【文章內(nèi)容簡介】 do noise code，PN碼）對原信號碼進行擴頻調(diào)制，一般是將信號展寬到幾兆的頻帶上，然后將擴頻后的信息調(diào)制到空間傳輸?shù)妮d頻上進行發(fā)送，通常發(fā)射的載頻是千兆數(shù)量級；在接收端經(jīng)解調(diào)后，利用相同的PN碼進行解擴，把展開的信號能量從帶寬上收攏回來，凡與PN碼相關的寬帶信號經(jīng)解調(diào)還原為原來的窄帶信號，而其他與PN碼不相關的寬帶噪聲仍維持寬帶，解調(diào)后的窄帶信號再經(jīng)窄帶濾波后，分離出有用信號，這樣使信噪比得以極大的提高，誤碼率大大降低。由此可見，擴頻通信具有擴頻碼調(diào)制和信號相關處理兩大特點。正式這兩大特點，使擴頻通信方式具有許多突出優(yōu)點，主要有：1) 很強的抗干擾能力：由于將信號擴展成很寬的頻帶上，在接收端對擴頻信號進行相關處理，即帶寬壓縮，恢復成窄帶信號。對干擾信號而言，由于與擴頻用的PN碼不相關，被擴展到很寬的頻帶上，使之進入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，相應的增加了信噪比，因此具有很強的抗干擾能力。其抗干擾能力與頻帶的擴展倍數(shù)成正比，頻譜擴展得越寬，抗干擾能力越強。2) 可進行多址通信：擴展頻譜通信本身就是一種多址通信方式，稱為擴頻多址（spread spectrum access，SSMA），實際上是CDMA的一種，用不同的擴頻碼組成不同的網(wǎng)。雖然擴展頻譜系統(tǒng)占用了很寬的頻帶，但由于各網(wǎng)在同一時刻共用一頻段，其頻段利用率甚至比單路單載波系統(tǒng)還要高。3) 安全保密：由于擴展系統(tǒng)將傳送的信息擴展到很寬的頻帶上去，其功率密度隨頻譜的展寬而降低，甚至可以將通信信號淹沒在噪聲中。因此，其保密性很強，要截獲，竊聽或偵察這樣的信號是非常困難的，除非采用與發(fā)送端相同的擴頻碼且與之同步后進行相關的檢測，否則對擴頻信號是無能為力的。4) 抗多徑干擾：在無線通信、室內(nèi)通信等通信環(huán)境下，多徑干擾是非常嚴重的，系統(tǒng)必須具有很強的抗干擾能力，才能保證通信的暢通。擴展頻譜技術(shù)具有很強的抗多徑能力，它是利用擴頻所用的擴頻碼的相關特性來達到抗多徑干擾，甚至可以利用多徑能量來提高系統(tǒng)的性能。擴頻技術(shù)按其工作方式可分為以下幾種：直接序列擴頻（direct sequence spread spectrum，DSSS）、跳頻（frequency hopping spread spectrum，F(xiàn)HSS）、跳時（time hopping spread spectrum，THSS）以及線性調(diào)頻（chirp spread spectrum，chirpSS）等方式。 直接序列擴頻直接序列擴頻是直接利用具有高效率的PN碼，采用各種調(diào)制方式在發(fā)射端擴展信號的頻譜；在接收端用相同的PN碼進行解碼，將展寬的擴頻信號還原成原始信息。具體說，就是將信源與一定的PN碼進行模二加。例如，在發(fā)射端，將“1”用11000100110，而將“0”用00110010110表示，這個過程就實現(xiàn)了擴頻；而在接收端，只要將收到的序列11000100110恢復成“1”，將00110010110恢復成“0”，就完成了解擴。這樣信源速率就提高了10倍，同時使處理增益達到10dB以上，從而有效提高整機信噪比。擴頻信號窄帶信號窄帶信號擴頻偽碼調(diào)制振蕩混頻本振解擴偽碼圖21 直序擴頻系統(tǒng)原理圖圖21給出直接序列擴頻系統(tǒng)的原理框圖?；鶐盘柕男盘柎a是欲傳輸?shù)男盘枺ㄟ^擴頻將其頻譜展寬，頻譜展寬后的序列多采用PSK調(diào)制進行射頻調(diào)制，其輸出則是擴展頻譜的射頻信號，經(jīng)天線發(fā)射出去。在接收端，射頻信號經(jīng)混頻后變?yōu)橹蓄l信號，它用與發(fā)射端相同的編碼序列反擴展，將寬帶信號解擴，解擴后的中頻窄帶信號經(jīng)普通信號解調(diào)器進行解調(diào)，恢復成原始的信號碼。由頻譜擴展對抗干擾性帶來的好處，稱擴頻增益，表示為 （22）其中，為發(fā)射擴頻信號的帶寬，與所采用的PN碼速率有關；為信碼的速率。為獲得高的擴頻增益，通常希望增加射頻帶寬。 跳頻跳頻擴頻是將數(shù)字信息與PN碼模二相加后，離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨PN碼的變化而跳變，發(fā)射頻率的次序決定于該編碼序列。跳頻系統(tǒng)中的載頻受PN碼的控制，不斷地隨機跳變。接收端只有知道跳頻圖，才能正確接收。通常接觸到的無線通信系統(tǒng)都是載波頻率固定的通信系統(tǒng)，如移動電話等，所以也稱作定頻通信。這種定頻通信系統(tǒng)，一旦受到干擾，就將使通信質(zhì)量下降，嚴重時甚至使通信中斷。而采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。因此，跳頻通信具有抗干擾，抗截獲的能力，并能做到頻譜資源共享。所以在現(xiàn)代化的電子戰(zhàn)中，跳頻通信已顯示出巨大的優(yōu)越性；跳頻通信也應用到民用通信中以抗衰落，抗多徑，抗網(wǎng)間干擾和提高頻譜利用率。 跳時跳時擴頻用PN碼控制信號發(fā)送時刻及信號持續(xù)時間的長短。跳時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變，先把時間軸分成許多時片，哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列進行控制，發(fā)射信號的“有”“無”同PN碼一樣是偽隨機的。可以將跳時理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。由于信號在時域被壓縮，或者說由于采用窄得很多的時片去發(fā)送信號，相對而言，信號的頻譜也就展寬了。在發(fā)射端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲起來，由擴頻碼發(fā)生器的擴頻碼序列去控制通/斷開關，經(jīng)二相或四相調(diào)制后，再經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射；在接收端，由射頻接收機輸出的擴頻信號，經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)射端相同的擴頻碼序列去控制通/斷開關，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲器和再定時后輸出數(shù)據(jù)。只要收、發(fā)兩端在時間上嚴格同步進行，就能正確地恢復原始數(shù)據(jù)。跳時也可看成是一種時分系統(tǒng)，不同之處在于，它不是在一幀中固定分配一定位置的時片，而是由擴頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時片。跳時系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時片數(shù)。由于簡單的跳時抗干擾性不強，很少單獨使用，跳時一般和跳頻結(jié)合起來使用，兩者一起構(gòu)成一種“時頻跳變”系統(tǒng)。 線性調(diào)頻在脈沖線性擴頻系統(tǒng)中，射頻脈沖信號的載頻在信息脈沖持續(xù)時間內(nèi)作線性變化，其瞬時頻率隨時間變化，即信號載頻從原來單一頻率得到了擴展，系統(tǒng)獲得處理增益。因其頻率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號的帶寬被展寬了。由于這種線性調(diào)頻信號占用的頻帶寬度遠大于信息帶寬，所以也是一種擴頻調(diào)制技術(shù)。 本章小結(jié)本章首先介紹了無線通信的介質(zhì)、頻段選擇，以及調(diào)制、解調(diào)技術(shù)；最后詳細介紹了目前使用較多的擴頻技術(shù)。52第三章 無線抄表方案 課題研究的意義在緒論中已經(jīng)提到目前市場上的無線抄表系統(tǒng)大致可分為基于無線數(shù)傳模塊、基于GPRS/CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡、或者是二者結(jié)合等幾種方式。但是基于GPRS/CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡方式需要申請頻點使用權(quán)，對于家庭三表抄表來說，系統(tǒng)的運行成本很高；而基于無線數(shù)傳模塊方式的抄表系統(tǒng)目前都采用單跳的通信方式，由于射頻芯片的發(fā)射功率限制，其覆蓋范圍有限，會出現(xiàn)許多的盲點，如圖31所示，虛線表示無法接收到。雖然近年來推出的ZigBee技術(shù)有很廣的發(fā)展前景，但是由于高價位的芯片及開發(fā)系統(tǒng)，使該技術(shù)在抄表系統(tǒng)中的應用還有一段距離。因此，目前基于無線數(shù)傳模塊的抄表系統(tǒng)還有一定的潛在市場和應用價值。所以對該系統(tǒng)的研究也還有一定的意義。圖31 單跳方式接收端盲點盲點上圖所述的系統(tǒng)，只有移動接收終端的位置才能收到所有節(jié)點的數(shù)據(jù)，這給實際的操作帶來很大的不便和困難。本系統(tǒng)在單跳方式的基礎上，提出了一種自動搜索的尋的算法，通過中繼的轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)多跳，擴大覆蓋范圍，如圖32所示。圖32 多跳方式盲點盲點接收器然而，無線抄表系統(tǒng)不同于一般的結(jié)構(gòu)化無線網(wǎng)絡，即網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，無線抄表網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，視具體的應用環(huán)境而定，是一種特殊的無線網(wǎng)絡。無線抄表系統(tǒng)的這些特點決定了該系統(tǒng)中的設備要結(jié)構(gòu)簡單、安裝簡便，所以該網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)不能過于復雜，最好所有節(jié)點的功能都一樣。因此，自動搜索算法的確定是本系統(tǒng)的一個主要難點。 信道接入概述信道接入技術(shù)用于建立可靠的點到點、點到多點或多點共享的通信鏈路技術(shù)。在通信網(wǎng)絡中，信道的共享方式通常有點到點、點到多點和多點共享。從傳輸技術(shù)上看，網(wǎng)絡可分為廣播網(wǎng)絡和點到點網(wǎng)絡兩種。在廣播網(wǎng)絡中，所有節(jié)點共享一條通信信道，即網(wǎng)絡中的任何節(jié)點均可占用該信道發(fā)送信息，其他所有節(jié)點可以在該信道上接收該信息。各節(jié)點根據(jù)信息中的地址對該信息進行相應的處理。無線抄表網(wǎng)絡就是采用廣播方式實現(xiàn)通信的。在所有的廣播網(wǎng)絡中，當信道的使用產(chǎn)生競爭時，如何分配信道的使用權(quán)是一個關鍵問題。在實際應用中，如果為每個節(jié)點分配一個獨立信道，往往要消耗很多的通信帶寬資源，這是不現(xiàn)實的，尤其是對于頻率資源本來就很寶貴的無線網(wǎng)絡而言。因此，如何控制共享信道的接入是一個關鍵問題。本系統(tǒng)將接收終端作為主控端來解決這個問題。 尋的算法尋的算法的主要目的是增大接收終端的覆蓋范圍，從而減少盲點，提高無線抄表的成功率。其實質(zhì)就是通過把接收終端一跳范圍里的節(jié)點作為中繼去抄收一跳范圍外節(jié)點的數(shù)據(jù)，從而達到擴大覆蓋范圍的目的。而這里的主要難點也就是中繼的選取問題。本文根據(jù)實際情況提出了三種尋的算法。 窮舉法在上文中提到，由于無線抄表系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的特點，要求該系統(tǒng)中的設備越簡單越好。運用此算法，系統(tǒng)所有的節(jié)點地位平等、功能一致，其功能都通過軟件實現(xiàn)，這種算法的主要思想是：216。 假設有個節(jié)點的數(shù)據(jù)要抄收，先用“輪詢”方式向每個節(jié)點發(fā)送抄收數(shù)據(jù)命令；216。 將抄收到節(jié)點的數(shù)據(jù)記錄，并生成表，將未抄收到的節(jié)點用表表示，；216。 當個節(jié)點都抄收完后，將表中的節(jié)點依次作為中繼去抄收表中節(jié)點的數(shù)據(jù)，直到表中的節(jié)點全部抄收到，或者表中的節(jié)點都用完為止；216。 將最終還未抄收到的節(jié)點作為故障節(jié)點處理。該算法的優(yōu)點是可以最大程度的抄收到所有節(jié)點的數(shù)據(jù)，并且由于每個節(jié)點的功能都相同，不需要考慮安裝時節(jié)點的位置，簡便了安裝過程；但是其搜尋過程所花費的時間隨著節(jié)點的數(shù)量呈線性增加，所以當節(jié)點數(shù)量很大時，整個抄表過程就很費時間。 區(qū)域算法首先，該算法將抄表系統(tǒng)里的節(jié)點分為兩類，普通節(jié)點和中繼節(jié)點。其次，把整個抄表區(qū)域分成幾個小區(qū)域，并且保證每個小區(qū)域中都有1到2個中繼表，該算法可以說是ZigBee簇狀型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的一種簡化模式，其結(jié)構(gòu)如圖33所示。圖33 區(qū)域算法接收終端中繼節(jié)點普通節(jié)點該算法中每個小區(qū)域的中繼節(jié)點都必須在接收終端的有效覆蓋范圍內(nèi)，當一個中繼節(jié)點發(fā)生故障或損壞時，備用中繼節(jié)點可以繼續(xù)維持抄表網(wǎng)絡的正常工作。其初始化過程為：每個節(jié)點上電后，向周圍發(fā)送探詢信號，收到該探詢信號的中繼保存該節(jié)點的地址，并返回確認信息給該節(jié)點；初始化結(jié)束后，每個中繼內(nèi)都生成了一張表，保存著本區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點的地址。其工作過程為：216。 接收終端向每個節(jié)點依次發(fā)送抄收信號；216。 收到該節(jié)點的數(shù)據(jù)后，將其保存；若沒有收到數(shù)據(jù)，就打上未抄收的標記；216。 一輪抄收結(jié)束后，接收終端將未抄收到數(shù)據(jù)節(jié)點的地址通過廣播方式發(fā)送給所有中繼；216。 中繼收到后，將根據(jù)自帶的信息進行判斷，若是本區(qū)域內(nèi)的節(jié)點，就進行抄收，并將抄收到的數(shù)據(jù)回傳給接收終端。若不是則丟棄。該算法初始化時在中繼節(jié)點里生成了包含該中繼區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點地址的表，所以在多跳時能快速地確定未抄收到節(jié)點的路徑，在很短的時間內(nèi)抄收到其數(shù)據(jù)，大大提高了抄表的效率，縮短了抄表時間。但是也存在幾個問題：第一，由于兩類節(jié)點設備的功能不同，給現(xiàn)場的安裝帶來了許多困難和不便；第二，就是初始化過程中的數(shù)據(jù)碰撞問題。如圖34所示，A、C為普通節(jié)點，B為中繼節(jié)點。假設只有相鄰節(jié)點之間才能收到對方的信號，這樣中繼節(jié)點B能收到節(jié)點A和節(jié)點C的信號，但是節(jié)點A、節(jié)點C之間不能互收信息。如果在節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送的過程中，節(jié)點C也想向節(jié)點B發(fā)送，節(jié)點C要先監(jiān)聽信道，由于和節(jié)點A相距較遠而不能聽到節(jié)點A的信號，便認為信道空閑而開始發(fā)送，使節(jié)點B正在接收的節(jié)點A信息幀受到破壞。CBA節(jié)點A覆蓋的范圍節(jié)點C覆蓋的范圍圖34 初始化時的數(shù)據(jù)碰撞解決這個問題的主要思想是，使接收節(jié)點周圍的鄰節(jié)點都能了解到它正在進行接收。就是發(fā)送節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送前與接收節(jié)點進行一次短控制消息的握手，接收節(jié)點以短消息的方式通知鄰近節(jié)點它即將進行接收，即RTSCTS方式。鄰節(jié)點收到RTS幀或CTS幀后，在以后的一段時間內(nèi)抑制自己的傳輸，從而避免對即將進行的數(shù)據(jù)傳輸造成碰撞。如圖34所示，在節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)前，先向節(jié)點B發(fā)送RTS幀。節(jié)點B然后向節(jié)點A回送CTS幀，表示允許節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)。該CTS幀可同時被節(jié)點A和節(jié)點C收到。于是節(jié)點A就開始發(fā)送數(shù)據(jù)，而節(jié)點C則不會向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)。由于RTS幀和CTS幀包含了本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時間，因此節(jié)點C會在等待一段時間之后再次發(fā)送RTS幀。這樣就解決了初始化時的數(shù)據(jù)碰撞問題。 分區(qū)自動搜索算法上文中提到的基于區(qū)域算法的抄表方案，在理論分析上確實可行，不但增大了有效覆蓋區(qū)域，而且提高了抄表的效率，但是這在實際的安裝過程中是很難實現(xiàn)的，因為：1) 接收終端和中繼節(jié)點的實際有效距離很難計算，因此不能保證所有中繼都處于接收終端的覆蓋范圍內(nèi)；2) 由于無線環(huán)境的復雜性，RTSCTS機制仍不能完全保證數(shù)據(jù)幀的正確接收；3) 小區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點的地址都存儲在其中繼節(jié)點內(nèi)，其存儲的數(shù)據(jù)量會隨著節(jié)點的變化而增大，不便于維護。因此，區(qū)域算法還無法應用于實際的抄表系統(tǒng)里。這里，對區(qū)域算法進行了一些改進，提出了一種新的算法，即分區(qū)自動搜索算法。在無線抄表系統(tǒng)中，每個節(jié)點都有唯一的地址用于區(qū)分不同的節(jié)點，這里對該地址的格式進行了規(guī)定，如圖35所示。比如，則其代表的意思是2號抄表區(qū)域內(nèi)的第5號小區(qū)域內(nèi)的78號節(jié)點。XXX．XXX．XXX整個抄表區(qū)域的編號小區(qū)域的編號小區(qū)域內(nèi)節(jié)點的編號圖35 節(jié)點地址的格式此外，本算法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式也進行了相關規(guī)定，如圖36所示。地址段狀態(tài)字配置字數(shù)據(jù)段地址段： 包含了節(jié)點的地址信息狀態(tài)字： 發(fā)送時，作為命令字節(jié)；接收時，顯示節(jié)點的狀態(tài)信息配置字： 包含了節(jié)點配置時的信息，比如該節(jié)點是普通節(jié)點還是中繼節(jié)點數(shù)據(jù)段： 包含了傳輸?shù)男畔D36 數(shù)據(jù)包格式分區(qū)自動搜索算法就