李軍軍

(河北遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，近幾年數(shù)據(jù)通信應(yīng)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(yīng)的通信目的。然而也存在一些較為特殊的領(lǐng)域，同樣對(duì)通信功能有需求卻不便于通過有線通信來實(shí)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(diǎn)不固定以及長時(shí)間移動(dòng)性等特點(diǎn)，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(shè)電纜，但是這些位置同樣對(duì)通信有極大需求。如上述對(duì)通信功能有需求但不便于通過有線通信來實(shí)現(xiàn)的情形還有許多。無線傳輸由于其組網(wǎng)相對(duì)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)、布線極少、對(duì)地理位置和環(huán)境要求不高以及可遷移性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(lǐng)域[3-7]應(yīng)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(shù)的不斷進(jìn)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(lǐng)域正扮演著越來越重要的角色。

作為無線通信中的一個(gè)重要分支——窄帶無線通信系統(tǒng)，目前應(yīng)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(duì)于存在數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象多、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)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(duì)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)能夠很好地解決點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)存在的時(shí)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(shí)時(shí)性要求。

1 系統(tǒng)總體描述

整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸功能，可以分為系統(tǒng)控制側(cè)和終端執(zhí)行側(cè)2部分。如圖1所示，系統(tǒng)控制側(cè)包括統(tǒng)一控制部分和系統(tǒng)基站部分，執(zhí)行側(cè)為執(zhí)行終端。統(tǒng)一控制部分主要完成對(duì)整個(gè)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(hào)發(fā)射源，需要實(shí)現(xiàn)和終端的無線信號(hào)連接管理；終端側(cè)主要負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)際命令按期望進(jìn)行執(zhí)行。

圖1 傳輸系統(tǒng)整體框架

整個(gè)系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。終端處于系統(tǒng)側(cè)基站信號(hào)覆蓋范圍之內(nèi)，具體位置不受限制。終端能夠主動(dòng)注冊(cè)到相應(yīng)基站，當(dāng)所處位置有多基站覆蓋時(shí)，終端能夠自動(dòng)識(shí)別并選擇信號(hào)最佳的基站進(jìn)行注冊(cè)。系統(tǒng)側(cè)支持通過統(tǒng)控軟件將文本、音頻等相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至終端側(cè)并由終端執(zhí)行相關(guān)命令。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)可擴(kuò)展性能夠得到保證[17]。隨著終端數(shù)量的增加，系統(tǒng)側(cè)基站的壓力會(huì)逐步增大[18]，采用單終端理論執(zhí)行時(shí)間與實(shí)際測試結(jié)果相結(jié)合的方式推算多終端掛載條件下的業(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)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(yùn)行的同時(shí)保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。通過新增基站來對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，而系統(tǒng)側(cè)統(tǒng)控軟件可以統(tǒng)一對(duì)基站進(jìn)行管理，同時(shí)對(duì)部分或所有終端下發(fā)具體的業(yè)務(wù)指令。

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

2 關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵。針對(duì)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(chǔ)上結(jié)合時(shí)隙碰撞處理完成系統(tǒng)收發(fā)的環(huán)形構(gòu)建。為保證數(shù)據(jù)完整性增加數(shù)據(jù)重傳設(shè)計(jì)，同時(shí)針對(duì)覆蓋邊緣區(qū)域的大功率終端增加自動(dòng)功率控制功能。下面對(duì)系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸流程

數(shù)據(jù)傳輸，主要分點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)流程

終端側(cè)在接收到系統(tǒng)側(cè)數(shù)據(jù)后首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過后會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行判斷。首先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)頭進(jìn)行分析可識(shí)別數(shù)據(jù)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)還是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)。為了區(qū)分不同終端，每個(gè)終端在出廠時(shí)含有獨(dú)立的標(biāo)簽號(hào)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)頭中攜帶需要執(zhí)行命令的終端所對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽號(hào)。

系統(tǒng)側(cè)在接收到終端側(cè)回復(fù)的ACK消息后，會(huì)給終端發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。在進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)側(cè)。在進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，終端在接收到消息內(nèi)容后繼續(xù)等待系統(tǒng)側(cè)發(fā)送消息。系統(tǒng)通過包含需要執(zhí)行命令的終端標(biāo)簽號(hào)的“點(diǎn)名消息”實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送方式的簡化，同時(shí)對(duì)于終端的動(dòng)態(tài)分組也提供了便利的實(shí)現(xiàn)方式。

2.2 多用戶碰撞處理機(jī)制

在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式下，系統(tǒng)向多個(gè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，執(zhí)行命令的多個(gè)終端在完成數(shù)據(jù)處理后都會(huì)向同一基站回復(fù)ACK消息，所以在極短的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)側(cè)會(huì)收到大量消息。大量消息同時(shí)抵達(dá)會(huì)形成射頻消息串?dāng)_，給系統(tǒng)側(cè)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(huì)存在競爭從而恢復(fù)消息重復(fù)發(fā)送，由于系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)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(dòng)上拉的方式來消除時(shí)隙碰撞。

系統(tǒng)側(cè)發(fā)送命令消息后延時(shí)一段時(shí)間對(duì)終端逐個(gè)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(cè)采用多載波并發(fā)機(jī)制，這樣利用不同載波對(duì)應(yīng)不同終端分組，避免了單載波串行回復(fù)造成命令處理周期過長的問題。

2.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)重傳機(jī)制

在實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)境等因素對(duì)空口影響會(huì)造成數(shù)據(jù)內(nèi)容產(chǎn)生一定概率的誤碼，導(dǎo)致終端側(cè)協(xié)議層對(duì)數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)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(shí)際應(yīng)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(jī)制對(duì)于整個(gè)提高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)性能是十分必要的。本文系統(tǒng)所使用的消息重發(fā)機(jī)制流程如圖3所示。

圖3 消息重發(fā)機(jī)制流程

系統(tǒng)側(cè)在向終端發(fā)送消息后會(huì)開啟消息超時(shí)定時(shí)器和重發(fā)次數(shù)計(jì)數(shù)器。如果在規(guī)定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到終端側(cè)回復(fù)的ACK消息，那么系統(tǒng)側(cè)會(huì)重新向終端發(fā)送上一條消息，同時(shí)累加重發(fā)計(jì)數(shù)器。如果在最大重發(fā)次數(shù)內(nèi)、規(guī)定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)收到終端側(cè)的ACK消息，則認(rèn)為消息發(fā)送成功，否則重復(fù)至累加重發(fā)計(jì)數(shù)器到達(dá)預(yù)設(shè)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(jìn)行終端注冊(cè)狀態(tài)監(jiān)測，同時(shí)將失敗消息反饋至系統(tǒng)側(cè)人機(jī)交互界面，提醒用戶及時(shí)對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的排查工作。

2.4 自動(dòng)功率控制

終端如果長時(shí)間處于大功率工作狀態(tài)會(huì)使得終端發(fā)熱嚴(yán)重，一方面影響系統(tǒng)運(yùn)行功耗，另一方面會(huì)對(duì)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(shí)間正常工作，在終端側(cè)增加了自動(dòng)功率控制功能。終端的自動(dòng)功率控制通過檢測基站信號(hào)強(qiáng)度以及自身溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度兩個(gè)參數(shù)來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)功率控制具體實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 接收態(tài)自動(dòng)功率控制流程

首先通過實(shí)驗(yàn)獲取相應(yīng)基站信號(hào)強(qiáng)度下所需終端發(fā)射的最低功率值，適當(dāng)調(diào)整后制作“基站信號(hào)-終端輸出功率表”供終端讀取。終端實(shí)時(shí)讀取基站信號(hào)強(qiáng)度，若數(shù)據(jù)處理后得到的基站信號(hào)強(qiáng)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(duì)應(yīng)輸出功率。在這基礎(chǔ)上，終端根據(jù)溫度傳感器數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)得到的閾值進(jìn)行循環(huán)比較，并根據(jù)比較結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備發(fā)射功率，從而將發(fā)射功率和設(shè)備溫度穩(wěn)定在可控范圍內(nèi)。

3 系統(tǒng)實(shí)測效果及分析

系統(tǒng)目前已應(yīng)用于一個(gè)人防系統(tǒng)，布置初期在實(shí)際環(huán)境中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

實(shí)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(shí)際掛載終端數(shù)為200個(gè)，時(shí)隙間隔30 ms，采用雙載波單信道通信機(jī)制。終端放置不同位置，實(shí)測最遠(yuǎn)距離為10 km左右。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測試，系統(tǒng)指令測試主要分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)消息。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息在系統(tǒng)中主要對(duì)應(yīng)TTS相關(guān)消息，采用TTS_ON、TTS_OFF消息作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息實(shí)測對(duì)象。實(shí)際測試中發(fā)送次數(shù)為1 000，時(shí)間間隔20 s，實(shí)測結(jié)果如表1所示。

表1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息業(yè)務(wù)測試

消息類型系統(tǒng)側(cè)發(fā)送消息數(shù)量終端側(cè)接收消息數(shù)量傳輸成功率/%終端側(cè)執(zhí)行成功率/%明顯延遲終端數(shù)終端響應(yīng)平均時(shí)間/sTTS_ON1 0001 00010010000.313TTS_OFF1 0001 00010010000.306

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息傳輸時(shí)間與終端總數(shù)、載波數(shù)量、信道數(shù)無關(guān)，單部終端單幀指令理論時(shí)間為僅與時(shí)隙間隔時(shí)間有關(guān)(不考慮代碼處理及傳播時(shí)間)，由于系統(tǒng)每隔一個(gè)時(shí)隙(30 ms)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，且點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息應(yīng)該為兩條消息，所以單幀指令理論執(zhí)行時(shí)間為：

tsi=tsns+trnr,

式中，tsi為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息執(zhí)行總時(shí)間，ts為系統(tǒng)單條消息發(fā)送時(shí)間，nr為發(fā)送條數(shù)，tr為終端單條消息回復(fù)時(shí)間，nr為終端回復(fù)消息數(shù)。

在系統(tǒng)參數(shù)下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息執(zhí)行時(shí)間為：

(0.06+0.06)*2=0.24 s。

由表1可知，實(shí)測點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)平均處理時(shí)間為0.3 s左右，與理論時(shí)間差距較小，滿足實(shí)時(shí)性要求。

對(duì)于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shí)命令、巡檢命令以及文本編輯等一些常用命令，每條重復(fù)發(fā)送數(shù)量固定為1 000次，記錄接收數(shù)量并計(jì)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(wù)測試

消息類型系統(tǒng)側(cè)發(fā)送消息數(shù)量終端側(cè)接收消息數(shù)量傳輸成功率/%終端側(cè)執(zhí)行成功率/%明顯延遲終端數(shù)終端響應(yīng)平均時(shí)間/s回復(fù)碰撞標(biāo)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(shí)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)消息傳輸時(shí)間與系統(tǒng)整體掛載終端數(shù)有關(guān)。在不考慮程序執(zhí)行時(shí)間、使用上述系統(tǒng)配置下點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)消息所需理論時(shí)間為：

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

式中，tmt為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)消息執(zhí)行總時(shí)間，th為單條消息頭發(fā)送時(shí)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(shí)間，nc為消息內(nèi)容發(fā)送數(shù)量，tn為單條點(diǎn)名消息發(fā)送時(shí)間，nn為點(diǎn)名消息發(fā)送數(shù)量，tr為終端回復(fù)單條消息時(shí)間，nr為終端回復(fù)消息數(shù)量，nca為載波數(shù)。

上述測試系統(tǒng)同樣采用時(shí)隙間隔30 ms，單信道雙載波系統(tǒng)掛載200部終端進(jìn)行測試。在系統(tǒng)參數(shù)下，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)消息所需理論時(shí)間為：

(0.06+0.06+0.06*200*2)/2=12.06 s。

由表2所示，實(shí)測平均時(shí)間均在13 s左右，考慮實(shí)際系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間，上述實(shí)測平均時(shí)間滿足實(shí)時(shí)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(biāo)記數(shù)可知，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中未發(fā)生RFID碰撞。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸成功率很高，同時(shí)有效解決了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的RFID碰撞問題。實(shí)際傳輸時(shí)間與理論計(jì)算時(shí)間差距較小，符合系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)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(dòng)功率控制等問題，有效地保證了窄帶無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴⒖煽啃院腿蒎e(cuò)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(yīng)性和易用性。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中所采用的數(shù)據(jù)防碰撞技術(shù)、數(shù)據(jù)重傳和自動(dòng)功率控制技術(shù)對(duì)于窄帶數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)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(gè)行業(yè)的無線通信領(lǐng)域，并取得了良好的應(yīng)用效果，可以復(fù)制應(yīng)用到人防、公安以及應(yīng)急指揮等相關(guān)領(lǐng)域，通過穩(wěn)定可靠的空口數(shù)據(jù)傳輸，為行業(yè)應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)支撐和保障，提升該領(lǐng)域基于窄帶無線通信的應(yīng)用能力和水平。