无线数据链路

关键词：

无线数据链路（精选八篇）

无线数据链路 篇1

因无人机数据链的重要性, 许多研究单位都选择一些体积小、质量轻、技术较成熟的通讯系统作为小型无人机的数据链, 从而保证数据传输的可靠性。目前, 采用最多的是RC遥控、视频传输、数传电台等通讯系统[1]。

RC遥控用于对小型无人机的手动飞行控制。视频传输是采用机载微波收发设备, 负责将视频图像回传地面控制站。数传电台主要传输任务载荷的命令信号、无人机飞行行路控制和状态信号。

1 数传电台

数字电台是数字式无线数据传输电台的简称, 是采用二进制串行数据接口的窄带调频制单路无线电的数传机。根据GB/T16611标准制定的《数传电台通用规范》, 规定了数传电台工作频率为25~1000MHz, 由于数传电台载波技术和工作频率的限制[2], 常

用的波特率标准有110bps, 300bps, 600bps, 1200bps, 2400bps, 4800bps, 9600bps, 19200bps等。

无人机在执行飞行控制任务时, 数传电台可作为一种理想的通讯手段。面对图像和视频等对传输速率要求较高的任务载荷, 数传电台则无法满足其对数据速率的要求。视频信号经过数字化后, 转化为计算机图形信号, 视频各种不同应用的码率[3] (参考表1) , 其中最低为56Kbps, 是数字电台最高传输速率的三倍。显然数传电台无法满足视频传输要求。

2无线局域网

无线局域网 (Wireless Local Area Networks, 简称WLAN) 近年来取得了巨大发展, 相继推出了IEEE 802.11a, IEEE802.11b, IEEE 802.11g等标准。具体见表2所示。

无线局域网是计算机与无线网络结合发展而来, 也引进了许多先进的技术, 所以在诸多方面比数传电台都有较大的优势, 例如:

1) 传输速率

数传电台的传输速率一般最高为19.2Kbps, 而802.11g无线局域网产品的传输速率为54Mbps, 而且传输速率最高为320Mbps的802.11n标准也已经上市。

2) 可靠性

无线局域网标准采用了CCK2DSS, PBCC和OFDM等先进的调制技术, 其产品的传输误码率明显低于数传电台产品的传输误码率。

3) 网络标准化

利用无线局域网产品传输的数据, 符合TCP/IP协议, 可以将数据上传互联网络, 从而为远程控制和远程通讯提供了基础。而数传电台传输的串行数据, 在串行通讯中, 只有一千米的距离。

3 无线局域网应用于小型无人机的几个难点

3.1 无线局域网的覆盖范围

中国信息产业部无线电管理局颁布的《关于短距离微功率无线电设备使用2400MHz频段有关问题的通知》, 对工作频率范围:2.4~2.485GHz的无线电设备, 限制射频功率必须小于500mW。射频功率受限, 导致信号覆盖范围比较有限。

这里分析一个符合802.11标准的无线路由器, 其发射功率为20dBm, 天线增益为2dBi。

其中:Pt为发射方功率、Pr为接收功率、Ga为双向放大器接收增益、Gt为发射天线增益、Gr为接收天线增益、Bt为合路器、馈线或波导损耗、M为衰落储备、Ld为自由空间损耗, d为收发之间距离 (km) , f为工作频率 (GHz) 。

Pt=100mW, 换算为20dBm

Pr=100pW, 换算为-70dBm

Gt=2dBi, Gr=2dBi;Ga=0dBi

Bt一般考虑6dBm

M为衰落储备 (dBm) :这里考虑最佳环境, 假设为0dbm

f为工作频率 (GHz) , 802.11g频率范围为2.4~2.485GHz, 取f=2.5 (GHz)

将以上参数代入公式1、公式2后, 在最佳环境下, 推导出d为190m。

结合本项目实际情况, 考虑小型无人机因其自身体积小, 重量轻, 导致燃料和电源受限、续航时间较短的因素, 飞行距离为一公里左右。即d限定为1000m, 反向推导公式。在理想情况下, 选用1000mW的功率发大器, 或者搭配30dBi以上的高增益定向天线, 都可以达到一公里距离。

在上面的计算公式中, 衰落储备一项对应的是实际工程上经常会遇到的问题。比如树木、建筑物或车辆的遮挡衰减, 建筑材料的吸收衰减, 水体的能量吸收衰减, 天线的安装不正或行进中的晃动等等不确定的因素造成的衰减, 都会影响到系统的性能和稳定。因此, 工程设计中应该根据经验或者实地测试, 正确地选择系统设备和天馈系统, 为系统留下足够的衰落储备, 以保证系统能够长期稳定地工作。

3.2 高速移动

WLAN相对有线网络的主要特点就是移动性, 它允许网络的无线终端在一定范围内移动而保持网络连接状态。WLAN因为信号覆盖范围相对较小, 所以对移动性要求并不高。但WLAN应用在无人机数据链路中, 能否适应高速移动环境, 需要深入研究。高速移动造成的主要困难是由于用户改变终端、物理位置和场景使动态运作环境不断变化。

目前布莱梅大学、加州大学、Intel与Thomson研究所、美国航空研究所等产业界和学术界都在致力于研究和改进WLAN的移动应用技术[5]。2006年, 美国在亚利桑那州的一条州际公路上实现时速130公里的WLAN移动接入服务, 这是全球第一个WLAN无线移动高速数据网络。滑铁卢大学的一个赛车在线监测研究团队[6]采用WLAN相关设备, 在公路上实现最高100km/h的移动接入, 用于赛车监视数据的传送。

移动信道是通信信道中最复杂的一种, 对移动信道的研究通常只能在统计意义上来进行, 主要考虑多普勒频移带来的衰减、场地带来的平均衰落、有效通讯的电平通过率等问题[4]。信道恶劣的传播条件是移动信道的特征, 在移动信道中信号衰落有时候会非常严重而影响通信的可靠性, 所以在这样的传播条件下要保持可靠的传输质量, 就必须采取各种措施来抵消衰落的不利影响, 例如智能天线技术、软件自适应机制等先进技术。

3.3 数据接口

数据接口是设备进行数据传输时, 向数据连接线输出数据和交换状态的接口。机载平台上的设备通讯大多采用串行异步通信方式, 使用串口接口标准RS232C、RS485。RS232C、RS485是美国电子工业协会制定的一种国际通用的串行接口标准。物理接口一种是DB25连接器, 另外一种是DB9连接器。

WLAN网络设备, 采用符合TCP/IP协议的数据进行通讯, 物理接口主要采用RJ45型网线插头。RJ45指的是由国际性的接插件标准定义的8个位置 (8针) 的模块化插孔或者插头, 也是ISO/IEC 11801国际通用综合布线标准的连接硬件的参考标准。

串行接口与RJ45这两种不同的物理接口, 分析两类通信设备之间信号传送的机械特性、信号功能、电气特性及连接方式等参数后, 拟采用串口服务器的方法, 达到通讯的目的。在机载设备中添加串口转以太网设备, 将串行数据转换成TCP/IP协议网络数据, 通过WLAN无线数据链路传回地面后, 在地面PC中安装虚拟串口软件, 还原串行数据, 从而实现串口数据流的透明传输。上行链路工作时, 原理亦相同。数据处理过程请见图2。

4 结束语

目前, 在已知的小型无人机发展情况的基础上, 已经开始着手小型无人机的无线数据链路的设备选型, 并进行了相关的测试工作。在小型无人机上的实地试验也正在筹备过程中。另外也将进一步完善对小型无人机的理论研究工作。相信随着国内科学技术的飞速发展, 小型无人机将会取得更加辉煌的成就。

参考文献

[1]李芸.小型无人机空地数据链系统的应用研究[J].微处理机, 2006, 6.

[2]刘颖.GPRS替代数传电台的可行性方案[J].内蒙古民族大学学报, 2009.3.

[3]郭从良.现代信号数据获取与信息处理系统[M].北京:清华大学出版社, 2009:324

[4]程婷.网络视频业务流有效带宽的计算[J].信号处理, 2006, 8.

[5]丛伟.OFDM在无人机通信链路中应用的关键技术研究[D].西北工业大学, 2007, 3.

[6]聂明星.基于WLAN快速移动接入仿真研究[J].计算机工程与应用, 2009.45 (27)

《计算机网络》之数据链路层 篇2

一、引言

前面说过，数据链路层的任务是：在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧(frame)，在两个相邻节点间的链路上“透明”地传送帧中的数据，数据链路层协议的三个基本问题是：封装成帧、透明传输和差错检测。差错检测广泛使用循环冗余检验CRC(Cyclic RedundancyCheck)。实际上CRC仅仅能做到接受到的帧的无差错，但并不能做到帧丢失、帧重复或帧失序的解决。OSI设计的数据链路层是可靠传输的，它加入了帧编号、确认和重传机制来解决这三个问题。不过现在的数据链路层在实际中并未采取这些机制，而是简简单单采用CRC而已。可靠传输由运输层来实现。

二、以太网

以太网(Ethernet)作为非严格情况下“局域网”的代名词，提供的服务是不可靠的交付(尽最大努力的交付)。发送的数据都采用Manchester编码，在同一时间只能允许一台计算机发送信息。因此以太网采用载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD(Cattier Sense Access with Collision Detection)协议。

CSMA/CD协议是数据链路层最重要的一个协议，它比较基础，在这里也不详细介绍了，

它的一个很重要的概念是争用期(contentionperiod)，又称碰撞窗口(collision window)。它是以太网端到端的往返时间.只有经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。为此规定了最短有效帧长，保证单个数据帧的发送时间不少于争用期。以太网的最短有效帧长为64字节。

以太网的信道利用率。式中为单个帧的发送时间，为端到端的单程时间。

以太网在数据链路层的扩展需要用到网桥，多接口网桥即为第二层交换机(switch)。

三、MAC

MAC地址，又称硬件地址、物理地址，是指适配器(网卡)地址，共6字节。前三个字节为公司标识符，由RA指派;后三个字节为扩展标识符，由厂家自行指派。

MAC地址的第一个字节的最低位为I/G(Individual/Group)位，为0时表示单个站地址，为1时表示组地址(多播)。第一个字节的最低第二位为G/L (Global/Local)位，为0时是全球管理(唯一)，为1时是本地管理(用户分配)。

MAC帧的格式如下图。

无线数据链路 篇3

目前,Wi Fi应用已由“无线热点”向“无线热线”和“无线热区”转变。但是Wi Fi的覆盖范围通常仅数百米,为降低部署成本、提高部署的灵活性,Mesh技术已成为无线宽带网络部署的重要方式之一[1]。但是,无线Mesh网络存在一个关键难题:由于无线模块需要同时承担接入和回传任务,随着无线链路跳数的增加,其传输带宽将急剧下降[2,3]。Strix公司提出采用多模Mesh网络技术[4],文献[5]则进一步提出了加强型多模Mesh技术,回传链路的基准带宽最高可以达到65 Mb/s以上,且单跳衰减降低到5%左右。但是,该回传链路基准带宽与接入链路仍为同一数量级,而在“无线热线”等应用场合其跳数通常高达10跳以上,回传链路需要为该多跳链下的所有用户提供数据回传,具有明显的骨干链路特性,必须进一步研究和优化多跳Mesh网络的骨干链路性能。

文献[6]对多模Mesh网络的多跳传输问题进行了系列实验研究,指出CPU的处理能力是影响Mesh节点传输带宽的主要因素之一,但没能进一步优化其传输性能。最新推出的802.11n标准[7]从理论上可达到100 Mb/s以上的传输带宽,但目前还没有相关的Mesh产品推出。而802.11a标准[8]在市场上已经有大量成熟的无线模块产品,并且同样支持OFDM和Turbo等技术。为此,现将基于802.11a标准组建无线Mesh网络实验床,分别在IXP425和x86平台下展开深入的实验研究,以改进多跳Mesh网络的骨干传输性能,并为基于802.11n的多跳Mesh网络研究提供参考和技术准备。

1 实验床搭建

基于Madwifi开源代码,依次采用IXP425和x86硬件平台构建无线Mesh网络骨干传输链路实验床如图1所示。

该实验床由两个Mesh节点及四个Mesh终端组成。Mesh节点依次采用了IXP425(主频533 MHz,内存32 MB)和x86(主频2.6 GHz,内存768 MB)硬件平台,并配置了两块Atheros芯片的无线网卡(型号:DCMA-82)和两个以太网卡,从而可对无线Mesh骨干传输链路在不同硬件平台、不同无线链路数下的传输性能进行深入的实验研究与分析。Mesh节点内使用Madwifi开源代码驱动两块无线网卡ath0与ath1,采用5 GHz频段的802.11Ta标准,并使节点1和2分别工作为ap和sta模式(ath0工作在42信道,ath1工作在58信道)。Mesh节点上的以太网卡eth0/eth1与无线网卡ath0/ath1通过Bridge开源代码构建为一个4口的二层网桥,实现网卡之间的数据转发。

四台测试终端为普通联想PC机(CPU主频2.6 GHz,内存768 MB),基于Windows XP操作系统。Mesh终端通过双绞线与Mesh节点上的以太网口相连,采用电信级网络性能测试工具NetIQ对无线Mesh骨干链路性能进行测试,控制台版本为Console 5.40,测试终端版本为Endpoint 6.0。

2 IXP425平台下性能分析

为验证一个Mesh节点上无线模块数对链路传输性能的影响,首先基于CPU主频为533 MHz的嵌入式平台IXP425,进行基于一个无线模块的单链路实验。

2.1 单链路实验

在IXP425平台下启用#1—#3—#5—#7的链路,测试单链路下Mesh网络骨干链路的带宽,并同时记录节点1的CPU使用情况,实验结果如表1所示。

实时带宽和CPU使用率如图2所示。

由表1可以看出,在IXP425平台下,单链路带宽大约为50 Mb/s,并且CPU使用率为67.7%。

2.2 双链路实验

在同一平台下,使用两个无线模块的链路进行链路实验,并与使用一个无线模块的链路实验结果进行比较,以验证一个Mesh节点上无线模块数对链路传输性能的影响。

在节2.1实验的基础上,启动链路#2—#4—#6—#8,使双链路同时工作,同时测试双链路的带宽。记录节点1的CPU使用情况,实验结果如表2所示。

实时带宽和CPU使用率如图3所示:

从表2可以看出,两条链路的总带宽为:34.312+17.581=51.893 Mb/s。总体效果并没有达到预期,链路总带宽并没有太大的改善。同时我们发现,CPU在实验过程中使用率高达77.3%,Mesh节点的包交换处理能力已经成为了提高链路带宽的瓶颈。此结果并作为基于802.11 n的多跳Mesh网络研究的参考:使用802.11 n网络时,要充分考虑硬件平台包交换处理能力,为防止因硬件性能不足导致802.11 n网络无法充分发挥其性能。

为此,以下将在具有更高CPU处理能力的x86平台上进行实验研究。

3 x86平台下性能分析

文献[6]提出了在x86平台下,由于CPU的处理能力得到大幅提升,网络性能得以显著提高。因此,考虑在x86平台下对单链路与双链路分别进行带宽实验,以期获得更高的带宽。

实验思路仍与IXP425平台下的一致:先进行一个无线模块的单链路实验,后进行两个无线模块的双链路实验,并对实验结果进行比较分析。

3.1 单链路实验

x86平台下,在Mesh节点1中安装网络性能测试工具NetIQ的测试终端endlnxr。启动#1—#3—#5的链路,测试单链路下Mesh网络骨干链路的带宽,并同时记录节点1的CPU使用情况。实验结果如表3所示。

实时带宽和CPU使用率如图4所示。

与节2.1实验的结果比较,发现:通过大幅提升CPU的包交换处理能力,网络性能得到了明显改善,单链路带宽提升到了58 Mb/s以上。由CPU使用率为2.9%可知,在x86平台下,CPU性能已经不是制约链路性能的因素。因此,我们在这个平台下进行两个无线模块的双链路实验,以期获得更好的结果。

3.2 双链路实验

基于节3.1实验的基础上,启动链路#2—#4—#6,使双链路同时工作,测试双链路的带宽。并同时记录节点1的CPU使用情况,实验结果如表4所示。

实时带宽和CPU使用率如图5所示。

从表4可以得出,两条链路的总带宽为:57.234+60.212=117.446 Mb/s,且CPU使用率低于10%。此实验结果证实了:在x86平台下,随着CPU包交换处理能力的提升,使得在一个Mesh节点上使用两个无线模块的双链路带宽远大于使用一个无线模块的单链路带宽,有效地提高了无线网络的性能。实验结果同时对基于802.11 n的多跳Mesh网络研究具有重要的参考价值。

4 结语与展望

基于Linux开源代码构建无线Mesh网络实验床,分别在IXP425和x86平台下采用成熟的IEEE802.11a无线模块对无线Mesh网络、骨干链路性能进行了一系列实验研究。实验结果表明:采用双链路无线Mech网络骨干链路可以达到100 Mb/s级别的传输带宽,有效提升了多跳无线Mesh网络性能。同时,实验结果对基于802.11 n的多跳Mesh网络研究具有重要的参考价值,下一步将基于802.11n进行多跳Mesh网络骨干链路的性能优化研究。

摘要：骨干链路传输带宽是多跳无线Mesh网络性能的主要瓶颈之一。基于Linux开源代码构建无线Mesh网络实验床,分别在IXP425和x86平台下采用成熟的IEEE802.11a无线横块对无线Mesh网络骨干链路性能进行了一系列实验研究。实验结果表明,采用双链路的无线Mesh网络骨干链路可以达到100Mb/s级别的传输带宽,将有效提升了多跳无线Mesh网络的应用前景能。

关键词：多跳Mesh,骨干链路,双链路

参考文献

[1]Akyildiz I F,Wang X,Wang W.Wireless mesh networks:a survey.Computer Networks,2005;47(4):445—487

[2]Chen Rongdi.Performance comparison of two wireless mesh networks.Network Research Center of Tsinghua University,2005

[3]Stefan A,Wolfgang S.Performance measurements in wireless802.11g multi-hop networks.Master’s Thesis for the University of H o¨gskolani Halmstad,2006

[4]Strix-systems.Solving the Multi-Hop Dilemma.http://www.strix-sys.com/products/datasheets/StrixWhitepaper_Multihop.pdf,2007

[5]张淑玲,蒋新华.基于开源代码的多跳mesh网络性能研究与优化.科学技术与工程,2007;7(22):3678—3681

[6]朱铨,蒋新华,邹复民.基于实验方法的多模Mesh网络多跳传输性能影响因素研究.科学技术与工程,2008;8(21):5822—5826

[7]IEEE P802.11n/D11.0,Part11:Wireless Lan Medium Access Control(MAC)And Physical Layer(PHY)Specifications.IEEE802.11working group,2009

无线基站时钟链路杂散指标优化 篇4

关键词：EVM,时钟链路,杂散,PLL

1 问题提出

随着3G技术的普及和4G技术的发展, 目前无线基站越来越多的采用了高阶调制技术, 如LTE里面就采用了64QAM调制方式, 这时对基站下行射频EVM指标要求大于8%, 分解到收发信机, 则一般要求LO相噪与LO杂散对与EVM贡献优于2% (-34d B) 。影响EVM指标与时钟相关的指标有LO的相位噪声与LO杂散。相位噪声和杂散对于EVM影响的原理:对于宽频信号, 可以看做由N个连续子载波组成的频谱。每个子载波分别和LO混频后, 由于LO的相噪对其他的子载波产生了干扰, 每一个子载波受到的干扰是LO的积分相噪, LO上的杂散也是相同的原理。相位噪声对EVM的影响:主要考查积分相噪对信号矢量的影响, 本振相噪和EVM的关系:

积分的相噪计算是基于数字数据 (L (f) ) 的建立。最简单的方法是采样“梯形方法”。

在这样的情况下:

根据前面分析得知:要求的LO相噪与LO杂散对与EVM贡献优于2% (-34d B) 。

目前基站射频对LO相噪要求, 如表1所示。

可以计算杂散的指标要求为=0.56%, 对应的对数能量为-45d Bc (max) , 相位噪声图上所有杂散能量相加不能超过-45d Bc。相噪按照下式

其中P0为载波功率, Pn为偏离频率f处的相位噪声功率, 单位d Bc/Hz;转换成rad2/Hz为单位的相位抖动, 可以表示为:

通过以上分析, 杂散能量相加不能超过-45d Bc,

则+≤-45d Bc

目前系统中时钟方案, 影响EVM指标的LO相噪主要受基准时钟源影响, LO相噪与基带池单元关联不大;LO杂散与射频远端单元单板时钟杂散和基带池时钟传递杂散有关。

2 理论分析

2.1 锁相环数学模型

锁相环数学模型, 如图1所示。

电荷泵鉴相器的S域等效模型为:;单位是m A/rad。Z (s) 是表示环路滤波器的阻抗网络特性的函数。KVCO是表示VCO的压控灵敏度, 是表示VCO的输出频率随压控电压的变化, VCO的S域等效模型为:KVCO/S;单位为MHz/V。N是VCO的输出频率分频到鉴相所需频率的分频数N=FOUT/FREF。

根据此模型, 可以得到以下相应的关系等式。

正向链路增益G (s) 为:

反向链路增益H (s) :

由此构成一个负反馈系统模型, 如图2所示。

按照负反馈系统理论, 开环传递函数为:

闭环传递函数为:

开环传输函数中极点的数目称为锁相环的阶数。误差传输函数为:

本文只分析参考源的传递函数, 所以对其它模块的传递函数不详细分析, 参阅参考文献1。

2.2 PLL参考源杂散传递特性分析

对于参考源的闭环传递函数公式如下式。

式中H (s) =1/N;G (s) =φo/φe=Kφ*Z (s) *KVCO/s;

整个公式当中, 除了Z (S) 之外, 其它都由PLL内部硬件参数决定, 通常都已知;因此为了求得对于参考源闭环传递函数, 需要求得Z (s) 。目前ZXSDR BBU&RRU单板中常用采用两阶、三阶、四阶无源滤波器来设计PLL, 对于这些PLL的传递函数Z (S) 如下公式所示:

最后近似估算出环路带宽附近的闭环传递函数中的频率响应, 最后近似估算对于参考杂散响应幅度。

2.3 尺度变换特性

对于分频器, 频率响应特性满足傅里叶变化中的尺度变换特性:时域中的压缩 (扩展) , 等于频域中的扩展 (压缩) , 对于一个实常数a, 其变换关系为:

3 解决思路

目前基站普遍采用基带池 (BBU) 加远端射频单元 (RRU) 的架构, 下面为一个典型的BBU至RRU时钟链路框图, 如图3所示。

3.1 时钟分发芯片CDCV304频率响应特性测试

根据频率响应特性, 可以得CDCV304输出信号的相噪相对于输入信号增加了2-3d B。

3.2 主控板锁相环AD80227闭环传递特性测试

实测AD80227频率响应特性, 如表2所示。

根据分析可以得:在环路带宽内有20lg N=20lg (61.44/10) ≈16d B的相对增益, 与测试值15~17d B基本相符。

3.3 基带板锁相环AD9516闭环传递特性测试

实测基带板AD9516时钟链路频率响应特性, 如表3所示。

根据分析可以得:在环路带宽内有20lg N=20lg (122.88/61.44) =20lg2=6相对增益, 与测试值5-7d B基本相符。

3.4 BBU&RRU Serdes闭环传递特性测试

实测Serdes时钟链路频率响应特性, 如表4所示。

基带板光口输入时钟为122.88M时钟, RRU收发信板光口恢复时钟为307.2M时钟。在环路带宽内有20lg N=20lg (307.2/122.88) =20lg2.5≈8d B相对增益, 与测试值7-9d B基本相符。

3.5 RRU锁相环LMK04806闭环传递特性测试

实测LMK04806频率响应特性, 如表5所示。

由于LMK04806第一级锁相环PLL采用外置VCXO, 频率传递特性与仿真值有点差异, 以实测值为准, @10KHz附近相对衰减约40d B。

4 指标分解

4.1 各单板各频点增益

根据单板环路带宽配置情况, 与第3节的分析验证, 可以得到时钟链路各节点的增益情况, 如表6所示。

4.2 各单板指标要求

目前已经可以反推各单板指标要求。对于每个单板各频点处的杂散指标, 如表7所示。

注:表格中, 每一排对应于该器件的输入;对低于输出时钟相噪的杂散做要求是没有意义的, 本表用/来标明, 例如:对于100Hz处要求ADF3540输入杂散小于-96d Bc, 正常的相噪水平是-70d Bc, 因此这种小于相噪的杂散不做要求。

4.3 设计要求

杂散指标要求实现分析:对于整个带宽内只有10-100KHz有指标要求。100KHz附近的杂散指标要求, 目前BBU单板是符合要求的;对于10KHz附近杂散指标要求, 光口、基带板单板AD9516、BB206都是符合指标要求的, 目前主控板输出61.44M时钟相噪约为-100d Bc/Hz, 要求达到-84d Bc/Hz, 杂散幅度相对于相噪曲线不能超过16d B。这就要求单板设计, 测试验证的时候主控单板AD80227频点10KHz附近输入输出不要引入过大的杂散就行。CPRI标准推荐环路带宽分析, 标准要求光口恢复时钟第一级锁相环环路带宽要求小于300Hz。从目前的杂散指标分析, 由于整个链路对于杂散产生抑制作用的只有LMK04806第一级PLL, 仿真在10KHz附近有-120d Bc的抑制, 实测只有-46d Bc, 因此第一级PLL的环路带宽不能太宽。考虑到LMK04806的第一级PLL采用的是模拟锁相环, 模拟锁相环做不到很窄, 比如做不到m Hz级。综合考虑, 推荐LMK04806第一级PLL环路带宽为10Hz左右。

5 结语

文章通过对RRU系统EVM指标的分析, 给出了RRU射频口要求达到的相噪、杂散指标。通过对锁相环特性的分析与验证, 总结了单级锁相环对参考源的频率响应特性。其次对整个时钟链路的分析、测试, 得出了每一级的实际参数。最后根据仿真和实测值, 结合CPRI标准接口规范, 分配了各级PLL应该达到的设计指标。对定性、定量分析射频杂散来源提供参考, 对基带系统时钟链路的各级锁相环环路带宽设计具有指导意义, 同时采用的方法也对其他复杂的硬件系统时钟设计和优化具有借鉴作用。

参考文献

[1]远坂俊昭.锁相环电路设计与应用[M].何希才, 译.北京:科学出版社, 2006.

[2].PLL performance、simulation、and design 4th edition, Dean Banerjee, Texas Instruments, 2006.

无线数据链路 篇5

无线网是水情自动测报的主要通信方式之一, 具有通信方式灵活、质量稳定、经济适用等特点, 非常适合在人烟稀少的山区和丘陵地带运用。甚高频 (Very High Frequency, VHF) 是水情自动测报系统自建无线专网使用的主要频段, 其中, 国家无线电管理委员会在230 MHz频段为水情自动遥测核定12个专用频点[1]。无线链路设计是自建通信专网的水情自动测报系统可靠运行的重要环节, 直接影响系统数据传输畅通率。

无线组网设计需要综合考虑中继接力站选址、天线增益及架设高度、电台功率的配置、通信链路路径和通信方向的选择等因素, 以及接收场强、信噪比和误码率测试等验证环节。本文从理论和实践2方面阐述VHF无线组网链路设计, 供水情测报系统设计者参考。

1 中继站站址规划

1.1 中继站选址原则

由于VHF无线电传输距离有限和高山阻挡, 大部分遥测站无法直接与中心站通信, 需要在合适的高山或制高点设立中继站, 实现分段接力传输, 减少电波传输距离和避免高山阻挡, 因此中继站的规划选址至关重要。

一般来讲, 中继站选址遵循以下原则: (1) 按站点分布, 合理组网; (2) 保证信道质量满足规范[2,3]要求, 规划选址时, 尽量避免中继站与遥测站有高山阻挡, 有阻挡时, 阻挡物应低于中继站的高度; (3) 在保证信道质量的前提下, 尽量扩大中继信号覆盖范围, 提高中继的利用率, 减少中继数量; (4) 交通、维护方便。

1.2 路径剖面图的制作

在确定遥测站、待定的中继站站址后, 应首先制作传播路径剖面图, 通过图上作业, 考察中继站是否满足选址原则, 并为链路预测提供基础数据。剖面图的作法如下。

1) 根据通信接收点、发射点之间的距离, 选择合适坐标比例, 在考虑有效地球半径的坐标系中, 制作传播路径剖面图, 并在图上标出发射点和接收点的位置。

2) 在1:50 000的地形图上标出发射点和接收点的位置, 并将二者间用直线连接, 读取直线所通过地区的地形标高数据。

3) 在路径剖面图上, 以距离为横坐标, 地形标高为纵坐标, 根据地形标高数据在相应位置上标出发射端和接收端之间的各个制高点。

4) 将各制高点平滑连接起来, 就是传播路径剖面图。

1.3 第一菲涅尔区的制作

绘制第一菲涅尔区可以有效地预估障碍物对通信的影响。实际无线电传输中, 第一菲涅耳区定义为包含一些反射点的椭圆体, 该椭圆体球面上反射波和直射波的路径相差半个波长;在长为d的路径上某一点 (到发射点距离为d1, 到接收点距离为d2) 的第一菲涅尔区的半径为:

其中, λ为波长;根据惠更斯定律, 第一菲涅耳区内的障碍物将严重影响信号传输质量, 因此, 在计算信号绕射损耗时, 通常只考虑在第一菲涅尔区域内的障碍物。

若第一菲涅尔区内无障碍物, 信号可视为自由空间传输 (见图1) 。

2 预测计算及取值

通过图上作业链路初选后, 根据规范要求, 需要选择合适的传播预测方法, 计算链路通信是否满足接收端对最低信号强度的要求, 即选择能适应水情自动系统运行环境的预测方法, 通过适当参数取值和链路计算获取线路余量。

2.1 线路余量

式中, SG为线路总增益, 单位为d B;SL为线路总损耗, 单位为d B。

水情自动测报系统相关规范[1,2,3]要求, 链路设计中除要留出足够的衰落储备量和外噪声恶化量之外, 还必须有一定的线路余量以保证电路的可靠性。一般情况下中继链路的线路余量SM≥10 d B, 测站链路线路余量SM≥5 d B。公司根据多年的实际工作经验, 考虑到系统工作环境干扰噪声逐年提升, 设计时一般选择中继链路间SM≥15 d B, 测站链路SM≥10 d B。

2.2 线路增益

式中, Pt为发射功率, 单位为d Bm;Gt为发射天线增益, 单位为d Bd;Gr为接收天线增益, 单位为d Bd;Pmin为接收机所要求输入的最低保护功率电平, 单位为d Bm。

2.2.1 Pmin取值

Pmin为接收机所要求输入的最低保护功率电平。本文未采用接收灵敏度, 主要因为一般电台说明书的参数表中接收灵敏度为静态参考灵敏度, 为在静态理想环境 (没有如何外界干扰, 信号直接进入接收机) 下, 接收机可以接收最小有用信号, 因此该环境实际使用时无法提供, 并且随着接收机制造技术的发展, 该灵敏度已日益提高 (如ND889A电台的接收灵敏度优于0.2μV (12 d B SINAD) ) , 与此同时, 因为无线电技术广泛应用, 环境背景噪声却不断提升, 造成有时即使可用信号电平高于灵敏度, 但由于仍低于环境噪声 (实测电平可高达1μV以上) , 接收机也无法解调。因此, 此时Pmin的取值应为:当背景电磁噪声≥接收机灵敏度时, Pmin=噪声电平, 否则Pmin=接收灵敏度。

2.2.2 通信设备参数取值

目前水情系统收发信机一般采用日精ND889A电台[4], ND889A电台工作频段为220~238 MHz, 电台的发射功率 (输出口) 1~25 W, 取值10 W或40 d Bm, 电台的接收灵敏度优于0.2μV (12 d B SINAD) , 取值0.25μV或–119 d Bm (预测计算使用, 若现场实测噪音大于该值, 按实际修订) , 发射天线采用大于6 d B的八木定向天线, 接收天线采用6 d B的全向天线。

2.3 线路衰耗

式中, Lp为传播路径损耗, 单位为d B;Ln为噪声环境损耗, 单位为d B;Lt为发射端附加损耗, 单位为d B, 包括馈线损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等;Lr为接收端附加损耗, 单位为d B, 包括馈线损耗、匹配损耗和射频绝缘损耗等。其中, 传播路径损耗Lp为:

式中, Ld为地面绕射损耗, 单位为d B;Ls为自由空间传输损耗, 单位为d B。

2.3.1 衰落储备预留Lf

无线电在传播过程中, 经常发生信号衰落, 即因传播媒介及传播途径随时间的变化引起接收信号强弱的变化, 线路衰落储备预留就是在链路预测中充分考虑衰落因素对通信质量的影响。

引起衰落的因素[5]很多, 对于使用VHF频段的水情自动测报系统, 由于采用定点监测, 监测对象为水、雨情, 直接担负水库、流域防洪预警预报功能, 特别需要保证在狂风暴雨环境下, 实时稳定传输监测数据。因此, 系统信号衰落特别需要关注大气、气象条件变化对通信质量衰落的影响。

由于大气及其不均匀层、气象条件等因素的变化, 电波折射系数随时间的平缓变化, 形成大气气体衰落、降水衰落和次折射引起的绕射衰落。根据文献[5], 大气气体衰落深度和降水衰落深度, 对于特定频率, 近似与路径长度成正比。为保证在99.5%的时间内保持线路畅通, 综合考虑我国地理纬度和最大降雨雨强, 并参考规范[1]建议, 衰落储备预留 (衰落深度) 取值为:

式中, d为传输路径的距离。

2.3.2 自由空间传输损耗

路径上无阻挡, 余隙大于或等于第一菲涅尔半径传输可视为自由空间传输 (见图1) , 自由空间传输损耗为:

式中, f为电台频率, 取值230 MHz;d为路径的距离, 可通过地形图测量获取。

2.3.3 绕射损耗

水电厂库区一般位于山区, 在水情自动测报运行的多山库区, 由于大山阻挡, 绕射影响成为传播预测的主要因素, 因此, 需要在理论计算上找到绕射问题的解析解, 为此, 国际电联推荐的文献[6], 给出了无线电绕射传输的工程计算方法。该文献提供了刃峰模型情况下的绕射算法。为了简化, 本文单刃峰绕射计算采用该模型, 双刃峰绕射采用Bullington模型。下面分析刃峰阻挡损耗。

1) 单峰阻绕射损耗[6]。即在信道的第一菲涅尔椭圆内由1个阻挡物阻挡。刃峰阻挡有负高度模式和正高度模式2种形式 (见图2) 。

山峰的等效高度指的是, 发射点与接收点的连线到山峰最高点的高度差。当发射点与接收点的连线有阻挡, 等效高度为正, 无阻挡等效高度为负。假设刃峰等效的高度为h, 则绕射常数和绕射损耗为:

式中, λ为波长, d1、d2为发射点、接收点到山峰路径的距离, v为障碍物几何归一化参数。

2) 多峰绕射损耗。多峰指的是在信道的第一菲涅尔区存在2个或2个以上山峰, 这些山峰阻挡引起的绕射损耗必须全部计算。最简单的多峰绕射是双刃峰绕射, 理论上双刃峰绕射损耗可以通过菲涅尔公式得到, 但是计算量巨大, 不适合工程使用, Bullington法[7]利用等效方法可以极大简化计算并且基本满足工程精度要求的绕射损耗预测。

在B ullington等效算法中, 利用一个近似的障碍物来替代多个障碍物的方法, 可以解决多刃峰障碍物的绕射损耗问题。假设A点和B点是靠近发射点和接收点的山峰障碍物, 发射点和A点连线与接收点和B点连线交接点为C, 则A、B两山峰可被一个C等效刃型山峰所替代 (见图3) 。

d T为发射点到A点之间的距离, d R为接收点到B点之间的距离, h1和h2为A、B山峰的高度。根据几何理论可以求出图中等效山峰C的高度H, 以及发射点和接收点到等效山峰的距离d1和d2, 从而根据单峰绕射损耗的求取方法, 求得等效山峰的绕射损耗值。

由图3可以看出, Bullington模型解决双峰的等效方法为:由收发两点做一直线, 与其相近的山峰相切, 从两线的交点向下作垂线, 与收发连线相交得到的长度即为等效山峰的高度H, 收发点与该交点距离分别为d1和d2。

在对山区的传播预测计算中, 传播路径一般存在多个障碍物。在这种情况下, 必须将多刃峰等效成单刃峰才能求得绕射损耗。可依次利用Bullington模型将多个刃峰逐次等效, 最后成为等效单刃峰, 从而计算出总的传播损耗。

2.3.4 线路衰耗其他取值

目前水情自动测报系统一般使用射频馈线为SYV-50-7线缆, 缆长5~8 m, 根据经验, Lr和Lt值的衰耗不大于1 d B, 取1 d B;参考规范[1]建议、文献[8]及近年来实测情况, 人烟稀少山区Ln取3 d B, 人群集中城市Ln取17 d B。

3 组网测试验证

规划并经预测计算, 信道满足对接收端最低信号强度的要求, 即计算各信道的线路余量是否满足规范需求后, 需要对预测的信道进行验证, 实地考察验证信道是否满足规范需求, 必要时, 对规划的信道进行修正。

3.1 测试环境

测试环境选择福建省棉花滩和穆阳溪水库。水库流域山高坡陡、风暴雨强、流域面积广, 测试季节为秋冬, 时间大约为每天的10时到17时, 天气条件为晴到多云;测站采用八木定向天线, 中继站采用全向天线, 收发信天线挂高2 m, 测试频点231.050 MHz;数据调制方式为FSK;数传速率300 bps, 电台为日精ND889电台 (不含MODEM模块) , 测试设备使用公司开发专门用于信道测试的设备8692 MED人工置数/仿真器和8691RTA远方测试仪, 可实现信号握手后自动测试信噪比和误码率。场强测试使用HP8920A无线电综合测试仪。

3.2 测试方法

3.2.1 信噪比测试

测试信噪比时, 分别测量接收机音频输出口信号和噪音有效值, 取设定时间内多次采样的平均值。由南瑞研发生产的MED人工置数装置输出白噪声经发射机发射后, 接收机接收端的输出电平作为噪声电平;由MED输出CCITT标准信号频率1 000 Hz, 经发射机调制发射后, 接收机接收端输出的电平作为信号电平。

3.2.2 误码率测试

误码率是数据通信中信道的重要指标, 反映包括调试和解调在内的信道指标。本方案测试采用同步传输。使用MED发送511伪随机码, 按指定副载波FSK调制发送1×104个码, 南瑞研发生产的RTA远方测试仪负责接收并自动给出测试结果, 测试次数不低于2次。

3.2.3 场强测试

使用HP8920A无线电综合测试仪测试接收点背景噪音场强。

3.3 数据分析

表1是福建省棉花滩和和穆阳溪水库水情测报无线组网设计测试结果。

从表1可以看出, 预测计算值线路余量≥40 d B后, 与实测误差偏大, 主要因为测试设备设计实测≥40 d B时, 信号强度接近电路饱和, 电路不支持。考虑该数值完全满足线路设计需求, 误差对设计已完全不产生实质影响;线路余量20 d B时, 实测值偏大, 说明本文预测计算取值相对保守;线路余量≥10 d B, 可以保证设计信道满足规范要求, 即99%时间内, 传输误码率≥10–4。

4 结语

本文描述了水情自动测报系统VHF无线链路设计的思路、方法, 该方法在多个系统设计中使用并得到验证, 基于该方法设计的无线网路长期可靠稳定, 完全满足水情系统需要。特别是复杂的山区, 高山阻挡成为通道计算的难题, 本文推荐的单峰阻挡计算公式及多峰阻挡Bullington等效算法, 具有简单、方便的特点, 方便计算机编程, 给定特征参数, 自动计算出线路余量, 具有很强的参考价值。

参考文献

[1]SL199—97.水文自动测报系统通信电路设计规定[S].1997.

[2]DL/T5051—1996.水利电力工程水情自动测报系统设计规定[S].1996.

[3]SL61—2003.水文自动测报系统技术规范[S].2003.

[4]日精电子工业株式会社.日精230 MHz专业数传电台ND886A/ND889A用户操作说明书[Z].2010.

[5]ITU-R P.530-12建议书.设计地面视距系统所需的传播数据和预测方法[S].2007.

[6]ITU-R P.526-11建议书.绕射传输[S].2009.

[7]BULLINGTON K.Radio propagation at frequencies above30 MHz[J].Pro.of the I.R.E-Waves and Electrons Section, 1947, 35 (10) :1122–1136.

无线数据链路 篇6

无线Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络, 由一组具有通信能力的移动终端组成临时性的、多跳的、对等的自治系统。其最突出的特点之一是节点能够以任意可能的速度和移动模式移动, 造成网络拓扑的随时变化。近年来, 随着多媒体应用和自组织网络在商业应用的进展, 出现了如应急通信、视频会议、等无线宽带网络应用, 这些应用都对现有无线网络的稳定性提出了挑战。无线Ad Hoc网络节点的频繁移动特性可导致链路突然中断, 从而引起网络丢包和开销加大。因此, 需要一种能够在链路即将断开之前就能预测, 并无缝切换到新的路径上的机制, 以避免过多的重路由操作。本文提出一种链路稳定策略, 用于提高链路稳定性。

2 目前链路预测领域成果

目前国内外许多学者在链路稳定预测领域进行了研究, 预测方法基本上可以分为三类:依靠GPS等辅助设备, 依靠节点移动模型, 借助节点自身能力。

依靠GPS等辅助设备可以获得节点的详细移动参数, 如:位置、速度、方向等信息, 通过一定的计算得到数据后对链路进行准确的判断, 从而选择稳定度较高的路径。例如:William Su Sung-Ju等人[1]利用GPS获取节点的移动速度和位置, 预测链路有效性。由于辅助设备受环境影响, 此种方法限制性和算法复杂度均比较大, 设备本身性能会对路由算法整体性能产生较大影响, 节点自身能量消耗和组网费用也会增加。

Cho Sungsoon等人[2]依靠节点的移动模型对链路进行预测, 由于模型是根据一定的概率分布进行链路的稳定性估算, 而且任何一种模型都不能模拟出完整的真实的节点移动。因此, 此方法受节点移动类型的限制。

借助节点自身的能力进行链路预测, 是利用节点获得的某些参量信息进行估算, 如Camp T等人[3]采用接收功率来判断两节点之间的距离, 当距离满足一定的关系时, 就认为此链路稳定, 优先选择这样的链路。

针对上述工作研究中的问题, 本文结合节点移动模型和节点自身能力两种方法, 提出一种局部链路稳定预测模型ITRC, 通过TwoRayGround模型估算节点在自由空间中传播时的接收功率值确定链路危险线, 并依靠节点自身能力获取的接收功率与链路危险线的危险阈值接收功率相比较来确定链路稳定性。

3 改进链路稳定预测模型ITRC

3.1 链路危险线

定义1 (链路危险线) :假设在时刻t, 考虑节点a和节点b之间存在链路Lab, 如图3.8所示, 将节点a和b之间的相对运动等效为节点a静止不动, 节点b相对节点a以速度v通过节点a的覆盖范围, 定义节点b移动距离节点a的距离为d时, 即图中虚线S所示的位置为链路危险线。

链路危险线定义中并没有给出一个危险阈值接收功率量化的方法, 但可以通过节点b距节点a的距离或者节点b的接收功率来确定链路危险线的危险阈值接收功率, 本文通过节点b的接收功率来确定链路危险线, 下面是详细的分析过程。

文献[4]指出:在无线网络中, 当节点之间的距离相对较小时, 他们之间的信号变化规律是可以用自由空间模型表示的;距离相对较大时, 可用双径地面反射模型表示。双径地面反射模型是自由空间模型的一个增强版, 所以在距离较短时也可以使用双径地面反射模型, 表示为:

其中, Pr (d) 为距离发送节点d处的接收功率, Pt为发送节点发送功率, Gt和Gr分别是发送节点和接收节点的天线增益, L (L≥1) 为系统损失, ht和hr分别为发送节点和接收节点的天线高度。

文献[5]中给出在使用Omni directional天线时:G=tGr=1, L=1, h=t1.5 m, h=r1.5m。在典型的LucentWaveLAN环境中, 节点可以识别的最小能量值为3.65×10-10W, 这个时候的通信范围是250m[6], 与采用双径地面反射模型计算结果接近。因此, 在本文中设定节点传输范围R=250m, 节点移动速度范围设为1m/s≤v≤20m/s。

考虑路由维护过程中花费的时间主要是发送危险警告信息或者路由出错信息, 以及路由的建立等所花费的时间。考虑在最坏的情况下, 整个过程经过的路由跳数是网络直径 (Net_Diameter) 的值。假设网络直径为30, 每一跳的传输时延为30ms[7], 那么维护过程所需的时间大概为:

因此, 定义链路危险时间=1.8s, 考虑最坏的情况, 节点b以移动速度v=20m/s的速度径直离开节点a, 那么可计算出危险距离dw=36m, 使用TwoRayGround模型可计算出在链路危险线的危险阈值接收功率为:

3.2 局部链路稳定因子

定义2 (局部链路稳定因子) 假设在t时刻, 发送节点和接收节点之间存在链路Lst, 定义局部链路稳定因子为:其中为接收节点距离发送节点距离为d时的接收功率, Pthreshold为接收节点的危险阈值接收功率;当α≥1时, 认为局部链路是稳定的, 当0<α<1, 认为局部链路是不稳定的, 需要启动链路修复机制。

节点通过在接收到数据分组信息时, 根据局部链路稳定因子α进行链路的稳定性判断, 如果α≥1, 就认为本条局部链路是稳定的, 如果0<α<1, 则认为局部链路是不稳定的, 需要启动链路修复机制。在本文中链路的预测是在物理层进行判断的, 需要给上层发送带X标志的HELLO信息通知节点进行链路修复, 不断开原始链路, 确保找到新的链路之后, 进行无缝的链路切换。如果此时链路修复机制失败, 那么只有等待链路的自然中断, 然后再启动链路修复机制。

本文通过设置路由标识hf进行无缝链路切换, 启动寻找新的路由, 此时旧的路由是维持现状并且是可用的, 当新路由建立完后, 修改路由标识后路由将切换到新建立的路由上进行工作。

当局部链路不稳定并收到带X标志的HELLO信息时, 启动链路修复机制, 路由寻找及链路修复过程遵循以下规则进行:1、如果在节点附近能找到替换本节点的节点, 则直接替换过渡, 保证网络正常工作;2、如果不能直接替换, 则通知上一跳节点, 寻找新的能保证当前网络正常工作的路由。

4 仿真与结果

NS2 (Network Simulator Version 2) [5]是一款著名的网络仿真软件, 并且具有免费、开放源码、扩充性好等优点。因此, 吸引了大量研究者对其功能的扩展, 并得到广泛应用, 已经演变成网络仿真领域的主要仿真器之一。本文基于卡内基-梅隆大学MONARCH项目[8]对NS2的扩展基础上进行网络仿真,

根据上述的局部链路稳定预测机制进行代码修改, 实现该机制需要获取数据包接收功率, 接收功率在物理层很容易获取, 因此本文修改物理层代码进行实现, 修改如下:

本文选择了相应的参数来仿真AODV和ITRC-AODV两种算法的性能与节点移动速度之间的关系, 仿真选取的参数如表11所示。

节点的移动速度对平均吞吐量有着关键性的影响, 从图3可看出, 随着节点移动速度的不断增加, AODV和ITRC-AODV两种算法的平均吞吐量均逐渐下降, 但是ITRC-AODV比AODV算法下降缓慢而且一直高于AODV算法。这是因为ITRC-AODV算法相比AODV算

法增加了局部链路稳定预测机制, 在链路即将断开之前就建立了新的传输路由, 减少因链路断裂造成的数据包丢失, 所以在节点移动速度不断增加的情况下, 相比较于AODV算法, 其平均吞吐量下降速度相对较慢。

由图4可看出, 在节点移动速度增加时, AODV和ITRC-AODV两种算法的分组投递率都逐渐下降, 但是ITRC-AODV算法比AODV算法下降缓慢且一直高于AODV算法。这是由于增加了局部链路稳定预测机制, 能够在链路即将断开之前就将旧的路由无缝切换到新的路由上。

从图5可知, 随着节点移动速度的增加, AODV和ITRC-AODV两种算法端到端时延差别不大, 几乎可以忽略。

仿真结果表明, ITRC-AODV算法增加的局部链路稳定预测机制能够有效的对链路进行预测, 在链路即将断开之前, 能寻找新的路由并无缝切换到新的路由上工作。

5 结束语

本文结合节点移动模型和节点自身能力两种方法, 提出一种应用于无线Ad Hoc网络的链路稳定预测模型ITRC仿真显示, 此模型ITRC-AODV与AODV在节点移动情况下进行比较, 能有效改善网络吞吐量、分组投递率。

参考文献

[1] William Su Sung-Ju, Sung-ju Lee, and Mario Gerla.Mobility prediction in wireless networks.IEEE MilitaryCommunications Conference, Los Angeles, CA USA, 2000vol.1:491-495.

[2] Cho Sungsoon and Hayes J P.Impact of mobilityon connection in Ad hoc networks.IEEE WirelessCommunications and Networking Conference, NewOrleans, LA USA, 2005, V0l.3:1650-1656.

[3] Camp T, Boleng J, and Davies V.A survey of mobility modelsfor Ad hoc network research.Wireless Communicationsand Mobile Computing, 2002, 2 (5) :483-502.

[4] RAPPAPORT T S.Wireless Communications:Principlesand Practices.Second Edition, Beijing:Electronics IndustryPress, 2004.

[5] Network Simulation NS2 http://www.isi.edu/nsnam/ns/.

[6]洪利, 黄庭培, 邹卫霞等.基于链路可用性预测的AODV路由协议研究.通信学报, 2008, 29 (7) :118-123.

[7] PERKINS C E, MROYER E, DAS S.Ad-hoc On–DemandDistance Vector (AODV) Routing.RFC 3561, 2003.

无线数据链路 篇7

HART基金会于2007年6月正式通过了无线HART规范和通信协议, 它是一种无线网络通信协议, 是HART现场通信协议第七版HART 7.0的核心部分, 向后兼容现有的HART设备和应用。

无线HART网络具有其他无线传感器网络无法比拟的网络传输可靠性和网络健壮性, 主要通过以下几点实现: (1) 网络路由方式, 无线HART采用图 (Graph) 路由实现设备间的路由, 其路由在每一跳间都有冗余路由, 能最大限度地保证设备之间的安全传输; (2) 信道跳频技术, 在跳间传输中, 无线HART采用IEEE802.15.4定义的16个信道进行跳频通信, 以便更好地克服网络干扰; (3) 无线HART采用TDMA方式通信, 通过全网络时钟同步技术, 避免冲突, 保证安全传输[1]。其中设备之间通过图路由传输, 是保证网络高可靠性传输的关键技术。本文提出一种基于通信链路质量的图路由算法, 选择路径稳定度 (Path stability) 作为通信链路质量判别机制, 采用分层算法保证跳数最少, 通过通信链路质量判别机制选取层间的路由。

1 无线HART网络及研究现状

1.1 无线HART网络组成

无线HART采用MESH网技术, 整个网络包括现场设备 (Field Device) 、适配器 (Adapter) 、网关设备 (Gateway Device) 、网络接入点 (AP) 、手持设备 (Handheld) 和网络管理者 (Network Manager) 。其中现场设备负责采集工业现场的数据, 并通过网关传送到上位机控制系统;网关负责不同网络之间的数据通信, 连接无线HART网络和工厂自动化网络;网络接入点 (AP) 负责接入无线数据到网关;网络管理者负责整个网络的管理、路由分配、资源调度和网络通信参数的维护。

1.2 无线HART网络的路由技术及研究现状

无线HART网络协议中定义了图路由机制, 图路由是一种全冗余的路由机制, 路由中的每一跳至少有两个路由选择。

无线HART网络是集中式的MESH网络, 它的路由是由网络管理者计算的, 因此一些传统的无线传感器路由算法并不适用, 如ADHOC网络的路由相关算法[2]和分簇算法[3]。无线HART网络协议的发布时间较短, 其相关的研究还较少。刘杨在无线HART网络实现中并没有实现图路由的路由方式, 而是由两条路由代替[4];文献[5]提出符合图路由机制的算法, 且能够实现最少跳数, 但在选择路由中没有考虑通信链路的质量;党魁提出一种分层结构的图路由算法, 在路由选择中引入通信质量判别机制, 提高了路由的健壮性, 但通信链路质量仅仅考虑了RSSI (Received Signal Strength Indication) 因素, 并没有考虑路径的稳定性, 这可能引起过多的数据重传[6];黄聪提出无线HART图路由的路由增加和删除策略, 降低了路由维护开销, 但路由选择时没有考虑通信链路的质量[7]。本文在分层算法的基础上, 采用路径稳定度作为通信链路质量判别机制选择层间路由, 实现了无线HART图路由算法。实验数据表明, 采用路径稳定度作为通信链路质量判别机制, 相对于使用RSSI, 提高了数据传输的可靠性。

2 无线HART图路由算法及实现

本文的无线HART图路由算法以分层算法为基础, 引入了链路质量判别机制, 根据路径稳定度分层并选择相应的层间路由。路径稳定度是反映物理层连接质量的量度单位, 定义为物理层接收确认的包与发送包的比率, 用百分数表示。在论证算法实现过程之前, 首先给出无线HART网络的网络结构模型。

2.1 无线HART网络模型

无线HART网络采用集中控制式的MESH网络, 其结构可抽象为节点和边组成的图, 用图G (V, E) 表示, 其中V表示节点, E表示节点之间的连接即边。文中的图路由算法以图1为例来说明。图1为有10个现场设备的无线HART网络, 最大跳数为4 (无线HART协议定义无线HART网络最大跳数为4) , 其中节点1 (AP) 为根节点 (即无线网络接入点AP) , 其余节点表示现场设备节点。节点之间的边的权重值表示链路的质量, 文中定义为路径稳定度。表1列出了节点之间路径稳定度的信息。路径稳定度来自现场设备周期性的Keep-Alive信息 (实测数据) 。

2.2 基于路径稳定度的分层算法

在无线HART网络中, 现场设备周期性向网络管理者发送Keep-Alive信息, 网络管理者定时更新邻居表, 分层算法根据邻居表信息完成对节点的分层, 在邻居选择中根据邻居之间的路径稳定度判别链路质量, 对于路径稳定度小于规定阈值 (文中为<80%) 的邻居, 从邻居表中剔除。表2为算法中使用的符号说明。

(%)

算法实现步骤如下:

(1) 初始化AP设备的层数为第一层, 即Lev[node[1]]=1, n=2;

(2) 搜索node[n]的邻居表, 如果路径稳定度大于规定阈值 (文中为大于80%) , 并且该节点已经加入网络 (Lev[node[n]]>0) , 则记录该邻居, 并存入相应的缓存区;

(3) 比较缓存区中各个节点的层数, 得到最小的层数Min (Lev[node[L]]) , L表示在缓存区的节点;

(4) Lev[node[n]]=Min (Lev[node[L]]) +1, 清空缓存区;

(5) 判断是否为最后加入节点, 若是则退出;否则n=n+1, 并转到步骤 (2) 。

对图1所示的结构做算法运行 (表1为相关的链路质量参数) , 得到如图2所示的分层结构。

2.3 基于通信链路质量的图路由算法

本文中的图路由算法是基于分层算法实现的, 保证了节点到网关 (接入点) 的跳数最小。下面着重说明图路由算法中几个关键创新点。

(1) 在层间路由选择算法中, 通过通信链路的质量选择路由, 文中提出了基于路径稳定度的链路质量的判别机制, 即图G (V, E) 边的权重, 对于路径稳定度相同的路径, 选择子节点少的上层节点。

(2) 图路由算法要求每个节点都有一个子图, 新加入的节点只需要从邻居表中根据链路质量选择2个上层 (更接近目标) 节点作为路径加入就可以实现该节点的图路由, 即图叠加。

(3) 为了防止回路的发生, 节点只选择上一层节点作为下一跳节点, 在无线HART应用中, 如果上一跳节点 (非第一层节点) 只有一个, 则需要重新配置节点的位置。

(4) 对于第一层节点, 由于上层节点只有一个, 可以选择同层节点, 为了防止回路, 在选择同层节点中选择先于该节点加入网络的邻居节点作为下一跳节点 (在无线HART网络中, 先加入的节点地址值小于后加入的节点地址) 。

2.4 图路由算法的实现过程

下面介绍算法的实现过程。node[n] (n=1~n) 表示无线HART网络中的节点, 其中1表示网络接入点 (AP) 。步骤如下:

(1) 节点2的路由第一条路径和第二条路径均指向网关, n=n+1;

(2) 对节点n执行分层算法, 得到其所在的层数, 执行步骤 (3) ;

(3) 如果节点n在第一层, 则第一条路径指向网关, 计算邻居表中先加入网络的节点的链路质量权重值, 第二条路径选择指向先加入网络的第一层邻居, 转到步骤 (6) ;如果节点不在一层, 从节点邻居表中选取上层节点放入数组中, 执行步骤 (4) ;

(4) 在数组中根据链路质量排序;

(5) 节点选择链路质量权重值最高的作为第一条路径, 链路质量权重值次高为第二条路径;

(6) n=n+1, 判断是否为新节点, 是则转向步骤 (2) , 否则退出。

应用上述算法, 选取图1所示的无线HART网络, 节点1为网络接入点, 节点2~11为现场设备, 应用2.4节提出的算法, 分别得到节点2~11的图路由, 文中只列出节点2, 3, 7, 11的图路由 (见图3) 。

3 实验分析

3.1 建立实验环境

为验证路由算法, 搭建了无线HART网络实验平台, 包括网络管理器、接入点和现场设备。网络管理者在计算机上Linux环境下完成, AP (接入点) 和现场设备使用飞思卡尔的无线模块MC13224, AP和网络管理者通过UART串口连接。

3.2 实验结果

现场设备分别为10个点 (见图1) 、20个点、30个点和40个点, 应用文中算法, 分三种情况进行实验, 即无链路质量判别机制 (分层算法和层间路由随机选择) 、使用路径稳定度作为链路质量判别机制和使用RSSI作为链路质量判别机制, 实验时间为24 h, 对比数据为所有节点的数据传输成功率, 实验结果见图4。从实验结果看出, 无链路质量判别机制的算法通信效果最差, 对于10个节点的无线HART网络, 两种判别机制的影响不大, 但随着网络规模的扩大, 选择路径稳定度作为链路质量判别机制比选择RSSI作为链路质量判别机制的通信质量有相应提升。

4 结论

本文在总结无线HART图路由实现算法的基础上, 提出一种基于通信链路质量的无线HART图路由算法。基于无线HART节点加入的特点, 采用分层算法, 保证节点到网关的跳数最少, 提出一种基于路径稳定性判别通信链路质量的机制, 选择层间路由, 保证层间路由冗余性和可靠性, 采用图叠加算法简化算法的实现, 实现了无线HART的图路由算法。目前该算法已经应用到无线HART网络管理者的实现中。

参考文献

[1]李继平, 凌志浩.无线HART技术及其应用[J].世界仪表与自动化, 2008, 12 (3) :63-65.

[2]黄骥, 周继鹏.GLFR:一种新的基于地理位置信息Ad Hoc网络路由算法[J].计算机技术与发展, 2009, 19 (10) :145-148.

[3]孙东旭, 曹建福, 郑辑光.面向工业测控的无线传感器网络分簇路由算法[J].信息与控制, 2012, 41 (6) :779-785.

[4]刘扬, 曾鹏, 马连博.无线HART协议的研究与实现[J].微计算机信息, 2010 (7) :57-58.

[5]ZHAO J D, LIANG Z J, ZHAO Y P.ELHFR:a graph routing in industry wireless mesh network[C].Proceedings of the International Conference on Information and Automation, Zhuhai, China, June 22-25, 2009:106-110.

[6]党魁, 沈继忠, 董利达.基于RSL筛选的Wireless HART最短路径路由算法[J].计算机工程与应用, 2012, 48 (6) :69-73.

无线数据链路 篇8

随着网络技术的发展和应用, 用户对网络的带宽、移动性和可靠性要求越来越高。无线Mesh网络WMN[1,2,3] (Wireless Mesh Networks) 融合了WLAN网络和Ad hoc网络的技术特点, 希望为用户提供可靠的高速宽带无线网络服务。多信道WMN允许多个不重叠的信道可以同时传输数据, 这样就能满足无线Mesh网络对带宽资源的要求。

在WMN中, 移动节点独立的争用无线网络资源, 不考虑其他移动节点的实际状态, 这样就会导致某一节点往无线网络中大量发送数据, 可能导致无线网络拥塞的情况出现[4,5,6,7]。一旦无线网络出现拥塞, 势必导致无线网络中大量的数据丢失和重传, 严重影响无线网络的网络性能。而高层的拥塞控制策略 (如TCP中的滑动窗口) 无法满足无线Mesh网络拥塞控制的要求, 无线网络中移动节点的拥塞控制策略就变得极为重要。

RED算法[8,9,10]是有线网络中拥塞控制的一种有效手段, RED算法采用低通滤波器模型来计算平均队长, 支持突发业务, 使得路由器处理算法实现的更为合理, 避免了路由器因根据变化的实际队列长度而不断地变更处理方法, 该算法因其具有较低的时延, 较高的吞吐量和较好的公平性而被广泛采用。它通过在拥塞即将发生时丢弃部分数据, 能够有效地避免全局同步, 体现了对突发业务流的公平性。在无线Mesh网络中, 由于网络中的各节点动态变化导致可使用的网络资源变化, 而在RED算法中的预先设置的参数wq, minth, maxth, Pmax不能与网络资源的变化同步, 这样势必导致RED算法无法满足提高无线网络性能的目的。

本文对RED算法进行了详细的分析, 对WMN中的有效链路带宽和链路负载估算的重要性进行了分析, 提出了一种基于链路负载估算的拥塞控制策略LLECC (Link Load-Estimation-based Congestion Control) 。LLECC算法通过对WMN中的链路带宽和链路负载估算值动态地调整RED算法中的minth, maxth, Pmax三个参数实现网络中的动态拥塞控制。从该策略的实现过程和仿真结果来看, LLECC可以对WMN的拥塞程度做出相应的速率控制策略, 而且能够提高无线网络的性能和不同业务的Qo S保证。

1 RED算法

RED算法的基本思想是通过监测路由器输出端口队列的平均长度来探测拥塞, 采用相关的策略使队列溢出导致丢包之前采用一定的丢包策略保证队列不溢出, 降低发送数据速度, 从而缓解网络拥塞。RED是基于FIFO队列调度策略的, 只是丢弃正进入路由器的数据包。RED算法的目的是最小化数据包丢失率和排队延迟, 避免对突发业务的不公平和全局同步现象。RED算法主要分两部分:一是计算平均队列长度;一是标记丢弃分组的概率, 并对新到达的分组按照标记丢弃分组概率对该分组进行丢弃或排队处理。

RED算法采用低通滤波器模型来计算平均队列长度, 突发业务对队列的长度会导致队列长度的短期增加, 不会过大的影响平均队列长度。

即:

式中:avg为平均队列长度;wq为权值;Q为当前队列长度。

当一个分组到达队列Q时, 通过计算标记丢弃概率来决定该分组被丢弃的可能性。

当avg ≤ minth, Pd=0, 该分组不被丢弃, 直接进入到队列中;

当minth≤ avg ≤ maxth, Pd= Pmax (avg - minth) (maxth- avg) , 到达分组以Pd概率丢弃;

当avg≥maxth, Pd=1, 该分组将直接被丢弃。

2 LLCEE拥塞控制策略

在无线Mesh网络中, 由于用户的移动性、网络链路质量及网络拥塞水平等因素导致在无线网络环境下的拥塞控制策略极为复杂。LLCEE拥塞控制算法通过对WMN中的链路带宽和链路负载估算值动态地调整RED算法中的minth、maxth、Pmax三个参数实现网络中的拥塞控制。

2.1 LLCEE算法实现

LLCEE拥塞控制算法通过4 个过程来实现无线网络的拥塞控制:计算链路的有效带宽;对本节点的链路负载进行估算;通过以上2 个计算结果确定调整因子 α;通过调整因子 α 值确定RED算法中的参数minth、maxth、Pmax实现本移动节点的拥塞控制。本算法的实现过程如图1 所示, 伪代码如下:

根据Pd决定该分组插入队列或丢弃

(1) 有效链路带宽的计算

在多信道无线Mesh网络中, 由于节点的移动性和设备的差异性等因素的影响导致无线信道的实际有效带宽与系统表明的标准带宽存在一定的差异 (如由于网络信号的衰减导致信号传输出现误码) , 而无线网络中拥塞控制策略必须准确的知道本节点实际可用带宽资源, 也就是有效链路带宽 (Available Link Band Width, ALBW) 。LLECC策略就是通过对变化的无线网络链路通过虚拟化量化的方式计算出该移动节点的实际有效链路的带宽。

某一移动节点的有效链路带宽是该节点所有输出链路中的每一条输出链路标准带宽LBWi与带宽因子 βi的乘积之和:

其中 βi= ΔT成功传输的分组数 ΔT传输总分组数, 由该链路的实际传输状态决定。

(2) 链路负载估算

LLECC策略通过链路负载估算计算出该节点实际可能的链路负载, 具体计算方法如下:

式中:pl (s, d) 表示节点对 (s, d) 间通过本节点链路L的路径数;P (s, d) 表示节点对 (s, d) 通过本节点链路L的总路径数, B (s, d) 表示节点对 (s, d) 之间的业务流量;φ（s, d) 表示节点对 (s, d) 间通过本节点链路L的实际业务流量。

式中LL表示通过本节点的实际估算流量。通过以上2 个公式就可对通过本节点的实际可能负载进行估算。链路负载估算取决于本节点采用的路由算法, 通过路由算法可计算出通过某一无线链路的负载。但本算法适应于任何路由协议 (如采用最短路径协议, P (s, d) =1, pl (s, d) =1 或0;如采用负载均衡协议P (s, d) =实际路径数, pl (s, d) =通过本节点的链路数) 。

(3) 调整因子

通过计算的有效链路带宽和链路负载估算就可以确定RED算法的调整因子:

(4) RED参数的确定

确定RED算法的参数:

当 α≤1, minth, maxth不变, Pmax= α · Pmax;

通过确定的RED参数对移动节点中的数据进行拥塞控制。

2.2 LLCEE算法讨论

LLCEE算法主要用于解决无线Mesh网络由于节点的变化引起链路状态变化所带来可用网络资源变化, 动态调整RED算法中的拥塞控制参数实施拥塞控制。为使LLCEE算法更适合解决无线网络的拥塞问题, 需注意一下几点:

(1) 有效链路带宽ALBW。在无线网络中物理层包括多种传输技术 (如:定向天线、智能天线、TDM、FDM、OFDM等) , 网络中每一个链路的传输带宽各不相同;同时在无线网络中无线信号存在多种衰减, 致使节点距离和移动性成为影响节点间可靠传输的重要因素, 导致该信道的实际可利用的带宽下降。LLECC算法通过ΔT时间间隔内正确传输的数据比例带宽因子 βi作为衡量该信道可用带宽惟一依据, 能反映该信道的实际情况。同时 ΔT时间间隔设置不宜太长 (无法及时反映信道现状) 或太短 (易受瞬时干扰的影响, 不利于系统稳定) , 可以根据网络管理员的偏好设定, 建议在0.1~1 s之间取值。

(2) 链路负载的估算。无线网络中的移动节点具备路由的功能, 也就是说移动节点本身具有维护某一路径的相关信息, 通过不同的路由算法可以获得某一源节点和目的节点对间的路径总数和通过链路L的路径数, 即通过公式 (2) 计算出通过某一节点的负载是可行的。

(3) 通过公式 (3) 计算的调整因子 α 反映了网络可用资源与资源需求之间的关系。 α ≤ 1 表明网络的可用资源能满足其他节点的网络资源需求, 本移动节点可以采用比较消极的拥塞控制策略;α > 1 表明网络的可用资源可能无法满足其他节点的网络资源需求, 本节点需采用积极的拥塞控制策略, 如公式 (4) 。

(4) RED算法中wq的设置。在上节已讨论了w的设置对网络性能的影响, 在无线网络中由于发送节点本身的特性, 更希望能及时反映队列长度的变化, 以期更好地提高网络性能。在无线网络中wq的值应比有线网络中大。

(5) 如需在LLECC算法中支持IP Diff Serv, 同有线网络的操作方式相同, 只需将无线发送节点的共享缓冲区分为3 个不同等级 (EF、AF、BE) 的队列, 采用不同的RED参数就可实现不同服务等级业务的Qo S (服务质量) 保证。

3 仿真分析

为了验证LLECC算法性能, 通过网络仿真工具NS2实现该算法和RED算法在无线Mesh网络环境下的性能比较。仿真所采用的拓扑结构如图2 所示, 仿真时物理层带宽设为8 Mb/s, 8 个移动终端节点与1 个无线AP相连, 分别对LLECC、RED算法的丢包率、队列长度和吞吐量进行了仿真比较, 仿真结果如图3~图5 所示。

从图3~图5 的仿真结果可以看出, LLECC算法在无线Mesh网络中移动节点的吞吐量, 降低移动节点的丢包率和排队队列长度, 从而提高了无线信道利用率;同时在仿真过程中该算法能实现不同业务流间的业务区分。

4 结论

由于无线网络本身的特性, 传统的RED算法在无线网络环境无法发挥其在有线网络中的优势。本文提出了一种无线Mesh网络中基于链路负载估算拥塞控制LLECC算法, 通过本节点链路带宽估算和链路负载估算动态调整RED算法minth, maxth, Pmax值来实现调整丢包概率Pd, 最终达到改善无线网络性能的目的, 并通过仿真验证了该算法的可行性和可靠性。

摘要：针对无线Mesh网络的网络特性, 提出了一种基于链路负载估算的拥塞控制策略LLECC。LLECC算法计算有效链路带宽和链路负载估算确定RED算法中的调整因子, 通过调整因子调整RED算法中的参数从而实现动态的对无线网络拥塞控制。详细讨论了LLECC算法的实现过程和相关参数的计算方法, 通过仿真分析验证了该算法对无线Mesh网络性能的提高。

关键词：无线Mesh网络,有效链路带宽,链路负载估算,拥塞控制,RED算法

参考文献

[1]GUPTA P, KUMAR P R.The capacity of wireless networks[J].IEEE Transactions on Information Theory, 2000, 46 (2) :388-404.

[2]AKYILDIZ I F, WANG X D.Wireless mesh networks:a survey[J].IEEE Communications Magazine, 2005, 43 (9) :445-487.

[3]RANIWALA A, CHIUEH T.Architecture and algorithms for an IEEE 802.11-based multi-channel wireless mesh network[C]//Proceedings of 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Miami, FL:INFOCOM, 2005:2223-2234.

[4]SONG H, KIM B C, LEE J Y, et al.IEEE802.11-based wireless mesh network testbed[C]//Proceedings of 16th IST Mobile and Wireless Communication Summit.Budapest, Hungary:IEEE, 2007:1-5.

[5]HULL B, JAMIESON K, BALAKRISHNAN H.Mitigating congestion in wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 2nd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems.Baltimore, MD, USA:ACM, 2004:134-147.

[6]SONG W, FANG X M.Routing with congestion control using cross-layer design in wireless mesh networks[C]//Proceedings of 2006 IET International Conference on Wireless, Mobile and Multimedia Networks.Hangzhou, China:ICWMMN, 2006:1-3.

[7]SADEGHI B, YAMADA A, FUJIWARA A, et al.A simple and efficient hop-by-hop congestion control protocol for wireless mesh networks[C]//Proceedings of the 2nd Annual International Workshop on Wireless Internet.New York:WICON, 2006:4.

[8]ATHURALIYA S, LAPSLEY D, LOW S.An enhanced random early marking algorithm for internet flow control[C]//Proceedings of 19th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Tel Aviv, Israel:INFOCOM, 2000, 3:1425-1434.

[9]YI Y, SHAKKOTTAI S.Hop-by-hop congestion control over wireless multi-hop network[J].IEEE/ACM Transactions on Networking, 2007, 47 (5) :133-144.