求对地铁无线通讯设备的频率范围内采取有效的维护措施, 避免不必要的干扰。在定期维护过程中, 还要针对各种无线频率数字进行定期的计算与核实。在这一环节中, 就需要对地铁无线维护系统的相关部门, 建立在科学的基础上, 对不符合要求的各个环节指出并监督和维护的工作, 严重者上报相关的部门, 给予惩处。

4 多系统干扰以及解决措施

4.1 多系统干扰总类

在地铁无线通讯系统运营过程中, 会出现多种对无线通讯信号产生干扰的现象, 根据对干扰情况的不同主要分为:接收机阻塞干扰、同频干扰、互调干扰。相对于同频干扰和互调干扰来说, 接收机阻碍干扰发生的概率比较小。因此, 主要注意同频干扰和互调干扰的相关解决措施即可解决信号干扰问题。

4.2 多系统干扰的解决措施

为了避免地铁无线通信多系统出现系统干扰情况而影响列车运营, 需要做出有效的抗干扰的解决措施。例如, 可以合理的分配辐射功率;合理选定工作频率;减少各系统天线间的相互耦合;严格执行移动通信的相关标准及管理文件;减少各系统漏洞间的相互耦合;接地的可靠性;各系统设置合理的滤波器等。

5 结束语

通过以上对地铁无线通信多系统引入的问题进行分析, 我们看出, 在对该系统引入时, 会产生一系列的问题, 其中, 无线系统的干扰问题非常严重, 会导致用户的个人信息遭到破坏, 因此, 对这些问题的产生应及时进行处理, 避免产生不必要的麻烦, 促进地铁交通工作的顺利开展

参考文献

[1]黎国美.地铁无线通信多系统接入时的抗扰措施分析[J].科技创新导报, 2009 (13) .

多标准无线通信系统 篇5

摘要：通过多串口通信技术在金刚石合成控制系统中的应用，讨论了32位Windows操作系统下，VC多串口通信技术的设计与实现方法，并运用面向对象方法和多线程技术设计了一个比较完善的串口通信类。阐述了用VC开发上位机与PLC之间的串口通信程序设计方法和实现技术。

关键词：串口通信；面向对象方法；多线程；PLC

1引言

传统的金刚石合成机控制系统是由一个PLC和一个可显示终端构成。这种传统的控制系统一般具有如下缺点：

(1)系统所有的工作都由PLC完成，其控制精度较差，致使合成的金刚石质量较差；

(2)显示终端的平面尺寸过小，这一方面使得操作人员观察系统的状态很不方便，另一方面?也常常会引起误操作；

(3)金刚石合成工艺复杂，需控制的参数很多，但原控制系统不能对参数进行保存，这样在根据不同产品和工艺要求对部分参数进行调整时，每次都必须重新设置所有的参数，操作非常麻烦；

（4）界面不友好；

（5）不能通过控制系统自动考核操作人员的工作质量。

为了提高控制精度、方便操作，开发新的控制系统迫在眉睫。笔者针对以上问题，将IPC与PLC有机结合在一起，开发了一套新的控制系统。通过该系统可在上位机（IPC）和PLC之间通过RS－232与RS－485进行大量串口通信。

2VC串口通信分析

在32位Windows系统下使用VC开发串口通信程序通常有如下4种方法：

（1）使用Microsoft公司提供的名为MSCOMM的通信控件；

（2）直接使用Windows应用程序接口（API）；

（3）自行设计一个串口通信类；

（4）通过开发一个ActiveX控件来实现串口通信功能。

在上述几种方法中，实际上还是使用WindowsAPI函数，然后把串口通信的细节给封装起来，同时提供给用户几个简单的接口函数。上述几种方法各有优缺点，但在实际情况下，大多数编程人员喜欢使用API函数自行设计串口通信类。

用WindowsAPI函数进行串口通信的编程流程如图1所示。其中打开串口是确定串口号与串口的打开方式；初始化串口用于配置通讯的波特率、每字节位数、校验位、停止位和读写超时等；读写串口用于向串口进行发送数据和从串口接收数据；关闭串口用于将串口关闭并释放串口资源（Windows系统下串口是系统资源）。

由于绝大多数控制系统中串口通信是比较费时的，而且监控系统还要进行数据处理和显示等，所以一般采用多线程技术，并用AfxBeginThread函数创建辅助线程来管理串口通信，这样，主进程就能在进行串口读写的同时，处理数据并完成用户指令的响应，但是设计时一定要处理好数据的共享问题。

串口读写既可以选择同步、异步方式，也可以选择查询、定时读写和事件驱动方式。由于同步方式容易造成线程阻塞，所以一般采用异步方式；而查询方式要占用大量的CPU时间，所以一般采用定时读写或者事件驱动方式，事件驱动方式相关文献较多，故此重点讨论定时读写方式。定时读写方式就是上位机向下位机发送固定格式的数据，在下位机收到后向上位机返回状态信息数据。由于数据的传输需要时间，所有上位机发送数据后就调用＿sleep（）函数进行休眠，休眠的时间可根据需要进行不同的设置。这样，可以节省CPU时间，以使系统能够很好地进行监控工作和处理其它事务。

3VC串口通信的设计与实现

笔者在Windows系统下，采用面向对象的方法和多线程技术，并使用VisualC6．0作为编程工具开发了一个通用串口通信类CSerialPort，该CSerialPort类封装了串口通信的基本数据和方法，下面给出CSerialPort类的简单介绍。

CSerialPort类头文件中的主要成员变量和成员函数如下：

ClassCSerialPort

{

private:

HANDELm_hPort;

DCBm_Dcb;

COMMTIMEOUTSm_TimeOuts;

DWORDm_Error;

Public:

CSerialPort;??／／构造函数

virtual～CSerialPort();??／／析构函数

／／InitPort()函数实现初始化串口

BOOLInitPort(

char＊str＝“com1”,

UINTBaudRate＝9600,

UINTParity＝0,

UINTByteSize＝8,

UINTStopBits＝1,

UINTReadMultiplier＝0,

UINTReadConstant＝0,

UINTWriteMultiplier＝10,

UINTWriteConstant＝1000);

DCBGetDCB();?／／获得DCB参数

／／SetDCB()函数实现设置DCB参数

BOOLSetDCB(

UINTBaudRate＝9600,

UINTParity＝0,

UNITByteSize＝8,

UINTStopBits＝1);

／／GetTimeOuts()函数获得超时参数

COMMTIMEOUTSGetTimeOuts();

／／SetTimeOuts()函数设置超时参数

BOOLSetTimeOuts(

UINTReadMultiplier＝0,

UINTReadConstant＝0,

UINTWriteMultiplier＝10,

UINTWriteConstant＝1000);

／／WritePort()函数实现写串口操作

voidWritePort(HANDLEport,CString);

CStringReadPort(HANDLEport);／／读串口操作

BOOLClosePort();?／／关闭串口

};

下面对该类的重要函数作以说明：

(1）在构造函数CSerialPort（）中已对该类的数据成员进行了初始化操作。

（2）初始化串口函数InitPort（）函数用于完成串口的初始化工作，包括打开串口、设置DCB参数、设置通信的超时时间等。

打开串口使用CreateFile（）函数，其中InitPort（）函数中的第一个参数为要打开的串口，通常将该参数赋给CreateFile（）函数中的第一个参数；设置DCB参数应调用该类中的SetDCB（）函数，并将InitPort（）函数中的第2至第5参数赋给SetDCB（）函数；设置通信的超时时间应调用该类中的SetTimeOuts（）函数，并将InitPort（）函数中的第6至第9参数赋给SetTimeOuts（）函数。另外，该串口是系统资源，应该根据不同要求对其安全属性进行设置。

（3）SetDCB（）函数用于设置DCB参数，包括传输的波特率、是否进行奇偶校验、每字节长度以及停止位等。

（4）SetTimeOuts（）函数用于设定访问的超时值，根据设置的值可以计算出总的超时间隔。前面两个参数用来设置读操作总的超时值，后面两个参数用来设置写操作总的超时值。

（5）WritePort（）函数用来完成向串口写数据。由于该系统需要对多个串口进行通信，所以首先应把串口号作为参数传递给该函数；接着该函数把按参数传递过来的、要发送的数据进行编码（也就是加入校验，这样能减少误码率），然后再调用WindowsAPI函数WriteFile（）并把数据发送到串口。

（6）ReadPort（）函数用来完成从串口读数据，由于有多个串口，所以应把串口作为参数传递进来，然后调用API函数ReadFile（），并把下位机发送到串口，数据读出来放到缓存里面，接着对数据进行处理以将其变换成字符串

（CString）类型并返回。

（7）GetDCB（）函数主要用于获得串口的当前配置，可通过调用API函数GetCommState（）来实现，然后再进行相应的处理。

（8）GetTimeOuts（）函数用于获得访问超时值。

（9）ClosePort（）函数可用来关闭串口。因为在Windows系统中串口是系统资源，因而在不用时，应将其释放掉，以便于其它进程对该资源的使用。

4基于串口通信的金刚石合成控制

金刚石合成控制系统采用主从式控制方式，上位机为微机、下位机为PLC。上位机的主要功能是对系统进行实时监控，下位机的主要功能是对系统进行实时控制。上位机采用Windows98操作系统，其监控程序可用VC开发，上、下位机之间通过RS－232与RS－485串口进行通信，它们之间采用的通信波特率为9600bps，无奇偶校验，每字节8位，并有1位停止位。上、下位机之间传送的数据格式可自己定义。由于传输数据时可能会引起错误，所以加入了校验算法。该系统通过上位机向下位机发送数据，下位机收到后就把当前系统的状态参数返回给上位机。由于该系统中所控制的参数具有迟滞性，所以应采用定时发送数据的方法来采集现场状态信息。

上位机编程时，可用VC6．0生成一个对话框类型的`程序框架，然后将自己编写的CSerialPort类加入到该工程中，并在主界面类?CCrystal?中添加一个CSerialPort类的成员变量serial。当监控系统开始工作时，可用AfxBeginThread??函数创建辅助线程来管理串口通信，当调用CSerialPort类中的WritePort??函数向串口发送数据后，可调用＿sleep??函数使辅助线程休眠一段时间，以便使PLC有充分的时间返回数据；接着再调用CSerialPort类中的ReadPort（）函数并从串口读数据，然后再调用＿sleep（）函数使辅助线程再休眠一定的时间。这样设计后，当进行串口通信时，主线程就能继续完成监控功能和处理其他事务。辅助线程函数的主要代码如下：

UINTSerialPro（void＊param）

{

Ccrystal＊mdlg＝（Ccrystal＊）param?

CStringstr；

intflag＝1；

／／如果初始化串口失败返回

if（！InitPort（“com2”））

{AfxMessageBox（“打开串口2失败”）；

return0；

}

／／循环读写串口，直到结束

while（flag）

{

／／这里把要发送的数据传送给变量str

……

／／向串口写数据

mdlg－＞serial．WritePort(hport，str);

／／让辅助线程休眠100ms

＿sleep(100);

／／从串口读数据并赋给变量str

str＝mdlg－＞serial．ReadPort(hport);

／／这里把从串口得到的数据进行处理

……

5结束语

基于多小区通信系统能效优化研究 篇6

关键词：多小区,能效,优化,系统模型

近年来, 4G网络的大力建设和智能终端设备的普及, 刺激了移动互联网产业的迅猛发展。移动接入网络带宽和速率的提升, 给用户带来了更好的数据体验, 使得用户数据业务增长和高品质接入的需求增强。然而随着网络发射节点覆盖范围的缩小和安装密度的增加, 网络的能量消耗与运营成本的矛盾也日益突出。

据研究发现, 通信信息产业能耗已成为全球第5大耗能产业, 二氧化碳排放占全世界碳排放的5%[1]。2015年中国移动发布的相关数据显示, 中国移动年耗电量在100亿度左右, 基站能耗占比在整个企业已超过60%, 是通信产业能耗的主要集中部分。工作基站的耗能主要是基础设施、传输和射频等部分, 占基站总能耗的49%~51%[2]。无线通信网络中的数据接入是动态的, 潮汐效应就是一个重要的体现。在空间维度上, 人口密集度较大区域, 如写字楼、医院、车站等地区流量负载较高。人口密集度小的区域, 如城市郊区等数据流量负载较低。在时间维度上, 工作时间段内办公区域通信网络负载重。下班时间段内网络的负载变轻。在夜间办公区域甚至会出现零负载的现象。在通信系统负载较低的情况下可以动态地关闭或开启某些基站, 降低通信基站的能耗, 实现绿色节能, 参考文献[3]研究了动态调整基站休眠 (或关闭状态) 技术降低系统能耗的可行性, 对基站休眠的研究概况进行了综述, 文章指出基站休眠技术的节能来源于低利用率基站的固定部分能耗。

在通信系统负载较高的情况下, 基站具有较大的用户接入量, 此时系统能耗主要集中在天线发射功放部分。在蜂窝通信网络中, 频谱资源是支撑用户与基站间通信的基础性资源, 多个小区共享有限的频谱资源, 直接约束着用户的接入量。提高小区的系统容量是多小区频谱效率 (SE, SpectrumEfficiency) (单位:bit/s/Hz) 优化的一个重要目标, 而基站射频的功率控制是提高频谱复用效率和降低系统能耗的关键。在LTE网络中, 为了提高边缘小区的系统容量和用户的Qo S, 系统引入了OFDM和MIMO等核心技术, 最大程度的复用可用频率, 但小区之间的干扰是一个最大的制约问题。干扰协调技术 (ICIC, Inter-Cell Interference Coordination) 通过协调多小区资源块的调度和分配, 有效地降低了小区之间的干扰。小区基站资源块分配的目标是使系统的频谱效率最大化和能量效率最大化。频谱效率的最大化可以使系统容量达到最大, 然而系统容量的提升跟基站的功率控制又是密切相关的。系统能效的最大化是对基站发射功率利用率的最大化, 然而系统能效的最大化与频谱效率的最大化又不一致。因此, 两者之间必须有一个折衷。根据香农公式:

可知随着基站发射功率增大, 系统容量提高的速度将会变得非常缓慢, 此时再通过增大发射天线功率来提高系统容量已经没有意义。而某个小区发射功率的提高将会在同频段上给相邻小区带来更大的干扰, 为了能够高效充分的利用可用频谱和天线发射功率, 对多小区系统能效的研究具有非常大的意义。在5G系统模型的研究中, 能量效率 (EE, EnergyEfficiency) (单位:bits/Joule) 被作为评估网络效率性能的三大指标之一。

本文主要包括3个部分, 首先构造多小区系统能效优化的函数, 采用KKT、凸优化等算法, 获得最大的系统能效。然后针对系统能效优化的系统模型进行分析, 对不同网络场景下的能效优化研究现状进行综述。最后, 对多小区通信系统能效优化进行了总结与分析。

1 能效优化函数的构造

在多小区系统模型能效优化中, 通常将系统能效定义为系统的和速率与基站发射总功率的比值, 表示为:

其中, η表示系统的能效。i表示小区的编号。Ri表示第i个小区的总速率。Pi表示第i个基站发射有用信号的功率。αi表示发射信号放大器的转化效率。Pc，i表示第i个小区在不发射信号时的固定消耗功率。第i个小区的总的发射速率Ri, 可以由香农公式计算求得, 表示为:

其中n表示在小区i中子信道的编号, 小区i中共N条信道。Bn代表子信道n的带宽。n0表示高斯白噪声的功率密度。Pi, n在小区中子信道的发射功率, 。表示小区受到的来自其他小区的干扰噪声功率。

在满足用户Qo S的前提下, 结合能效优化的算法, 为每个用户合理的分配系统带宽和发射功率, 得到最大的系统能量效率。求解系统最大能效值常用计算方法有分式规划[4]、凸优化[5]、max-min[6]、对偶分解[7]等。

2 能效优化系统模型的相关研究

系统模型是研究系统能效优化的基础, 在多小区系统能效优化的研究中, 目前比较常用的系统模型有传统蜂窝网络基站模型、异构网络模型、多小区协同通信网络和协作中继网络等, 如图1所示。

2.1 传统蜂窝网络的能效优化系统模型

在传统蜂窝网络中, 多采用宏基站覆盖的方式, 单个小区的覆盖面积比较大, 频率复用因子通常为3、7、9等, 频谱复用效率比较低。在4G和5G网络中, 为了满足用户高速率通信的需求, 在采用OFDM和MIMO等技术的同时, 也要为用户提供更大的通信带宽, 这就要求在单个小区充分的利用频谱资源, 使频谱复用因子尽可能的接近于1。在LTE通信系统中, 最大带宽可以达到20MHz, 小区间的同频干扰问题非常严重, 为了解决此问题, 3GPP标准提供了两种干扰协调方式:部分频率复用 (FFR, Fractional Frequency Reuse) 和软频率复用 (SFR, Soft Frequency Reuse) SFR, 这两种方式都对功率控制具有较高的要求。参考文献[8]对影响SFR和FFR能效的因子进行了研究, 通过改变影响SFR和FFR发射功率和系统频谱效率的因子, 对比了两种系统能效的高低, 并提出了影响因子的取值范围, 然而参考文献中并未对两种干扰协调技术的能效优化算法进行研究。参考文献[9]研究了FRR系统中最优的能效功率控制技术, 在用户速率受限的情况下使每个小区内单个比特的发射功率损耗最小。通过采用Dinkelbach理论, 将系统能效的分式优化问题转化成参数规划问题。利用KKT条件, 求解出最优的系统功率分配方案。结果表明, 文章提出的功率控制算法可以有效的提高FFR多小区系统的能效。

2.2 异构多小区网络中的能效优化

用户群体通信行为具有高密集度、高移动性等特点, 小区中部分区域出现用户过于集中的现象。为了满足用户接入需求, 同时降低系统能耗, 小型蜂窝、飞蜂窝等作为宏蜂窝小区的补充, 向用户提供服务。通过在人口稠密地区或宏蜂窝小区边缘布置小蜂窝和飞蜂窝, 增加局部的用户接入量和服务质量, 提高频谱效率和能量效率。

参考文献[10]提出了一种基于云架构的多层异构网络, 系统由无线拉远头 (RRH, Remote Radio Heads) 、室内基带处理单元 (BBU, Base Band Unit) 和高功率发射节点 (HPN, High Power Node) 构成, RRH覆盖范围小、能耗低, 主要为用户提供高数据率和高Qo S (Quality of Service) 的接入服务, 由BBU池统一管理。HPN覆盖范围广、能耗高, 部署到保证无缝覆盖和Qo S要求较低的用户服务。HPN的数据处理中心与BBU pool进行通信, 协调网络的覆盖和频段的复用。文章结合RRH/HPN架构方案和增强型的S-FFR频谱分配方案, 提出了功率分配和频谱分配的非凸目标函数, 并将其转换成等价可求解的凸函数, 通过lagrange对偶方法求解出最优能效的资源块和发射功率分配方案, 并提出资源块的比例分配是系统能效最优的重要研究方向。参考文献[11]提出了一种LTE/WLAN混合架构。在LTE的小区边缘部分设置WLAN接入点, 通过判断用户接收到来自LTE基站的下行信号门限, 向LTE基站发送切换请求, 将网络切换到WLAN网络中, 来提高LTE系统的吞吐量和能量效率。理论分析和仿真结果表明, 所提出的新型网络提升了用户的系统吞吐量和系统能效。

2.3 多小区协同网络中的能效优化

位于小区边缘的用户可以接收到来自多个小区的信号, 因此对接入小区具有较多的选择, 用户可以同时接入到多个基站, 这种技术称为协作多点通信 (Co MP, Coordinated Multi Point transmission) [12]。参考文献[13]提出了一种关联用户的多载波聚合资源分配算法, 在回程流量、用户速率需求和基站发射功率等多个限制条件下, 最大化具有权重值的能效之和, 得到最大化的系统能效。基站之间通过X2空中接口交换用户的接入信息, 边缘小区用户可以接入到多个基站进行通信, 协同地向用户提供通信服务。这种系统模型主要考虑的是向边缘用户提供服务, 通过减小小区间的干扰和降低基站的发射功率, 来提高多小区协同的系统能效。

2.4 协作中继网络中的能效优化

协作中继通信作为一种D2D (deviceto device) 的通信方式, 在未来的通信应用中具有广阔的前景。远距离信号传输使基站和移动用户终端消耗大量的能量, 如果用户与基站之间有可选择中转的中间节点, 用户通过中继节点与基站进行通信, 这种通信方式可以有效的降低系统的能耗, 提高系统的通信容量。参考文献[14]提出了一种以系统能效最大为目标的单中继分配算法。首先将一定范围内的空闲移动终端作为带选择的中继节点, 计算用户与中继节点通信的能效, 然后以此能效作为权值, 采用最大权重匹配的方法选择中继节点, 以译码转发的方式将发送节点的信息借助中继节点转发到基站。由于采用最大能效作为权值来选择继节点, 使系统的局部能效达到了最优, 而系统整体能效却不是最优的。参考文献[15]主要对协同通信的功率分配问题进行研究, 构建了多中继和多接收天线功率分配的协同通信模型, 采用放大转发模式, 并提出了以系统容量最大化为准则的最优功率分配算法, 使系统的能效达到最大。

3 未来研究方向分析

在做能效优化的时候, 首先应先保证用户的Qo S需求, 然后再做能效的优化。另外, 由于用户分布的时空特性, 致使系统能效不一定能够得到一个全局最优的解。在多小区通信系统中利用能效优化来使能量效率达到最大, 在绿色通信中具有较大的应用和发展潜力。

大规模MIMO技术作为物理层的一项关键技术, 具有较高的频谱利用效率, 特别是可以工作在毫米波段, 在5G网络中具有非常广阔的应用前景。超密集异构网络是无线通信网络架构发展的必然结果, 由宏蜂窝、微蜂窝及飞蜂窝所构成的多层结构网络可以提供高弹性和高能效的通信服务, 大规模MIMO通过信道增益矩阵可以相对于一些分散的微蜂窝提供更高的能效和接入量, 因此结合大规模MIMO技术和异构网络的特性来分析系统能效问题, 是当下研究的热点。

关于协作中继网络的能效优化研究主要围绕中继节点的选择、局部能效优化等方面, 而对分簇协作中继通信的能效优化研究相对较少。在未来可以通过将用户进行分簇, 以簇头作为中转节点的方式进行通信, 为了减少对簇头节点的能耗, 降低给簇头带来的损失, 可以引入惩罚因子 (如簇头流量补偿、费用补偿等方式) 来调节用户间的公平性, 提高系统的整体能效。

4 结语

多标准无线通信系统 篇7

为无线宽带提供可靠服务的光纤无线通信技术已经研究了许多年。在将来的光纤无线通信系统中,毫米波段被认为是能够满足更高的信号带宽并能克服目前波段频率过分拥挤的问题[1,2]。因为毫米波在空气中的损耗相当大,基站所覆盖的面积很小,因此所需基站的数量庞大,因而必须降低其成本。要想将光纤无线通信技术成功地应用于实际网络中,系统总的结构设计,射频信号地产生,上行链路和下行链路地传输是要解决的关键问题。许多射频耦合到光纤技术被提出来加以研究,用以探索有成本效率的基站[3,4,5,6,7,8,9]。例如,在上行和下行链路中共用一个由中心站发出的光源以降低基站成本,并通过实验进行了研究[10]。但是使用马赫-泽德调制器实现信号上转换有几个问题:它的调制特性依赖于注入波长和偏振[11],并且转换效率很低[12];另外,马赫-泽德调制器调制带宽较小限制了高频射频信号的上转换。

鉴于以上问题,一种新的全双工射频耦合到光纤系统被提了出来。基于半导体光放大器(SOA)交叉增益调制(XGM)效应产生光毫米波[13]有许多优点,例如可以实现同步全光频率转换,转换效率高,器件所需带宽较低。分离出来的中心载波可以作为上行链路载波重新利用,可以进一步减少系统的复杂度,降低成本。波长转换后信号传输未见相关报道,文中对转换信号在双向40 km上行和下行链路传输进行了研究,结果显示系统在高比特率,长距离传输中显示出较好的性能。

1 原理

图1是基于SOA的XGM效应产生光毫米波并结合光滤波技术实现全双工射频耦合到光纤系统原理图。图中连续光由分布反馈激光器产生,频率为20 GHz的泵浦光脉冲由双臂马赫-泽德调制器调制产生。连续光在SOA中实现波长转换后,光载波和两个一阶边带用一个解复用器分开。其中一个边带被下行链路基带数据所调制,再通过复用器把光载波和两个一阶边带耦合传输到基站。在基站,光纤布拉格光栅(FBG)用来反射中心载波,而透过的光毫米波发送到接收器。反射的中心载波作为光载波被上行链路数据调制后传输回中心站。在中心站可以用低成本的低频接收器探测上行链路信号。采用文中所提出的系统设计方案,双向速率为2.5 Gbit/s数据成功地实现超过40 km上行链路和下行链路传输。

2 模拟实验方案和结果

模拟链路如图2所示。在中心站,半导体激光1(LD-1)出射波长取1 535.4 nm,用两个相位相差90°,频率为10 GHz正弦波形时钟驱动偏置电压为Vπ的双臂马赫泽德调制器,经光载波抑制调制后生成重复频率为20 GHz,中心波长为1 535.4 nm的泵浦脉冲,泵浦脉冲经掺铒光纤放大器(EDFA)放大后功率为5 d Bm。中心波长1 535.4 nm,带宽25 GHz的光带通滤波器(BPF)用来压缩自发辐射噪声,泵浦光光谱如图3(a)所示。LD-2发射波长取1 546.18 nm,功率0 d Bm,线宽10 MHz。信号光和泵浦光通过耦合器一起进入SOA,SOA的主要参数如表1所示。耦合器,滤波器插入损耗均设为0 d B,转换后信号光谱如图3(b)所示。用解复用器(DEMUX)将光载波和两个一阶边带分别分隔开,经过强度调制器把速率为2.5 Gbit/s,用非归零码表示的下行链路数据调制于其中一个一阶边带上,再通过复用器(MUX)耦合到一起在标准单模光纤中传输。被调制的一阶边带和通过复用器后的信号光谱分别如图3(c)、3(d)所示。传输40 km以后,在基站使用一个阻带20 GHz,峰值波长反射率40 d B的FBG执行两种功能。一个是用于反射光载波为上行链路提供连续光源;另一个是透射由SOA产生的两个一阶边带。经FBG后光毫米波的载波抑制比增加40 d B,通过带宽为60 GHz的可调谐光滤波器后得到纯净的光毫米波,其光谱如图3(e)所示。光毫米波通过可调衰减器(TA)后发送到光探测器(PD)探测。转换后的电毫米波信号经中心频率为40 GHz,带宽为10 GHz的电子放大器(EA)放大后与40 GHz射频信号混频,通过低通滤波器滤波,对解调得到的基带数据信号进行误码检测,测量得到2.5 Gbit/s下行链路数据信号眼图,如图4(a)所示。测量得到下行链路误码特性如图5(a)所示。可以看到下行链路通过光纤传输40 km后,在误码率为10-9情况下,功率代价为3.5 d Bm,主要由色散引起。由于误码率曲线没有基底,虽然有较大功率损失,只要调节衰减器,适当增大光毫米波功率,就可以提高系统性能。

(a)射频信号调制后;(b)通过SOA后的上转换信号;(c)分隔后经下行链路数据调制后的一阶边带;(d)通过复用器后的上转换信号;(e)光毫米波信号;(f)上行链路信号.(a)After modulation by RF signal;(b)Up-converted signal after SOA;(c)Separated signals modulation by downlink data;(d)Up-converted signal after data modulation;(e)Optical mm-wave signal;(f)Optical carrier for uplink.

(a)光毫米波传输40 km后的眼图;(b)上行链路数据传输40 km后的眼图.(a)Eye diagram of optical mm-wave after transmitted over 40 km;(b)Eye diagram for the uplink data after transmitted over 40 km.

(a)2.5 Gbit/s下行链路信号的误码曲线图;(b)2.5 Gbit/s上行链路信号的误码曲线图.(a)BER curve for downlink data;(b)BER curve for uplink data.

经FBG反射分离出来的光载波可以作为上行链路的光载波。上行链路信号用码长为27-1的伪随机二进制序列产生的非归零码表示。带有数据的2.5 Gbit/s的上行链路信号光谱如图3(f)所示。传输40 km以后,经低频探测器光电转换,解调后测得的2.5 Gbit/s上行链路数据眼图如图4(b)所示。测量得到上行链路误码特性如图5(b)所示。在误码率为10-9情况下,功率代价小于0.5 d Bm。

3 讨论

由于FBG滤波器和其他光器件的使用,中心站的结构变得复杂且长期工作变得不稳定。为了消除这种不稳定,可以在基站中使用一个光交叉复用器(Interleaver)代替FBG滤波器和环形器。光交叉复用器是一个没有额外控制系统并且对温度变化不太敏感的器件,因而性能稳定。由于光交叉复用器具有周期特性,通过共享同一个光交叉复用器可以用于密集波分复用(DWDM)光毫米波地产生和传输。图6中A点处和B点处的光交叉复用器性能参数相同,有一个输入端,两个输出端,用于分隔光载波和两个一阶边带。当DWDM光源中心波长与光交叉复用器很好地匹配时,如图7所示,光交叉复用器的带宽和频率间隔为50/25 GHz时,输出端口1中光载波被抑制,输出光毫米波;而在输出端口2中,边带被滤掉,光载波得以输出。用这种方式,可以产生多个光毫米波DWDM信道,中心载波可重复利用,从而得到多个信道的全双工系统。

(a)波分复用信号;(b)上转换信号;(c)光交叉复用器;(d)光毫米波.(a)WDM signals;(b)Up-converted signals;(c)Interleaver;(d)Optical millimeter wave.

4 结论

多标准无线通信系统 篇8

基于上述原因,本文提出了基于多现场总线的无线传感系统的设计方案。高性能的STM32处理器搭配Zigbee无线模块,再加上各种传感器,既可以实现对一块区域的温度、湿度等实时监控,又可以实现将采集的数据无线传输给主站,从而实现主从站的无线通信。

1 系统的总体架构设计

多现场总线的无线传感网络系统结构如图1所示,设计分为三个部分:多协议从站接口、数据传输(Zigbee模块)、数据采集(无线传感器模块)。通过该从站接口可以实现不同协议主站与从站进行通信。

2 从站接口方案设计

单片机+通信协议芯片的方案具有开发周期短、可靠性高的特点被广泛应用。特别是专用通信协议芯片的出现,再加上高性能的单片机组成的硬件电路为从站的开发提供了一个良好的硬件平台。本设计就是基于单片机+通信协议芯片解决方案的一个很好的实例,利用通信协议芯片的数据收发单元完成DP主站和从站的通信。

2.1 从站接口硬件设计

按照本设计的思路,从站接口硬件结构。按照功能可划分电源模块,微处理器模块,RS485通信模块,RS232通信模块,通信协议芯片与主控芯片连接模块。电源模块负责整个系统电源的供给。微处理器模块的主要任务是初始化芯片和启动VPC3,是系统运行的核心。RS485和RS232通信模块完成物理层的协议通信。VPC3将信息变成符合协议规范的信息经过485驱动传到profi bus总线。利用STM32标准的通信接口实现基于MODBUS协议的RS485通信。

2.2 从站接口软件设计

该部分相当于主站和无线从站通信的一个中转站,为保证其性能,按功能分成两个部分,一个是profi bus主站和从站的无线通信,另一个是modbus主站和从站的无线通信。

Modbus主站和无线从站之间的信息可以透明传输,从站只需要将无线数据和主站直接互相转发即可。

Profi bus总线传递的数据量大,为了保证系统的实时性,必需利用VPC3协议芯片作为数据收发单元。微处理器对VPC3进行控制,从而实现profi bus总线通信。

3 无线传感器方案设计

该部分的设计主要采用主控芯片STM32+无线模块Zigbee+传感器芯片的结构。可以划分为四个部分:传感器部分,数据处理部分,数据传输部分和电源管理部分。

3.1 无线传感器硬件设计

3.1.1 数据处理部分

本部分采用ST公司推出的STM32系列芯片STM32F103CB为主控芯片。

3.1.2 传感器部分

温度、湿度、光照等传感器采集到的信号均为模拟量,通过运放电路转换成满足STM32F103CBADC输入范围的电压信号,输入到芯片的ADC模拟输入通道,转换成数字量。

3.1.3 数据传输部分

该部分主要实现STM32转换来的数字量的采集,经过简单的处理后,发送给上一级节点(Zigbee模块),最终完成PLC和无线传感器的主从站的无线通信。

3.2 无线传感器软件设计

无线传感器模拟量要经过A/D转换成数字量,Zigbee模块实现对该数字量的采集,经过简单处理后上传至上层Zigbee模块,同时也可以收到上层的命令:开始或停止采集数据等。

A/D采样主要完成以下几个部分:

初始化。主要是STM32F103CB芯片的初始化,完成寄存器等的配置。

AD转换。通过AD转换通道完成模拟信号到数字信号的转换。

数据接收和发送。将转换后的信息发实时的发送给无线模块。

4 总结

本文从应用的角度介绍了满足多总线协议的无线传感系统,并给出了多协议从站接口的硬件和软件设计,无线传感器部分的软件和硬件设计。该部分的高效率应用为整个系统的开发奠定了基础。虽然该系统可以较好的实现该功能,但仍需进一步的改善,如本系统用得无线模块是基于Zigbee的,希望今后在减小延时性和抗干扰方面有所发展。

摘要：结合工业现场应用的需要,设计了一种基于多现场总线的无线传感系统。系统以STM32系列的微处理器为核心,设计了满足多总线协议的从站接口和无线传感两个部分。利用STM32和通信协议芯片的通信接口可实现基于MODBUS协议和PROFIBUS协议的RS485通信,利用无线模块将传感器采集的信息传输给主站可实现主从站无线通信,克服了传统主从站通信受限于基于单一通信协议、有线通信扩展性和移动性差等缺点。

关键词：PROFIBUS,MODBUS,Zigbee,无线通信,现场总线

参考文献

[1]徐红燕.基于STM32F103实现ProfibusDP从站软核的研发[D].温州大学。2012.

[2]夏继强,梁超众,耿春明.PROFIBUS-DP主站网关设计及其关键技术[J].北京航天航空大学学报,2011.8(32).990-997.

[3]吕鑫,王忠.Zigbee无线数据传输模块的设计和实现[J].安徽师范大学学报,2010.4

论多路通信系统的多抽样率实现 篇9

在我们通常所讨论的数字系统中只有一个采样率, 即把采样率Fs视为固定值。但在实际系统中经常会被要求能工作在“多抽样率”状态。将一个宽带信号分解到几个互不重叠的窄带信道上传输, 每个窄带的采样率只要满足奈奎斯特采样定理即可, 因此可以降低取样频率, 节省传输频带。

在通信系统中, 信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽很多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的, 为了能够充分利用信道的带宽, 就可以采用复用的方法。“复用”是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法。比如, 在电话系统中, 传输的语言信号的频谱一般在300～3400Hz内。为了使若干个这种信号能在同一信道上传输, 可以使它们的频谱调制到不同的频段, 合并在一起而不相互影响, 并能在接收端彼此分离开来。常用的方法是时分复用 (TDMA) 和频分复用 (FDMA) 。

2 系统仿真与设计

2.1 仿真环境介绍

SIMULINK仿真环境是美国MathWorks软件公司在1990年专门为MATLAB语言设计提供的结构图编程与系统仿真的专用软件工具, 是MATLAB实现动态系统建模、仿真的一个集成环境, 它使MATLAB的功能得到进一步的扩展。这种扩展的意识表现在:第一, 实现了可视化建模。第二, 实现了多工作环境间文件互用和数据交换, 如SIMULINK与MATLAB, SIMULINK与C、FORTRAN, SIMULINK与DSP、SIMULINK与实施硬件工作环境等的信息交换都就可以方便的实现;第三, 把理论研究和工程实现有机地结合在一起。利用SIMULINK提供的输入信号 (信号源模块) 对结构图所描述的系统施加激励, 利用SIMULINK提供的输出装置 (输出接口模块) 获得系统的输出响应数据或者时间响应曲线, 成为图形化、模块化方式的控制系统仿真, 使得动态系统的方针与建模更加简洁方便, 这不能不说是控制系统仿真工具的一大突破性的进步。

结构图化的系统模型构建之后即可进行SIMULINK的系统仿真。仿真程序的执行可以在MATLAB命令平台上键入模型文件的文件名来启动, 也可以直接在SIMULINK之下由菜单命令来启动。菜单方式的仿真操作完全是用户交互方式, 例如选择仿真算法, 改变参数设置, 使用模拟示波器, 观察系统输出或者内部的响应曲线等。另外, 仿真结果可以以变量的方式返回MATLAB命令平台以方便仿真数据的后期处理。

fdatool (filter design&analysis tool) 是matlab信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具, matlab6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱 (filter design toolbox) 。fdatool可以设计几乎所有的基本的常规滤波器, 包括fir和iir的各种设计方法。它操作简单, 方便灵活。

fdatool界面总共分两大部分, 一部分是design filter, 在界面的下半部, 用来设置滤波器的设计参数, 另一部分则是特性区, 在界面的上半部分, 用来显示滤波器的各种特性。

2.2 频分复用系统的多抽样率仿真设计

频分复用可以由许多的方法实现, 在传统端到端通信中通常利用调制解调原理实现。在发送端, 用不同频率的信号当作载波将原始信号调制到不同频率处, 经过通信线路的传输, 在接收端, 利用不同的滤波器将不同频率处的信号滤除, 然后经过解调恢复出原信号。以上技术主要应用在模拟信号传输普遍应用在多路载波电话系统中。利用多采样率技术实现的频分复用实现原理与调制解调相似。在发送端, 用插值器将信号频谱变窄并在整个频率轴上做周期延拓, 当然周期会变小, 相当在0到π之间多出镜像来, 利用不同的滤波器将其滤出。在接收端, 利用抽取器将信号频谱展宽, 并平移, 周期会变宽, 就可以恢复出原信号。在理论上, 利用多采样率技术实现的频分复用系统可以实现无限多路信号的并行传输, 但是会对滤波器设计要求很高, 截止特性要非常好, 在实际中是不可实现的。

2.3 时分复用系统的多抽样率仿真设计

实现时分复用的传统方法非常多, 但大都对时间同步要求较高, 实现起来较为复杂。利用多抽样率技术的时分复用实现起来非常简单, 并不要求时间的严格同步, 各路信号互不干扰。非常适于前后采样率不同系统之间的通信。

经过比较, 时分复用发送接收端的信号频谱相似, 时域波形变化不大。理论上可以实现无限多路信息的传输, 但是路数多时, 会有明显的延迟。语音信号经过频分复用系统传输以后, 其高频部分有少许的缺失, 其原因是在用滤波器滤波时, 滤波器有一定的过渡带, 截止边缘不能有绝对的陡峭。语音信号经过时分复用系统时, 其幅度有较大的减小, 因为在抽取时, 其幅度变为原来的1/4, 在实际应用中, 可以加一个放大器。综上所述, 利用多抽样率技术的时分复用和频分复用系统都可以实现多路通信, 而时分复用系统实现起来更为简单, 可靠。

3 小结

本文阐述了simulink软件和利用多抽样率信号处理设计TDM系统和FDM系统的原理, 并且介绍了在此软件中进行的仿真。虽然这个课题的部分理论内容已经学习过, 但综合设计系统并进行仿真还不很熟练, 所以在课题的设计方面遇到了不少问题。比如, 在设计FDM系统时, 三路通信简单的认为用三倍插值, 三倍抽取, 但是仔细分析后就会明白三倍插值不足以将信号频谱分开到中、低、高频, 自然不会有对应的滤波器能完全的分开频谱。在设计TDM系统中对于延时的理解要准确, 否则声音会出现较大失真。

参考文献

[1]樊昌信.通信原理 (第6版) [M].北京:国防工业出版社, 2004.P96-116

多标准无线通信系统 篇10

在无线通信迅速发展的今天, 移动通信网络的覆盖、通信质量、系统容量是各营运商竞争获胜的关键因素。要实现优质的信号覆盖, 当然必须得建设好室外宏基站。然而宏基站的建设严重受到站地址和频谱资源的限制, 据权威数据表示:上海市现有5000座宏基站, 并以每年300座左右的数量增加。此外, 靠宏基站覆盖好的区域可能会被新的建筑物阻隔。而且有数据表示:有60%及以上的通信业务是在室内实现的, 尤其在如上海、北京等人口密集的城市中将有80%以上的业务在室内完成, 所以室内信号覆盖的优化将显得十分必要。在我国存在的通信制式较多, 如:TD-SCDMA、GSM900、GSM1800、WLAN、CDMA、PHS、WCDMA等。多无线系统环境下, 室内信号覆盖优化成为了热点。

2 室内多系统覆盖现状和特点

传统的室内覆盖系统将不同制式的系统割裂开来, 采取单独建设和维护的策略, 使其投资成本高, 维护困难。如果不同的无线系统共用室内分布系统, 不仅可以缩短工程建设周期, 降低投资成本, 还能保证建筑物内部装修的美观[1]。多系统共用室内分布系统具有以下优点:

(1) 施工简洁, 网络结构简单, 对室内环境破坏程度小。

(2) 整体造价得到有效控制:由于共用天馈线, 只需采用支持接入的无线系统频段的器件并在天馈线系统前端增加合路设备即可。

(3) 维护简单, 后期升级便利和扩展性强。

现在室内多系统覆盖情况是:各个营运商对自己营运的多种制式进行合理分布, 如中国电信对其营运的CDMA, WLAN, GSM进行室内合路, 相当于营运商之间还是存在多路布线和重复建设的问题, 所以以后室内多系统覆盖的主要任务就是各个运营商的室内覆盖合路。

为适应3G通信的发展, 现有的室内分布系统可扩展能力受限, 无论改造现有系统还是重新建设的难度都不小, 再加上现有的体制限制了新营运商的加入, 很难形成公开公平的市场竞争机制。

3 理论分析

3.1 室内空间的路径传播损耗

对移动通信而言, 当电波传输距离很小且为直射波, 例如在室内, 其传输损耗可视为自由空间的损耗, 其计算公式为:

undefined

其中Lbs称为自由空间的路径传播损耗。如取f=900MHz代入上式可得传播损耗如表 1所示。

3.2 干扰分析

在多种制式共存的合路研究中, 分析它们的电磁兼容性势在必行, 而要分析电磁兼容性必须从电磁干扰着手, 其中的杂散干扰、阻塞干扰和互调干扰是多系统室内覆盖系统必须考虑的问题[2,3]。通常阻塞干扰的影响远远小于杂散干扰, 而互调干扰仅存在于个别相邻的两个系统之间, 因此在考虑总的系统干扰时, 仅需考虑两个系统的杂散干扰要求, 对个别相邻系统需要重点考虑互调干扰。多个无线系统间的干扰依靠合路器、滤波器等器件隔离度来避免。 各系统间杂散干扰修正隔离度/合路器能提供的隔离度见表 2所示。

由表2可见:

(1) GSM系统对TD、WLAN系统干扰可通过合路器实现足够隔离;

(2) TD系统对GSM、WLAN系统干扰可通过合路器实现足够隔离;

(3) WLAN系统对GSM、TD系统干扰可通过合路器实现足够隔离。

3.3 多系统间的干扰抑制办法

在具备如下条件的情况下, 多系统间的合路干扰需要靠合路器和滤波器来完成。

(1) 选择宽带合路器, 支持频段覆盖800MHz～2500MHz;

(2) 选择具有合适隔离度的合路器和滤波器以保证不同系统信号干扰的抑制;

(3) 最大输入功率需要有一定的冗余量。

4 多系统合路覆盖解决方案

对于多系统的合路原则是:可对合路器能保证的系统进行直接合路, 如: GSM、TD-SCDMA和WLAN的共用室内分布系统, 由于合路器可以提供足够的隔离度, 因此只需进行简单合路;对于隔离度不足的系统, 应增加滤波器, 如:只需在 CDMA和PHS 系统支路中加入滤波器, 以保证各系统间的隔离度要求即可合路。

根据实际工程大小选择合路方案:较少系统合路时多采用多网合路器;多系统大规模应用场景时的合路方案多采用 POI , POI可以很好地抑制多系统间的交调, 未来可扩展性强, 方便的监控功能。但POI 需要配备机房资源, 成本较高;在特别复杂的系统合路方案中可以采用上行/ 下行收发分缆的POI合路, 以抑制交调干扰。

基本的多系统合路方案如图 1所示。

实际工程中可根据覆盖范围的大小分别选择共用天馈收发同缆方式 (小范围覆盖) 和共用天馈收发分缆方式 (大范围覆盖) 。在合路方式上有支路合路、主干合路和多AP合路。

5 案例分析

5.1 现场测试

结合本市某商务大楼室内合路为例, 大楼地处市区繁华地段, 共计4楼, 总体覆盖面积6000m2, 是分布着证券公司和银行的典型移动通信热区。进行WLAN+GSM;WLAN+TD;WLAN+GSM+TD合路测试。

测试项目包括:驻波比, 合路器性能;合路前GSM+TD测试、合路后GSM+TD+WLAN测试:具体涉及到定点GSM信号测试;天线口功率测试;GSM遍历覆盖区域场强和通话质量测试;GSM定点位置CQT测试;TD网络CS64k视屏通话定点拨测;TD网络PS64k上传业务实现定点测试等项目。

5.2 测试数据及分析

合路前后, GSM遍历覆盖区域场强和通话质量测试数据如表 3所示。

从多个测试点的测试数据表明:在合理的合路点和天线口功率的情况下, WLAN和GSM、TD合路能获得较好的覆盖效果, 在引入WLAN时, 分布系统所选器件要满足技术要求, 合路器的隔离度需达到一定的标准;三网合路对WLAN设备AP的功率要求比较高, 现阶段AP有大功率的产品, 可以直接用于合路。

5.3 合路设计

5.3.1 合路方案

在原有覆盖系统的基础中引入WLAN覆盖有三种方案:第一种, 将AP信号直接通过合路器合路到已有的GSM、TD室内覆盖分布系统中, 利用分布式天线对室内进行覆盖;第二种, 结合AP新建WLAN系统, 利用分布式天线对室内进行覆盖;第三种, 直接使用AP内置天线或外接天线覆盖室内。

结合实际施工经验和每种方案所用设备, 以上的第三种方案中涉及到干线上需要多个AP, 所以成本最高;第二种方案需要天线、馈线等投资;第一种方案需要使用合路器。

5.3.2 AP数量确定

AP的成本大致为5000元/个, 所以AP数量的确定原则是既要保证其数量最少, 还必须保证其覆盖要求。理论上可以由公式2 计算给定服务区域所需的AP数量。

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其中B为每个用户的传输带宽;n为用户数;v1为每个用户所需要的速率; v2为每个AP基本联系速率;η为运行效率。

5.3.3 合路覆盖

该分析案例中WLAN的接入选择在原有GSM室内分布系统支路中, 这样既不影响G网干线的功率分配又能减少信号在馈线传输的损耗。如图 2所示。

6 总结

移动通信环境的逐渐开放, 给各个通信营运商提供了公平的竞争平台, 为在合理使用室外基站资源的情况下保证大业务的室内通信质量, 就必须提高室内覆盖率。为避免重复布线和充分保护室内墙体, 则对多系统覆盖采用合路方式, 以保证室内的覆盖率以提高通信服务质量。然而出于各营运商的利益关系, 管理方式的不同, 还无法实现各营运商系统之间的合路。

参考文献

[1]徐莹.WLAN&GSM合路系统的研究与设计[D].合肥工业大学硕士论文, 2009年.

[2]段水福等.无线局域网 (WLAN) 设计与实践[M].杭州:浙江大学出版社, 2007年.

[3]刘丹等.合路技术在GSM与WLAN系统中的应用[J].移动通信, 2008, 32 (9) :93-96.