CN105099505A - 一种适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，至少包括：无线网络控制器(1)、一个或多个无线终端设备(2)、无线网络监测器(3)；所述无线网络控制器(1)用于发起和组织某一通信过程，所述无线终端设备(2)用于在某一通信过程中响应所接收到的消息，所述无线网络监测器(3)用于对通信过程进行监测；所述网络控制器(1)、无线终端设备(2)、无线网络监测器(3)通过无线网络连接。该通信系统实现了基于脉冲超宽带的高速无线网络数据通信，降低了系统的质量体积和功耗；具有极高的可靠性，适合在航天器内使用。

Description

一种适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统

技术领域

本发明涉及航空航天领域，特别涉及一种适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统。

背景技术

脉冲超宽带技术IR-UWB具有带宽很宽，脉冲极窄，抗多径能力强，对其他设备的干扰极小，且系统实现简单，可以直接通过天线传输，不需要对正弦载波进行调制等优点，适用于航天器内的高速数据通信，可以取代繁冗的LVDS线缆。2002年FCC开放了UWB的频谱，UWB一直是工业界和学术界的研究热点。无论采用哪种物理层技术，对于UWB网络而言，链路层技术尚无统一解决方案，目前工业和学术界，行业标准ECMA-368虽然提出了MAC子层协议，但是LLC子层根本未涉及。近两年UWB技术在航空航天界也备受青睐，但目前没有可以应用于航天的基于UWB的通信协议和协议芯片，限制了UWB技术在航天器内高速通信上的发展。

卫星目前最常用的1553B总线采用的是时分制命令响应型通信机制，非常适合高速串行异步数据通信，但1553B总线的传输速率仅为1Mbps，不适用于高速率的大数据量数据，且IR-UWB技术和1553B总线的物理层完全不同。所以，亟需一种适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，来解决脉冲超宽带技术应用于航天器内的高速数据通信问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的用于航天器内的通信系统不适用于高速率、大数据量数据传输的问题，从而提供一种能够在航天器内实现高速率传输的通信系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，至少包括：无线网络控制器1、一个或多个无线终端设备2、无线网络监测器3；所述无线网络控制器1用于发起和组织某一通信过程，所述无线终端设备2用于在某一通信过程中响应所接收到的消息，所述无线网络监测器3用于对通信过程进行监测；所述网络控制器1、无线终端设备2、无线网络监测器3通过无线网络连接；其中，

该通信系统中各节点间的通信能够采用的通信模式包括：WBC-to-WRT模式、广播模式、WRT-to-WBC模式以及WRT-to-WRT模式；

在WBC-to-WRT模式中，无线网络控制器1向无线终端设备2发出包括一命令字和一定数目的数据字的消息，对应WRT号的无线终端设备2接收到该消息后，在要求的响应时间内回复一仅包含状态字的消息，无线网络控制器1接收到无线终端设备2回复的仅包含状态字的消息后，判断本次通信是否成功，若失败，无线网络控制器1能选择重新发送本条消息；

在广播模式中，无线网络控制器1向各个无线终端设备2发送包括一命令字和一定数目的数据字的消息，各个无线终端设备2接收到消息后，不做响应；

在WRT-to-WBC模式下，无线网络控制器1向无线终端设备2发送包含一命令字的消息，该命令字要求对应的无线终端设备2发送数据给无线网络控制器1，无线终端设备2据此向无线网络控制器1发送包含一状态字和若干个数据字的消息，无线网络控制器1接收到无线终端设备2回复的消息后，判断本次通信是否成功，若失败，无线网络控制器1能够选择重新发送本条消息；

在WRT-to-WRT模式下，无线网络控制器1向一无线终端设备2发出接收的命令字，再向另一无线终端设备2发出发送的命令字，对应接收地址的无线终端设备2接收到接收命令字后做好接收数据的准备，对应发送地址的无线终端设备2接收到发送命令字后，发出包含有自身状态字和数据的消息，接收无线终端设备2从该消息接收完数据后，发出包含有接收无线终端设备2的状态字的消息；

其中，所述数据字用于保存所要传输的数据；所述命令字至少包括：终端设备号、接收/发送位、子地址位、消息长度位，其中的子地址位与接收/发送位相结合，用于将子地址进一步分为发送子地址和接收子地址，并将无线终端设备2中的数据存储空间进一步分为发送数据区与接收数据区；所述状态字包括WRT地址位、消息错误位、测试位、服务请求位、广播命令接收位、忙位、分系统特征位、动态总线控制位、终端特征位和保留位。

上述技术方案中，还包括无线路由器4，所述无线路由器4用于在所述无线网络的主网络与子网络之间转发数据。

上述技术方案中，所述无线网络控制器1进一步包括：协议控制模块、WRT发送模块、WRT接收模块、WRT到WRT模块、广播模块、多路选择器模块，其中，

所述协议控制模块用于完成消息的管理、分析和调度；

所述WRT发送模块用于实现WRT-to-WBC模式下消息的过程控制，包括发送命令字，等待WRT回复状态字和数据字，存储状态字和数据字，若超时或出现译码错误，重发本条消息，并记录本次的通讯状态；

所述WRT接收模块用于实现WBC-to-WRT模式下消息的过程控制，包括发送一命令字和一定数目的数据字，等待无线终端设备2回复状态字，存储状态字，若超时或出现译码错误，重发本条消息，并记录本次的通讯状态；

所述WRT到WRT模块实现WRT-to-WRT模式下消息的过程控制，包括发出发送命令字和接收命令字，等待并存储发送无线终端设备2发送的状态字，然后等待并存储接收无线终端设备2发送的状态字，最后记录本条消息的通讯状态；

所述广播模块用于实现广播模式下消息的过程控制，包括发送一命令字和一定数目的数据字的消息，发送结束后记录本次的通讯状态；

所述多路选择器将WRT发送模块、WRT接收模块、WRT到WRT模块、广播模块输出到外部的编解码器和RAM仲裁模块的信号进行分时复用，以减少模块间的走线。

上述技术方案中，所述无线终端设备2采用非法指令表、子地址控制字查找表和消息描述栈实现对所述无线网络控制器1所发出的命令的响应；其中，所述非法指令表包括接收子地址非法指令表和发送子地址非法指令表，用来设置相应子地址接收数据字的个数，能被设置为全收、全不收或具体的数目；所述子地址控制字查找表包括接收子地址控制字查找表和发送子地址控制字查找表，用来设置所述无线终端设备2中与子地址对应的数据存储区的包括起始地址、中断使能在内的信息；所述消息描述栈用来记录无线终端设备2响应的消息及其相关信息。

上述技术方案中，所述无线终端设备2对所述无线网络控制器1所发出的命令予以响应包括：

所述无线终端设备2接收到无线网络控制器1发出的包含命令字的消息后，首先验证消息中的WRT地址是否与本无线终端设备2的地址匹配，如果不匹配，返回到IDLE状态，重新等待命令字；如果匹配，然后根据命令字中的子地址值读取非法指令表，并与命令字中的数据个数位进行匹配，以实现对命令字的验证；

如果命令字经验证后无效，返回到IDLE状态，重新等待命令字，若该命令字有效，根据命令字中的R/T位和子地址值，读取子地址控制字查找表，获得本次操作的地址和相关控制信息，从而知道当前消息的命令字属于接收命令或发送命令或方式命令，进而根据消息的不同类型进行相应的消息处理；

在消息处理结束后，将该消息的相关信息写入消息描述栈。

上述技术方案中，所述无线网络控制器1与无线终端设备2在同一FPGA上实现，该FPGA包括如下功能模块：编码器模块71、解码器模块72、ECC编码模块73、ECC解码模块74、通道选择模块75、WBC模块76、WRT模块77、RAM仲裁模块78、共享发送RAM79、共享接收RAM710、AXI从设备接口711、寄存器712、计时器713、应用层接口714、输入输出接口715；其中，

所述解码器模块72的输入端与外部收发器的输出端连接，解码器模块72的输出端则连接到所述ECC解码模块74的输入端，所述ECC解码模块74的输出端则连接到所述通道选择模块5；所述编码器模块71的输出端连接外部收发器的输入端，编码器模块71的输入端连接所述ECC编码模块73的输出端，ECC编码模块73的输入端则连接到所述通道选择模块5；所述WBC模块76、WRT模块77各自与所述通道选择模块75连接，还分别连接到所述RAM仲裁模块78与寄存器712；所述RAM仲裁模块78、寄存器712分别与AXI从设备接口711连接，AXI从设备接口711还连接到应用层接口714；所述共享发送RAM79、共享接收RAM710通过RAM仲裁模块78与WBC模块76、WRT模块77进行数据交换；输入输出接口715用于接收外部输入的系统时钟信号、编码时钟信号、系统复位信号、RT地址等，还能对外输出中断信号。

上述技术方案中，所述编码器模块71在命令字和状态字的开始加上用于数据同步的256个比特的前导码。

上述技术方案中，所述FPGA采用如下可靠性措施以应对航天环境的特殊性，包括：所述共享发送RAM79或共享接收RAM710采用ECC校验应对单粒子翻转；网络中传输的每一个字在发送节点采用ECC编码，接收节点采用ECC解码，实现纠一位检二位；对所要传输的数据做曼彻斯特编码，并对经过曼彻斯特编码后的位再做归零码的编码；采用AB双冗余通道，当一个通道出错时，切换到另一个通道重传。

上述技术方案中，所述的通信系统的通信速率和无线终端设备的响应时间可通过软件设置。

本发明的优点在于：

1、本发明的通信系统实现了基于脉冲超宽带的高速无线网络数据通信，降低了系统的质量体积和功耗；

2、本发明的通信系统可靠性强，可以应对空间应用的特殊环境；

3、本发明的通信系统可移植性强，可移植到抗辐照的ASIC或SOC芯片中；

4、本发明的通信系统灵活性强，通信速率、响应时间和帧长等参数均可设置。

附图说明

图1是本发明的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统的结构示意图；

图2(a)是数据字的数据结构示意图；

图2(b)是命令字的数据结构示意图；

图2(c)是状态字的数据结构示意图；

图3是不同通信模式下消息的数据结构示意图；

图4是帧的数据结构示意图；

图5是通信系统中的无线网络控制器的功能模块图；

图6是通信系统中的无线终端设备处理所接收的消息的流程图；

图7是能够实现无线网络控制器或无线终端设备的FPGA的示意图；

图8是在命令字和状态字前添加前导码的示意图；

图9是图7所示FPGA的一个应用实例；

图10是图7所示FPGA按照OSI分层标准进行分层的示意图；

图11是无线网络控制器的软件设计流程图；

图12是无线终端设备的软件设计流程图。

图面说明

1无线网络控制器2无线终端设备

3无线网络监测器4无线路由器

7主网络8子网络

71编码器模块72解码器模块

73ECC编码模块74ECC解码模块

75通道选择模块76WBC模块

77WRT模块78RAM仲裁模块

79共享发送RAM710共享接收RAM

711AXI从设备接口712寄存器

713计时器714应用层接口

715输入输出接口

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1，本发明的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统包括：一个中央集权的无线网络控制器1(WBC，wirelessbuscontroller)，一个无线网络监测器3(WMT，wirelessmonitor)，若干个无线终端设备2(WRT，wirelessremoteteminal)和若干个无线路由器4(WRP，wirelessrepeater)。由于发送功率、传输距离、网络节点布局等因素的限制，由该通信系统所组建的脉冲超宽带无线网络可以包括多个子网络，无线路由器4还负责主网络7与子网络8之间的信号转发，主网络7与子网络8之间的通信互不干扰。

下面对通信系统中的各个部分做详细描述。

所述无线网络控制器1负责总线调度管理，是总线通讯的发起者和组织者。具体的说，所述无线网络控制器1首先向网络中的节点发出命令，然后等待并接收网络中的节点对该命令的响应，根据所述响应的内容确定本次通信是否成功，若不成功，根据相关设置决定是否重新发送本条命令。若脉冲超宽带无线网络包括有多个子网络，则无线网络控制器1通常位于主网络中。

所述无线终端设备2接收到无线网络控制器1所发出的命令后，根据命令的定义处理消息，抛弃与本节点无关的消息，对与本节点相关的消息做出响应。若脉冲超宽带无线网络包括有多个子网络，无线终端设备2既可以在主网络中，也可以在子网络中。

无线网络监测器3能够全部接收或者选择性地接收、存储网络中的信息，从而监视网络的通信过程，给出参与网络通讯的无线网络控制器1和各个无线终端设备2的运行状态和健康状态。

无线路由器4是无线网络控制器1与子网络中的无线终端设备2之间的转发器，负责主网络与子网络之间的信号转发。

本发明的通信系统中的各个部分在进行通信的过程中，需要通过字、消息、帧等数据结构来传递信息，为了便于理解，对这些数据结构加以描述。

在本发明的通信过程中，信息的最小单位为位(bit)，每43个位形成1个字，在图2中给出了字的数据结构示意图。从图中可以看出，所述字的前3位为同步头(即图中的三个矩形波形)，在所述同步头之后的7位用于存储有效信息的ECC校验位(即图中标示的32-38位)，在ECC校验位之后的32位用于存储有效信息(即图中标示的0-31位)，最后一位为填充位。根据同步头的不同，所述字分为三种类型：命令字、数据字和状态字。所述字中的位采用曼彻斯特编码，先高后低为逻辑1，先低后高为逻辑0，而同步头被分为2个一位半，若同步头先高后低为命令字或状态字，先低后高为数据字。

图2(a)为数据字的数据结构示意图，如图所示，所述数据字中的32位有效信息都用于保存所要传输的数据。

图2(b)为命令字的数据结构示意图，如图所示，命令字分为终端设备号(即图中的WRT地址)、接收/发送位(即图中的R/T位)、子地址位、消息长度位，其中接收/发送位为1位，终端设备号、子地址位、消息长度位的位数可以根据应用需求定义。所述的子地址位与R/T位结合起来，将子地址进一步分为发送子地址和接收子地址，再和WRT节点的数据存储空间(如RAM空间)结合起来，可以将WRT节点的数据存储空间分为多个发送数据区和接收数据区，通信前无线网络控制器1和无线终端设备2提前约定好子地址号对应的功能，通信时无线终端设备2根据接收到的命令字中的R/T位和子地址位即可获知本条消息中数据对应的数据区。根据航天高速数据传输的需求，在一个应用案例中，终端设备号占5位，即网络中最多有31个节点；子地址位为5位，即每个WRT节点最多有32个发送子地址和32个接收子地址；消息长度位的位数为10位，即一条消息中最多包含1024个数据字；由于命令字为32位，故还有11位的保留位，可以用于后期扩展。

图2(c)为状态字的数据结构示意图，如图所示，状态字包括WRT地址位、消息错误位、测试位、服务请求位、广播命令接收位、忙位、分系统特征位、动态总线控制位、终端特征位和保留位。WRT地址位表示参与本次通讯的终端设备号。消息错误位表示参与本次通讯的终端设备收到一个非法的命令字。测试位一般为0，与系统协议有关，一般不使用。服务请求位表示参与本次通信的终端设备有数据传输服务请求。广播命令接收位表示参与本次通信的终端设备收到的上一条命令是广播命令。忙位表示参与本次通信的终端设备不能接收或发送数据，与系统协议有关，一般不使用。分系统特征位表示参与本次通信的终端设备所在的分系统出现故障，与系统协议有关，一般不使用。动态总线控制位表示参与本次通信的终端设备接受动态总线控制方式命令，用于动态激活某个终端设备的总线控制器WBC功能，与系统协议有关，一般不使用。终端特征位表示参与本次通信的终端设备出现故障，与系统协议有关，一般不使用。保留位用于后续功能的扩展。

由字可进一步组成消息，参考图3，所述消息按照多种通信模式分为不同的类型，所述通信模式包括：WBC-to-WRT模式、广播模式、WRT-to-WBC模式、WRT-to-WRT模式。在WBC-to-WRT模式中，WBC向WRT所发出的消息包括一命令字和一定数目的数据字，对应WRT号的WRT接收到该包含命令字和数据字的消息后，在要求的响应时间内回复一仅包含状态字的消息，WBC接收到WRT回复的仅包含状态字的消息后，判断本次通信是否成功，若失败，WBC根据相关配置可选择重新发送本条消息。在广播模式中，WBC同样会向各个WRT发送一命令字和一定数目的数据字的消息，但各个WRT接收到消息后，不会响应仅含状态字的消息。在WRT-to-WBC模式下，WBC向WRT发送包含一命令字的消息，该命令字要求对应的WRT发送数据给WBC，据此，WRT向WBC发送包含一状态字和若干个数据字的消息，WBC接收到WRT回复的消息后，判断本次通信是否成功，若失败，WBC根据相关配置可选择重新发送本条消息。在WRT-to-WRT模式下，WBC首先发出一WRT接收的命令字，再发出另一WRT发送的命令字，对应接收地址的WRT接收到接收命令字后做好接收数据的准备，对应发送地址的WRT接收到发送命令字后，发出包含有自身状态字和数据的消息，接收WRT从该消息接收完数据后，发出包含有接收WRT的状态字的消息。方式命令是一种特殊的消息类型，其用于对网络运行状态的控制和查询，由于方式命令的不同，其传输形式可以是WBC-to-WRT、WRT-to-WBC、广播。

消息在网络上以帧的形式做数据传输。如图4所示，每一帧至少包括一条消息，帧长度、帧内的消息间间隔、响应时间等参数均可设置，并可支持帧循环模式。

在图5中对无线网络控制器1做了进一步说明。如图所示，所述无线网络控制器1包括：协议控制模块、WRT发送模块、WRT接收模块、WRT到WRT模块、广播模块、多路选择器模块，其中，协议控制模块是顶层模块，用于完成消息的管理、分析和调度；WRT发送模块实现WRT-to-WBC类型消息的过程控制，包括发送命令字，等待WRT回复状态字和数据字，存储状态字和数据字，若超时或出现译码错误等重发本条消息，并记录本次的通讯状态；WRT接收模块实现WBC-to-WRT类型消息的过程控制，包括发送一命令字和一定数目的数据字，等待WRT回复状态字，存储状态字，若超时或出现译码错误等重发本条消息，并记录本次的通讯状态；WRT到WRT模块实现WRT-to-WRT类型消息的过程控制，包括发出发送命令字和接收命令字，等待并存储发送WRT发送的状态字，然后等待并存储接收WRT发送的状态字，最后记录本条消息的通讯状态。广播模块用于实现广播模式下消息的过程控制，包括发送一命令字和一定数目的数据字的消息，发送结束后记录本次的通讯状态，但各个无线终端设备接收到消息后，不会响应仅含状态字的消息。多路选择器将WRT发送模块、WRT接收模块、WRT到WRT模块、广播模块输出到外部的编解码器和RAM仲裁模块的信号进行分时复用，以减少模块间的走线。无线网络控制器1以帧的形式工作，一帧至少一条消息，支持帧循环模式。无线网络控制器1的帧内的消息序列、帧周期和帧周期时间分辨率可以通过软件设置。

无线终端设备2采用非法指令表、子地址控制字查找表和消息描述栈等单元实现对无线网络控制器1所发出的命令的响应。所述子地址控制字查找表包括接收子地址控制字查找表和发送子地址控制字查找表，用来设置无线终端设备2中的数据存储区(如RAM区)的起始地址、中断使能等信息。非法指令表包括接收子地址非法指令表和发送子地址非法指令表，用来设置相应子地址接收数据字的个数，可以设置为全收、全不收或具体的数目。在一次通信前，无线网络控制器1和无线终端设备2提前约定好子地址号对应的功能，通信时WRT节点根据接收到的命令字中的R/T位和子地址位即可获知本条消息中数据对应的数据区。无线终端设备2接收到一个命令字后，首先验证命令字中的WRT地址是否是自己的WRT地址，若不是，则丢弃本条消息；若是，则根据命令字中R/T位和子地址位读取非法指令表和子地址控制字查找表中的对应设置，然后进行消息长度验证，若正确，则根据子地址控制字中的地址和中断使能情况对命令字进行响应。无线终端设备2设置消息描述栈用来记录本节点响应的消息及其相关信息，比如命令字、RAM数据区指针、当前时间标签、本条消息执行过程中是否有错误。在每条消息结束后，无线终端设备2将该消息的相关信息写入消息描述栈，包括：块状态字、时间标签、数据块指针和本条消息命令字,每条消息在描述栈中占四个字。在一个应用案例中，消息描述栈设置为128个字，故无线终端设备2的消息描述栈可以存32条消息的信息。经非法指令验证无效的消息不存入消息描述栈。

图6为无线终端设备2在接收到由无线网络控制器1发出的消息的处理流程。从之前对消息的描述可以知道，有效消息必须以命令字起始。因此，如图所示，无线终端设备2接收到命令后，首先验证消息中的WRT地址是否与本无线终端设备2的地址匹配，如果不匹配，返回到IDLE状态，重新等待命令字；如果匹配，然后根据命令字中的子地址值读取非法指令表，并与命令字中的数据个数位进行匹配，以实现对命令字的验证。如果命令字经验证后无效，返回到IDLE状态，重新等待命令字。若该命令字有效，根据命令字中的R/T位和子地址值，读取子地址控制字查找表，获得本次操作的地址和相关控制信息，从而知道当前消息的命令字属于接收命令或发送命令或方式命令，根据消息的不同类型进行相应的消息处理。在消息处理结束后，将该消息的相关信息写入消息描述栈，以供查询。

在一个优选实施例中，将本发明的通信系统中无线网络控制器1与无线终端设备2的功能在同一FPGA上实现，从而在实际应用时，可通过对该FPGA中功能模块的选择实现无线网络控制器1或无线终端设备2。这有助于节约资源、降低成本，便于推广。如图7所示，在一个能够实现无线网络控制器1或无线终端设备2的FPGA中，包括如下功能模块：编码器模块71、解码器模块72、ECC编码模块73、ECC解码模块74、通道选择模块75、WBC模块76、WRT模块77、RAM仲裁模块78、共享发送RAM79、共享接收RAM710、AXI从设备接口711、寄存器712、计时器713、应用层接口714、输入输出接口715；其中，所述解码器模块72的输入端与外部收发器的输出端连接，解码器模块72的输出端则连接到所述ECC解码模块74的输入端，所述ECC解码模块74的输出端则连接到所述通道选择模块5；所述编码器模块71的输出端连接外部收发器的输入端，编码器模块71的输入端连接所述ECC编码模块73的输出端，ECC编码模块73的输入端则连接到所述通道选择模块5；所述WBC模块76、WRT模块77各自与所述通道选择模块75连接，还分别连接到所述RAM仲裁模块78与寄存器712；所述RAM仲裁模块78、寄存器712分别与AXI从设备接口711连接，AXI从设备接口711还连接到应用层接口714；所述共享发送RAM79、共享接收RAM710通过RAM仲裁模块78与WBC模块76、WRT模块77进行数据交换。输入输出接口715用于接收外部输入的系统时钟信号、编码时钟信号、系统复位信号、RT地址等，还可对外输出中断信号。

当WBC模块76或WRT模块77要向外发送数据时，首先由ECC编码模块73对所要发送的数据进行ECC校验与编码，然后由编码器模块71对ECC编码后的数据进行曼彻斯特编码，然后再对曼彻斯特编码进行归零码编码，以区别曼彻斯特编码中的连续高电平，如图8所示。为了应对异步通信的同步问题，编码器模块71在命令字和状态字的开始加上了256个比特的前导码，用于数据同步，以降低应用层数据的误码率。编码器模块71输出的基带脉冲宽度取决于网络的通信速率，网络的通信速率和WRT模块77的响应时间可设；通信速率由编码器模块71的编码时钟决定，物理层的速率为10nMHz，其中1≤n≤10；由于采用曼彻斯特编码，故应用层的速率为5nMHz，其中1≤n≤10。解码器模块72接收到外部UWB接收机的基带信号后，首先将归零码信号恢复成曼彻斯特码，然后进行曼彻斯特解码，再将解码出的并行数据输入到ECC解码模块74进行ECC校验。若ECC校验正确，将数据交给上层逻辑；若出现一位错误，将纠正后的数据交给上层逻辑；若出现两位以上的错误，将校验结果通知上层。

在这一实现方式中，所述WBC模块76能够实现前述无线网络控制器1的功能，而WRT模块77能够实现前述无线终端设备2的功能。因此，通过对FPGA的设置，这一FPGA可实现无线网络控制器1的功能，或实现无线终端设备2的功能。

上述既能作为无线终端设备2又能作为无线网络控制器1的节点在硬件实现时并不仅仅包含前述的FPGA，还需包括计算机最小系统、脉冲超宽带收发机和天线；其中的计算机最小系统用于实现节点的通信控制，脉冲超宽带发射机用于将FPGA输出的数字信号转换为UWB脉冲信号并通过天线辐射出去，脉冲超宽带接收机用于将检测到天线接收的UWB脉冲信号转换为数字信号输入到FPGA中。图9为所述节点的一个应用案例，所述计算机最小系统包括：作为CPU的龙芯LS1E、作为程序存储器的NORFlash和EEPROM、作为数据存储器的SDRAM、挂在LS1E的外部存储器EMI接口。由于航天采用的EEPROM为多片叠装的贴片的EEPROM，烧写不方便，故采用直插的便于烧写的NORFlash作为CPU启动代码的程序存储器，待CPU启动后，通过软件完成对EEPROM的烧写和维护。CPU通过PCI总线访问FPGA，从而实现对网络通信的控制。

对图7所示的FPGA按照OSI分层标准进行分层，如图10所示，自下向上可分为：物理层为采用脉冲通信的脉冲超宽带收发机(IR-UWB)和天线；数据链路层实现数据的编解码、收发使能信号的控制、纠错控制、基带信号与编解码模块之间的接口转换等功能；网络层实现网络内无线网络控制器WBC和无线终端设备WRT功能的控制逻辑；应用层由计算机上层软件实现。其中，数据链路层和网络层由FPGA实现，FPGA实现中的编码器模块71、解码器模块72、ECC编码模块73、ECC解码模块74、通道选择模块75属于数据链路层；其余模块属于网络层。数据链路层和网络层相对独立，更换数据链路层的编解码器模块，可以将本通信方法应用到其他的物理层。例如基于红外信号的通信、基于线缆的RS485通信等。

图11为无线网络控制器1的软件设计流程图，如图所示，CPU上电启动后，写系统的配置寄存器，配置WBC、通信速率和响应时间等参数，清中断；然后根据应用需求，按照事先和WRT的消息约定，写WBC消息块说明区，安排一帧中消息；然后根据需求，写其他相关寄存器或向发送数据区写数据；完成初始化配置后，写帧开始寄存器，启动帧传输，默认为帧循环模式。然后等待消息结束产生中断，在中断处理程序中进行数据处理，可以查询WBC的消息状态说明判断本次通信是否成功。处理结束后，清中断，根据应用需求是否需要结束传输，如果需要结束传输，写帧结束寄存器来停止帧循环。

图12为无线终端设备的软件设计流程图，如图所示，CPU上电启动后，写系统的配置寄存器，配置WRT、通信速率和响应时间等参数；然后根据应用需求，按照事先和WBC的消息约定设置非法指令表和子地址控制字；根据需求，写其他的相关寄存器。初始化的配置信息可以读出来验证配置是否成功。然后WRT等待消息，消息结束时产生中断，在中断处理程序中进行数据处理，可以查询WRT的消息描述栈，读取本条消息的命令字、地址和通信状态等信息。中断数据处理结束后清中断，等待下一有效消息。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，至少包括：无线网络控制器(1)、一个或多个无线终端设备(2)、无线网络监测器(3)；所述无线网络控制器(1)用于发起和组织某一通信过程，所述无线终端设备(2)用于在某一通信过程中响应所接收到的消息，所述无线网络监测器(3)用于对通信过程进行监测；所述网络控制器(1)、无线终端设备(2)、无线网络监测器(3)通过无线网络连接；其中，

该通信系统中各节点间的通信能够采用的通信模式包括：WBC-to-WRT模式、广播模式、WRT-to-WBC模式以及WRT-to-WRT模式；

在WBC-to-WRT模式中，无线网络控制器(1)向无线终端设备(2)发出包括一命令字和一定数目的数据字的消息，对应WRT号的无线终端设备(2)接收到该消息后，在要求的响应时间内回复一仅包含状态字的消息，无线网络控制器(1)接收到无线终端设备(2)回复的仅包含状态字的消息后，判断本次通信是否成功，若失败，无线网络控制器(1)能选择重新发送本条消息；

在广播模式中，无线网络控制器(1)向各个无线终端设备(2)发送包括一命令字和一定数目的数据字的消息，各个无线终端设备(2)接收到消息后，不做响应；

在WRT-to-WBC模式下，无线网络控制器(1)向无线终端设备(2)发送包含一命令字的消息，该命令字要求对应的无线终端设备(2)发送数据给无线网络控制器(1)，无线终端设备(2)据此向无线网络控制器(1)发送包含一状态字和若干个数据字的消息，无线网络控制器(1)接收到无线终端设备(2)回复的消息后，判断本次通信是否成功，若失败，无线网络控制器(1)能够选择重新发送本条消息；

在WRT-to-WRT模式下，无线网络控制器(1)向一无线终端设备(2)发出接收的命令字，再向另一无线终端设备(2)发出发送的命令字，对应接收地址的无线终端设备(2)接收到接收命令字后做好接收数据的准备，对应发送地址的无线终端设备(2)接收到发送命令字后，发出包含有自身状态字和数据的消息，接收无线终端设备(2)从该消息接收完数据后，发出包含有接收无线终端设备(2)的状态字的消息；

其中，所述数据字用于保存所要传输的数据；所述命令字至少包括：终端设备号、接收/发送位、子地址位、消息长度位，其中的子地址位与接收/发送位相结合，用于将子地址进一步分为发送子地址和接收子地址，并将无线终端设备(2)中的数据存储空间进一步分为发送数据区与接收数据区；所述状态字包括WRT地址位、消息错误位、测试位、服务请求位、广播命令接收位、忙位、分系统特征位、动态总线控制位、终端特征位和保留位。

2.根据权利要求1所述的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，还包括无线路由器(4)，所述无线路由器(4)用于在所述无线网络的主网络与子网络之间转发数据。

3.根据权利要求1或2所述的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，所述无线网络控制器(1)进一步包括：协议控制模块、WRT发送模块、WRT接收模块、WRT到WRT模块、广播模块、多路选择器模块，其中，

所述协议控制模块用于完成消息的管理、分析和调度；

所述WRT发送模块用于实现WRT-to-WBC模式下消息的过程控制，包括发送命令字，等待WRT回复状态字和数据字，存储状态字和数据字，若超时或出现译码错误，重发本条消息，并记录本次的通讯状态；

所述WRT接收模块用于实现WBC-to-WRT模式下消息的过程控制，包括发送一命令字和一定数目的数据字，等待无线终端设备(2)回复状态字，存储状态字，若超时或出现译码错误，重发本条消息，并记录本次的通讯状态；

所述WRT到WRT模块实现WRT-to-WRT模式下消息的过程控制，包括发出发送命令字和接收命令字，等待并存储发送无线终端设备(2)发送的状态字，然后等待并存储接收无线终端设备(2)发送的状态字，最后记录本条消息的通讯状态；

所述广播模块用于实现广播模式下消息的过程控制，包括发送一命令字和一定数目的数据字的消息，发送结束后记录本次的通讯状态；

所述多路选择器将WRT发送模块、WRT接收模块、WRT到WRT模块、广播模块输出到外部的编解码器和RAM仲裁模块的信号进行分时复用，以减少模块间的走线。

4.根据权利要求1或2所述的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，所述无线终端设备(2)采用非法指令表、子地址控制字查找表和消息描述栈实现对所述无线网络控制器(1)所发出的命令的响应；其中，所述非法指令表包括接收子地址非法指令表和发送子地址非法指令表，用来设置相应子地址接收数据字的个数，能被设置为全收、全不收或具体的数目；所述子地址控制字查找表包括接收子地址控制字查找表和发送子地址控制字查找表，用来设置所述无线终端设备(2)中与子地址对应的数据存储区的包括起始地址、中断使能在内的信息；所述消息描述栈用来记录无线终端设备(2)响应的消息及其相关信息。

5.根据权利要求4所述的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，所述无线终端设备(2)对所述无线网络控制器(1)所发出的命令予以响应包括：

所述无线终端设备(2)接收到无线网络控制器(1)发出的包含命令字的消息后，首先验证消息中的WRT地址是否与本无线终端设备(2)的地址匹配，如果不匹配，返回到IDLE状态，重新等待命令字；如果匹配，然后根据命令字中的子地址值读取非法指令表，并与命令字中的数据个数位进行匹配，以实现对命令字的验证；

如果命令字经验证后无效，返回到IDLE状态，重新等待命令字，若该命令字有效，根据命令字中的R/T位和子地址值，读取子地址控制字查找表，获得本次操作的地址和相关控制信息，从而知道当前消息的命令字属于接收命令或发送命令或方式命令，进而根据消息的不同类型进行相应的消息处理；

在消息处理结束后，将该消息的相关信息写入消息描述栈。

6.根据权利要求1或2所述的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，所述无线网络控制器(1)与无线终端设备(2)在同一FPGA上实现，该FPGA包括如下功能模块：编码器模块(71)、解码器模块(72)、ECC编码模块(73)、ECC解码模块(74)、通道选择模块(75)、WBC模块(76)、WRT模块(77)、RAM仲裁模块(78)、共享发送RAM(79)、共享接收RAM(710)、AXI从设备接口(711)、寄存器(712)、计时器(713)、应用层接口(714)、输入输出接口(715)；其中，

所述解码器模块(72)的输入端与外部收发器的输出端连接，解码器模块(72)的输出端则连接到所述ECC解码模块(74)的输入端，所述ECC解码模块(74)的输出端则连接到所述通道选择模块(5)；所述编码器模块(71)的输出端连接外部收发器的输入端，编码器模块(71)的输入端连接所述ECC编码模块(73)的输出端，ECC编码模块(73)的输入端则连接到所述通道选择模块(5)；所述WBC模块(76)、WRT模块(77)各自与所述通道选择模块(75)连接，还分别连接到所述RAM仲裁模块(78)与寄存器(712)；所述RAM仲裁模块(78)、寄存器(712)分别与AXI从设备接口(711)连接，AXI从设备接口(711)还连接到应用层接口(714)；所述共享发送RAM(79)、共享接收RAM(710)通过RAM仲裁模块(78)与WBC模块(76)、WRT模块(77)进行数据交换；输入输出接口(715)用于接收外部输入的系统时钟信号、编码时钟信号、系统复位信号、RT地址等，还能对外输出中断信号。

7.根据权利要求6所述的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，所述编码器模块(71)在命令字和状态字的开始加上用于数据同步的256个比特的前导码。

8.根据权利要求6所述的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，所述FPGA采用如下可靠性措施以应对航天环境的特殊性，包括：所述共享发送RAM(79)或共享接收RAM(710)采用ECC校验应对单粒子翻转；网络中传输的每一个字在发送节点采用ECC编码，接收节点采用ECC解码，实现纠一位检二位；对所要传输的数据做曼彻斯特编码，并对经过曼彻斯特编码后的位再做归零码的编码；采用AB双冗余通道，当一个通道出错时，切换到另一个通道重传。

9.根据权利要求6所述的适用于脉冲超宽带无线网络的通信系统，其特征在于，所述的通信系统的通信速率和无线终端设备的响应时间可通过软件设置。