OFDM工業(yè)控制總線在軍用車載通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

蘇盤社 邵繼超

（北京東土軍悅科技有限公司 北京市 100041）

1 引言

隨著智能汽車的發(fā)展，軍用車輛也邁入了智能汽車的行列，現(xiàn)代軍用車載通信系統(tǒng)包括的設(shè)備種類和功能越來越多。對(duì)于軍用裝甲車輛，比如坦克，除了常規(guī)的動(dòng)力傳動(dòng)、安全氣囊等智能電子設(shè)備外，還包括火力控制、對(duì)抗防御和戰(zhàn)場(chǎng)指揮等智能電子設(shè)備。現(xiàn)有軍用車載通信系統(tǒng)大都采用CAN 總線、1553B 總線和MIC 總線。現(xiàn)有總線需要犧牲傳輸帶寬和簡(jiǎn)單的布線結(jié)構(gòu)以換取高實(shí)時(shí)性、傳輸距離遠(yuǎn)等特性[1]。本文在軍用車載通信系統(tǒng)中應(yīng)用基于OFDM體制的高速總線系統(tǒng)，能夠適應(yīng)實(shí)時(shí)性高、傳輸距離遠(yuǎn)等通信需求，且?guī)捓寐矢摺⒉季€簡(jiǎn)單。

2 OFDM工業(yè)控制總線簡(jiǎn)介

OFDM 是指多載波正交頻分復(fù)用，時(shí)域上最小時(shí)間粒度為一個(gè)符號(hào)，如圖1所示。一個(gè)符號(hào)包括若干個(gè)子載波，各子載波相互正交，如圖2所示。最小時(shí)頻單元為一個(gè)符號(hào)的一個(gè)子載波[2]。

OFDM工業(yè)控制總線采用有線傳輸，布線簡(jiǎn)單。一種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線型，如圖3所示。總線上有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、一個(gè)備份主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)資源分配、接入等工作，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，由備份主節(jié)點(diǎn)代替主節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在屬于自己的符號(hào)時(shí)間段內(nèi)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)其他符號(hào)不發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。

3 應(yīng)用特點(diǎn)

3.1 適應(yīng)不同的通信終端分布

根據(jù)軍用車載需要裝備的通信終端數(shù)量、種類和分布的不同，需要采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。除了典型的總線型結(jié)構(gòu)，還可以采用環(huán)型結(jié)構(gòu)，如圖4所示。因此靈活可配的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很好地適應(yīng)一些不同的作戰(zhàn)需求。

3.2 適應(yīng)不同的通信需求

3.2.1 傳輸距離

車載通信終端之間的距離會(huì)隨其數(shù)量和布局而變化，傳輸距離的變換會(huì)影響信道的分布，最終會(huì)影響信噪比。在其他參數(shù)不變的情況下，信噪比過低會(huì)導(dǎo)致通信間斷或終止[5]。

OFDM工業(yè)控制總線可以通過調(diào)整一些參數(shù)彌補(bǔ)甚至完全補(bǔ)償因?yàn)閭鬏斁嚯x的變化導(dǎo)致的信噪比降低。

通過調(diào)整調(diào)制方式。在傳輸距離遠(yuǎn)、信道差、信噪比低的惡劣條件下，可以選擇低階調(diào)制使得具有較低的解調(diào)門限，采用糾錯(cuò)數(shù)多的RS 碼和低卷積速率的卷積碼。比如在傳輸距離高于一定門限時(shí)，選擇RS(239,207)、1/2 卷積率、16QAM 的組合；傳輸距離低于一定門限時(shí)，選擇RS(119,103)、3/4 卷積率、256QAM 的組合。

圖1：時(shí)間粒度示意圖

圖2：一個(gè)符號(hào)的頻域結(jié)構(gòu)

圖3：總線型結(jié)構(gòu)

圖4：環(huán)型結(jié)構(gòu)

通過調(diào)整符號(hào)長(zhǎng)度。傳輸距離越遠(yuǎn)，多徑延時(shí)越大，長(zhǎng)符號(hào)的循環(huán)冗余更長(zhǎng)，能夠?qū)垢蟮亩鄰窖訒r(shí)。因此傳輸距離較遠(yuǎn)、對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高時(shí)可以選擇長(zhǎng)符號(hào)模式。如圖5所示，模式0 的符號(hào)長(zhǎng)度是模式1 的兩倍。傳輸距離遠(yuǎn)時(shí)選擇模式0，傳輸距離近時(shí)選擇模式1。

圖5：不同符號(hào)長(zhǎng)度示意圖

圖6：時(shí)頻資源分配示意圖

圖7：混合導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)示例

3.2.2 實(shí)時(shí)性

當(dāng)車載通信終端通信頻率高且需要快速響應(yīng)時(shí)，需要通信總線系統(tǒng)能夠具有足夠的實(shí)時(shí)性。OFDM工業(yè)控制總線結(jié)合自身的通信體制特點(diǎn)和調(diào)整參數(shù)可以滿足一定的實(shí)時(shí)性要求。

OFDM工業(yè)控制總線采用OFDM 通信體制，可以以最小時(shí)頻資源為粒度分配資源給各終端。給一次傳輸數(shù)據(jù)量大的終端分配更多的時(shí)頻資源，給一次傳輸數(shù)據(jù)量小的終端分配更少的時(shí)頻資源。如圖6所示，用戶A 需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，僅分配一個(gè)資源塊，用戶C 需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，分配多個(gè)資源塊。

通過調(diào)整符號(hào)長(zhǎng)度。其他條件不變時(shí)，短符號(hào)使得每個(gè)用戶占用總線的時(shí)間更短，在實(shí)時(shí)性要求高時(shí)可以采用短符號(hào)。可以靈活配置不同的符號(hào)長(zhǎng)度適應(yīng)不同的實(shí)時(shí)性需求。

3.3 高頻帶利用率高

3.3.1 導(dǎo)頻圖案

當(dāng)軍用車載通信終端需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不同或?qū)崟r(shí)性需求不同時(shí)，若按照固定模式分配時(shí)頻資源將導(dǎo)致資源的利用率低[6]。

OFDM工業(yè)控制總線可以采用頻域離散導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)、頻域連續(xù)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)以及頻域離散和頻域連續(xù)混合導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)。

頻域離散和頻域連續(xù)混合導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)如圖7所示，一個(gè)符號(hào)包括8 個(gè)子載波，一個(gè)分配周期包括4 個(gè)組，一組包括4 個(gè)符號(hào)，將每個(gè)符號(hào)劃分成2 個(gè)子帶，每個(gè)子帶包括4 個(gè)子載波。子帶的劃分和導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的分布如圖7所示，每組包括8 個(gè)子帶，將2 個(gè)子帶配置為2 個(gè)頻域離散導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，6 個(gè)子帶配置為2 個(gè)頻域連續(xù)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，頻域連續(xù)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的最小分配單元為同頻段連續(xù)符號(hào)的3 個(gè)子帶。

可以根據(jù)需要靈活地分配時(shí)頻資源給用戶。當(dāng)某個(gè)用戶在短時(shí)間內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大時(shí)，可以將一個(gè)分配周期里的多個(gè)頻域連續(xù)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)子帶分配給該用戶。當(dāng)多個(gè)用戶需要傳輸數(shù)據(jù)且每個(gè)用戶對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，可以將一個(gè)分配周期里的頻域離散導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)子帶分配給這些用戶。

3.3.2 子帶的分配

當(dāng)兩個(gè)終端的傳輸距離遠(yuǎn)時(shí)，信道在高頻帶衰減嚴(yán)重。因此可以將低頻子帶分配給傳輸距離較遠(yuǎn)的終端，將高頻子帶分配給傳輸距離較近的終端，提高頻帶利用率。

4 結(jié)語

本文在軍用車載通信系統(tǒng)中應(yīng)用基于OFDM 體制的高速總線系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的通信終端分布，能夠支持總線型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的通信需求，通過調(diào)整符號(hào)長(zhǎng)度、調(diào)制方式等參數(shù)可以適應(yīng)不同的傳輸距離、實(shí)時(shí)性要求和傳輸數(shù)據(jù)量的不同。本系統(tǒng)通過設(shè)置不同的導(dǎo)頻圖案和靈活分配時(shí)頻資源使得頻帶利用率高。因此，本系統(tǒng)能夠適應(yīng)實(shí)時(shí)性高、傳輸距離遠(yuǎn)等通信需求，且?guī)捓寐矢摺⒉季€簡(jiǎn)單。