摘 要：為滿足電子偵察一體化的需要，對(duì)無(wú)線信息共享系統(tǒng)傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由方式進(jìn)行了研究，提出了一種無(wú)線信息共享系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件主體由嵌入式中央控制模塊與無(wú)線收發(fā)模塊組成，并在中央控制模塊中集成了多種接口用來(lái)外接信息采集模塊。應(yīng)用了IEEE802.11g協(xié)議和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由方式，在Windows CE平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)文件共享。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以在復(fù)雜的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：IEEE802.11g； 嵌入式系統(tǒng)；Windows CE；eCos可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0503403

Study of Wireless Information Communion System Based on Embedded System

QIU Libo XIA Junfang2，WANG Ruiqi3，SU Huiyi1

(1.Yantai Engineering Technology College，Yantai，264006，China;2.Yantai Branch，China Tietong Telecommunications Corporation，Yantai，264001，China;

3.Naval Aeronautical Engineering Institute，Yantai，264001，China)

Abstract：To meet the need of synthesizing electron reconnaissance，after studying wireless transmission protocol，network topology and network route，a kind of wireless information communion system is presented.The main structure of network node hardware is constituted by an embedded center control module which integrates common interface to connect information collection modules and a wireless transceiver module.Applying IEEE802.11g protocol and Ad Hoc network route，the share of data files among network nodes is realized on Windows CE operating system.The result shows this wireless information communion system can work steadily in complicated environment.

Keywords：IEEE802.1g;embedded system;Windows CE;configurable real-time operating system

1 引 言

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可或缺的一部分。在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的一個(gè)重要特點(diǎn)是單兵武器裝備之間能實(shí)現(xiàn)橫向的無(wú)線組網(wǎng)，形成信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達(dá)成信息資源共享，從而及時(shí)洞察戰(zhàn)場(chǎng)各處的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)。目前，各軍事強(qiáng)國(guó)都展開(kāi)了無(wú)線信息共享系統(tǒng)的研究，如美國(guó)的“陸地勇士”系統(tǒng)，英國(guó)的“FIST”計(jì)劃，法國(guó)的“SC”系統(tǒng)等。

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其軟硬件資源是可裁剪的，能夠滿足應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等指標(biāo)的嚴(yán)格要求。他可以方便地集成到便攜式偵察設(shè)備等武器裝備之中，完成對(duì)武器設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。把嵌入式系統(tǒng)與無(wú)線傳輸相結(jié)合而誕生的嵌入式無(wú)線信息共享系統(tǒng)，具備了專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理能力及實(shí)時(shí)性的共享數(shù)據(jù)傳輸能力，將武器裝備所探測(cè)到的信息和自身的狀態(tài)信息及時(shí)的在我方無(wú)線節(jié)點(diǎn)中傳輸，使武器裝備的戰(zhàn)斗性能得到了大幅度的提升，增強(qiáng)了作戰(zhàn)系統(tǒng)的協(xié)同性。

2 主流無(wú)線通信協(xié)議性能分析與比較

作為無(wú)線信息共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的OSI參考模型最低層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，擔(dān)負(fù)著射頻調(diào)制和在無(wú)線鏈路上建立可靠和安全的邏輯鏈路的任務(wù)。其直接決定了整個(gè)無(wú)線信息共享系統(tǒng)的傳輸速率和覆蓋范圍，因此選擇一種適于專(zhuān)用作戰(zhàn)環(huán)境的無(wú)線傳輸協(xié)議來(lái)規(guī)范物理層和數(shù)據(jù)鏈路層就顯得尤為重要。

目前IEEE制定的應(yīng)用于無(wú)線連接的傳輸協(xié)議主要可以分為三類(lèi)，他們分別是IEEE802.15系列協(xié)議，IEEE802.11系列協(xié)議以及IEEE802.16系列協(xié)議，按其不同的功能側(cè)重點(diǎn)分別被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

IEEE802.15系列協(xié)議主要應(yīng)用于近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線個(gè)人網(wǎng)(WPAN)。Blueteeth技術(shù)采用了IEEE802.15.1規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee技術(shù)采用了IEEE802.15.4規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4的物理層在3個(gè)頻段上共定義了27個(gè)物理信道。在頻帶868 MHz，902~928 MHz和2-45 GHz上的數(shù)據(jù)率分別為20 kb/s，40 kb/s和250 kb/s。在868/915 MHz頻段上的11個(gè)信道均采用BPSK調(diào)制，而2-45 GHz上的16個(gè)信道采用O-QPSK調(diào)制。其可以覆蓋近距離約幾十米的通信范圍，目前其主要被應(yīng)用作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE802.11a/b/g/e/f系列協(xié)議具有了較高的傳輸速率，主要應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)^[1]。目前應(yīng)用比較廣泛的是IEEE802.11g協(xié)議，其在2-4 GHz頻段上劃分了11個(gè)信道，對(duì)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了規(guī)范，可以采用FHSS，DSSS或OFDM調(diào)制方式，使得可選擇的傳輸速率最高可達(dá)到54 Mb/s，無(wú)線覆蓋范圍達(dá)到了1 km。TI，MAXIM等廠商針對(duì)該協(xié)議都生產(chǎn)了大量的無(wú)線接入產(chǎn)品。

IEEE802.16系列協(xié)議工作于2~66 GHz的頻段，其調(diào)制方式包括了單載波，OFDM以及OFDMA，因而具有了更高的傳輸速率及覆蓋范圍，應(yīng)用于無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)。其中IEEE802.16d和IEEE802.16e分別用于固定帶寬無(wú)線接入和移動(dòng)帶寬無(wú)線接入，其標(biāo)稱(chēng)的傳輸速率達(dá)到了70 Mb/s，覆蓋范圍為50 km左右。然而，其高速的編碼解碼速度和復(fù)雜的調(diào)制方式對(duì)硬件的要求很高，目前市面上使用該協(xié)議的無(wú)線接入產(chǎn)品還很少，各大廠商更多的還是在從事芯片的生產(chǎn)和評(píng)估。

為了加快整個(gè)無(wú)線信息共享系統(tǒng)的構(gòu)建，需要一種能快速投入生產(chǎn)形成戰(zhàn)斗力的底層傳輸協(xié)議來(lái)支持，因此應(yīng)用產(chǎn)品種類(lèi)多，技術(shù)理論相當(dāng)成熟的IEEE802.11g協(xié)議就成為當(dāng)前的最佳選擇，為了使各無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工作中能在更大的覆蓋范圍內(nèi)工作，我們可以在實(shí)際應(yīng)用中加裝二級(jí)功率放大器實(shí)現(xiàn)。

3 構(gòu)建無(wú)線信息共享系統(tǒng)的核心因素

在確立了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸規(guī)范之后，根據(jù)IEEE802.11g協(xié)議所支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析和選擇。IEEE802.11g規(guī)范了兩種基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：獨(dú)立基本服務(wù)集和擴(kuò)展服務(wù)集。前者也就是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行通信，不需要固定的基站來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。后者可以看作是多個(gè)獨(dú)立基本服務(wù)集的集合，各個(gè)獨(dú)立基本服務(wù)集之間通過(guò)基站來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的續(xù)傳和轉(zhuǎn)發(fā)。鑒于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特有的無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，他將是未來(lái)數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)通信的首選技術(shù)。在戰(zhàn)時(shí)通信基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞而癱瘓時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)完成數(shù)據(jù)的傳輸，從而順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。因此，在本文構(gòu)建的無(wú)線信息共享系統(tǒng)采用了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

組建網(wǎng)絡(luò)所要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的路由算法。針對(duì)不同的策略和應(yīng)用場(chǎng)合，各研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了大量的Ad Hoc路由算法，其中AODV路由協(xié)議是一種典型的按需距離矢量路由算法。在采用AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)并不維持一個(gè)路由表，而是根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建路由。當(dāng)有數(shù)據(jù)包需要傳送時(shí)，為了尋找路徑，源節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求分組，鄰近節(jié)點(diǎn)收到廣播后再向其他鄰近點(diǎn)廣播，直到到達(dá)目的地或者到達(dá)已有最新路由的中間節(jié)點(diǎn)。路由請(qǐng)求分組采用序列號(hào)編碼以避免環(huán)路，并保證中間節(jié)點(diǎn)只回應(yīng)最新的信息。若源節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，路由表必須重新初始化；若中間節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，其鄰近點(diǎn)會(huì)發(fā)現(xiàn)鏈路的失效，并將鏈路失效的信息通告其上行鄰近點(diǎn)，直到源節(jié)點(diǎn)收到該信息，然后根據(jù)需要重新構(gòu)造路由。AODV算法采用了逐跳路由、序列編號(hào)和周期更新的機(jī)制，減少了創(chuàng)建路由所需的廣播數(shù)，適用于戰(zhàn)時(shí)的移動(dòng)無(wú)線組網(wǎng)。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕?wèn)題也是無(wú)線信息共享系統(tǒng)不容忽視的方面，在IEEE802.11協(xié)議中規(guī)定了共享密鑰鑒權(quán)機(jī)制，要求建立連接的雙方必須有一個(gè)公共的密鑰，同時(shí)要求雙方支持WEP加密，然后使用WEP對(duì)測(cè)試文本進(jìn)行加密和解密，以此來(lái)證明雙方擁有相同密鑰，從而有效地防止了數(shù)據(jù)的外泄。

4 無(wú)線信息共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

無(wú)線信息共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)包括了兩個(gè)主要模塊：嵌入式中央控制模塊和無(wú)線收發(fā)模塊。嵌入式中央控制系統(tǒng)集成了ARM9處理器，RS 232接口，RJ 45接口，SD card接口，音頻接口，IDE接口，可以方便地?cái)U(kuò)展音頻視頻等各種信息采集模塊。無(wú)線收發(fā)模塊集成了ARM9處理器和符合IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的射頻前端^[2]。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件組成模塊如圖1所示，嵌入式中央控制模塊通過(guò)交叉以太網(wǎng)線來(lái)完成對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊的控制。

嵌入式中央控制模塊采用了Windows CE 5.0操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)， Windows CE 5.0是微軟公司向嵌入式領(lǐng)域推出的一款操作系統(tǒng)，他最大程度地繼承了桌面版Windows操作系統(tǒng)的豐富功能，同時(shí)又加入了許多新特性，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域的實(shí)際情況和要求^[3]。Windows CE 5-0操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能十分強(qiáng)大，支持IEEE802.11協(xié)議、IEEE802.3協(xié)議、IEEE802.5協(xié)議、HTTP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議等所有主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其內(nèi)置的通信模塊可以為嵌入式系統(tǒng)提供對(duì)多種硬件和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的支持，包括串/并行數(shù)據(jù)端口、紅外數(shù)據(jù)端口以及電話應(yīng)用程序接口。我們使用Microsoft Platform Builder 5.0來(lái)構(gòu)造Windows CE 5.0的內(nèi)核OS，Embedded VC⁺⁺4.0來(lái)為Windows CE開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)無(wú)線信息共享的應(yīng)用軟件^[4]。由于Windows CE操作系統(tǒng)所支持的API函數(shù)庫(kù)是桌面Windows操作系統(tǒng)API函數(shù)庫(kù)的子集，而且嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)存等資源有限，在編譯時(shí)要綜合考慮這些限制因素才能實(shí)現(xiàn)能穩(wěn)定運(yùn)行的應(yīng)用軟件。無(wú)線信息共享系統(tǒng)的單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)應(yīng)用軟件進(jìn)行文件共享時(shí)的工作狀態(tài)如圖2所示。

無(wú)線通信模塊采用了Marvell公司的88w8000與88w8515芯片的組合，以eCos嵌入式可配置操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)。eCos具有可配置性、可裁減性、可移植性和代碼體積小的優(yōu)勢(shì)。他提供了功能強(qiáng)大的配置系統(tǒng)，可以在源碼級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的配置和裁減，并且實(shí)現(xiàn)最小功能的eCos系統(tǒng)可以只有幾百字節(jié)，方便的存儲(chǔ)于FLASH [5，6]。88w8515是集ARM9處理器、以太網(wǎng)MAC/BB處理器、IEEE802.11 MAC/BB處理器于一身的SoC，88w8000是工作于2-4 GHz頻段的IEEE802.11g無(wú)線收發(fā)芯片。通過(guò)JTAG接口，我們可以對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊底層固件進(jìn)行不斷的修改和完善。整個(gè)無(wú)線信息共享系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)文件在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中的收發(fā)流程如圖3所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了一種基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)用無(wú)線信息共享系統(tǒng)，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，為電子偵查信息一體化的建設(shè)提出了一種切實(shí)可行的方案，并進(jìn)行了多次實(shí)地測(cè)試。該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需要在中央控制模塊中擴(kuò)展視頻信息、音頻信息、位置信息等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，嵌入到戰(zhàn)時(shí)單兵偵察的武器裝備中完成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的綜合信息融合。尤其是加裝位置傳感器后，可以通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守，從而加裝在導(dǎo)彈中，實(shí)現(xiàn)多彈之間對(duì)位置信息的傳遞，完成多彈編隊(duì)的立體化打擊。

參考文獻(xiàn)

［1］金純.IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］傅曦.嵌入式系統(tǒng)Windows CE開(kāi)發(fā)技巧與實(shí)例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［4］汪兵.EVC高級(jí)編程及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

［5］Anthony J Massa.Embedded Software Development with eCos [M].Prentice Hall，2003.

［6］蔣句平.嵌入式可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)eCos開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［7］李廷軍，林雪原，董文洪，等.利用銣鐘實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究[J].通信學(xué)報(bào)，2006，27(8):144-147，154.