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车辆间无线通信系统的设计与实现

时间:2019-10-30作者: 刘细苟
本文导读:这是一篇关于车辆间无线通信系统的设计与实现的文章,在现如今的通信技术应用中,由于无线通信技术应用的快捷、方便的特点,被越来越多的人喜爱并习惯使用,在一定应用领域已经慢慢取代了传统的有线通信,逐步成为了最热门、最方便快捷的一种通信技术手段。
  摘要
  
  在现如今的通信技术应用中,由于无线通信技术应用的快捷、方便的特点,被越来越多的人喜爱并习惯使用,在一定应用领域已经慢慢取代了传统的有线通信,逐步成为了最热门、最方便快捷的一种通信技术手段。在实际使用过程中,人们对无线通信的功能性、便捷性及体验性要求越来越高,本文介绍了在研制一个车与车之间的、基于电台的无线通信系统的过程中的实验数据与结论,意在实现两车或多车辆在中、远距离环境下的无线通信。系统研制定型后将作为车载通信系统的一部分集成到载车上。本系统主要由计算机、超短波电台、网络综合控制设备、网络交换机、话音控制器组成,是基于网络综合控制设备设备广域网的组建。

车辆间无线通信系统的设计与实现
  
  本论文主要包括以下三个部分:第一部分介绍课题研究背景、无线通信系统国内外研究现状、本课题所设计的车载无线通信系统的主要研究内容和设计指标。第二部分介绍了车载无线通信系统几个优化设计方案及各方案优缺点比较,简单介绍在本课题所选择的优化设计方案采用的主要设备功能介绍和数据/话音在系统中的流向,方便于在系统测试出现故障时按数据/话音的流向检测出问题所在。在第三大部分内容中,通过设计全新数据链路,采用网络综合控制设备的高速接口单元作为整个通信系统的交换路由单元的管理控制和状态汇报单元,参数设置可视化,简化传统由防火墙、路由器指令操作带来的不便;采用网络综合控制设备的低速接口(K 口)链接超短波电台 K 口来处理包括单路有线信令实现 IP 接入,相比客户正在使用的无线通信系统中数据传输时需要配置的复杂的无线网络控制器参数,经优化设计后的无线通信系统数据传输时仅需简单配置网络综合控制设备的网关和 K 口网络地址参数即可;在加强话音集中控制和综合调度方面,本课题采用网络综合控制设备的低速接口(模拟用户口)直连话音控制器模拟中继接口,通过可视界面在网络综合控制设备中设置席位话机有线号码,通过话音控制器设备设置超短波电台的无线话音号码,再通过话音控制器设备设置将席位话机有线号码与超短波电台的无线话音号码绑定,实现席位话机拨打、接听电台话音的功能。第四部分简单介绍了系统内所使用设备的功能及系统需要实现的指标要求及最后系统组建完成之后的测试方法详细记录课题设计的系统测试结果和分析,系统测试过程和方法按照客户要求进行。
  
  基于网络综合控制设备的车载无线通信系统全系统采用 24V 直流供电,按照不间断供电要求,配备 UPS,确保不会造成设备的突然断电和信息的丢失。在无起伏遮挡、附近应无大功率发射塔、高压电线等影响电台正常通信的辐射源、无明显阻挡的平原地区,车载无线通信系统进行稳定的话音和数据通信距离不小于 6km;在隔山环境下,能进行稳定的话音和数据通信。
  
  关键词:  无线通信;电台;广域网;车载;集中控制;无线话音。
  
  Abstract
  
  In today's communication technology applications, due to the fast and convenient features of wireless communication technology applications,it’s be loved and used by more and more people, and have slowly replaced traditional wired communications in certain application fields. Gradually became the most popular, the most convenient and fast communication technology means. In the process of practical use, people's functional, convenient and experiential requirements for wireless communication are increasingly high. This section introduces experimental data and conclusions in the process of developing a radio-based wireless communication system between vehicles. It is intended to achieve wireless communication between two or more vehicles in a medium and long distance environment. After the system is finalized, it will be integrated into the vehicle as partof the vehicle communication system. The system is mainly composed of computers,ultrashort wave radio stations, network integrated control equipment, network switches, and voice controllers. It is based on the establishment of a wide area network for network integrated control equipment equipment.
  
  This thesis mainly includes the following three parts: The first part introduces the research background of the project, the research status of wireless communication system at home and abroad, the main research content and design index of the vehicle-mounted wireless communication system designed in this project.
  
  The second part introduces several optimal design schemes and the advantages and disadvantages of each scheme of the vehicle-mounted wireless communication system. It is convenient to detect the problem in the case of system test failure according to the flow of data/voice. In the third part, by designing a new data link, the high-speed interface unit of the network integrated control device is used as the management control and status reporting unit of the exchange routing unit of the entire communication system, and the parameter setting is visualized. Simplify the inconvenience caused by traditional firewall and router instructions; Using the low-speed interface(K port) of the network integrated control device to link the ultrashort wave radio station K port to handle the implementation of IP access including single-channel cable signaling, compared to the complex wireless network controller parameters that the customer needs to configure when transmitting data in the wireless communication system being used., After the optimized design of the wireless communication system data transmission only needs to simply configure the network integrated control equipment Gateway and K-port network address parameters; In terms of strengthening the centralized control and integrated scheduling of voice, this section uses the low-speed interface(analog user interface)of the network integrated control device to simulate the relay interface, and sets the cable number of the seat phone in the network integrated control device through thevisual interface. The wireless voice number of the ultrashort radio station is set up through the voice controller equipment, and the cable number of the seat phone isbound to the wireless voice number of ultrashort wave radio station through the voice controller equipment setting, so as to realize the function of calling and answering theradio voice of the seat phone The fourth part briefly introduces the functions of the equipment used in the system and the requirements of the indicators that the systemneeds to achieve. The final test method after the system is completed records the system test results and analysis of the project design in detail. The system test process and methods are carried out according to customer requirements.
  
  The vehicle-mounted wireless communication system based on the network integrated control equipment is system-wide with 24V DC power supply and is equipped with UPS in accordance with the uninterrupted power supply requirements to ensure that there is no sudden power outage and loss of information. In the plain areas where there is no undulating shelter, there should be no high-power transmission towers, high-voltage wires, etc. that affect normal radio communications,and there is no obvious blocking, the mobile wireless communication system in the vehicle carries out stable voice and data communication distances of not less than 6km; In the mountain environment, stable voice and data communication can be carried out.
  
  Key words:   wireless communication; Radio stations; Wide area network; Vehicle; Centralized control; Wireless voice。
  
  第一章 绪论
  
  本文主要在目前客户正在正常使用的无线通信系统的基础上对车载无线通信硬件系统进行了优化设计。本论文的主要研究内容包括基于网络综合控制设备的车载无线通信系统的广域网的组建、话音的集中控制和超电台间数据传输的实现与安全性考虑,详细介绍了系统内数据/话音通信功能的实现及系统性能的测试,并根据客户实际使用情况对系统进行全面的测试和数据分析。本章介绍了车载无线通信系统课题的来源和主要内容、关键技术、研究基础、无线通信系统的国内外研究现状、发展动态以及本课题的主要任务。
  
  1.1 研究背景与意义。
  
  随着信息化技术发展及人们实际使用要求的提高,我公司客户对无线通信的功能性、便捷性及体验性提出了新的要求,为满足客户对车载无线通信系统的使用要求,公司项目研究部正在着力开展基于电台的车与车之间的无线通信系统优化设计,意在实现两车或多车辆在中远距离环境下的无线通信。系统研制定型后将作为车载通信系统的一部分集成到载车上。
  
  车载无线通信系统是车载通信系统的重要组成部分,是通信系统中远程距离对外信息交互枢纽中心,也是通信系统之间网络通信、信息处理等技术保障的场所。
  
  超短波电台可与外部超短波电台在固定和运动状态下进行话音、数据通信。计算机经网络交换机、防火墙、路由器、无线网络控制器通过超短波电台与对端车实现无线数据通信。在通信之前,需要用复杂的系统指令配置的防火墙参数和无线网络控制设备参数。
  
  基于路由器建立通信网络的无线通信系统在满足客户使用需求的同时,也逐渐显现其不足之处,如车辆运动过程中,电台值守人员没有稳固的座位;电台进行话音、数据传输前,需要配置比较繁多的设备参数,特别是在做数据传输时,防火墙、路由器和无线网络控制器的参数设置都非常复杂,需要具备专业技术的人员才能操作;数据传输时,每次传输的数据报文大小也不能满足客户的需求。
  
  本人在工作中参与了车载无线通信系统的需求提取会议、系统定型的论证会议;参与了抽样系统调试与问题整改全过程;批产过程中参与系统的调试与功能验证,对该系统比较熟悉。
  
  1.2 国内外研究现状、发展动态。
  
  在现如今的通信技术应用中,由于无线通信技术应用的快捷、方便的特点,被越来越多的人喜爱并习惯使用,在一定应用领域已经慢慢取代了传统的有线通信,逐步成为了最热门、最方便快捷的一种通信技术手段,如在民用领域中的 Wifi 技术、蓝牙技术等,都是近些年的热门研究领域[1]。
  
  1) 发达国家在电台通信方面的发展。
  
  80 年代以前,国外车载无线通信使用的通信设备从调幅通信设备逐步发展到边带通信设备,那个时期,比较典型的电台如美国柯林斯公司 60 年代生产的 618T 系Y1J(400W),628T 系列(200W)调幅电台,以及 70 年代生产的 718U-4718U-5(100W)调幅,边带电台;80 年代以后,随着大规模集成电路及计算机技术的开发应用,先进的电台通信技术层出不穷[2]。目前广泛研究和应用的短波数字传输系统及设备,一般采用信道带宽在 300-3000Hz 话带范围的“窄带”系统。由于无线信道带宽的限制和短波传输过程中逐渐衰落特性的影响,即使采用多种自适应技术改善短波数据传输的性能,实用的数据传输速率一般也只能达到 2400b/s,最高 4800b/s,而且极容易受人为干扰,为提高系统的抗干扰能力,通常采用扩频(即跳频或直接序列扩频)技术,但窄带跳频难以抵抗敌方频率跟踪干扰机的干扰,且在跳频工作模式下,特别是跳速较高时,实现高速数据传输更加困难,因为跳频电台转换频率、电台间通信参数同步都要占用相当一部分时间,使得传输数据的时间变少;而且在实际使用环境下,一般多数的跳频信道受干扰严重,甚至不能使用,从而难以保证必要的传输可靠性[3]。因此,希望寻求一种新的既能提高数据传输速率和传输可靠性,又能增强抗干扰能力的通信技术。微波通信主要特点:频带宽,通信容量大;传输质量高,通信稳定可靠;天线增益高,保密性好,地面远距离通信可以采用中继方式;方便灵活,成本较低,便于组成综合业务数字网,此外,SDH 微波通信是新一代的数字微波传输体制,它兼有 SDH 数字通信和微波通信两者的优点,与传统 PDH 微波通信相比具有显着优点,它采用多种关键技术,提高了系统的抗干扰和抗衰落性能,能满足新的通信业务需求,系统管理能力强,是传输网络的新发展方向[4]。目前,数字微波在通信系统主要用于干线光纤传输系统在遇到自然灾害时的紧急修复,以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。城市内的短距离支线连接,如移动通信基站之间、基站控制器与基站之间的互联、域网之间的无线联网局等,既可使用中小容量点对点微波,也可使用无需申请频率的微波数字扩频系统。
  
  微波通信通常有地面微波中继通信、一点对多点微波通信、卫星通信、微波散射通信。西方国家鉴于因缺乏组网工作等能力而不能充分发挥其应有的作用,自六七十年代以来,就开始广泛开发研究具有多种功能的无线通信系统网络,并走向实用化阶段[4]。
  
  2) 我国无线通信技术的发展现状。
  
  与发达国家相比较,我国在电台方面的发展差距还很大,但国内新一代自适应、跳频电台也已研制出来进入应用领域。在移动通信技术方面:近几年,我国的移动通信技术取得了迅速的发展,主要体现在全球移动网络 4G 状态的发展方面,随着 4G 网络的发展,其应用的业务平台更加宽广,应用的方向更加众多,已经深入了人们的日常生活,据有关统计表明,截至目前,4G 网络已占据了 80%的网络用户市场,并且还保持着持续上升的态势,尤其是其在商务市场的运用更加频繁化,这也预示着未来 4G 移动网络发展的无限潜力[5]。
  
  无线宽带技术:当前的无线宽带接入方式主要有以下四种:1)微波宽带接入技术。使用无线微波宽带技术的时候,频段应该在 28GHz 附近,通过“蜂窝式”的网络布局,降低了因为传输距离带来的损耗,与此同时,这种布局也减少了无线通信发射的功率,实现了近距离双向数据、图像以及语言的传输[5]。2)卫星接入技术。这种宽带接入技术主要运用于金融行业以及房地产、教育事业等行业领域,通过这种技术的运用,实现了互联网的高速接入、数据包的快速分发等服务,具有非常高的稳定性,深受相关行业领域的青睐[5]。3)红外光通信接入。
  
  这种接入技术在运用过程中,传输速度非常高,大概在 3MB/s~621MB/s 之间,能够实现数据的高速传播,并且由于红外线工作波段的缘故,其传输的距离可达上百米,并不会对其他的通信系统造成影响,在无线信号的发射和接受方面使用的则是光学仪器[5]。4)多点微波接入技术。这种技术一般仅限于三种波段应用,分别是 5.8GHz、2.5GHz 以及 3.5GHz,这就决定了其应用的范围比较小。
  
  超宽带技术。此技术以无线载波为基础,利用无线通信中单位比较小的纳秒级非正弦型波窄,在进行数据传输的时候运用脉冲的形式进行,其覆盖频谱非常宽,可实现低程序、低功耗下的数据传输,被众多领域广泛采用。
  
  3) 发展趋势。
  
  通信数字化:由于数字化技术可以实现无线通信系统的保密、抗拦截、抗干扰的基本要求,通信数字化是通信技术发展的必然趋势;? 向更高频段发展:通信频率的提高,有利于避开频谱拥挤的频段,也为抗干扰通信提供了必需的宽频带,同时也易于实现设备小型化的要求。
  
  1.3 主要内容和设计指标。
  
  1.3.1 主要内容。

  
  本课题的车载无线通信系统优化设计主要在客户原有的无线通信系统的基础上,利用配套厂家提供的相关通信设备,根据设备技术说明书,在通信协议满足互通一致的条件下,合理的设计全新的无线通信链路,达成客户既定的目标要求,更利于客户掌握通信操作的前提下提升客户的通信体验。
  
  车载无线通信系统主要由计算机、超短波电台、网络综合控制设备、网络交换机、话音控制器组成,是基于网络综合控制设备的广域网的组建。本系统设计需要完成的主要内容包括:
  
  1) 超电台间话音的集中控制;2) 超短波电台间数据传输的实现与安全性考虑。
  
  1.3.2 设计指标。
  
  在课题开始之初,客户对车载无线通信系统的需求,相比较于目前正在使用的车载无线通信系统,新研制的车载无线通信系统必须达成以下设计指标。
  
  1) 简化系统通信时系统内设备的参数设置步骤:在使用的车载无线通信系统时,设备参数配置简单化,做到不懂路由器等通信设备参数配置命令的客户拿到网络规划表即可组网。
  
  2) 提高数据传输能力:优化后无线通信系统带宽不低于 128k,最大速率时 IP 数据通信平均时延不大于 10s,成功率不小于 80%。
  
  3) 加强话音集中控制和综合调度能力:能将电台话音定向捆绑到通信系统中任意席位话机。
  
  随着计算机等高新技术的发展,计算机网络的应用领域增大,以车载无线通信系统为项目核心,通过无线通信连接其他有线通信系统的有线无线混合通信系统越做越复杂。本车载无线通信系统优化设计方案在已经熟知的、客户正在使用的基于路由器的无线通信系统的基础上进行研究,优化设计方案关键要实现以下两个目标:
  
  1) 实现超短波电台话音的集中控制。在基于路由器的无线通信系统中,各电台、席位话机的话音都是通过网络直接通信,在车载无线通信系统优化设计方案中,要求系统内所有与话音有关的通信都可以通过统一的设备集中管控,以防止电台话音接通到通信系统中时值守人员无法快捷、准确、安全的接听。
  
  2) 基于网络综合控制设备的广域网络的组建,能够提供安全的网络通信环境,满足简单报文快速准确传输。
  
  1.4 课题的主要任务。
  
  本课题的主要研究内容是对目前客户正在使用的车载无线通信系统优化设计,通过优化设计方案的选择,从设备各参数的设置及设备间数据流向、数据间传输协议以及现场实际环境下的系统测试,最终实现车载无线通信系统的优化。系统中利用话音控制器对超短波电台话音的集中控制功能,做到无线通信系统中电台话音无需专人值守,电台;利用网络综合控制设备集网络接入、路由交换、业务适配、安全防护为一体的强大功能实现系统网络防护、访问控制及超短波电台数据通信业务。
  
  本论文的主要目标是通过对目前客户正在使用的车载无线通信系统优化设计,使系统通信参数设置得到简化、数据传输能力得到提高、话音集中控制和综合调度能力得到加强。本课题设计的车载无线通信系统通信技术指标如下:(1)话音等级为 3 级以上条件下,通信距离不小于 3km;最大速率时 IP 数据通信平均时延不大于 10s,成功率不小于 80%;(2)超短波电台无线组网通信方式下,报文发送成功率不小于 90%。
  
  本课题在研制过程中,结合设备供应商提供的设备参数及性能,完成本课题优化设计系统的架设,通过在不同环境下的反复测试,确保优化设计方案达成课题目标。
  
  本文一共有五章,内容纲要具体如下:
  
  第一章为绪论,包括本课题的研究背景与意义、国内外研究现状与发展趋势、课题研究主要任务和课题研究现状。
  
  第二章为车载无线通信系统优化设计方案选择,介绍目前客户正在使用的无线通信系统及对应的两种无线通信系统优化设计方案,并根据客户需求选出并课题所采用的优化设计方案。
  
  第三章介绍车载无线通信系统系统的优化设计实现,通过超段波电台通信距离估算、广域网设计、供电系统设计、话音集中控制设计,在本章节中,重点介绍的是话音集中控制的设计。
  
  第四章为车载无线通信系统的技术指标要求及系统测试结果和分析,介绍了系统的测试环境及在各环境下系统数据/话音通信效果,测试系统是否满足客户需求。
  
  第五章为总结和展望。
  
  【由于本篇文章为硕士论文,如需全文请点击底部下载全文链接】
 
  
  第二章 优化设计方法概述
  
  2.1 基于传统路由器的无线通信系统
  
  2.2 车载无线通信系统优化设计方案选择

  2.2.1 方案一、基于网络综合控制设备的车载无线通信系统
  2.2.2 方案二、基于传统路由器的带话音集中管理的无线通信系统
  2.2.3 方案选择
  
  2.3 基于网络综合控制设备的车载无线通信系统主要设备功能
  
  2.4 基于网络综合控制设备的车载无线通信系统数据/话音流向
  
  2.5 本章小结
  
  第三章 优化设计具体实现方法
  
  3.1 超短波电台通信距离估算
  
  3.2 基于网络综合控制设备的广域网设计
  
  3.3 基于网络综合控制设备的车载无线通信系统供电系统
  
  3.4 超短波电台话音的集中控制

  3.4.1 主控 CPU 交换单元
  3.4.2 模拟中继接口单元
  3.4.3 无线信道接口单元
  3.4.4 用户线接口单元
  3.4.5 软件联网接口设计
  3.4.6 话音点对多点处理机制
  
  3.5 本章小结
  
  第四章 系统测试结果和分析

  
  4.1 网络防护测试
  4.2 访问控制
  4.3 平原环境数据/话音测试
  4.4 短报文传输测试
  4.5 隔山环境数据/话音测试
  4.6 系统指标符合性
  4.7 本章小结

  第五章 总结

  本论文是一种基于电台的无线通信系统优化设计,其独特的电台无需值守功能最适合将系统可作为单独的子系统集成到车载、船载通信系统中。从测试结果来看,设计的车载无线通信系统的数据传输能力、话音集中管理能力得到提高,系统通信参数设置步骤得到极大简化,系统测试结果已达到客户对系统的技术指标要求。从方案选择、设备各参数的设置及设备间数据流方向、数据间传输协议的理解及到现实环境进行实际测试实验,让我学到了许多知识,学会如何应用各通信设备的强大功能灵活组建系统,为我今后设计其他同类型的通信系统奠定了基础。

  在实验过程中我发现电台在只需要做话音通信,不需要做数据通信时,可简单的将电台与网络综合控制设备连接的 K 口断开,也可以在不动系统中线路的前提下将电台中设置中电台的信息密钥修改为不一样,即可实现只传话音不通数据。由于我知识、经验等方面的限制,本设计也存在不少问题,例如被叫系统中如果存在多个席位话机,在被叫时不方便做替代接听的功能,只能固定一个席位话机作为电台的值守话机,或者需要改动配线架内走线更换为其他席位话机作为值守话机,对于这些和不足,我将在今后进一步改进和完善。

  参考文献

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