基于802.11b協議的單向遙測信息傳輸方法

董 珩，孫發魚，鄭小燕，馮 欣，宋鑫霞

（1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安710065；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安710065）

0 引言

彈箭遙測技術在常規武器的研制和發射試驗中，可以實時監控彈箭內部的工作狀態，測試并獲取飛行試驗過程中的各項數據，為評估和分析彈箭飛行過程中的故障提供依據，是提高試驗效率、縮短研發周期必不可少的重要的測量手段。

目前，我國常規武器遙測的信息傳輸大都采用PCM／FM 體制［1］，該體制傳輸精度高，具有一定信息傳輸速率，所以得到了廣泛的使用，其最大的傳輸速率達到2 Mb／s。現代常規武器在飛行試驗中需要測試的彈道參數由過去的幾十路增加到上百路甚至上千路，彈道參數越多，對傳輸速率的要求就越高，采用PCM／FM 體制進行信息傳輸，已不能滿足現代常規武器飛行試驗中對信息傳輸速率越來越高的要求［2］。針對國內常規武器飛行試驗中對遙測信息傳輸更高速率的要求，本文提出了基于802.11b協議的單向遙測信息傳輸方法。

1 遙測傳輸系統的構成

1.1 PCM／FM 體制

PCM／FM 體制的模擬／數字轉換采用集成電路實現。在同步信息被插入后，被測多路信號流成為PCM 串行數據流，進行調制載波以后被發射。接收端信號經過解調、位同步提取以及二進制碼判決，獲得重新建立的PCM 數據，原始被測信號被恢復。PCM／FM 體制的最高傳輸速率為2 Mb／s。PCM／FM 體制的原理框圖的如圖1所示。

圖1 PCM／FM 體制原理框圖Fig.1 Structure of PCM／FM

1.2 無線網絡

無線網絡是以疊加的層來組織的，其中一種重要的網絡體系結構為TCP／IP 參考模型，該模型包括四層，自下而上分別為主機至網絡層、互聯網層、傳輸層、應用層。

主機至網絡層中規定了主機必須通過某個協議連接到網絡，其中該層無線網絡協議有802.11a、802.11b和802.11g等。802.11b協議是普及最廣的標準，大部分無線網絡芯片都支持802.11b協議。802.11b協議的兼容性最好，802.11g 等新協議都與802.11b協議向后兼容［3］。802.11b協議的傳輸距離更遠，是802.11a的7倍。

802.11b 協議可細分為邏輯鏈路控制子層（LLC）、介 質 訪 問 控 制 子 層（MAC）和 物 理 層（PHY）。

802.11b協議在802.11的1 Mb／s和2 Mb／s速率下又增加了5.5 Mb／s和11 Mb／s兩個新的信息傳輸速率［4］。任何應用程序、網絡操作系統或者像TCP／IP、Novell NetWare都能夠在802.11b協議上兼容運行。基于802.11b協議的無線網絡工作在2.4GHz工業、科學和醫療（Industrial Scientific Medicine，ISM）頻段，該頻段為開放頻段，不用特別申請，無需許可證。802.11b協議的物理層采用直接序列擴頻（DSSS），同跳頻擴頻（FHSS）相比，其信息傳輸速率更高，傳輸距離比跳頻擴頻和紅外物理層都要遠，具有很好的可靠性，抗干擾能力也大為增強。802.11b協議采用BPSK 和QPSK 編碼方式，大部分情況下傳輸速率可達到11 Mb／s 和5.5 Mb／s，只有在干擾太大、信噪比低于閾值時，信息傳輸速率會調整為2 Mb／s和1 Mb／s［5］，以保證設備間的通信質量。

傳輸層作用是允許發送端和接收端上的應用程序之間可以對話，傳輸層中定義了兩個端對端的傳輸協議：傳輸控制協議（TCP，Transport Control Protocol）和用戶數據報協議（UDP，User Datagram Protocol）。其中TCP 協議是面向連接的，UDP 協議是無連接的。

在用戶數據報協議中，接收端向發送端提交發送數據的請求和收到數據的情況等信息，是雙向的信息傳輸。

1.3 遙測信息傳輸

目前，常規武器的遙測信息傳輸是彈箭端到地面站的單向傳輸，不支持雙向傳輸。在遙測信息傳輸時，要求彈箭端的設備以恒定的信息傳輸速率發送數據，允許有一定程度的數據丟失和誤碼，但不允許有過大的時延。

2 基于802.11b協議的單向遙測信息傳輸方法

2.1 802.11b協議的實現

基于802.11b協議的遙測信息傳輸，系統原理框圖如圖2所示。

圖2 基于802.11b協議的遙測信息傳輸方法原理框圖Fig.2 Telemetry Transmission Method Based on 802.11b

傳感器采集的原始數據，經過電路轉換以及PCM 編碼后，PCM 碼流通過無線網絡進行傳輸。接收端接收到數據后，進行PCM 解碼和分路可獲得原始數據。無線網絡發射和接收模塊是采用Ralink公司RT3070芯片為核心實現的，RT3070芯片實現了802.11b協議，最高通信速率可達到11 Mb／s。無線網絡發射和接收模塊電路設計如圖3所示。

其中穩壓器向USB接口電路提供5V 的電壓，向RT3070芯片和功率放大器提供3.3V 的電壓，發射時，PCM 碼流通過USB 接口輸入到RT3070芯片，RT3070芯片將數據編碼后，經過帶通濾波器及功率放大器，數據通過天線發送。接收時，RT3070芯片完成數據的解碼，還原出PCM 碼流，通過USB接口輸出。

圖3 基于RT3070的無線網絡收發模塊Fig.3 Wireless Network Module Based on RT3070

2.2 遙測信息的單向傳輸

用戶數據報協議沒有擁塞控制功能，當出現擁塞時不會改變發送端的發送速率，這就能滿足遙測信息傳輸的實時性的要求。但是用戶數據報協議采用雙向信息傳輸，必須進行修改，滿足遙測信息傳輸所需要單向傳輸的要求。

由于用戶數據報協議具有雙向發送數據的功能，因此采用數據包丟掉的方式，將發送端的數據接收功能屏蔽，將接收端數據發送功能屏蔽掉。

接收端在接收到數據后，會自動產生ACK（Acknowledge Character）信號，告知發送端已經接收到數據，如圖4所示。這一過程違背了單向傳輸要求，所以在接收端將發送ACK 信號的功能屏蔽。發送端具有超時重發的功能，發送端接收不到ACK 信號時，會不斷地重發數據包，導致系統不可用，因此在發送端將等待ACK 信號超時重發功能屏蔽。

圖4 用戶數據報協議中的雙向信息傳輸Fig.4 Information Exchange in UDP

綜上所述，要實現單向傳輸需要對用戶數據報協議進行以下功能修改：

1）屏蔽發送端數據接收功能，屏蔽接收端數據發送功能；

2）屏蔽接收端ACK 信號發送功能；

3）屏蔽發送端等待ACK 信號超時重發功能。

基于802.11b協議的單向遙測信息傳輸方法，采用802.11b協議，實現了更高的信息傳輸速率，通過使用修改后的傳輸層用戶數據報協議，實現單向的遙測信息傳輸，信息傳輸速率最高可達到11Mb／s。

3 驗證

基于以上設計方案，搭建了硬件測試平臺，對系統進行了測試。測試系統框圖如圖5所示。無線網絡收發模塊通過USB接口連接到計算機上，可以通過計算機控制接收和發射數據。發射端輸出信號直接推動8 W 功率放大器，發射天線采用S 波段天線，增益為0dB，接收端為高增益定向天線，增益為24dB。工作頻率選擇靠近S波段的無線網絡1信道（2 412MHz），采用修改后的用戶數據報協議實現點到點單向的傳輸方式傳輸信息。測試中分別選擇1km、2km、3km 等不同距離進行性能測試，發射端和接收端之間無障礙物遮擋，每次發送10 000幀數據，分別測試兩次。傳輸速率應高于傳統的PCM／FM 體制，為了保證傳輸的可靠性，根據以往產品的要求，誤碼率不能高于10-4。

圖5 測試系統框圖Fig.5 Testing System

通過對發送端和接收端數據進行對比計算，得到基于802.11b協議的單向遙測信息傳輸誤碼率。同時用PCM／FM 體制進行對比實驗，傳輸同樣的一組數據，得到PCM／FM 體制的傳輸速率。實驗的數據如表1所示。

表1 單向遙測信息傳輸試驗信息傳輸速率Tab.1 Data Transmission Speed

從表1中可分析出，基于802.11b協議的單向遙測信息傳輸方法速率高于傳統的PCM／FM 體制；信息傳輸速率隨著傳輸距離的增大會有所下降，平均信息傳輸速率約為5 Mb／s，最高信息傳輸速率可達到約8 Mb／s。誤碼率均小于1.0×10-4，能夠滿足信息傳輸可靠性的要求。

實驗驗證表明，本文提出的基于802.11b協議的單向遙測信息傳輸技術傳輸性能良好，高于傳統PCM／FM 體制的傳輸速率，能夠滿足遙測信息傳輸更高速率的要求，同時還具有體積小、成本低、功耗低等特點。

4 結論

本文提出了基于802.11b協議的單向遙測信息傳輸方法，該方法通過基于802.11b協議的無線網絡實現更高的信息傳輸速率，通過修改并使用傳輸層的用戶數據報協議，實現單向的遙測信息傳輸。實驗驗證表明，該單向遙測信息傳輸的傳輸性能良好，高于傳統PCM／FM 體制的傳輸速率，信息傳輸速率最高可達到11 Mb／s，能夠滿足遙測信息傳輸更高速率的要求。

［1］唐強，駱海濤，鄭小燕，等.基于無線傳感器網絡節點的高速無線組網傳輸方法［J］.探測與控制學報，2014，36（2）：69-73.

［2］許齊敏.高速無線數據采集終端的設計與優化［D］.秦皇島燕山大學，2013.

［3］Specifications of the IEEE 802.11bSystem［M］.New-York：IEEE，1999.

［4］王忠鋒，高路，王宏.基于802.11b 的無線現場設備通信協 議 的 研 究［J］.計 算 機 應 用 研 究，2003，20（11）：149-151.

［5］楊遠紅.無線局域網（802.11b）監測設備MAC 層及TCP／IP 層 的 研 究 與 實 現［D］.北 京：北 京 郵 電 大學，2006.