3G/4G

3G/4G（精选4篇）

3G/4G 篇1

0引言

我国数字视频广播信源的编码标准和系统复用标准已采用MPEG-2标准, MPEG-2系统中的节目特定信息 (PSI) 只规定了解码所需的最基本的信息[1]。随着国家加快三网融合的推进, 双向互动成为机顶盒的发展趋势。但近几年数字电视飞速发展, 单向标清数字机顶盒占有很大比例, 由于这些机顶盒的硬件配置限制, 要对其进行双向化改造非常困难。本文介绍了一种单向机顶盒基于华数IPQAM点播模式的方法, 将现有单向机顶盒外置GPRS (3G、4G) 模块, 利用GPRS互联网上行链路, 用户可以通过交互式操作, 点播华数平台相关内容, 华数平台根据用户个性化需求和相关权限, 将内容通过QAM方式投递到单向机顶盒, 为用户提供丰富多彩的数据内容和视频点播业务[2]。

1系统总体设计方案

1.1系统架构

该系统是在不改造现有线路和网络的情况下, 方便用户和广电对所有单向机顶盒进行双向化的改造。在现有单向机顶盒上外置一个GPRS (3G、4G) 模块作为网络通讯, 并对机顶盒升级一个终端接收子系统, 负责与用户和点播平台的交互。由于单向机顶盒配置较低, 机顶盒无法内置浏览器, 所以不能直接和华数平台交互, 加一个点播中转系统, 负责与华数平台通讯, 机顶盒只需要和此中转系统交互即可。整个系统的总体架构如图1所示。

1.2适用范围

目前移动、联通以及电信的信号覆盖, 可以说是无处不在, 城市、农村和偏远地方能很好的接收, 可以节省安装有线网带来的大笔费用。为了满足不同地域、不同客户群体的需求, 除了GPRS还可以选择CDMA或者更高端的3G、4G模块;目前市场上的流量套餐也很便宜, 移动的10元70M套餐, 足够用户一月的使用, 如果形成批量, 直接和移动、联通等合作, 费用还可以降低。理论上, GPRS的传输速率可提升至56甚至114kbps, 根据不同网络环境, 实际上通常只有十几到二三十k[3], 有时候只有几k, 但是我们在点播的时候上行数据量小, GPRS的传输速率已经完全够用。

1.3技术及成本

前端需要在现有华数平台上增加一个中转服务器, 支持RTP、UDP/TCP、RTSP、HTTP、XML等协议及标准[4], 负责与华数平台交互, 当机顶盒在EPG页面中选择影片并进行点播操作时, 中转服务器解析请求后将传递一个URL给机顶盒播放器, 格式可为rtsp://192.168.220.210:5555/2.mp4?token=123。其中’?’后面可传递机顶盒附加参数。请求成功的点播频点及PID信息将以XML的形式传递给机顶盒。类似功能简单的服务器技术成熟, 搭建简单, 成本也相对低廉。

终端机顶盒移植一个嵌入式接收系统, 主要通过中转服务器来访问VOD的EPG[5], 采用的协议主要为XML协议。终端双向链路可根据实际情况选用GPRS或3G、4G网络, 利用GSM网络中未使用的TDMA信道, 提供中速的数据传递。在连接建立时间方面, GPRS也只需要极短的时间就可以访问到相关请求, 然而在具体应用中主要用于传输数据量较小的XML数据请求, 完全能满足及时、快捷的点播。利用已有成熟的网络技术, 稳定性也相对较好, 技术成本同样相对低廉。

随着三网融合的改革进行, 可以利用现有的DVB网络和移动通信网络协同, 有利发挥现有网络各自长处, 无需再建新的物理网络, “节能降耗”, 便可实现广电网与通信网有效融合。

2利用GPRS网络实现机顶盒双向化改造原理

GPRS是在现有的GSM网络基础上叠加形成的一种新网络模式[6], 它是在GSM上增加GGSN和SGSN来实现无线网络通讯的, 使用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据, 并且不需要使用电路交换模式下的任何网络资源, 从而可以实现自主运营。GPRS是利用“包交换”的概念所发展出的一套无线数据传输方式;它采用与GSM相同的频段、频带宽度、无线调制标准、突发结构、TDMA帧结构以及相同的跳帧规则, 能兼容GSM网络并可以更加有效地传输高速数据和信令。

由于单向机顶盒的硬件特性, 只能单向被动接收[7], 很难将其有线网络改造。结合GPRS无线网络工作原理, 可以在单向机顶盒中外置一个GPRS模块, 利用GPRS无线网络完成机顶盒的网络通讯, 实现单向机顶盒的双向化改造。目前可以采用USB或者串口方式进行外置, 这样既不会改动现有网络, 也可以降低数字电视双向化改造成本, 轻松实现单向机顶盒互动点播和个性化应用。图2所示是一个外置GPRS的成品模块。

3终端接收子系统实现

单向机顶盒内部升级一个终端接收子系统, 负责与用户交互、数据请求、解析呈现等功能, 其原理结构如图3。

3.1网络检测

在现有单向机顶盒的菜单中确定一个点播入口, 负责启动点播模块, 一般都是在主菜单中添加一个醒目菜单选项, 供用户选择;当用户启动了点播模块后, 首先进行GPRS网络服务的验证:

1.判断GPRS模块硬件设备是否连接, 如果设备异常, 该模块将反馈异常信息到异常处理模块显示给用户;

2.检查GPRS是否有通讯权限和费用, 如果异常将反馈异常信息到异常处理模块显示;

3.判断GPRS通讯情况, 检查是否有网络信号, 是否可以正常通讯, 如果异常将反馈异常信息到异常处理模块显示。

3.2列表请求

当网络权限和连接都正常时, 就可向点播中转系统请求点播列表信息, 在此过程中需要机顶盒端点播系统与点播中转系统建立相互连接, 并定义一套相互支持的通信协议, 机顶盒端主要进行以下几个功能步骤, 其原理结构如图4所示。

1.机顶盒通过GPRS互联网链路与点播中转系统建立连接;

2.当连接成功后, 机顶盒端将请求列表指令与机顶盒点播权限号 (华数平台一般是26位的STBID号) 按照相互定义的一套通信协议与格式进行封装;

3.将封装好的数据通过GPRS互联网链路发送到点播中转系统;

4.当发送成功后, 机顶盒端阻塞等待中转服务器成功请求响应, 中转服务器将会按照机顶盒端能够识别解析的格式进行封装并将封装好的数据发送到机顶盒端;

5.机顶盒端接收到返回的数据后, 进行解析处理, 并将解析的数据送往显示模块利用现有GUI显示系统呈现给用户, 解析失败将提示失败信息;

6.考虑如因图片数据太多, 导致流量耗损, 这块数据可以采用数据广播的形式下发, 在规定的PSI附加数据, 以帮助IRD自动调谐, 显示给用户[8]。

3.3点播请求

负责用户的点播请求, 用户可以从点播列表任意选择自己喜欢的节目点播, 由于GPRS网络资源及流量限制, 本系统设计的点播都是基于华数IPQAM模式的点播, 其原理结构如图5所示。

1.将用户选择的节目源和机顶盒点播权限号封装成点播中转服务器能识别的格式;

2.将封装好的数据通过GPRS互联网链路发送到点播中转系统;

3.发送成功后, 机顶盒阻塞等待响应, 当请求成功后, 中转服务器会按照机顶盒能解析的格式将播放数据封装好后发送到机顶盒端;

4.机顶盒收到数据后, 解析相应数据获取播放节目的参数, 一般包括:节目的频点信息、音视频PID参数等;

5.将以上解析的数据送往播放模块, 播放模块锁定相应频点, 设置好音视频PID后即可播放。

4点播中转系统的原理及实现

4.1中转系统总体原理

终端与IPQAM的通讯是单向的 (从IPQAM到终端) , 终端只能被动接收码流并进行解码。然而IPQAM服务器的频点 (frequency) 及PID信息需要用户通过认证请求获得, 此过程必须依赖GPRS网络和中转服系统进行数据交互。

在整个系统中, 现有单向机顶盒无论是从硬件配置还是软件功能, 都还不能直接实现和华数对接, 点播中转系统也就有其存在的意义, 此系统主要负责对华数前端的双向页面及协议进行解析、转译和重新封装, 在此过程中, 中转服务器承载着协议转换和双向转发的作用, 从而减轻机顶盒的工作, 以便于现有单向机顶盒非常简单的就能进行数据接收以及数据呈现, 其系统实现流程如图6所示。

4.2用户权限请求模块

此模块承载着用户权限认证转发功能, 当用户进入双向页面及其点播, 对发送的用户请求, 首先按照现有华数认证流程对用户权限进行请求, 对请求结果进行判决, 若异常, 直接将异常结果转发给“数据请求结果处理模块”;若正常, 则将请求转发给“数据请求解析和转发模块”。

认证流程:

1.终端利用用户ID向前端发送请求;

2.中转系统按私有协议解析用户请求, 再按华数的协议包装转发用户请求;

3.华数服务器收到转发的用户请求后, 进行验证并生成结果通知到中转系统;

4.中转系统收到通知, 解析并投递到下一模块重新按私有协议包装转发给终端;

5.终端收到结果后, 将结果加密, 并发起认证请求;

6.中转系统按同样的流程转发请求和请求结果。

4.3数据请求解析转发模块

此模块本身不具备主动请求数据的能力, 只有当接收“用户权限请求模块”转发的用户请求时, 解析用户请求, 根据解析结果, 向华数服务器请求相应的数据。在收到服务器请求结果后, 若请求正常, 则对数据进行解析, 解析完毕后将数据分发给对应的请求单元 (页面请求或点播请求) 分包装。在分包装完毕后将结果输入到“数据请求结果处理模块”。若请求异常, 直接将异常结果输入到“数据请求结果处理模块”。

1.页面请求

收到用户页面请求的同时, 向华数服务器请求相应页面。请求成功, 解析并将请求到的资源按照私有协议打包, 转发。请求失败, 同样将失败结果打包转发。

2.点播请求

收到用户点播请求的同时, 向华数服务器请求点播的频点 (frequency) 及PID信息, 请求成功, 解析并将请求到的点播参数打包, 转发。请求失败, 同样将失败结果打包转发。

3.数据请求结果处理模块

负责接收系统内的各种数据结果, 分析结果, 将各种错误结果分类添加备注、标记处理。

4.私有协议封装打包模块

接收“数据请求结果处理模块”汇总的各模块打包数据, 并对各种数据按私有协议整合, 封装打包后通过GPRS网络分组转发给终端接收设备。

5结束语

该方案采用外置GPRS (3G、4G) 模块, 利用GPRS互联网上行链路实现单向机顶盒的双向化改造, 大大降低了用户端机顶盒改造的复杂性和成本;同时机顶盒端嵌入与华数点播平台对接的终端接收子模块, 实现与华数平台的交互请求, 满足单向机顶盒用户的VOD业务的需求。

摘要：讨论了一种单向机顶盒对接华数平台IPQAM模式VOD点播业务的实现方案, 提出用外置GPRS (3G、4G) 模块作为网络通讯链路, 并给出了机顶盒对接华数平台的实现原理及流程。

关键词：单向机顶盒,GPRS (3G、4G) ,华数点播

参考文献

[1]数字视频广播中文业务信息规范[S].北京:国家广播电影电视总局, 2001.

[2]刘磊, 石江明, 马麟祥.大规模高清交互数字电视系统建设与创新实践[J].广播与电视技术, 2013 (增刊1) :118-122.

[3]钟章队.GPRS通用分组无线业务[M].北京:人民邮电出版社, 2001.

[4]特南鲍姆 (Tanenbaum A.S.) .计算机网络 (第4版) [M].北京:清华大学出版社, 2005.

[5]王化刚.数字电视机顶盒原理[J].中国有线电视, 2010 (4) :473-474.

[6]刘文东.GPRS基本原理[R].宁夏:中国移动宁夏分公司网管中心, 2009.

[7]邓圻贵.新型数字电视系统原理、应用与维修[M].北京:人民邮电出版社, 2008.

[8]数字电视广播业务信息规范[S].北京:国家广播电影电视总局, 2001.

3G/4G 篇2

本文通过GSM短信模块、手机App和网络及时了解车辆的安全情况, 并且通过防盗系统实时短信通知车主, 提供信息方便追回。这种新的远程操控系统在基于GSM和网络背景下一定会有广阔的市场前景。

1 关键技术

1.1 技术需求

(1) 在测量车间安全距离和远程控制中, 报警模块中利用多种传感器等设备, 实现对车辆状况的信息采集。 (2) 车载监控系统中车辆安全信息的数据化处理和自动存储。 (3) 车辆安全信息与车主的掌上移动通信设备之间的数据传输与格式转换。 (4) 物联网系统软件的设计和实现。 (5) 监测设备的设计安装和管理。 (6) 由于无线网络要面向移动终端使用, 为节省移动终端内电池的消耗, 网络应具有节能管理功能。

1.2 客户需求

(1) 吃饭或工作时, 不能实时关注车辆的安全状态。使用该技术可以随时查看车辆的安全情况。 (2) 一旦出现刮蹭、被盗等不法行为时, 不能及时的知晓, 造成财产安全损失。车辆一旦出现异常, 车辆上的控制器会第一时间把相关信息通过3G/4G网络或Wi Fi条件下传输到手机上, 提醒车主做好应对措施。 (3) 经济需求。传感器等设备技术已经相当成熟, 价格相对低廉, 使用该系统并不会过多的增加车辆的价格, 适合大众化推广使用。

2 主要内容

该系统中, 单片机作为基本的模板, 嵌入GPS导航系统。而今GPS导航系统技术已经相当成熟, 不仅可以帮助车主进行路线导航, 还可以为车主提供空车位的相关信息, 以减少时间, 免受停车难的困扰。

在单片机上设置网络接口, 有3G/4G芯片和无线接入口、万能钥匙, 当检测到有可用的Wi Fi时自动接入, 减少因移动数据造成的经济损失。车主还可以通过手动设置接入信号良好的无线或3G/4G移动网络, 方便快捷。

该远程控制系统可以快速、准确、稳定、可靠的运行。影响远程控制系统正常运行的因素主要有实时性因素、系统稳定性因素等。实时性是远程控制系统的一个比较重要的性能指标。如果监控用户发送的控制命令不能立即生效, 或者设备的一些状态信息不能及时反馈给用户, 必然引起用户在判断设备运行时出现偏差, 极有可能给用户带来不必要的损失。稳定性因素是指远程控制系统在监控终端的监控下, 能够稳定可靠地运行, 不产生中断、失控等不正常现象。

窗户的车窗上方安装传感器, 设置安全距离, 当超过安全距离时会自动报警, 并将报警信息以短信的方式发给车主, 提醒车主做好应对措施。在车内安装微型监控器, 一端通过网络与车主手机相连, 车主在需要时可以随时查看车内的情况;车门中安装的其他传感器还可以在行驶过程中检测车间安全距离。

3 项目简介及特色

3.1 项目大致简略图 (见图1)

3.2 技术框图 (见图2)

3.3 项目创新特色

(1) 可通过手机控制:通过手机与车载网进行连接, 实现对车辆安全状况的实时监控, 例如车窗忘记关闭, 可通过手机进行远程关闭。 (2) 自动报警:当车辆遭到破坏等紧急情况时, 会第一时间通过SMS通知车主, 以便于车主第一时间做出反应, 减少财产损失。 (3) 实时监控:该系统将克服以往单纯的视频录像系统不能实时监控的不足, 通过3G云台设备和GPRS的无线传输功能, 将车辆的实时安全数据保存到车载的储存卡 (SD卡、移动硬盘、固态硬盘等) , 实现了对车辆安全的综合管理, 有效地提高了车辆的安全性。 (4) 信息存储:该系统通过对车辆情况的监测, 对车辆的实时安全状况进行记录, 并设有报警显示模块, 第一时间提示车主, 能有效的降低财产损失。由于该系统图像数据量大, 图像模块采用的JPEG图像压缩格式, 可达到3~5帧/秒的上传速率, 满足一般车辆监控的要求。 (5) 便捷性:手机、平板电脑等掌上移动通信设备已经商品化, 而且3G网络已十分普遍, 数据的传输与共享很方便。该系统有助于利用三方 (车辆、云台、手机等智能设备) 的优势, 对车辆实时监控与遥控, 降低意外的发生频率, 减少损失。

4 应用前景

国内家用汽车拥有量的迅速增加, 家用汽车的安全措施却不容客观, 车辆丢失事件时常发生, 传统的安全措施难以保证车辆安全, 但此系统将车辆与手机设备实时连接, 对车辆的各项功能进行远程控制;若车辆发生意外可以通过车辆上的设备立即以手机等智能设备通知车主, 以便车主做出措施, 将极大地减少车主损失。

参考文献

[1]潘朝, 罗小巧, 黄佳, 等.基于GSM短信只能家居控制系统设计[J].电子测量技术, 2013 (6) :121-123.

[2]马腾, 杨宏业.基于GPS/GPRS的车载监控终端的设计与实现[J].电子测量技术, 2009 (4) :71-72.

[3]杨飞, 陈德艳, 黄国宏.基于android只能终端的移动视频监控系统研究[J].计算机技术与发展, 2013 (23) :196-198.

[4]孙德辉, 马文丽, 姚文娟, 等.基于GPRS的无线传输系统设计与实现[J].网络与通信, 2007 (23) :56-57.

3G/4G 篇3

关键词：无人机,北斗通信,3G/4G

1 引言

无人机尚未达到与有人机同样的安全水平, 因此, 还无法像有人机那样, 与其他航空器一样共享空域, 从而制约了无人机任务的完成及无人机的发展。民用无人机的大量涌现, 对现有以有人飞机为主的空中管制格局带来了新的挑战。如何保证无人机的各种任务飞行、训练和科研试飞活动能够合理地使用空域, 并不影响军民航有人飞机的正常飞行活动, 避免空中相撞, 这已成为当前和以后若干年内航管部门亟待解决的重要问题。在保障飞行安全的前提下, 满足无人机空域运行的使用要求, 对无人机空域管理方式的研究现在已经成为了国内外研究的热点。

目前国外无人机的通信链路主要是采用无人机地面遥测链路和卫星通信两种手段, 这两种方式的成本都比较昂贵, 且在无人机飞行前要进行专门的天线架设等工作, 不利于民用无人机的大规模使用。因此研究基于民用3G/4G基站, 辅以北斗链路的无人机航空管制方案就显得尤为重要, 可以为原有的无人机通信配备一条独立可靠的备份链路。另外由于国内的无人机还没有统一的航空管制方案, 目前大多是借鉴民航的管理办法, 因此在本系统中对无人机的空域进行管理, 包括空域规划、告警管理、状态监控、信息分发等, 为国内民用无人机的航空管制进行深入的探索。

2 系统设计

2.1 系统组成

如图1所示, 系统主要包括机载设备和地面设备两部分组成。机载设备通过串口连接自动驾驶仪和ADS-B防撞设备, 并将从自动驾驶仪和ADS-B设备采集的数据通过3G/4G/北斗链路传输至地面设备。地面设备包括服务器、北斗指挥机和管制员席几部分组成。工作过程是机载设备利用3G/4G链路通过民用基站将机载设备的数据传输至地面服务器;或者采用北斗链路通过北斗短报文传输至地面的北斗指挥机, 然后经管制员席将数据转存至服务器。服务器作为网络分发中心, 负责对其它用户进行数据共享和分发, 管制员席则对接收的机载数据进行解析、处理和显示, 完成无人机的空域管理, 并通过串口将机载信息分发至地面的无人机指控席。

2.2 工作原理

通信链路采用北斗和3G/4G通信模式。3G/4G通信模式采用现有成熟的地面通信网络, 通过运营商加基站的通信方式, 原理简单。下面仅就北斗卫星通信的原理进行介绍。北斗通信通过射频接收数字化, 采用基带信号处理实现捕获、跟踪、解扩、解码等, 实现通信传输。

2.2.1 RDSS基带信号处理

RDSS基带信号处理是要对经过下变频和数字量化后的RDSS卫星中频信号进行捕获、跟踪、去载、解扩、同步、解码, 为定位、通信、授时、PVT解算提供状态信息, 以及原始测量数据和卫星电文。图2为接收信道信号处理总体原理框图。

(1) 捕获

根据RDSS信号的特点和对捕获速度的要求, 采用二维搜索方案, 搜索算法采用唐搜索检测算法。对于区域卫星和低速用户, 只需对伪码相位进行搜索;对于全球卫星或高速用户, 还需搜索多普勒频移。图3为RDSS信号捕获流程, 其中捕获门限、频率搜索范围, 确认次数等均可根据实际使用情况配置。

(2) 跟踪

跟踪模块在信号正确捕获后工作, 完成实时微调保证本地振荡信号与卫星信号间的一致性, 包括载波微调和码率微调。跟踪模块由码跟踪模块和载波跟踪模块组成。

码跟踪模块主要完成对卫星扩频码相位和动态频率的准确跟踪, 包括码延迟鉴别器和低通滤波环路。将采用被超前加滞后包络所归一化的非相干超前减滞后包络的鉴别算法和3阶低通滤波器。环路滤波器的输出信号与原始信号相减以产生误差信号, 误差信号再回馈回滤波器输入端形成闭环。

载波跟踪主要完成对卫星频率、相位的准确跟踪, 包含锁频环、锁相环和低通滤波环路。鉴别器和滤波器分别采用Costas锁频环环路鉴别器, 四象限反正切锁相环鉴别器, 以及2阶锁频环 (FLL) 辅助的3阶锁相环 (PLL) 滤波器, 环路参数均完全可配。环路滤波器的输出信号与原始信号相减以产生误差信号, 误差信号再回馈回滤波器输入端形成闭环。

(3) 去载、解扩

为考虑兼容不同的射频前端, 去载、解扩将采用参数可设的设计方案, 包括:数字中频位宽、中频频率、采用频率、本地载波、本地码钟、伪码序列、积分周期等均可根据使用情况进行设置。同时, 为降低跟踪环路的工作量, 需要对相关资料进行预处理, 包括:平方根、多积分周期累积等。

(4) 帧同步

帧同步模块在信号捕获后工作, 完成对I支路数据帧头—14位巴格码的检测, 并在巴格码最后一位“1”的后延产生本地帧时标。考虑载波相位会有180°翻转, 本地恢复的巴格码可能会反向, 这时需要产生“纠反”信号, 对这一整帧数据进行纠反。考虑在信号传输过程中可能会受到干扰, 设计将对帧同步过程采取“严进严出”的方法, 即:连续数次在数据帧的同一位置检测到巴格码, 才判决为“帧同步”;“帧同步”状态下, 连续数次在数据帧的同一位置未能检测到巴格码, 判决为“未同步”。

(5) 解码

经过接收通道解调、解扩后的I、Q支路资料在收满一帧数据后, 送入Viterbi译码器进行译码。Viterbi译码是解卷积的过程, 将10个接收通道I、Q路分别进行译码, 译码后的数据经过32位串并转换, 送入RAM缓存, 供CPU读取;同时对译码后的数据进行CRC校验, 以验证数据传输的正确。

2.2.2 RDSS基带信号处理工作流程控制

RDSS基带信号处理工作流程控制决定系统的工作模式, 各功能模块的工作状态, 各工作流程间的转换, 软硬件间的协同工作等。RDSS基带信号处理工作流程如图6所示:

首先, 根据需求设置芯片的工作模式, 包括需要接收的卫星波束, 中频信号接口, 应用动态范围, 有源/无源应用, 定位/授时应用等, 需要设置的内容包括:CPU的工作频率, 需要开启的接收信道及其它功能模块, 卫星波束伪码序列及初相, 中频数据位宽 (2~4bits) , 中频数据编码方式, 中频频点, 采样率, 积分周期, 捕获门限, 环路带宽, 定位方式, 通信方式, 授时方式, 发射信号产生模式等。

在完成模式设置后, 启动捕获流程。捕获功能由硬件自动进行, 捕获模块提取各积分累加结果, 按照既定捕获算法及参数, 完成信号捕获, 并报告捕获状态。在完成信号的捕获后进入信号跟踪流程, 根据环路参数设置, 跟踪环路计算出误差调整量, 对本地载波及本地码进行动态调整。帧同步在信号捕获后立即启动。确定帧标志后 (帧同步状态) 即可将接收数据分帧缓存, 收齐一帧数据后启动Viterbi译码, 获得卫星原始电文。

在完成帧同步后, 进入信息处理流程:提取接收功率、伪码测量值、载波相位测量值、卫星电文, 并利用以上数据进行数据通信。

3 技术实现

3.1 机载设备

3.1.1 硬件组成

机载设备的硬件组成包括STM32主处理器、北斗模块、3G模块、天线单元、外部接口和供电电源等。其中主处理器包含五个串口, 负责与北斗模块、3G模块、2个两部接口和一个调试接口连接。北斗模块负责北斗定位和短报文收发;3G模块负责3G/4G链路的数据通信;供电单元采用功率较大且输出电平类型多样的电源转换芯片, 将无人机的机上电源转换为机载设备内部工作所需的各种电平;调试接口包括JTAG和串口两种;外部接口主要是与自动驾驶仪和ADS-B防撞设备的信息交互。

3.1.2 工作流程

如图8所示, 机载设备上电后, 经过开机初始化, 通过中断方式接收自动驾驶仪、ADS-B和北斗模块的相关数据, 然后自检3G/4G链路和北斗链路的信号情况, 根据链路优先级选取原则, 将接收到的数据进行组包, 其中3G/4G链路的数据包较大, 为412字节, 北斗链路数据包相对较小, 为69个字节, 最后通过通信模块将打包后的数据发送至地面设备。

3.1.3 关键技术

关键技术主要包括中断嵌套技术和数据融合技术。由于整个机载设备有四个串口同时工作, 且数据通信速率较快, 其中自动驾驶仪和ADS-B的数据速率是一秒多帧、多字节的形式发送数据的。因此需采用中断嵌套技术解决多个串口同时接收数据的难题, 保证数据接收过程中不丢包, 且留出足够的时间供数据融合处理。另外机载设备接收的数据量较大, 需要在短时间内对接收的各项数据进行协议解析、数据筛选和数据组包, 通过数据融合技术来压缩数据处理的时间, 从而保证数据的实时发送。

3.2 地面设备

3.2.1 系统组成

地面设备主要包括北斗指挥机、地面服务器和管制员席几部分。其中北斗指挥机用以接收机载设备的北斗短报文信息, 服务器主要是接收机载设备的3G/4G链路信息, 并对接收到的所有数据 (含北斗链路) 进行保存和网络分发, 管制员席位主要是将接收的机载信息进行动态显示, 并辅助完成无人机空域管理, 另外通过串口的形式将接收到的机载信息分发送至地面指控席。

3.2.2 管制员席

管制员席是在台式计算机上安装管制员席软件来实现的, 软件的主要功能有地图操作、数据管理、航迹管理、空域管理、告警管理、系统设置等功能。其中地图操作包括漫游、缩放、偏心、复位、动态测距等功能;数据管理包括数据列表、告警列表、数据查询、数据编辑等功能;航迹管理包括尾迹点、航迹圈、数据源等功能;空域管理包括空域划设、空域查询、空域编辑等;告警管理包括空域激活、去激活、告警设置等功能;系统设置主要是对系统的相关参数进行设置, 如服务器地址、中心点位置、指控席地址等。具体的管制员界面如图9所示:

3.2.3 管制员席软件的工作流程

如图10所示, 管制员席在完成系统初始化及地图载入后, 便处于数据接收准备状态。当3G/4G链路的机载数据到达时, 会保存至地面服务器, 而北斗链路的数据会通过北斗指挥机发送至管制员席, 然后由管制员席转存至服务器。服务器在接收到不同链路的数据后, 会根据不同的协议分别进行初步解析, 并将解析后的数据分发至管制员席。管制员席在接收到数据后进行二次解析, 动态显示, 并辅助完成管制员席的一系列功能如空域管理、航迹管理、告警管理等;另外根据指控站的需要, 将数据组包通过串口串分发至指控席。

4 试验验证

为了验证整个系统的正确性、稳定性和可靠性, 初步采用车辆代替无人机利用跑车实验的形式来验证。通过在车辆上安装机载设备、自动驾驶仪设备、ADS-B防撞设备, 通过3G/4G/北斗链路进行数据通信。在地面的管制员席上通过划设空域的方式进行空域管理, 在空域激活后当无人机入侵时, 会有醒目的告警提示。另外管制员席在接收到数据后, 会实时通过串口发送至指控站。试验结果表明, 整个系统工作稳定, 3G/4G/北斗链路切换快速可靠, 数据传输、解析、显示和分发均正确无误。

5 结论

本文通过采用3G/4G/北斗这种全新组合的通信链路, 实现地面设备与无人机之间进行数据通信, 在传统无人机遥测链路上提供了一种备份的通信手段, 并在地面初步尝试了新链路下的民用无人机的航空管制。经过初步验证, 整个系统达到了预期的效果, 为民用无人机的进一步发展提供了新的思路。

参考文献

[1]张治生.无人机地面站系统设计与开发[D].西安:西北工业大学, 2007:2-5.

3G/4G 篇4

虚拟专用拨号网(Virtual Private Dialup Network,VPDN)是VPN业务的一种,即以拨号接入方式上网,利用IP网络的承载功能结合相应的认证和授权机制建立起来的安全虚拟专用网。以下是阐述该技术在某大型银行网点无线备份方案中的应用。

一、银行3G/4G无线VPDN技术的应用场景

(一)银行3G/4G无线备份系统的组成部分

银行网点3G/4G无线备份系统是由局端(运营商网络)和客户端组成。客户端包括两部分:网点、分行/省行。网点以拨号方式连接局端,访问分行/省行的网络资源;分行/省行则以专线方式接入局端,接收来自下联机构拔号的数据流,如图1所示。

(二)网点无线VPDN拔号的通信原理

网点无线VPDN拔号的通信原理如图2所示。

通信步骤简介:

1.网点路由器专线中断,业务流激发拨号;

2.网点路由器使用用户名@域名进行拨号,向LAC发出连接请求,并进行PPP协商;

3.终端用户经LAC向AAA或VPDN鉴权服务器(4G网络使用,包含AAA功能,以下同)转发接入请求。认证通过,则AAA或VPDN鉴权服务器向LAC返回此用户的相关信息以及VPDN属性,包括LNS地址、隧道类型、LNS分布方式、L2TP隧道密钥等;

4.LAC根据认证结果与对应LNS开始建立L2TP隧道;

5.VPDN AAA服务器根据LNS传送过来的用户名、密码、认证方式等信息对终端用户进行二次认证,判断终端是否能接入用户网络;

6.终端用户和LNS完成协商。LNS向终端分配用户IP地址,终端用户和LNS建立PPP通信连接;

7.网点发起了能够触发IPSec VPN的流量,则网点路由器与LNS之间建立IPSec VPN,防止网点终端流量泄露到互联网;

8.网点终端用户可直接对分行/省行内部网络进行访问。

二、VPDN系统客户端的实现方式

(一)VPDN系统的网络结构

银行的网络系统由上往下分别是:

总行网络(未标示)、省行网络、地市分行网络、各类网点,共4层结构,其中省行还连着省辖同城的网点(未标示),如图3所示。

(二)无线备份系统的拔号规则

1.以普通网点为例(其他各类网点是其简化的版本),当网点专线中断后,启用A拔号到分行,当A拔号失败后,由B直拔到省行。

2.分行至省行的2条专线全部中断。

(1)分行自动拔号到省行。

(2)为防止路由歧义,在分行拔号接入路由器上关闭网点的拔入功能(分行到省行专线恢复后再重新开启),分行接省行拔号端口学到的路由只重分布给本地局域网,不输送给网点的汇聚路由器,网点去往省行的流量触发网点路由器启用B线拔号到省行。

(3)当省行到分行专线恢复后,分行、网点拔号路由器自动切断到省行的拔号。

3.拔号优选4G信号,4G信号强度不足时,系统自动切换到3G信道。

三、VPDN系统安全性的设计

(一)设计的思路

金融系统对客户信息的泄密零容忍。3G/4G以敞开的电磁波方式进入银行,用户对其安全性难以掌控,确保安全是首要任务。在网络设计时,除了严格执行行内外明文规定的安全要求外,在不影响通信效率和经济性许可的条件下,把每个环节的安全措施做足。只有系统足够安全,才能确保用户数据和网络通信的安全,这是检验项目网络设计与建设成败的关键,也是网络设计要达到的目标。

(二)实施的安全策略

1.安全加固的策略条目,如图4所示。

2.根据监管的要求,项目使用了国密IPSec安全体系,它以IP核形式存于加密芯片中,无法采用软件实现,目前国密办最新的SM2算法可用于IPSEC和数字证书的加密。

3.图中“1.双向鉴权,A-KEY不可读。”“2.运营商密钥、算法不公开”是3G/4G网络本身固有;“3.I M SI+域名绑定”“4.企业V PN专网,关闭internet”“5.地理围栏,SIM卡绑定指定机站”是需要与运营商协商的安全加固策略,经测试,效果良好。

4.在用户端的安全设置方面,尽量考虑现有所有的安全策略。

四、VPDN系统的可靠性设计

目前,银行网络系统可用性为99.99%~99.999%,全年允许中断为5至53分钟。

(一)线路可靠性的设计

“网点单专线+3G/4G无线”备份,保证专线中断后能启用无线备份,使业务交易持续进行,无线备份确保拔号到分行失败后能拔到省行。实测证明,无线备份机制非常灵敏,专线中断3秒左右拔号成功,专线恢复后拔号在10秒内自动中断。监测专线中断迅速启用拔号的技术有:国内厂商的RNS&Tracert,Tracert线路技术等。

(二)设备可靠性的设计

省行无线3G/4G汇聚接入的核心设备及服务器(汇聚交换机、LNS、防火墙、CA,AAA服务器等),服务器启用HA的双机备份。

五、项目的经济性分析

对银行来说,通信的安全性是第一位,可靠性次之,而经济效益是本项目的动力源泉。

(一)专线资费的变化

全省各类网点使用了3G/4G无线备份,网点只保留一条专线,扣除了网点3G/4G套餐资费,每年可节约的网点通信费用按千万元级别计算。

(二)网点无线备份的资费

1.网点专线中断才启用无线备份,无线备份的使用机率较低,产生的费用较小。

2.该行网点有“柜台业务网”和“后台业务网”两套独立的网,网点关门后“柜台业务”停业,在省行AAA服务器和网点路由器上配置了时间的ACL,在晚上21:00至早上6:00期间,即使网点传输该业务的专线中断(专线常在深夜因运营商割接而中断),也不启用拔号,达到更节省流量的目的。专线中断后优选A拔号到本地,A为常用,本地流量资费较便宜(各运营商资费或套餐可能有差异),符合经济性的要求。A拔号3次失败,启用B拔号到省行,B为应急,一旦分行到省行双专线中断时,网点能直拔省行做准备。

(三)分行、网点设备的投入

1.每家地市分行新增1台较低端的LNS(内置VPN网关)、由于网点数量多,网点路由器只配置了一张具有国密办加密算法的3G/4G拔号板卡(此板约占路由器价值的1/3),同时绑定地市和省会两个域名。“1张拔号板卡+单运营商的4G/3G”(双域名,可拔本地及省会)的系统设计是综合了系统的可靠性和经济性的一个平衡点。

2.共用分行原有的外联防火墙,或从中虚拟出一台防火墙用于拔号网络与分行内网的隔离。共用省行的AAA,CA服务器和网管系统。

3.省行新增配置:档次较高的LNS、拔号汇聚二层接入交换机、防火墙各两套,另外增加一套全省共用无线备份网管系统。与其他系统共用AAA,CA证书服务器。

六、VPDN系统的运维设计

维护3 000个节点的大网须依赖先进的网管平台,该项目使用了厂家推荐的网管系统,具有直观的文字图表、动态显示网络的运行情况、实时短信或邮件报障、丰富的报表等功能,能实现零配置开通业务设备、3G/4G信号异常报警、专线中断报警、终端程序升级和配置自动下发、地图替代传统网络拓扑等,方便维护,大大减轻了维护的工作量,如图5所示。

七.结论

3G/4G VPDN无线备份拔术具有较高安全性,符合监管要求。项目的投产,能减少网点一半的专线,经济效益明显,应急备份时3G/4G(尤其是4G)的高带宽能满足网点业务的带宽需求,使用过程中证明其具有较高的可靠性和实用性,其灵活部署的方式也为银行对外营销、柜面业务延伸提供了较好的解决办法。

参考文献

[1]李锦文.江西农信社网点3G网备份可行性分析[J].金融电子化,2015(3):91.