CN104640124A - 新型无线接入切换中实现数据传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法功耗低，延时短，使用两节五号干电池可使用八到二十个月，接入网络时间通常只需三十秒左右；相对其他无线通信技术来说，其20～250kbit/s的低速率，可以适应数据传输要求低的客户需求，降低使用的成本。

Description

新型无线接入切换中实现数据传输的方法

 [0001] 新型无线接入切换中实现数据传输的方法属于通讯信息领域。

控制器

控制器通过其提供的与交换机、基站和操作维护中心的接口与这些功能实体相连接。

控制器的主要功能是处理用户的呼叫（包括呼叫建立、拆线等）、对基站进行管理，通过基站进行无线信道控制、基站监测和对固定用户单元及移动终端进行监视和管理。

操作维护中心

操作维护中心负责整个无线接入系统的操作和维护，其主要功能是对整个系统进行配置管理，对各个网络单元的软件及各种配置数据进行操作：在系统运转过程中对系统的各个部分进行监测和数据采集；对系统运行中出现的故障进行记录并告警。除此之外，还可以对系统的性能进行测试。

基站通过无线收发信机提供与固定终接设备和移动终端之间的无线信道，并通过无线信道完成话音呼叫和数据的传递。

控制器通过基站对无线信道进行管理。

基站与固定终接设备和移动终端之间的无线接口可以使用不同技术，并决定整个系统的特点，包括所使用的无线频率及其一定的适用范围。

固定终接设备为用户提供电话、传真、数据调制解调器等用户终端的标准接口--Z接口。它与基站通过无线接口相接。并向终端用户透明地传送交换机所能提供的业务和功能。

固定终接设备可以采用定向天线或无方向性天线，采用定向天线直接指向基站方向可以提高无线接口中信号的传输质量、增加基站的覆盖范围。根据所能连接的用户终端数量的多少；固定终接设备可分为单用户单元和多用户单元。

单用户单元（SSU）只能连接一个用户终端；适用于用户密度低、用户之间距离较远的情况；多用户单元则可以支持多个用户终端，一般较常见的有支持4个、8个、16个和32个用户的多用户单元，多用户单元在用户之间距离很近的情况下（比如一个楼上的用户）比较经济。

移动终端从功能上可以看作是将固定终接设备和用户终端合并构成的一个物理实体。

由于它具备一定的移动性，因此支持移动终端的无线接入系统除了应具备固定无线接入系统所具有的功能外，还要具备一定的移动性管理等蜂窝移动通信系统所具有的功能。

如果在价格上有所突破，移动终端会更受用户及运营商的欢迎。

装置主要分为两个部分：

a.电量采集发射单元，包含电压、电流互感器，单片机和无线发射单元。

b.无线接收单元和用于显示数据的监测计算机。

设计的数据采集系统工作原理是：

在线路上需要数据采集的位置点安装电量采集发射单元，通过其中的电压电流互感器采集模拟信号，单片机把采集到的模拟信号进行AD转换，得到的数字信号通过单片机的SPI接口传输给无线发射芯片nRF2401进行数据的发射；在接收端，无线接收芯片收到有效数据后传送给单片机，单片机通过USB接口与监测计算机进行数据通信，用户可以在监测计算机的用户界面上看到数据及波形。

无线通信器件的选型。

无线通信方案有多种，其中由于应用环境和距离等因素的作用，使得蓝牙技术与射频技术显得更加适合本设计方案。

通过比较，射频芯片具有许多优越的特征，集成了内部的基带处理器，备调试容易，且速率也较蓝牙高，通信距离长，成本相对较低，

因此在满足本系统各方面要求的提下，决定采用nRF2401 射频芯片作为本系统的通信模块。

单片机器件的选型。

系统的数据采集部分是以微控制器为核心，对整个系统的各种操作通常都是由微控制器来完成的，对于本系统来说，微控制器的选择以单片机为主，AVR、PIC等单片机无论在功能还是速度上都可满足本系统的要求。

但PIC单片机采用精简指令集，编程比较简单，同时具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。

数据采集模块部分的硬件设计。由于单片机内部A/D转换只能接受正电平，所以从互感器输出的模拟波形需使用运算放大器抬升电平。

在放大器的硬件设计中，设置了两路输入，分别利用放大器的两通道进行电平抬升。

抬升后的电压从OUTI和OUTZ口输出。

无线通信模块部分的硬件设计。PIC16LF818 单片机的同步串行接口模块有SPI和I2C两种模式，而nRF2401 用的是DRI，CLK和DATA三线传输。

考虑到速率的因素，单片机和nRF2401 的连接准备用SPI（SerialPeripheralInterface，串行外设接口） 接口实现。

单片机SPI串行接口与无线射频芯片的接口连接，SDI和SDO 口接DATA端，完成单片机与无线射频芯片的数据交换；CE、CS、PWR 口完成射频芯片的模式控制，CLK1 口作为时钟信号的输入口，DR1 口传输的信号表示接收信号己准备。

本系统中，数据采集端和数据接收端设置成同一个通信频率，它们之间通过地址加以区分。

数据接收端依次向各个数据采集端发送数据请求命令，采集模块接收到该命令后，向接收模块发送应答命令，建立与接收端的通信连接，然后将采集到的实时数据打包发出。

这样就保证了在任何时刻都只有一个采集模块在与接收模块进行通信，整个点对多点的无线通信过程转化成多个点对点的通信过程，避免了数据冲突。

系统软件开发。

除主控计算机程序外，系统软件均由C51 编程实现。

程序主要由以下功能模块组成：上电初始化程序、无线收发程序、数据包打包拆包程序、数据处理程序。

采集端和接收端在上电后首先调用初始化程序，完成无线收发频率、工作模式、发射速率、A／D转换器精度及其它内部寄存器的初始化配置；无线收发程序负责接收和发送经过打包后的数据；数据打包程序将采集数据根据通信协议加上帧头、地址、CRC 校验字节，形成完整的数据包；数据拆包程序根据通信协议将接收到的数据包去掉帧头、地址信息、取出其中的有用数据，并检验数据包中的CRC字节以检验接收到的数据的正确性；具体源代码不一一列出，系统无线通信流程。

系统采用高集成度无线收发一体芯片nRF24E1 作为无线传输芯

片，大大减少了系统的体积，降低了系统功耗，降低了系统硬件和软件设计的难度。

实验表明，本文设计的系统功耗低，数据传输可靠性高。

这里设计的无线系统可用于在条件恶劣不易布线的环境下采集温度、压力、流量及气体浓度检测，为低成本实现近距离无线通信提供了一套解决方案。

本系统稍加改造，还可用于油田或管道远程数据采集，智能交通管理系统、餐饮点菜系统及小区抄表系统等多种领域，具有广阔的应用前景。

新技术的崛起，将会深刻的改变着无线通信未来技术发展走向。

未来的无线通信网络将会呈现综合化、一体化、宽带化趋势。

从目前移动通信的技术发展来看，LTE技术将会变成主导，形成对全世界移动网络的无缝覆盖；而WLAN、WiMAX等宽带接入技术，将因

其自己不同的技术特点，在不同覆盖范围与移动通信网络形成有效互补。未来，宽带化将变成无线通信技术的演进方向。

无线通信领域各种技术互为补充。

不同的接入技术都有不同的覆盖范围、技术特点和接入速率。

根据无线宽带接入技术特点，在不同覆盖范围或应用区域内，各种宽带无线技术与移动通信网络形成有效互补，可实现近距离的超高速无线接入，可解决中距离的较高速数据接入。

信息个人化是发展的主要方向之一。

而移动正是实现未来信息个人化的重要技术手段，在智能移动终端上，实现各种应用正逐步成为人们关注的焦点之一。

移动智能网技术与技术的组合将进一步推动全球个人通信的趋势。

网络融合趋势。网络融合已成为电信业发展的大趋势，主要体现在：

移动与固定网络融合，通信网、计算机网与广播电视网融合（也

即三网融合），信息通信网络与基于传感器和RFID的现实物质网融合。

在未来NGN概念中，固定网络将形成一个高带宽、IP 化、具有强QoS

保证的信息通信网络平台，而3G、宽带固定无线接入、各种无线局域

网或城域网方案，都将成为大NGN平台的延伸部分。

在信息化社会，短距离无线通信技术随着各种网络终端、工业控

制的自动化和家庭的智能化等需求的增加，在社会生产生活中的地位越来越明显，Zigbee 技术则可以满足目前社会对短距离无线电通信的需要。

Zigbee 一个重要的优点是功耗低，延时短，使用两节五号干电池可使用八到二十个月，接入网络时间通常只需三十秒左右。

相对其他无线通信技术来说，其20～250kbit/s 的低速率，可以适应数据传输要求低的客户需求，降低使用的成本。

与Wi- Fi技术相比，虽然Wi- Fi传输速率比Zigbee 有一定的优势，但是从运行成本分析，Zigbee 技术低成本的优势，将会促进其更加广泛地应用开来。

3G时代的来临  3G（3rdGeneration） 是指第三代移动通信。国际电信联盟（ITU）推荐了世界3G 三大主流标准，为WCDMA、cdma2000、TD- SCDMA。

其中，TD- SCDMA是我国具有自主知识产权、被国际上广泛接受和认可的国际标准。

这三种主要的技术在技术特点上，各有所长，是3G技术应用的主流。

3G网络的优势是支持不同蜂窝之间的信号切换的蜂窝架构，可以向电信用户提供全网络覆盖的移动通信，可以支持提供移动环境下的数据服务。

在信号上，3G技术可以同时支持语音和数据信号。

目前，我国已经发放3G网络牌照，各大移动运营商已经建立起了大规模的3G网络，3G已经成为了人们日常生活的一部分。

后3G时代的LTE技术   

作为后3G（Beyond 3rd- Generation，B3G）时代的技术主流，3G长期演进技术（LongTerm Evolution，LTE）同3G比较，LTE 具有更高容量、更高频谱效率和低时延的特点。

LTE 在移动通信环境下，下行最高速率可达到100Mbps，上行最高速率可达到50Mbps。

LTE项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采

用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing） 和MIMO

（Multiple- InputMultiple- Output） 作为其无线网络演进的标准。

在未来无线通信技术的发展方向上，移动网络技术演进路径主要有三条：一是WCDMA和TD- SCDMA，都从HSPA演进至HSPA+，直至到LTE；二是CDMA2000 沿着EV- DORev.0/Rev.A/Rev.B，到达LTE；三是802.16m 标准的WiMAX方向。从中可以看出，LTE 被广泛采用，有最强的发展潜力。

准4G技术标准WiMAX   4G（4th- generation） 主要是以正交频分复用（OFDM） 为技术核心。从技术标准的角度看，静态传输速率达到1Gbps，用户在高速移动状态下可以达到100Mbps，就可以作为4G 的技术之一。

（三）定义及应用

无线接入是指从交换节点到用户终端之间，部分或全部采用了无线手段。

典型的无线接入系统主要由控制器、操作维护中心、基站、固定用户单元和移动终端等几个部分组成。

各部分所完成的数据传输（data transmission）就是依照适当的规程，经过一条或多条链路，在数据源和数据宿之间传送数据的过程。

也表示借助信道上的信号将数据从一处送往另一处的操作。

在工业生产过程中，尤其是石油天然气开采、储运过程中，经常需要对温度、压力、流量等物理量进行实时检测和监控。

当前的采集方式多采用上位机———下位机模式，两者之间通过有线方式传输数据，但是当测量对象为运动物体或者是应用在在腐蚀和爆炸环境中，上位机和下位机之间的有线连接方式的应用受到了限制。

针对工业现场环境，利用nRF24E1 设计了一个体积小，功耗低，数据传输可靠的点对多点的无线射频数据采集系统，实现了对多个采样点的实时数据无线采集。

数据传输（data transmission）就是依照适当的规程，经过一条或多条链路，在数据源和数据宿之间传送数据的过程。

也表示借助信道上的信号将数据从一处送往另一处的操作。

数据传输可以方便地实现远程文件和多媒体信息的传输。

分类：

基带传输是指由数据终端设备（DTE）送出的二进制“1” 或“0”的电信号直接送到电路的传输方式。

基带信号未经调制，可以经过码形变换（或波形变换）进行驱动后直接传输。

基带信号的特点是频谱中含有直流、低频和高频分量，随着频率升高，其幅度相应减小，最后趋于零。

基带传输多用在短距离的数据传输中，如近程计算机间数据通信或局域网中用双绞线或同轴电缆为介质的数据传输。

大多数传输信道是带通型特性，基带信号通不过。

采用调制方法把基带信号调制到信道带宽范围内进行传输，接收端通过解调方法再还原出基带信号的方式，称为频带传输。

这种方式可实现远距离的数据通信，例如利用电话网可实现全国或全球范围的数据通信。

数字数据传输是利用数字话路传输数据信号的一种方式。

例如，利用PCM（脉冲编码调制）数字电话通路，每一个话路可以传输64kbit/s的数据信号，不需要调制，效率高，传输质量好，是数据通信很好的一种传输方式。

并行传输是构成字符的二进制代码在并行信道上同时传输的方式。

例如，8单位代码字符要用8条信道并行同时传输，一次即可传一个字符，收、发双方不存在字符同步问题，速度快，但信道多、投资大，数据传输中很少采用。

不适于做较长距离的通信，常用于计算机内部或在同一系统内设备间的通信。

串行传输是构成字符的二进制代码在一条信道上以位（码元）为单位，按时间顺序逐位传输的方式。

按位发送，逐位接收，同时还要确认字符，所以要采取同步措施。

速度虽慢，但只需一条传输信道，投资小，易于实现，是数据传输采用的主要传输方式。也是计算机通信采取的一种主要方式。

异步传输是字符同步传输的方式，又称起止式同步。

当发送一个字符代码时，字符前面要加一个“起”信号，长度为1个码元宽，极性为“0”，即空号极性；而在发完一个字符后面加一个“止”信号，长度为1，1.5（国际2号代码时用）或2个码元宽，极性为“1”，即传号极性。

接收端通过检测起、止信号，即可区分出所传输的字符。

字符可以连续发送，也可单独发送，不发送字符时，连续发送止信号。

每一个字符起始时刻可以是任意的

一个字符内码元长度是相等的，接收端通过止信号到起信号的跳变（“1” “0”） 来检测一个新字符的开始。

该方式简单，收、发双方时钟信号不需要精确同步。

缺点是增加起、止信号，效率低，使用于低速数据传输中。

同步传输是位（码元）同步传输方式。

该方式必须在收、发双方建立精确的位定时信号，以便正确区分每位数据信号。

在传输中，数据要分成组（或称帧），一帧含多个字符代码或多个独立码元。

在发送数据前，在每帧开始必须加上规定的帧同步码元序列，接收端检测出该序列标志后，确定帧的开始，建立双方同步。

接收端DCE从接收序列中提取位定时信号，从而达到位（码元）同步。

同步传输不加起、止信号，传输效率高，使用于2 400 bit/s以上数据传输，但技术比较复杂。

单工传输指数据只能按单一方向发送和接收；半双工传输指数据可以在两个方向传输但不能同时进行，即交替收、发；全双工传输指数据可以在两个方向同时传输，即同时收和发。

一般四线线路为全双工数据传输，二线线路可实现全双工数据传输。

Claims (7)

1.本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法控制器的主要功能是处理用户的呼叫（包括呼叫建立、拆线等）、对基站进行管理，通过基站进行无线信道控制、基站监测和对固定用户单元及移动终端进行监视和管理；

操作维护中心

操作维护中心负责整个无线接入系统的操作和维护，其主要功能是对整个系统进行配置管理，对各个网络单元的软件及各种配置数据进行操作：在系统运转过程中对系统的各个部分进行监测和数据采集；对系统运行中出现的故障进行记录并告警；除此之外，还可以对系统的性能进行测试；

基站通过无线收发信机提供与固定终接设备和移动终端之间的无线信道，并通过无线信道完成话音呼叫和数据的传递；

本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法控制器通过基站对无线信道进行管理。

2.本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法基站与固定终接设备和移动终端之间的无线接口可以使用不同技术，并决定整个系统的特点，包括所使用的无线频率及其一定的适用范围；

固定终接设备为用户提供电话、传真、数据调制解调器等用户终端的标准接口--Z接口；它与基站通过无线接口相接；并向终端用户透明地传送交换机所能提供的业务和功能；

固定终接设备可以采用定向天线或无方向性天线，采用定向天线直接指向基站方向可以提高无线接口中信号的传输质量、增加基站的覆盖范围；根据所能连接的用户终端数量的多少；固定终接设备可分为单用户单元和多用户单元；

单用户单元（SSU）只能连接一个用户终端；适用于用户密度低、用户之间距离较远的情况；多用户单元则可以支持多个用户终端，一般较常见的有支持4个、8个、16个和32个用户的多用户单元，多用户单元在用户之间距离很近的情况下（比如一个楼上的用户）比较经济；

移动终端从功能上可以看作是将固定终接设备和用户终端合并构成的一个物理实体；

由于它具备一定的移动性，因此支持移动终端的无线接入系统除了应具备固定无线接入系统所具有的功能外，还要具备一定的移动性管理等蜂窝移动通信系统所具有的功能；

如果在价格上有所突破，移动终端会更受用户及运营商的欢迎；

本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法分为两个部分：

电量采集发射单元，包含电压、电流互感器，单片机和无线发射单元；

b.无线接收单元和用于显示数据的监测计算机；

设计的数据采集系统工作原理是：

在线路上需要数据采集的位置点安装电量采集发射单元，通过其中的电压电流互感器采集模拟信号，单片机把采集到的模拟信号进行AD转换，得到的数字信号通过单片机的SPI接口传输给无线发射芯片nRF2401进行数据的发射；在接收端，无线接收芯片收到有效数据后传送给单片机，单片机通过USB接口与监测计算机进行数据通信，用户可以在监测计算机的用户界面上看到数据及波形；

无线通信器件的选型；

无线通信方案有多种，其中由于应用环境和距离等因素的作用，使得蓝牙技术与射频技术显得更加适合本设计方案；

通过比较，射频芯片具有许多优越的特征，集成了内部的基带处理器，备调试容易，且速率也较蓝牙高，通信距离长，成本相对较低，

因此在满足本系统各方面要求的提下，决定采用nRF2401 射频芯片作为本系统的通信模块；

单片机器件的选型；

系统的数据采集部分是以微控制器为核心，对整个系统的各种操作通常都是由微控制器来完成的，对于本系统来说，微控制器的选择以单片机为主，AVR、PIC等单片机无论在功能还是速度上都可满足本系统的要求。

3.本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法但PIC单片机采用精简指令集，编程比较简单，同时具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点；

数据采集模块部分的硬件设计；由于单片机内部A/D转换只能接受正电平，所以从互感器输出的模拟波形需使用运算放大器抬升电平；

在放大器的硬件设计中，设置了两路输入，分别利用放大器的两通道进行电平抬升；

抬升后的电压从OUTI和OUTZ口输出；

无线通信模块部分的硬件设计；PIC16LF818 单片机的同步串行接口模块有SPI和I2C两种模式，而nRF2401 用的是DRI，CLK和DATA三线传输；

考虑到速率的因素，单片机和nRF2401 的连接准备用SPI（SerialPeripheralInterface，串行外设接口） 接口实现；

单片机SPI串行接口与无线射频芯片的接口连接，SDI和SDO 口接DATA端，完成单片机与无线射频芯片的数据交换；CE、CS、PWR 口完成射频芯片的模式控制，CLK1 口作为时钟信号的输入口，DR1 口传输的信号表示接收信号己准备；

本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法数据采集端和数据接收端设置成同一个通信频率，它们之间通过地址加以区分；

数据接收端依次向各个数据采集端发送数据请求命令，采集模块接收到该命令后，向接收模块发送应答命令，建立与接收端的通信连接，然后将采集到的实时数据打包发出；

这样就保证了在任何时刻都只有一个采集模块在与接收模块进行通信，整个点对多点的无线通信过程转化成多个点对点的通信过程，避免了数据冲突；

系统软件开发；

除主控计算机程序外，系统软件均由C51 编程实现；

程序主要由以下功能模块组成：上电初始化程序、无线收发程序、数据包打包拆包程序、数据处理程序；

采集端和接收端在上电后首先调用初始化程序，完成无线收发频率、工作模式、发射速率、A／D转换器精度及其它内部寄存器的初始化配置；无线收发程序负责接收和发送经过打包后的数据；数据打包程序将采集数据根据通信协议加上帧头、地址、CRC 校验字节，形成完整的数据包；数据拆包程序根据通信协议将接收到的数据包去掉帧头、地址信息、取出其中的有用数据，并检验数据包中的CRC字节以检验接收到的数据的正确性；具体源代码不一一列出，系统无线通信流程。

4.本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法采用高集成度无线收发一体芯片nRF24E1 作为无线传输芯

片，大大减少了系统的体积，降低了系统功耗，降低了系统硬件和软件设计的难度；

实验表明，本文设计的系统功耗低，数据传输可靠性高；

这里设计的无线系统可用于在条件恶劣不易布线的环境下采集温度、压力、流量及气体浓度检测，为低成本实现近距离无线通信提供了一套解决方案；

本系统稍加改造，还可用于油田或管道远程数据采集，智能交通管理系统、餐饮点菜系统及小区抄表系统等多种领域，具有广阔的应用前景。

5.本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法新技术的崛起，将会深刻的改变着无线通信未来技术发展走向；

未来的无线通信网络将会呈现综合化、一体化、宽带化趋势；

从目前移动通信的技术发展来看，LTE技术将会变成主导，形成对全世界移动网络的无缝覆盖；而WLAN、WiMAX等宽带接入技术，将因

其自己不同的技术特点，在不同覆盖范围与移动通信网络形成有效互补；未来，宽带化将变成无线通信技术的演进方向；

无线通信领域各种技术互为补充；

不同的接入技术都有不同的覆盖范围、技术特点和接入速率；

根据无线宽带接入技术特点，在不同覆盖范围或应用区域内，各种宽带无线技术与移动通信网络形成有效互补，可实现近距离的超高速无线接入，可解决中距离的较高速数据接入。

6.本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法信息个人化是发展的主要方向之一；

而移动正是实现未来信息个人化的重要技术手段，在智能移动终端上，实现各种应用正逐步成为人们关注的焦点之一；

移动智能网技术与技术的组合将进一步推动全球个人通信的趋势；

网络融合趋势；网络融合已成为电信业发展的大趋势，主要体现在：

移动与固定网络融合，通信网、计算机网与广播电视网融合（也

即三网融合），信息通信网络与基于传感器和RFID的现实物质网融合；

在未来NGN概念中，固定网络将形成一个高带宽、IP 化、具有强QoS

保证的信息通信网络平台，而3G、宽带固定无线接入、各种无线局域

网或城域网方案，都将成为大NGN平台的延伸部分；

在信息化社会，短距离无线通信技术随着各种网络终端、工业控

制的自动化和家庭的智能化等需求的增加，在社会生产生活中的地位越来越明显，Zigbee 技术则可以满足目前社会对短距离无线电通信的需要。

7.本发明新型无线接入切换中实现数据传输的方法功耗低，延时短，使用两节五号干电池可使用八到二十个月，接入网络时间通常只需三十秒左右；

相对其他无线通信技术来说，其20～250kbit/s 的低速率，可以适应数据传输要求低的客户需求，降低使用的成本。