CN112423367A - 一种可背负式自组网系统 - Google Patents

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刘千国
张士虎
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Abstract

本发明涉及一种可背负式自组网系统，属无线通信技术领域。包括主板等，主板为Mesh核心板，包括处理器、存储芯片等；主板的存储芯片导入有密钥，主板构建的自动组网无线通信，无需中心网关，实现任意一台通信台站均具有自组网络功能，在有效天线覆盖范围内群组任意一台设备掉线均会有对应设备继续通信，保证网络通信不中断；定位板主要由GPS/北斗定位模块构成，接收GPS/北斗定位天线的信号并将其转换为地理位置信息；功放板有两个，通过N型射频天线接口输出放大的系统功率及数据发送射频信号功率。秒级自组无线多跳网络，实施IP语音、宽带数据及高清视频传输，体积小、轻，单人背负通信快速准确高效，保密性和防毁性强。

Description

一种可背负式自组网系统
技术领域
本发明涉及一种可背负式自组网系统，属无线通信技术领域。
背景技术
近年来，随着移动通信和计算机技术的发展以及用户需求的不断增长，促使国内自组织通信网研究和开发加速向前发展。由于自组织网络具有无需架设网络设施、快速灵活展开的特点，被各国应用于军事战略和战术综合通信。除战场环境外，在一些特殊环境或紧急情况下，比如，地震、水灾或遭受其他灾难打击，或警察、消防队员执行紧急任务，也需要自组织网络完成重要通信任务。我国的自组织网络设备研制起步较晚，便携式自组织网络设备还很少,且如何实现在战场环境、特殊环境和紧急情况下短时间内快速查找到准确可用路由信息，适应网络拓扑快速变化，减小引入的额外时延和维护路由控制信息，降低路由协议开销，展开保密、快速、准确、持续、高效通信，且携带轻便的自组织网络设备已成为相关企业及科研工作者的研发目标。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述自组网的开发和研制目标，提供一种采用先进的路由算法，实现秒级自组构成无线多跳网络，实施IP语音、宽带数据及高清视频承载传输服务，体积小，重量轻，适合单人背负，通信保密性强、且快速、准确、高效，结构结实，防毁性强，满足移动终端计算能力强和储存空间大及电源续航时间长的高标准要求的可背负式自组网系统。
本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：
一种可背负式自组网系统，包括装置本体，所述装置本体主要由外壳、主板、定位板、功放板、电源板和电源转接板构成；其特征在于：所述主板为Mesh核心板，主要由处理器、存储芯片、WIFI芯片、网口芯片、DDR芯片、DSP芯片、语音编解码芯片和电源芯片构成；所述主板的存储芯片导入有密钥，主板构建的自动组网无线通信，无需中心网关，实现任意一台通信台站均具有自组网络功能，在有效天线覆盖范围内，自组网络群组内任意一台设备掉线，均会有对应设备继续通信，保证网络通信不中断；所述定位板为GPS/北斗定位板，主要由GPS/北斗定位模块构成，通过SMA型定位天线接口接收GPS/北斗定位天线的信号，并将其转换为地理位置信息，实现对天线视野内卫星的跟踪、锁定和测量；所述功放板有两个，主要由接收电路和发射电路构成，通过N型射频天线接口输出放大的系统功率及数据发送射频信号功率；
所述主板的J1端并联连接两个功放板，送出系统信号和数据信号至两个功放板的输入端；J15端与定位板连接，为定位板提供工作电压Vcc，并发射主板自身定位信号TX及接收定位板传回的地理位置信号RX；J12端与电源板连接，为主板提供DC12V工作电压；J13端连接SMA型wifi天线接口，构建自组网；J19端与音频接口连接，输出IP语音信号；J16端、J17端分别与网口A、网口B连接，网口A和网口B支持连接多个终端，终端数据通过网口A和网口B传输至主板处理；J9端并联连接信号质量指示灯和连接信号指示灯，输出主板对应控制信号。
所述的主板在系统初始化时导入密钥到存储芯片构建密钥池，自组网络中节点通过直接协商专用协议提取密钥池中的密钥进行保密通信。
所述的主板构建的自动组网无线通信，运行于数据链路层的自组网路由传输协议，实现基于COFDM及MIMO无线通信技术的数据传输。
所述的定位板的GPS/北斗定位模块包括ATGM332D主芯片和SP3232EEN串口芯片。
所述的功放板包括AD9361射频前端模块、功放模块、T2G6001528放大器、SZA-2044放大器和TQL9092低噪放。
所述的电源板，主要由XL4015E1电源芯片构成，输出DC28V、DC24V、DC12V电源，具备航插和锂离子电池两种供电模式；电源板的J2端、J3端各自连接一个功放板，为功放板提供DC24V工作电压，J10端与电源转接板的J4端连接，为电源转接板接入DC12V电源；锂离子电池供电模式时，电源板为各通信台站提供DC28V工作电压。
所述的电源转接板的J1端连接有锂电池接口，为各通信台站提供DC12V工作电压；J3端通过电源接口为各通信台站提供DC24V工作电压；J2端装接有电源自锁式开关，按下电源自锁式开关，开关状态保持，为所述电源板接入DC28V电源。
所述的功放板的发射电路，通过T2G6001528放大器和SZA-2044放大器放大从主板发送来的射频信号，增加发射信号的传输距离；功放板的接收回路通过TQL9092低噪放放大天线接收的小信号，提高接收回路灵敏度。
所述的装置本体的总重量为3.3Kg ，2W发射功率，8小时以上续航时间，所述外壳的防护等级为IP67，适合恶劣环境、复杂地形及全天候使用。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
该可背负式自组网系统，自组性和动态性强，采用先进的路由算法，实现秒级自组构成无线多跳网络，提供IP语音、宽带数据及高清视频业务，提供良好的承载传输服务；装置本体不需要中心网关，任意一台通信台站均可实现自组网络功能，群组内任意一台设备掉线，在有效天线覆盖范围内均会有对应的设备继续通信，保证网络不掉线，通信畅通。设置GPS/北斗定位模块，实现对天线视野内卫星的跟踪、锁定和测量；体积小，重量轻，适合单兵背负，通信快速、准确、高效，结构结实，防毁性强，满足移动终端计算能力强和储存空间大及电源续航时间长的高标准要求。具有高安全性，高独立性，组网部署快捷，背负移动方便的优点，解决了现有自组织网络设备体积大、重量重，携带搬运困难，由于无法快速查找到准确可用的路由信息，因此不能适应网络拓扑的快速变化，且引入的额外时延长，路由协议开销大，难以达到移动终端计算能力强、储存空间大及电源续电时间长的高标准要求，无法满足战场环境、特殊环境或紧急情况下保密、快速、持续、高效通信需求的问题。
附图说明
图1为一种可背负式自组网系统的整体结构示意图；
图2为一种可背负式自组网系统的工作流程示意图。
图中：1、主板，2、定位板，3、功放板，4、电源板，5、电源转接板，6、N型射频天线接口，7、音频接口，8、SMA型定位天线接口，9、SMA型wifi无线接口，10、网口A，11、网口B，12、信号质量指示灯，13、连接状态指示灯，14、电源接口，15、电源自锁式开关，16、锂电池接口。
具体实施方式
下面结合附图对该可背负式自组网系统的实施方式作进一步详细说明（参见图1～图2）：
该可背负式自组网系统包括装置本体，所述装置本体主要由外壳、主板1、定位板2、功放板3、电源板4、电源转接板5构成；所述主板1为Mesh核心板，主要由处理器、存储芯片、WIFI芯片、网口芯片、DDR芯片、DSP芯片、语音编解码芯片和电源芯片构成；所述主板1的存储芯片导入有密钥，主板1构建的自动组网无线通信，无需中心网关，实现任意一台通信台站均具有自组网络功能，在有效天线覆盖范围内，自组网络群组内任意一台设备掉线，均会有对应设备继续通信，保证网络通信不中断；所述定位板2为GPS/北斗定位板，主要由GPS/北斗定位模块构成，通过SMA型定位天线接口8接收GPS/北斗定位天线的信号，并将其转换为地理位置信息，实现对天线视野内卫星的跟踪、锁定和测量；所述功放板3有两个，主要由接收电路和发射电路构成，通过N型射频天线接口6输出放大的系统功率及数据发送射频信号功率；
所述主板1的J1端并联连接两个功放板3，送出系统信号和数据信号至两个功放板3的输入端；J15端与定位板2连接，为定位板2提供工作电压Vcc，并发射主板1自身定位信号TX及接收定位板2传回的地理位置信号RX；J12端与电源板4连接，为主板1提供DC12V工作电压；J13端连接SMA型wifi天线接口9，构建自组网；J19端与音频接口7连接，输出IP语音信号；J16端、J17端分别与网口A10、网口B11连接，网口A10和网口B11支持连接多个终端，终端数据通过网口A10和网口B11传输至主板1处理；J9端并联连接信号质量指示灯12和连接信号指示灯13，输出主板1对应控制信号。
进一步，所述的主板1在系统初始化时导入密钥到存储芯片构建密钥池，自组网络中节点通过直接协商专用协议提取密钥池中的密钥进行保密通信。
进一步，所述的主板1构建的自动组网无线通信，运行于数据链路层的自组网路由传输协议，实现基于COFDM及MIMO无线通信技术的数据传输。
进一步，所述的定位板2的GPS/北斗定位模块包括ATGM332D主芯片和SP3232EEN串口芯片。
进一步，所述的功放板3包括AD9361射频前端模块、功放模块、T2G6001528放大器、SZA-2044放大器和TQL9092低噪放。
进一步，所述的电源板4主要由XL4015E1电源芯片构成，输出DC28V、DC24V、DC12V电源，具备航插和锂离子电池两种供电模式；电源板4的J2端、J3端各自连接一个功放板3，为功放板3提供DC24V工作电压，J10端与电源转接板5的J4端连接，为电源转接板5接入DC12V电源；锂离子电池供电模式时，电源板4为各通信台站提供DC28V工作电压。
进一步，所述的电源转接板5的J1端连接有锂电池接口16，为各通信台站提供DC12V工作电压；J3端通过电源接口14为各通信台站提供DC24V工作电压；J2端装接有电源自锁式开关15，按下电源自锁式开关15，开关状态保持，为所述电源板接入DC28V电源。
进一步，所述的功放板的发射电路，通过T2G6001528放大器、SZA-2044放大器放大从主板1发送来的射频信号，增加发射信号的传输距离；功放板3的接收回路通过TQL9092低噪放放大天线接收的小信号，提高接收回路灵敏度。
进一步，所述的装置本体的总重量为3.3Kg ，2W发射功率，8小时以上续航时间。
进一步，所述的外壳的防护等级为IP67，适合恶劣环境、复杂地形及全天候使用。（参见图1～图2）。
所述主板1的处理器的型号为XC7Z030-1FFG676C；存储芯片的型号为MT29F4G08ABADAH4-IT:D；WIFI芯片的型号为WG7500-00；网口芯片的型号为BCM5241X；DDR芯片的型号为AS256M；DSP芯片的型号为TMS320C55；语音编解码芯片的型号为AIC3204；电源芯片的型号为ADP5054或TPS54821或ADM7154。
下面以自组网A和自组网B的两台设备的通信过程阐述本发明可背负式自组网系统的工作流程如下所示：
开机启动：按下装置本体的电源自锁式开关15，保持开关状态，电源转接板5为电源板4接入DC28V电源，通过电源板4的型号为4XL4015E1 电源芯片进行DC-DC转化，将DC28V电源转换为DC24V、DC12V：为两个功放板3提供DC24V工作电压，为主板1提供DC12V电源，装置本体开始自检，主板1的型号为XC7Z030-1FFG676C 处理器开始初始化，将密钥导入主板1的型号为MT29F4G08ABADAH4-IT:D存储芯片构建密钥池，自组网络中的节点通过直接协商专用协议提取密钥池中的密钥运行程序实现保密通信；同时，主板1的型号为XC7Z030-1FFG676C处理器开始运行程序，扫描并匹配无线信号。
路由查找：当自组网A的一台设备A指定对自组网B的另一台设备B进行通信时，所述设备A在网络中广播RREQ路由请求帧，当中间节点不是目的节点，且没有目的节点的正确路由时，中间节点继续广播该RREQ路由请求帧，若到达目的节点或该中间节点有目的节点的正确路由信息，则所述中间节点通过之前建立的节点反向传播到源节点，源节点收到应答，则准备传输数据。
信息导入：需要传输的数据信息经过自组网A的设备A的主板1的所述网口芯片和所述WIFI芯片完成驱动，导入主板1，经过主板1的所述DSP芯片和语音编解码芯片对数据信息中的语音数据进行编解码和转换，最终通过所述DDR芯片和处理器芯片对数据进行处理后经音频接口7输出语音信号。
位置信息传输：定位板2的GPS/北斗定位模块经SMA型定位天线接口8将GPS天线或北斗位置信息导入ATGM332D主芯片，通过所述主芯片进行定位算法，解析位置信息，并将解码的位置信息传输至主板1进行编码。
信号放大与传输：主板1将编码后的信息经过功放板3的AD9361射频前端模块进行上下变频、AD/DA转换、滤波以及增益控制后传输到功放模块，通过型号为T2G6001528放大器和型号为SZA-2044放大器对所述信息进行两级放大，最后经N型射频天线接口6按之前的路由进行传输。
目的节点信息接收：通过天线接收目的节点信息，并通过功放板3的型号为TQL9092 低噪放对接收的微小射频信号进行放大。
信息解码：功放板3的功放模块将调制后信息传输到主板1，通过型号为XC7Z030-1FFG676C 处理器、TMS320C55 DSP芯片、AIC3204 语音编解码芯片对信息进行解码，之后通过型号为BCM5241X网口芯片或型号为WG7500-00WIFI芯片进行驱动，将信息传输到与该设备相连的通信台站终端设备上。
该可背负式自组网系统具备自主配置功能，通过定制软件实现对接入的各种终端设备进行配置，包括IP配置、WIFI配置、地图信息配置、密钥配置、状态查看、电磁环境监测。
实际应用中，该可背负式自组网系统能与多台自组网设备进行组网，覆盖大面积通信区域，且每台自组网设备可接入多个通信台站终端。 所述装置本体结构简单，3.3Kg，重量轻，安装部署方便，具有如下性能特点：
其一是体积小，利于移动和携带，接口简洁，架设简单，使用时只需按下电源自锁式开关15装置本体即刻开始工作进行自动组网。其二是操作简单，无缝接入，装置本体的操作界面简单，只需简单配置连接就能加入原有网络，并根据需求自主建立安全数据链路。其三是防护等级高，外壳的防护等级高达IP67，适应恶劣环境、全地形、全天候通信应用，具有极强的自组织、自愈合、自适应特性。其四是续航时间长，装置本体具备2W发射功率，8小时以上续航时间，支持长时间使用，且更换电池简单方便。
该可背负式自组网系统根据不同的地形、地貌，方便快捷地组成链状网络、星型网络以及网状网络，组网灵活，完全满足各种应急通信的需求。
以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (9)

1.一种可背负式自组网系统，包括装置本体，所述装置本体主要由外壳、主板（1）、定位板（2）、功放板（3）、电源板（4）和电源转接板（5）构成；其特征在于：所述主板（1）为Mesh核心板，主要由处理器、存储芯片、WIFI芯片、网口芯片、DDR芯片、DSP芯片、语音编解码芯片和电源芯片构成；所述主板（1）的存储芯片导入有密钥，主板（1）构建的自动组网无线通信，无需中心网关，实现任意一台通信台站均具有自组网络功能，在有效天线覆盖范围内，自组网络群组内任意一台设备掉线，均会有对应设备继续通信，保证网络通信不中断；所述定位板（2）为GPS/北斗定位板，主要由GPS/北斗定位模块构成，通过SMA型定位天线接口（8）接收GPS/北斗定位天线的信号，并将其转换为地理位置信息，实现对天线视野内卫星的跟踪、锁定和测量；所述功放板（3）有两个，主要由接收电路和发射电路构成，通过N型射频天线接口（6）输出放大的系统功率及数据发送射频信号功率；
所述主板（1）的J1端并联连接两个功放板（3），送出系统信号和数据信号至两个功放板（3）的输入端；J15端与定位板（2）连接，为定位板（2）提供工作电压Vcc，并发射主板（2）自身定位信号TX及接收定位板（2）传回的地理位置信号RX；J12端与电源板（4）连接，为主板（1）提供DC12V工作电压；J13端连接SMA型wifi天线接口（9），构建自组网；J19端与音频接口连接，输出IP语音信号；J16端、J17端分别与网口A、网口B连接，网口A和网口B支持连接多个终端，终端数据通过网口A和网口B传输至主板（1）处理；J9端并联连接信号质量指示灯（12）和连接信号指示灯（13），输出主板（1）对应控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种可背负式自组网系统，其特征在于：所述的主板（1）在系统初始化时导入密钥到存储芯片构建密钥池，自组网络中节点通过直接协商专用协议提取密钥池中的密钥进行保密通信。
3.根据权利要求1所述的一种可背负式自组网系统，其特征在于：所述的主板（1）构建的自动组网无线通信，运行于数据链路层的自组网路由传输协议，实施基于COFDM及MIMO无线通信技术的数据传输。
4.根据权利要求1所述的一种可背负式自组网系统，其特征在于：所述的定位板（2）的GPS/北斗定位模块包括ATGM332D主芯片和SP3232EEN串口芯片。
5.根据权利要求1所述的一种可背负式自组网系统，其特征在于：所述的功放板（3）包括AD9361射频前端模块、功放模块、T2G6001528放大器、SZA-2044放大器和TQL9092低噪放。
6.根据权利要求1所述的一种可背负式自组网系统，其特征在于：所述的电源板（4），主要由XL4015E1电源芯片构成，输出DC28V、DC24V、DC12V电源，具备航插和锂离子电池两种供电模式；电源板（4）的J2端、J3端各自连接一个功放板（3），为功放板（3）提供DC24V工作电压，J10端与电源转接板（5）的J4端连接，为电源转接板（5）接入DC12V电源；锂离子电池供电模式时，电源板（4）为各通信台站提供DC28V工作电压。
7.根据权利要求1所述的一种可背负式自组网系统，其特征在于：所述的电源转接板（5）的J1端连接有锂电池接口（16），为各通信台站提供DC12V工作电压；J3端通过电源接口（14）为各通信台站提供DC24V工作电压；J2端装接有电源自锁式开关（15），按下电源自锁式开关（15），开关状态保持，为所述电源板接入DC28V电源。
8.根据权利要求1所述的一种可背负式自组网系统，其特征在于：所述的功放板（3）的发射电路，通过T2G6001528、SZA-2044放大器放大从主板（1）发送来的射频信号，增加发射信号的传输距离；功放板（3）的接收回路通过TQL9092低噪放，放大天线接收的小信号，提高接收回路灵敏度。
9.根据权利要求1所述的一种可背负式自组网系统，其特征在于：所述的装置本体的总重量为3.3Kg ，2W发射功率，8小时以上续航时间，所述外壳的防护等级为IP67，适合恶劣环境、复杂地形及全天候使用。
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