CN105515972A - 一种动态化自组网无线通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种动态化自组网无线通信装置，包括中央处理模块、数据处理模块、SDRAM存储模块、综合业务接口管理模块、调制模块、解调模块和变频模块，其中数据处理模块基于FPGA实现，对需要发射的IP数据进行后台封装和数据转换，并包含信号的调制方式信令；中央处理模块基于中央处理芯片设计，对于调用数据处理模块中程序的指令进行管理，对数据集总处理、下发及控制；本发明基于以太网IP通信设计，数据收发均采用同一频率，体积小，功耗低，使用方便，组网灵活。
Description
技术领域
本发明涉及无线电通信领域，尤其涉及一种动态化自组网无线通信模块。
背景技术
自组网网络(Mesh网络)即“无线网格网络”,是一个动态的可以不断扩展的网络架构，任意的两个设备均可以保持无线互联,在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连，具有无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是解决“最后一公里”问题的关键技术之一。在向下一代网络演进的过程中，无线网格网络是一个不可缺的技术。无线mesh可以与其它网络协同通信。
现有的多模块、多信道、多射频技术的S波段、C波段无线Mesh产品接入和回传的频率不一致，对不同频率的信道进行检测工作量较大，当Mesh自组网中节点较多时会花费较长的检测时间，造成数据延迟，降低网络传输质量。此外，现有的Mesh产品的核心处理系统功能单一、固定，随着Mesh网络架构的扩展，核心处理系统承担的运算量大大增加，原有的功能模块已不能充分适应不同的需求，而对核心处理系统的升级成本非常高，也因此妨碍了Mesh网络的发展。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种动态化自组网无线通信装置，基于MANET技术和COFDM调制技术，并充分考虑现有标准协议不足的情况，通过多路径路由技术解决无中心方式下的动态组网问题，可适应拓扑快变化、高密度、大规模的移动多跳自组网。
技术方案：本发明提供的技术方案为：一种动态化自组网无线通信装置，包括中央处理模块、数据处理模块、SDRAM存储模块、综合业务接口管理模块、调制模块、解调模块和变频模块，各模块均设有一组以太网口并通过以太网进行模块间数据传输，变频模块设有无线信号收发端，所述无线信号收发端作为所述动态化自组网无线通信装置的无线信号收发端，实现所述动态化自组网无线通信装置与处于同一自组网中的用户设备或其他动态化自组网无线通信装置之间的信息传输；
综合业务接口管理模块包括接口模块、电源管理模块和配置管理模块,电源管理模块为各模块供电；配置管理模块为网络管理员提供查询网络配置情况和修改网络配置的交互界面；综合业务接口管理模块向变频模块发送变频模块控制信息，控制变频模块的开启或关闭；
当所述动态化自组网无线通信装置处于信息接收状态时，变频模块接收处于同一自组网中的自组网节点或用户设备发送的信息包并将信息包下变频为150MHz的中频信号后反馈给解调模块，解调模块对中频信号进行解调后将中频信号发送给数据处理模块，数据处理模块从中频信号中获取无线自组网节点的数据业务开销以及网络频率资源占用情况并发送给中央处理模块；当所述动态化自组网无线通信装置处于信息发送状态时，数据处理模块将待发射的基带数据发送给调制模块进行调制，调制模块将调制后的数据发送给变频模块上变频为150MHz的中频信号并发送给处于同一自组网中的自组网节点或用户设备；
中央处理模块为中央处理芯片，在数据处理模块中实现无线自组网节点的数据业务开销以及网络频率资源占用情况统计，中央处理模块根据此统计生成对无线自组网络频率和子载波资源的占用通知信息，占用通知信息包括自电台的占用子载波数量、编号以及频率时间信息，中央处理模块通过管理信道将占用通知信息广播至无线自组网其他电台节点；中央处理模块通过管理信道与同一网络内的无线自组网电台交换收发载噪比信息，并构建网络拓扑结构与路由路径表，再将该网络拓扑结构和路由路径表发送给数据处理模块；中央处理模块将无线自组网节点的数据业务开销、网络频率资源占用情况、网络拓扑结构与路由路径表存储于SDRAM存储模块中，通过应用软件为用户提供交互界面，将节点和网络状态以图形和文字的方式呈现给用户；中央处理模块读取用户配置参数，并根据用户配置参数对其他模块进行本地配置，无线遥控用户设备频率；
数据处理模块为FPGA处理芯片，数据处理模块根据中央处理模块提供的路由路径信息编写无线自组网电台的内部报头数据，内部报头数据指明目标无线自组网电台的内部编号、能够进行中继的电台节点以及IP数据包的调制方式；数据处理模块通过后台封装在需要发射的原始IP数据前封装上内部报头数据并将封装后的IP数据经信令信道广播到相邻的节点。
优选的，所述动态化自组网无线通信装置还包括SMA射频接口，SMA射频接口一端与调制模块相连，另一端接有外置PA，综合业务接口管理模块向外置PA发送外置功放控制信息控制外置PA的开启或关闭；调制模块以SMA射频接口形式将调制后的数据送到外置PA进行放大，外置PA将放大后的数据发送给变频模块。
优选的，所述电源管理模块设有一组电源适配接口和电池盒，当有外接电源条件时通过电源适配接口为各模块供电，当没有外接电源条件时通过电池为各模块供电。
优选的，所述综合业务接口管理模块对外设有IP接口，当需要通过有线接入自组网时通过IP接口接入自组网，综合业务接口管理模块将IP数据报转换为以太网帧。
进一步的，所述动态化自组网无线通信装置还包括VOIP模块，VOIP模块分别与中央处理模块和综合业务管理模块相连，建立无线自组网内部语音通话信道。
优选的，所述动态化自组网无线通信装置还包括控制开关，当发射信号时，关断接收通道；当接收信号时，关断发射通道。
优选的，调制模块对于数据的调制方式为COFDM或QPSK调制。
有益效果：办发明和现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明体积小，功耗低，使用方便，组网灵活，具备网络自我组织的能力，支持多跳组网和适应快速变化的网络拓扑，并且能够提供更快更稳定的接入速度，非常适应于抢险救灾、消防应急、联合军演、移动组网等复杂环境应用。
2、安装Mesh节点非常简单，将设备从包装盒里取出来，接上电源就行了，能够最大程度的简化现场配置和实施，满足应急通信和临时组网中对于快速建网和零配置的要求。由于极大地简化了安装，用户可以很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。
3、本发明基于单频组网机制，所有的无线接入点MeshAP的接入和回传均工作于同一频段。
4、本发明采用FPGA芯片作为副处理器，大大降低了中央处理模块的运算压力，且FPGA芯片可根据不同的需求灵活编程，可适应性大大提高。
附图说明
图1为本发明实施例的系统架构图；
图2为本发明基于高速IP通信设计原理图；
图3为本发明的硬件设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提供一种动态化自组网无线通信装置，该装置基于高速数据处理的“CPU和FPGA”架构设计，能够提高数据处理速度，如图1所示，本发明包括中央处理模块、数据处理模块、SDRAM存储模块、综合业务接口管理模块、数据处理模块、调制模块、解调模块和变频模块。
其中，中央处理模块采用中央处理芯片实现，在本发明中优选采用ColdfireV4中央处理芯片，该中央处理芯片具有410MIPS内核处理速度，16KB指令缓存，16KB数据缓存和32KBSRAM的配置。数据处理模块采用Xilinx公司的Virtex-5的FPGA处理芯片进行设计，Virtex-5芯片具有多硬IP核，其中包括：功能强大的36kbit结构形式的RAM/FIFOs；第二代25bitX18bit乘法的DSP结构；现场输入/输出端口阻抗匹配技术；源同步接口技术；增强DCM时钟形成技术。
中央处理模块是整个设计的核心处理模块，主要实现指令管理、数据集总处理和下发。在该模块中实现的主要功能：
(1)生成频率资源占用通知信息。该信息作用是根据自组网节点的数据业务开销以及网络频率资源占用情况，生成对无线自组网络频率和子载波资源的占用信息。该信息包括了自电台的占用的子载波数量、编号以及频率时间信息，并通过管理信道广播至全网其他电台节点。
(2)通过与管理信道与同一网络内的自组网电台交换收发载噪比等信息，并构建网络拓扑结构与路由路径表。将该网络拓扑和路由路径表通知给数据处理模块进行数据路由处理，决定传输的目标节点和中间可能需要经过的中继节点。
(3)网络拓扑和路由路径表数据信息存于SDRAM存储模块中，通过应用软件与用户进行访问交互，将节点和网络状态以图形和文字的方式直观的呈现给用户。
(4)读取用户的配置参数，并根据用户配置参数对其他模块进行配置调整，实现本地配置、无线遥控设备用户频率。
数据处理模块主要实现对需要发射的IP数据进行后台封装。通过后台封装，在原始IP数据前封装上无线自组网电台的内部报头数据，指明目标无线自组网电台的内部编号，并根据中央处理模块提供的路由路径信息，将可能进行号中继的电台节点编号写入该内部报头中去，同时该报头也包括了该数据需要以QPSK或COFDM调制方式进行调制，并送到调制模块；调制模块将完成对该数据的调制处理，并以SMA射频接口形式送到外置功率放大器进行放大，放大后回送变频模块，经收发开关切换后通过天线辐射出去；当接收信号时，天线接收下来的信号送到变频模块，下变频到150MHz的中频信号，再送到解调模块进行后续相应的处理。FPGA处理芯片中的存储器单元中分别存储有高速数据采集ADC编程数据、COFDM调制解调算法编解码、通信协议接收和发送算法、基带数字信号处理编程数据、上下变频控制指令和自组网算法的路由协议；中央处理模块通过向数据处理模块发送程序调用指令调用数据处理模块对接收到的信息包进行相应处理。
综合业务接口管理模块包括电源管理模块和配置管理模块，电源管理模块为各模块供电；配置管理模块为网络管理员提供查询网络配置情况和修改网络配置的交互界面；
作为优选实施方式，所述电源管理模块设有一组电源适配接口和电池盒，当有外接电源条件时通过电源适配接口为各模块供电，当没有外接电源条件时通过电池为各模块供电。该设计可使本发明适应室内、室外多种环境，尤其是抢险救灾等恶劣的通信环境。
进一步地，所述综合业务接口管理模块对外设有IP接口，当需要通过有线接入自组网时通过IP接口接入自组网，综合业务接口管理模块将IP数据报转换为以太网帧。这样设计使得本发明既可以通过无线接入自组网络，也可以通过IP接口与因特网连接，作为Mesh路由。
优选的，动态化自组网无线通信装置还包括VOIP模块，采用G.726编码技术，VOIP模块分别与中央处理模块和综合业务管理模块相连，建立无线自组网内部语音通话信道。
本发明采用以太网IP通信设计，模块内部之间、模块对外采用标准以太网TCP/IP接口设计，具有高速、便捷、可扩展性高、接入性强等特点，其设计原理如图2所示，对外采用RJ45网口，对内采用以太网口，综合业务接口管理模块实现IP数据报与以太网帧的转换功能。
本发明采用低功耗设计，该设计基于“CPU+FPGA”架构设计，合理分配资源、降低处理负担，降低了处理模块的总功耗。并且该设计发射工作功率为100mW，功耗较低。设计中采用开关控制方式，其硬件设计图如图3所示。在信号发射状态时，关断接收通道，可以防止发射信号泄露到接收通道而引起干扰和信道阻塞；当接收状态时，发射通道关闭，使功放的静态电流基本为零，大大降低了该功放的功耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种动态化自组网无线通信装置，其特征在于，包括中央处理模块、数据处理模块、SDRAM存储模块、综合业务接口管理模块、调制模块、解调模块和变频模块，各模块均设有一组以太网口并通过以太网进行模块间数据传输，变频模块设有无线信号收发端，所述无线信号收发端作为所述动态化自组网无线通信装置的无线信号收发端，实现所述动态化自组网无线通信装置与处于同一自组网中的用户设备或其他动态化自组网无线通信装置之间的信息传输；
综合业务接口管理模块包括接口模块、电源管理模块和配置管理模块,电源管理模块为各模块供电；配置管理模块为网络管理员提供查询网络配置情况和修改网络配置的交互界面；综合业务接口管理模块向变频模块发送变频模块控制信息，控制变频模块的开启或关闭；
当所述动态化自组网无线通信装置处于信息接收状态时，变频模块接收处于同一自组网中的自组网节点或用户设备发送的信息包并将信息包下变频为150MHz的中频信号后反馈给解调模块，解调模块对中频信号进行解调后将中频信号发送给数据处理模块，数据处理模块从中频信号中获取无线自组网节点的数据业务开销以及网络频率资源占用情况并发送给中央处理模块；当所述动态化自组网无线通信装置处于信息发送状态时，数据处理模块将待发射的基带数据发送给调制模块进行调制，调制模块将调制后的数据发送给变频模块上变频为150MHz的中频信号并发送给处于同一自组网中的自组网节点或用户设备；
中央处理模块为中央处理芯片，在数据处理模块中实现无线自组网节点的数据业务开销以及网络频率资源占用情况统计，中央处理模块根据此统计生成对无线自组网络频率和子载波资源的占用通知信息，占用通知信息包括自电台的占用子载波数量、编号以及频率时间信息，中央处理模块通过管理信道将占用通知信息广播至无线自组网其他电台节点；中央处理模块通过管理信道与同一网络内的无线自组网电台交换收发载噪比信息，并构建网络拓扑结构与路由路径表，再将该网络拓扑结构和路由路径表发送给数据处理模块；中央处理模块将无线自组网节点的数据业务开销、网络频率资源占用情况、网络拓扑结构与路由路径表存储于SDRAM存储模块中，通过应用软件为用户提供交互界面，将节点和网络状态以图形和文字的方式呈现给用户；中央处理模块读取用户配置参数，并根据用户配置参数对其他模块进行本地配置，无线遥控用户设备频率；
数据处理模块为FPGA处理芯片，数据处理模块根据中央处理模块提供的路由路径信息编写无线自组网电台的内部报头数据，内部报头数据指明目标无线自组网电台的内部编号、能够进行中继的电台节点以及IP数据包的调制方式；数据处理模块通过后台封装在需要发射的原始IP数据前封装上内部报头数据并将封装后的IP数据经信令信道广播到相邻的节点。
2.根据权利要求1所述的一种动态化自组网无线通信装置，其特征在于，还包括SMA射频接口，SMA射频接口一端与调制模块相连，另一端接有外置PA，综合业务接口管理模块向外置PA发送外置功放控制信息控制外置PA的开启或关闭；调制模块以SMA射频接口形式将调制后的数据送到外置PA进行放大，外置PA将放大后的数据发送给变频模块。
3.根据权利要求1所述的一种动态化自组网无线通信装置，其特征在于，所述电源管理模块设有一组电源适配接口和电池盒，当有外接电源条件时通过电源适配接口为各模块供电，当没有外接电源条件时通过电池为各模块供电。
4.根据权利要求1所述的一种动态化自组网无线通信装置，其特征在于，所述综合业务接口管理模块对外设有IP接口，当需要通过有线接入自组网时通过IP接口接入自组网，综合业务接口管理模块将IP数据报转换为以太网帧。
5.根据权利要求3所述的一种动态化自组网无线通信装置，其特征在于，还包括VOIP模块，VOIP模块分别与中央处理模块和综合业务管理模块相连，建立无线自组网内部语音通话信道。
6.根据权利要求1所述的一种动态化自组网无线通信装置，其特征在于，还包括控制开关，当发射信号时，关断接收通道；当接收信号时，关断发射通道。
7.根据权利要求1所述的一种动态化自组网无线通信装置，其特征在于，调制模块对于数据的调制方式为COFDM或QPSK调制。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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