CN108964813A - 基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，所述舱内抗干扰无线通信系统包括数据采集模块、无线mesh网络节点、频谱分析与决策模块和监测中心。本发明的无线mesh网络节点使用高通AR9331搭建OpenWrt固件组建无线mesh网络，能接收采集卡的数据和信道决策信息，最终传输至监测中心，完成数据传输和无线通信信道自动切换的功能。本发明的频谱分析与决策模块根据Gnuradio平台，使用USRP E312平台对通信频段进行频谱串行扫描，通过信道决策算法得出最优信道，并将信道决策信息广播给无线数传模块。该系统具备抗电磁干扰、自适应路由路径、微型化等优点。

Description

基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统

技术领域

本发明属于于密闭舱内通信技术领域，涉及一种用于密闭舱内的无线通信系统，具体涉及一种用于潜艇舱内通信的基于802.11ac的抗干扰无线通信系统。

背景技术

近年来，随着舱内设备信息交互需求的日益增长，促进了舱内通信技术的飞速发展。由于在舱内剩余的空间和重量的资源有限，而有线数据传输又需要占用大量的空间和重量资源，故其逐渐成为制约舱内有效信息交互的重要因素。亟待有能够应用于潜艇舱内特殊环境的无线通信技术来满足未来舱内设备间的通信需要。

然而，密闭舱内部金属设备较多，且分布密集，导致无线信道的阴影效应和频率选择性衰落效应明显。目前常规的无线通信技术由于其抗多径能力不足，信道固定，信号易受障碍物阻挡，其在潜艇舱内复杂环境中的应用效能大大降低。另外舱内电子设备较多，在1～10GHz范围内(尤其是2.4G附件)电磁环境复杂，因此舱内无线通信手段需要具备一定的抗干扰能力，并且必须对其他系统不产生严重的电磁干扰。

发明内容

本发明为了解决潜艇舱内通信问题，针对密闭舱内空间资源有限，金属设备和电子设备多且分布密集，无线信道的阴影效应和频率选择性衰落效应明显，电磁环境复杂的情形，提供了一种基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，该系统具备抗电磁干扰、自适应路由路径、微型化等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，包括数据采集模块、无线mesh网络节点、频谱分析与决策模块和监测中心，其中：

所述数据采集模块与无线mesh网络节点用以太网相连，数据采集模块将采集的发动机运行时的健康数据打包成数据帧的格式发送给与之相连的无线节点，再经无线mesh网络节点传输到监测中心；监测中心成功接收到数据帧后，再向无线节点返回接收确认帧，无线节点收到接收确认帧以后再给监测中心发送下一帧由数据采集模块采集的舱内设备健康状态数据帧；

所述频谱分析与决策模块运行在嵌入式软件无线电平台上，软件无线电平台实时采集密闭舱内的电磁环境，通过时间序列分析算法决策出最合适的通信信道，打包成信道控制报文广播给所有的无线mesh网络节点进行信道切换，所有无线mesh网络节点信道切换完毕后重新组网，并给软件无线电平台反馈切换成功的信息。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的频谱分析与决策模块根据Gnuradio平台，使用USRPE312平台对通信频段进行频谱串行扫描，通过信道决策算法得出最优信道，并将信道决策信息广播给无线数传模块。

2、本发明的无线mesh网络模块使用高通AR9331搭建OpenWrt固件组建无线mesh网络，能接收采集卡的数据和信道决策信息，最终传输至监测中心，完成数据传输和无线通信信道自动切换的功能。

3、本发明通过软件无线电和无线mesh网络分别在通信信道和路由路径上进行优化，实现抗电磁干扰的功能，具有实时性、自适应性、微型化等优点。

4、本发明基于无线mesh组网和频谱感知技术在潜艇舱内实现抗干扰系统的设计，能够形成自组织网络，实时无线节点的无线透传；频谱感知实时输出最优信道数，无线节点能够接收软件无线电平台的信道控制报文，自适应信道切换，达到抗电磁干扰的目的。

5、本发明面对密闭舱内复杂的电磁环境，通过软件无线电平台进行频谱分析，找出频谱空洞自适应改变无线网络的通信信道，使得无线网络具备一定的抗电磁干扰能力。通过将无线节点组成自组织的Mesh网络，节点能根据当前信号的强度自使用改变路由表，避开无线阴影区，不受障碍物的阻挡影响网络连接。

附图说明

图1是本发明舱内抗干扰无线通信系统架构图；

图2是无线信道控制流程图；

图3是Mesh网络分层结构图；

图4是频谱扫描流程图；

图5是信道自动切换流程图；

图6为USRP E312框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种能自组织网络、实时感知无线通信环境、自适应切换无线通信信道的基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统。如图1所示，所述舱内抗干扰无线通信系统包括数据采集模块1、无线mesh网络节点2、频谱分析与决策模块3和监测中心4，其中：

所述数据采集模块1与无线mesh网络节点2用以太网相连，数据采集模块1将采集的发动机运行时的健康数据打包成数据帧的格式通过以太网发送给与之相连的无线节点，再经无线mesh网络节点2传输到监测中心4；监测中心4成功接收到数据帧后，再向无线节点返回接收确认帧，无线节点收到接收确认帧以后再给监测中心发送下一帧数据采集模块采集的发动机健康状态数据帧。

所述频谱分析与决策模块3能实时对通信频段进行频谱串行扫描，寻出频谱空穴，得出最优信道，将信道决策信息传输至无线mesh网络节点2进行信道切换。频谱分析与决策模块3运行在嵌入式软件无线电平台上，软件无线电平台实时采集密闭舱内的电磁环境，通过时间序列分析算法决策出最合适的通信信道，打包成信道控制报文广播给无线mesh网络节点2进行信道切换，无线mesh网络节点2信道切换完毕后重新组网，并给软件无线电平台反馈切换成功的信息，这样形成一个无线网络通信信道的闭环控制。

本发明中，所述无线mesh网络节点2选用高通公司的AR9331作为无线节点的主控芯片，最大RF功率为18dbm，理想传输距离为400m，支持802.11b/g/n无线协议和802.11ac无线协议拓展，5v供电，具有0.45w的超低功耗，满足舱内通信需求。Flash选取MX25L6406，通过SPI接口与主控芯片通信。Ram选取Hy5du561622ftp-d43，容量为64MB，用于缓存部分数据和软件源。无线节点电路上还有以太网接口、无线天线、miniusb接口，其中以太网接口用于烧录和调试程序，通过ssh登录，而miniusb用于供电。

本发明中，所述无线mesh网络节点2的mesh网络采用OLSR路由协议，具备邻居能量感知的功能，有一定的抗电磁干扰能力。当舱内两个无线节点之间由于人员机器走动或者出现无线信号隔离物时，那两个无线节点(A0、A4)之间的信号强度严重衰弱，路由协议这时将更改路由表，让A0与邻近信号强度较强的A1进行连接互传数据。

本发明中，所述频谱分析与决策模块3采用基于通用处理器(GPP)的SDR系统对频谱信息进行采集，基于GPP的SDR系统主要分为两部分，即GPP和RF外设，GPP部分主要负责执行处理基带数据的程序，RF外设主要负责基带数据的上变频/下变频、DAC/ADC，信号的收发等选用了USRP E312作为频谱采集终端。

本发明中，无线信道控制流程如图2所示，除了通过路由协议改变无线路由表来进行局部抗电磁干扰以外，整个无线网络通信信道受软件无线电平台控制。无线节点当检测到软件无线电平台给它广播的信道切换的信道控制报文后，无线节点根据接收到的信道信息，按照一定的格式改变节点无线配置信息，然后对无线部分进行初始化，等待一定的时间，给软件无线电平台返回信道切换完成信息，再进行正常的无线数据传输任务。

本发明中，无线mesh网络节点2分层结构如图3所示，无线mesh网络节点2的网络层次包括物理层、数据链路层、网络层、传输和应用层，物理层、数据链路层和网络层为传输和应用层提供数据传输业务。无线mesh网络节点2所特有的路由路径自组织和自愈合的特性，使得无线Mesh节点之间能自动发现其它无线节点的接入和退出，同时保证每个无线节点之间数据传输透明化。

本发明中，频谱扫描流程如图4所示，要实现对通信环境的全频谱扫描，需要在软件无线电平台GNURadio研究大范围扫描的方法，控制软件无线电外设USRP能够对全频谱进行扫描。对于大范围扫描模块，我们采用软件无线电频谱检测的循环步进机制。循环步进机制的频谱检测过程是从最小检测频点开始按顺序依次检测到最大频点，每次检测特定带宽的频谱，最后把这些分散的频谱数据整合起来，最终完成整个设定频段的频谱检测。

本发明中，信道自动切换流程如图5所示，无线节点的信道常规方法可以在其luci界面上进行手动选择，一旦选定，将一直保持此信道进行数传。本发明在接收并判别出信道控制报文后，各无线网络节点将解析出来的信道数与当前的信道数相比较。如果信道数相同，则进行日常的数据报文传输的工作。如果信道数不同，则要自动修改本身的无线信道配置信息，重启无线服务，组完新的网络后继续日常的数据报文传输工作，后面重复这样的工作。无线mesh网络节点2的节点中运行的Openwrt系统用于信道切换，首先应找到关键参数所在的行数，进而获取它的当前值，若需修改则按照原来的格式及位置替换它。

本发明中，频谱分析与决策模块3选取NI的USRP E312作为嵌入式软件无线电平台，该平台是一个便携的、自带电池的可独立运行的软件无线电平台。射频前端的AD9361收发器提供56MHz的瞬时带宽，工作频率可在70MHz-6GHz之间自由选择，完全满足项目多信道宽频频谱扫描的需求，射频接收前后端的滤波器组能够很好的提高接收频率的可选择性。基带处理器采用Xilinx Zynq7020Soc，实现硬件FPGA加速计算，支持的RFNOC技术能够满足项目的实时性强的数据处理能力和宽瞬时带宽信号处理的要求。芯片内嵌双核的ARMCortex A9-886M处理器，可以运行linux系统，移植GNURadio平台，能够脱离PC机的独立运行，满足小型化的项目需求。它具有丰富的外设，包括一个千兆的以太网口，项目中用于广播频谱决策信息给无线节点；还有两个USB接口，项目中用于U盘插入，可将一定时间的频谱信息保存到U盘里；还有一个mini usb接口，用于打印调试信息，其具体结构如图6所示。

Claims (7)

1.一种基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，其特征在于所述舱内抗干扰无线通信系统包括数据采集模块、无线mesh网络节点、频谱分析与决策模块和监测中心，其中：

所述数据采集模块与无线mesh网络节点用以太网相连，数据采集模块将采集的发动机运行时的健康数据打包成数据帧的格式发送给与之相连的无线节点，再经无线mesh网络节点传输到监测中心；监测中心成功接收到数据帧后，再向无线节点返回接收确认帧，无线节点收到接收确认帧以后再给监测中心发送下一帧数据采集模块采集的发动机健康状态数据帧；

所述频谱分析与决策模块运行在嵌入式软件无线电平台上，软件无线电平台实时采集密闭舱内的电磁环境，通过时间序列分析算法决策出最合适的通信信道，打包成信道控制报文广播给所有无线mesh网络节点进行信道切换，信道切换完毕后重新组网，并给软件无线电平台反馈切换成功的信息。

2.根据权利要求1所述的基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，其特征在于所述无线mesh网络节点选用AR9331作为无线节点的主控芯片。

3.根据权利要求1所述的基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，其特征在于所述无线mesh网络节点采用OLSR路由协议。

4.根据权利要求1所述的基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，其特征在于所述无线mesh网络节点的网络层次包括物理层、数据链路层、网络层、传输和应用层，物理层、数据链路层和网络层为传输和应用层提供数据传输业务。

5.根据权利要求1所述的基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，其特征在于所述频谱分析与决策模块采用基于GPP的SDR系统对频谱信息进行采集。

6.根据权利要求5所述的基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，其特征在于所述基于GPP的SDR系统主要分为GPP和RF外设两部分，GPP部分主要负责执行处理基带数据的程序，RF外设主要负责基带数据的上变频/下变频、DAC/ADC。

7.根据权利要求1所述的基于802.11ac舱内抗干扰无线通信系统，其特征在于所述频谱分析与决策模块选取NI的USRP E312作为嵌入式软件无线电平台。