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    基于嵌入式系统的无线信息共享系统研究

    时间:2018-09-08 17:38:44  来源:本站  作者:

      信息化战争已经成为现代战争中不可或缺的一部分。在信息化战争中的一个重要特点是单兵武器装备之间能实现横向的无线组网,形成信息网络系统,达成信息资源共享,从而及时洞察战场各处的作战态势。目前,各军事强国都展开了无线信息共享系统的研究,如美国的陆地勇士系统,英国的FIST计划,法国的SC系统等。

      嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础的专用计算机系统,其软硬件资源是可裁剪的,能够满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求。他可以方便地集成到便携式侦察设备等武器装备之中,完成对武器设备的控制、监视或管理等功能。把嵌入式系统与无线传输相结合而诞生的嵌入式无线信息共享系统,具备了专业的数据处理能力及实时性的共享数据传输能力,将武器装备所探测到的信息和自身的状态信息及时的在我方无线节点中传输,使武器装备的战斗性能得到了大幅度的提升,增强了作战系统的协同性。

      作为无线信息共享系统网络节点的OSI参考模型最低层的物理层和数据链路层,担负着射频调制和在无线链路上建立可靠和安全的逻辑链路的任务。其直接决定了整个无线信息共享系统的传输速率和覆盖范围,因此选择一种适于专用作战环境的无线传输协议来规范物理层和数据链路层就显得尤为重要。 目前IEEE制定的应用于无线连接的传输协议主要可以分为三类,他们分别是IEEE802.15系列协议,IEEE802.11系列协议以及IEEE802.16系列协议,按其不同的功能侧重点分别被应用于不同的领域。

      IEEE802.15系列协议主要应用于近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线个人网(WPAN)。Blueteeth技术采用了IEEE802.15.1规定的物理层和数据链路层标准,Zigbee技术采用了IEEE802.15.4规定的物理层和数据链路层标准。IEEE802.15.4的物理层在3个频段上共定义了27个物理信道。在频带868 MHz,902~928 MHz和2.45 GHz上的数据率分别为20 kb/s,40 kb/s和250 kb/s。在868/915 MHz频段上的11个信道均采用BPSK调制,而2.45 GHz上的16个信道采用O-QPSK调制。其可以覆盖近距离约几十米的通信范围,目前其主要被应甩作为无线传感器网络的通信标准。

      IEEE802.11a/b/g/e/f系列协议具有了较高的传输速率,主要应用于无线局域网WLAN)。目前应用比较广泛的是IEEE802.11g协议,其在2.4 GHz频段上划分了11个信道,对物理层和数据链路层进行了规范,可以采用FHSSDSSSOFDM调制方式,使得可选择的传输速率最高可达到54 Mb/s,无线 km。TI,MAXIM等厂商针对该协议都生产了大量的无线接入产品。

      IEEE802.16系列协议工作于2~66 GHz的频段,其调制方式包括了单载波,OFDM以及OFDMA,因而具有了更高的传输速率及覆盖范围,应用于无线城域网(WMAN)。其中IEEE802.16d和IEEE802.16e分别用于固定带宽无线接入和移动带宽无线接入,其标称的传输速率达到了70 Mb/s,覆盖范围为50 km左右。然而,其高速的编码解码速度和复杂的调制方式对硬件的要求很高,目前市面上使用该协议的无线接入产品还很少,各大厂商更多的还是在从事芯片的生产和评估。

      为了加快整个无线信息共享系统的构建,需要一种能快速投人生产形成战斗力的底层传输协议来支持,因此应用产品种类多,技术理论相当成熟的IEEE802.11g协议就成为当前的最佳选择,为了使各无线网络节点在实际工作中能在更大的覆盖范围内工作,我们可以在实际应用中加装二级功率放大器实现。

      在确立了物理层和数据链路层的传输规范之后,根据IEEE802.11g协议所支持的网络拓扑结构来进行分析和选择。IEEE802.11g规范了两种基本的网络结构:独立基本服务集和扩展服务集。前者也就是Ad Hoc网络,网络中的任何两个节点可以通过节点间的多跳数据转发进行通信,不需要固定的基站来进行数据转发。后者可以看作是多个独立基本服务集的集合,各个独立基本服务集之间通过基站来进行数据的续传和转发。鉴于Ad Hoc网络特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点,他将是未来数字化战场通信的首选技术。在战时通信基础设施受到破坏而瘫痪时,网络中的各个节点可以继续完成数据的传输,从而顺利完成作战任务。因此,在本文构建的无线信息共享系统采用了Ad Hoc网络结构。

      组建网络所要考虑的另一个关键因素是数据在网络中的路由算法。针对不同的策略和应用场合,各研究机构已经开发出了大量的Ad Hoc路由算法,其中AODV路由协议是一种典型的按需距离矢量路由算法。在采用AODV路由协议的网络中,源节点并不维持一个路由表,而是根据需要创建路由。当有数据包需要传送时,为了寻找路径,源节点广播路由请求分组,邻近节点收到广播后再向其他邻近点广播,直到到达目的地或者到达已有最新路由的中间节点。路由请求分组采用序列号编码以避免环路,并保证中间节点只回应最新的信息。若源节点发生移动,路由表必须重新初始化;若中间节点移动,其邻近点会发现链路的失效,并将链路失效的信息通告其上行邻近点,直到源节点收到该信息,然后根据需要重新构造路由。AODV算法采用了逐跳路由、序列编号和周期更新的机制,减少了创建路由所需的广播数,适用于战时的移动无线组网。

      数据传输的安全问题也是无线信息共享系统不容忽视的方面,在IEEE802.11协议中规定了共享密钥鉴权机制,要求建立连接的双方必须有一个公共的密钥,同时要求双方支持WEP加密,然后使用WEP对测试文本进行加密和解密,以此来证明双方拥有相同密钥,从而有效地防止了数据的外泄。

      无线信息共享系统网络节点的硬件结构包括了两个主要模块:嵌入式中央控制模块和无线收发模块。嵌入式中央控制系统集成了ARM9处理器,RS 232接口,RJ 45接口,SD card接口,音频接口,IDE接口,可以方便地扩展音频视频等各种信息采集模块。无线g标准的射频前端。网络节点的硬件组成模块如图1所示,嵌入式中央控制模块通过交叉以太网线来完成对无线收发模块的控制。

      嵌入式中央控制模块采用了Windows CE 5.0操作系统作为软件平台,Windows CE 5.0是微软公司向嵌入式领域推出的一款操作系统,他最大程度地继承了桌面版Windows操作系统的丰富功能,同时又加入了许多新特性,以适应嵌入式领域的实际情况和要求。WindowsCE 5.0操作系统的网络功能十分强大,支持IEEE802.11协议、IEEE802.3协议、IEEE802.5协议、HTTP协议、TCP/IP协议等所有主流网络协议。其内置的通信模块可以为嵌入式系统提供对多种硬件和数据传输协议的支持,包括串/并行数据端口、红外数据端口以及电话应用程序接口。我们使用MicrosoftPlatform Builder 5.0来构造Windows CE 5.0的内核OS,Embedded VC++4.0来为Windows CE开发实现无线信息共享的应用软件。由于Windows CE操作系统所支持的API函数库是桌面Windows操作系统API函数库的子集,而且嵌入式操作系统的内存等资源有限,在编译时要综合考虑这些限制因素才能实现能稳定运行的应用软件。无线信息共享系统的单个网络节点通过应用软件进行文件共享时的工作状态如图2所示。

      无线通信模块采用了Marvell公司的88w8000与88w8515芯片的组合,以eCos嵌入式可配置操作系统作为软件平台。eCos具有可配置性、可裁减性、可移植性和代码体积小的优势。他提供了功能强大的配置系统,可以在源码级实现对系统的配置和裁减,并且实现最小功能的eCos系统可以只有几百字节,方便的存储于FLASH。88w8515是集ARM9处理器、以太网MAC/BB处理器、IEEE802.11 MAC/BB处理器于一身的SoC,88w8000是工作于2.4 GHz频段的IEEE802.11g无线收发芯片。通过JTAG接口,我们可以对无线收发模块底层固件进行不断的修改和完善。整个无线信息共享系统工作时,数据文件在两个节点中的收发流程如图3所示。

      本文建立了一种基于Ad Hoc网络的专用无线信息共享系统,对无线网络节点的软硬件平台进行了设计和实现,为电子侦查信息一体化的建设提出了一种切实可行的方案,并进行了多次实地测试。该系统采用了模块化设计,可以根据实际需要在中央控制模块中扩展视频信息、音频信息、位置信息等数据采集设备,嵌入到战时单兵侦察的武器装备中完成对战场环境的综合信息融合。尤其是加装位置传感器后,可以通过软件控制实现无人职守,从而加装在导弹中,实现多弹之间对位置信息的传递,完成多弹编队的立体化打击。

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