李文峰 ，常會麗 ，李 博 ，丁書浩 ，庹璐璐

（1.西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司 救護消防大隊，陜西 黃陵 727307）

煤礦井下空間狹窄、環(huán)境復雜，易發(fā)生自然災害與事故災難[1]。災后斷網、斷電、通信系統(tǒng)癱瘓，導致救援隊無法統(tǒng)一指揮，影響了救援效率和反應速度。目前礦井下應急通信設備存在傳輸距離短、無后備電池或電池工作時間短、傳輸帶寬窄等問題，而井下設備必須滿足防爆要求，通常采用厚重的隔爆外殼，設備體積較大，質量較重，不夠輕量化[2]。

基于此，設計了一種礦用本安型自組網基站。基站基于SDR 平臺，采用無線Mesh 網絡、COFDM、分集接收等技術設計2.4 GHz 和1.4 GHz 雙頻段無線組網，支持“有線+無線”的工作方式，能快速組建無線通信網絡，實現無線信號覆蓋，解決地面指揮部、井下災難現場以及救援人員之間信息互通的問題[3]。設備利用本質安全技術到達防爆標準，具有安全性能高、體積小、低功耗等優(yōu)點，同時還自備電源，以滿足應急通信需求，但其不局限于應急救援，也可應用于礦井下臨時組網。

1 自組網基站的工作框圖

本安型自組網基站的整體工作框圖如圖1。

圖1 基站工作框圖Fig.1 Block diagram of base station work

基站通過有線方式接收到的信號，先由光電轉換單元將其轉換為電信號再進行其他操作；由天線接收到的射頻信號經過AD9361 射頻收發(fā)芯片的放大、變頻、采樣、抽取等操作后，轉變?yōu)榛鶐盘朳4]；基帶處理單元接收信號后進行預處理、FFT 變換、COFDM 解調等處理，得到原始數據；對其進行拆包，存入不同緩存單元，由ARM 通過PCIe 接口讀取后，完成信源編碼后進行存儲或上傳等操作。

基站通過WIFI 轉串口將需要傳輸的數據解析出來傳給目標頻段的無線通信模塊，并將其轉變?yōu)槟繕祟l段的射頻信號由WIFI 天線發(fā)射出去[5]，以實現無線覆蓋。

2 基站硬件

2.1 硬件組成

自組網基站系統(tǒng)框圖如圖2。

圖2 自組網基站系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of AD hoc network base station system

硬件采用通用SDR 平臺，包括射頻單元、基帶處理單元、光電轉換單元、主控單元、電源單元和接口單元。射頻單元負責信號的收發(fā)；基帶處理單元負責基帶信號的調制解調；主控單元負責無線資源的分配、功率控制和軟切換；光電轉換單元負責實現光信號與電信號的轉換；本安電源單元負責為自組網基站的各個單元提供本質安全的電源；接口單元負責實現對基站的參數調試以及數據的交互。

2.2 射頻單元

自組網基站的射頻單元由ADL5523 低噪聲放大器、零中頻射頻收發(fā)芯片AD9361、線性功率放大器和天線構成[6]。其中AD9361 集成度高、體積小、功耗小，相較于超外差接收機，不存在鏡像頻率干擾的問題且有利于實現單芯片集成，接收噪聲系數小于2.5 dB，誤差向量幅度EVM 小于-40 dB，比較適合礦用設備便攜化、輕量化的要求[7]。

發(fā)射頻率和接收頻率是獨立的，為優(yōu)化設計頻率設置通過以下式子實現。

式中：FRFPLL為發(fā)射鎖相環(huán)頻率；FLO為發(fā)射頻率；FREF為參考時鐘頻率；VCO_Divider 為通過表格查詢得到的數值；NInteger、NFractional分別為發(fā)射頻率的整數和小數部分； Floor 為取最小整數；Round 為取小數部分。

以發(fā)射頻率為例，如FLO設置為1 400 MHz，則對應的VCO_Divider 為2，根據式（1）得FRFPLL為114 800 MHz；將FREF設置為50 MHz，通過式（2）和式（3）得到NInteger為0XE5，NFractional為0X4C_CCC4，將其分別寫入0x271、0x272 和0x273-0x275 寄存器中。

2.3 主控單元

自組網基站的主控單元由ARMCortexA9 雙核應用處理器、LPDDR 存儲芯片、片內存儲器接口、各類I/O 外設接口、時鐘等構成。其中ARMCortexA9 雙核應用處理器解決超高頻設計效率低下的問題，具有較高的功效水平；LPDDR 相較于DDR 體積小、性能穩(wěn)定、功耗低，更適用于移動設備。主控單元通過AXI_GP 控制接口實現邏輯資源AXI_DMA 轉換模塊的初始化和相關配置，并調用相應的驅動程序，實現數據交互。

2.4 基帶處理單元

自組網基站的基帶處理單元由核心處理器Kintex-7 架構的可編程邏輯、高速QTE 擴展接口、調試配置接口與時鐘構成。相比于DSP 芯片，FPGA 內部RAM 資源可滿足數據緩存需求，接口和資源復用更加靈活，并行處理能力強[8]。FPGA 采用LVCMOS 電平標準與AD9361 連接，通過AXI接口與ARM 連接。主要完成以下功能：對ARM打包好的數據進行基帶處理，然后傳輸給AD9361完成基帶到射頻信號的轉換；將接收到的信號恢復出有效數據，傳輸給ARM 進行再處理操作；根據主控單元配置的通信策略，調整碼率、調制方式等參數。基帶處理流程如圖3。

圖3 基帶處理流程圖Fig.3 Baseband processing flowchart

2.5 光電轉換單元

光電轉換單元整體框圖如圖4。光電轉換單元由光模塊、TF1102 網絡隔離變壓器、以太網芯片RTL-8201F、時鐘、LED 和接口組成。

圖4 光電轉換單元整體框圖Fig.4 Block diagram of photoelectric conversion unit

光模塊在接收到光信號后，經過光探測二極管和前置放大器處理進而得到相應碼率的電信號[9]，實現自組網基站有線通信中的光電轉換的功能。RJ-45 和其他接口實現與其他單元的數據交互，RTL-8201F 通過MII/RMII 接口與MCU 連接，TF1102 連接RJ-45 和RTL-8201F，使RTL-8201F與外部隔離，用于信號電平耦合，抗干擾能力得到了增強，信號傳輸距離更遠。

2.6 本安電源電路

自組網基站正常工作的最高電圧為12 V。由于本基站為本安設備，所以電源電路也要滿足GB 3 836.4 中的相關要求[10]。本安電源采用軟啟動和DC-DC 轉換的設計方案，由TPS54302 電源芯片、抗干擾電路、限流與軟啟動電路、雙重過流過壓電路組成。

根據GB 3638 標準的要求，為防止電源反接或電路總電容能量外擴，在輸入端串聯(lián)3 個SS34二極管，限流軟啟動電路可以將設備啟動時的沖擊電流限制在允許范圍內，可以提高基站的穩(wěn)定性。

3 自組網基站軟件

自組網基站軟件框圖如圖5。

圖5 自組網基站軟件框圖Fig.5 Block diagram of AD hoc network base station software

內核用戶層中運行主控、組網模塊和Linux 嵌入式操作系統(tǒng)軟件；ARM 和FPGA 功能區(qū)運行波形控制、接口控制和網絡協(xié)議處理程序?；镜臄底植ㄐ涡盘柌捎肅OFDM 調制方式處理，通過QPSK/16QAM/64QAM/256QAM 自適應調節(jié)技術提高平均吞吐量和頻帶利用率。

設備之間組建網絡是以無線Mesh 網絡的形式，Mesh 網絡結構使用了IEEE802.11s 軟件協(xié)議，使相關的節(jié)點實現點對點的連接[11]。通過對/etc/config/wireless 配置文件的修改完成協(xié)議的設置，從而順利構建Mesh 網絡，通信鏈路構建流程如圖6。

圖6 基站建立通信鏈路流程圖Fig.6 Flow chart of establishing a communication link for a base station

基站通電后，通過默認的共享密鑰和Mesh ID 等信息與根節(jié)點關聯(lián)上AC 的基站進行Mesh Peering Open/Confirm 交互，從而建立非安全臨時的連接和MPP 節(jié)點路由；基站通過此次連接與DHCP server 交互，從而獲得AC 和自己的IP 地址；發(fā)現AC 并與其進行關聯(lián)，臨時建立CAPWAP 隧道，從AC 獲得配置信息；然后通過Mesh Peering Close 消息斷開之前的臨時連接；利用新的配置信息進行Mesh Peering Open/Confirm 交互，完成密鑰協(xié)商，進而得到基站間通信的最終密鑰，并建立起安全正式的通信鏈路；與AC 也建立起安全的CAPWAP 隧道；若兩基站間長時間無法建立連接則會恢復默認的配置，重新開始以上步驟，直到與AC 建立起安全CAPWAP 隧道。

4 系統(tǒng)測試

自組網基站與地面調度臺通過有線方式連接，啟動基站后，基站之間通過1.4 GHz 頻段建立無線中繼，從而形成從地面指揮部到救援現場的通信鏈路。同時自組網基站采用2.4 GHz 頻段實現無線覆蓋，為救援隊攜帶的智能終端設備提供網絡，實現礦井下數據與地面指揮部之間的信息互通。

測試表明，該自組網基站在礦井下斷電斷網的情況下能夠很好地提供網絡，完成信息地傳遞，多跳能力為視頻6～8 跳，單跳傳輸距離不少于200 m，傳輸時延單跳約7 ms，整機功耗低于15 W，可持續(xù)工作4.5 h，整機質量約3 ㎏，可以滿足煤礦井下災后斷電斷網環(huán)境的應急通信也可應用于礦井下臨時組網。

5 結 語

設計了一款礦用本安型自組網基站，基站通過無線Mesh 網絡通信技術建立了礦井下與地面之間的通信鏈路，為各種終端設備提供網絡。介紹了自組網基站的工作原理、硬件組成和基站的軟件的設計。自組網基站克服了現有產品通信距離短、傳輸帶寬窄、電池工作時間短、不方便攜帶等不足，QPSK/16QAM/64QAM/256QAM 自適應調制，支持“全無線”和“有線+無線”兩種工作模式，提高了事故救援的效率。