CN115051735A - 一种基于mimo技术的无线数据链终端及通信方法 - Google Patents

一种基于mimo技术的无线数据链终端及通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于MIMO技术的无线数据链终端及通信方法，包括：S1：将GPS模块、电源模块、综合控制模块、多组收发模块均正确安装在负载模块上；S2：综合控制模块将原数据切片包装成多个发射数据帧并发送至接收端；S3：收发模块对接收端发来的回执信号进行解调，得到各自的码元时钟、信号锁定状态和接收数据帧；S4：每次接收信号后，综合控制模块根据信号锁定状态确定该收发模块接收的是否是正确的接收数据帧，并发送确认回执信号。本发明过在负载模块的六面上均安装收发模块，以全方位地通过不同频率收发信号，互为备份，接收结果经综合控制模块进行正确性仲裁、采用、存储或转发，大大提高了无线数据链终端的通信质量和可靠性。

Description

一种基于MIMO技术的无线数据链终端及通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于MIMO技术的无线数据链终端及通信方法。
背景技术
无线数据链终端普遍用于军用多目标测控系统中。这类装置采用FDD(频分)或者TDD(时分)协议实现一定空域内的多终端设备之间的数据链路通信。
传统无线数据链终端普遍采用单天线收发技术完成载波信号的辐射与接收，但这种单天线系统受天线安装位置的限制较大，通信终端之间的相对位置发生变化时，单个天线的波瓣范围会影响通信质量，同时单天线的接收信号的效率优先，整个系统通信带宽低，抗通道衰落能力差。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种基于MIMO技术的无线数据链终端及通信方法，通过在负载模块的六面上均安装收发模块，以全方位地通过不同频率收发信号，互为备份，接收结果经综合控制模块进行正确性仲裁、采用、存储或转发，大大提高了无线数据链终端的通信质量和可靠性并消除多径衰落的影响。
根据本发明的实施例，一种基于MIMO技术的无线数据链终端，包括GPS模块、负载模块、电源模块、综合控制模块和多组收发模块，多组收发模块均匀分布固定在负载模块的六面；
所述GPS模块安装在负载模块的中心处并与其他所有模块电性连接，用于定位负载模块在空间上的位置以及所有收发模块的接发方向并将位置信息发送至综合控制模块；
所述电源模块固定在负载模块上并与其他所有模块电性连接，用于为整个终端供电；
所述收发模块用于接收无线信号并对其进行调制和解调，并将相关数据发送至综合控制模块；
所述综合控制模块与收发模块电性连接，用于控制收发模块的运行和对相关数据的处理。
优选地，所述负载模块包括无人机，所述收发模块包括收发天线。
另一方面，根据本发明实施例，还提供了一种基于MIMO技术的无线数据链终端的通信方法，其包括：
S1：将GPS模块、电源模块、综合控制模块、多组收发模块均正确安装在负载模块上，同时设置好收发模块的收发频率；
S2：综合控制模块将原数据以高字节在前、高位先发的要求排列并切片包装成多个发射数据帧，每个发射数据帧均需被所有收发模块利用相同的码元时钟进行调制后以不同的频率同时发射一次至接收端；
S3：收发模块多次接收多组接收端发回的回执信号，每次接收回执信号时均以不同的频率同时接收同一个信号并进行解调，得到各自的码元时钟、信号锁定状态和接收数据帧；
S4：每次接收信号后，综合控制模块根据信号锁定状态确定该收发模块接收的是否是正确的接收数据帧，之后将所有正确的接收数据帧按顺序拼接成总数据并与原数据进行对比，若对比完全相同，则以接收到正确的接收数据帧的收发模块向接收端发送确认回执信号。
优选地，所述发射数据帧和接收数据帧均包括：2字节帧同步数据+2字节帧计数+1字节的源头发射设备代码+251字节业务数据；其中从每个收发模块发送发射数据帧的帧同步数据不同。
优选地，所述信号锁定状态的获取方法如下：收发模块同步解调各自频率下接收到的同一个回执信号，并以相同的码元时钟搜索接收数据帧中的帧同步数据，当搜索到设定的帧同步数据后向综合测控模块上报信号锁定状态。
优选地，所述GPS模块还会记录负载模块的位置以及所有收发模块的接发方向，并将位置信息实时发送至综合控制模块，综合控制模块根据位置信息判断所有收发模块的接发方向是否与接收端背离，并在S2中需根据未与接收端背离的收发模块数量将原数据进行均分切片再包装。
优选地，所述GPS模块记录负载模块的位置以及收发模块的接发方向的时间间隔为1秒。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)采用6组分别安装在负载模块六面上的收发模块来收发信号，拓展了天线的覆盖范围，可全空域实现无线收发通信，克服了单天线系统的定向通信对设备朝向或设备载体飞行姿态的限制。
(2)多个收发模块全方位地在不同频率下收发信号，互为备份，接收结果经综合控制模块进行正确性仲裁、采用、存储或转发，大大提高了无线数据链终端的通信质量和可靠性。
(3)动态选择与接收端相对的收发模块并根据其数量来对原数据进行均分切片再包装发送以及数据的接收合并，可以提高数据通信的实时性和拓展数据通信带宽，避免数据帧丢失，减少误码率。
附图说明
图1为本发明实施例的系统原理图。
图2为本发明实施例的单个收发天线的信号覆盖范围示意图。
图3为本发明实施例的六方向收发天线的信号覆盖范围示意图。
图4为本发明实施例的多通道冗余原理图。
图5为本发明实施例的数据切片和接发原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明实施例提出了一种基于MIMO技术的无线数据链终端，包括GPS模块、负载模块、电源模块、综合控制模块和六组收发模块，所有模块均采用VPX标准设计，六组收发模块分别安装在负载模块的上下、左右、前后六面上并给6组收发模块按1～6的顺序进行编号，其中：
GPS模块安装在负载模块的中心处并与其他所有模块电性连接，用于定位负载模块在空间上的位置以及所有收发模块的接发方向并将位置信息发送至综合控制模块；
电源模块固定在负载模块上并与其他所有模块电性连接，用于为整个终端供电；
收发模块用于接收无线信号并对其进行调制和解调，并将相关数据发送至综合控制模块；
综合控制模块与收发模块电性连接，用于控制收发模块的运行和对相关数据的处理。
6组收发模块的收发频率、使能控制、收发时序都由综合控制模块进行调度，综合控制模块可根据实际应用场景的需要选择6组收发模块的一个或多个模块参与数据的通信与合成，从图2和图3的收发天线信号覆盖范围比较可知。多天线系统可全空域实现无线收发通信。克服了单天线系统的定向通信对设备朝向或设备载体飞行姿态的限制
另一方面，本发明实施例还提供了一种基于MIMO技术的无线数据链终端的通信方法，其包括如下步骤：
S1：将GPS模块、电源模块、综合控制模块、6组收发模块均正确安装在无人机上，然后将6组收发模块的收发频率设置不同的值，以避免在收发模块在收发信号时出现同频干扰，出现丢帧的情况，减少误码率，之后开始收发数据。
采用多组收发天线来收发信号，拓展了天线的覆盖范围，可全空域实现无线收发通信，克服了单天线系统的定向通信对设备朝向或设备载体飞行姿态的限制。
S2：如图4所示，综合控制模块将原数据以高字节在前、高位先发的要求排列并切片包装成多个发射数据帧，每个发射数据帧均需由综合控制模块串行转换、脉冲编码调制(PCM调制)后再送到所有收发模块，利用相同的码元时钟进行调制后以不同的频率同时发射一次至接收端。
如表1所示，每个发射数据帧的结构均结构按IRIG106遥测标准执行，包括2字节帧同步数据+2字节帧计数+1字节的源头发射设备代码+251字节业务数据，一个数据帧的长度为256字节，并且发射数据帧时，字节发射时序为高字节在前，高位先发。
表1数据的切片及帧结构
Figure BDA0003682627840000041
其中，帧同步数据主要是为了识别收发模块，具有相同业务数据的发射数据帧在发送时，会由6个收发模块以不同的频率同时发送一次至接收端，因此从不同收发模块发送出去的具有相同业务数据的发射数据帧中，帧同步数据会不相同，而在同一个收发模块发射的具有不同业务数据发射数据帧中，帧同步数据相同。
帧计数表征了发射数据帧的顺序和位置，对接收数据的事后分析可根据上下帧计数的连续情况判断通信质量，FC1表示高字节，FC0表示低字节。
源头发射设备代码主要用于数据转发链路的选择与控制，ID为发射信号的终端设备编号，CH为发射信号的终端的收发模块编号(1～6)，这在地面指控中心对空中数据链监控中有非常特殊的实用意义。
通常情况下，通信数量都比较大，因此需将终端的工作模式设定成通道复用的数据传输模式，该模式下，综合模块会将原数据a进行切片再分别包装，如图5所示，终端有6个收发模块，总数据由300个字节，因此会将总数据均匀切片成a1，a2，a3，a4，a5，a6，每个切片数据ai都有50个字节，每个切片数据ai在包装秤发射数据帧后，经收发模块i采用码元时钟进行调制后发射出去，其中数据域a＝∑ai，每个通道的数据帧格式与通道冗余的方式相同。
另外，在实际使用中，发射信号的终端与接收终端之间设有接收状态回传机制，因此部分收发模块的接发方向会与接收端背离，而背离的收发模块在发射数据时，接收端不能可靠地收到数据，接收端发送回执信号时，收发模块也不能可靠地收到回执信号，因此GPS模块每间隔一秒发射一次脉冲，记录负载模块的位置以及所有收发模块的接发方向，将位置相关的信息实时发送至综合控制模块，综合控制模块判断所有收发模块的接发方向是否与接收端背离，若背离，则不启用该收发模块收发数据，此时需根据未与接收端背离的收发模块数量将原数据进行均分切片再包装，如其中有1组收发模块背离，5组收发模块面向接收端，则将原数据a均匀切片成5份并包装。
动态选择与接收端相对的收发模块并根据其数量来对原数据进行均分切片再包装发送以及数据的接收合并，可以提高数据通信的实时性和拓展数据通信带宽，避免数据帧丢失，减少误码率
S3：收发模块多次接收多组接收端发回的回执信号，每次接收回执信号时均以不同的频率同时接收同一个信号并进行解调，得到各自的码元时钟、信号锁定状态和接收数据帧；
接收端收到信号后会将回传回执信号，不同的收发模块会以不同的频率接收同一个回执信号并同步解调，得到各自的码元时钟、信号锁定状态和接收数据帧，实际上每个收发模块同步解调后得到的码元时钟都相同，接收数据帧的结构与发射数据帧的结构和数据内容相同，但该接收数据帧还包含了回执确认信息，以便收发模块识，另外在解调时，收到回执信号的收发模块均以相同的码元时钟搜索接收数据帧中的帧同步数据，当搜索到设定的帧同步数据后即向综合测控模块上报信号锁定状态，上报周期为一个数据帧周期。
S4：每次接收信号后，综合控制模块根据信号锁定状态确定该收发模块接收的是否是正确的接收数据帧，之后将所有正确的接收数据帧按顺序拼接成总数据并与原数据进行对比，若对比完全相同，则以接收到正确的接收数据帧的收发模块向接收端发送确认回执信号。
由于发射数据帧和接收数据帧的结构和数据内容相同，因此帧同步数据内容也相同，而帧同步数据表示的是哪一个收发模块发出的，因此针对同一个收发模块接收的多个回执信号，融合控制模块判断，若该收发模块上报的所有信号锁定状态中，帧同步数据与发射数据帧的帧同步数据不同，则将该接收数据帧舍弃，反之则是正确的接收数据帧，之后将所有的正确的接收数据帧中的业务数据按帧计数的顺序进行拼接，形成总数据，实现对各模块接收数据带宽的积分，拓展通信的数据带宽，之后将总数据与原数据进行对比，若对比完全相同，则以接收到正确的接收数据帧的收发模块向接收端发送确认回执信号，至此，整个数据接发流程完成。
收发模块通过不同频率收发同一数据，互为备份，接收结果可经综合控制模块进行正确性仲裁、采用、存储或转发，这种通道冗余大大提高了无线数据链终端的通信质量和可靠性，并消除多径衰落的影响。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于MIMO技术的无线数据链终端，其特征在于：包括GPS模块、负载模块、电源模块、综合控制模块和多组收发模块，多组收发模块均匀分布固定在负载模块的六面；
所述GPS模块安装在负载模块的中心处并与其他所有模块电性连接，用于定位负载模块在空间上的位置以及所有收发模块的接发方向并将位置信息发送至综合控制模块；
所述电源模块固定在负载模块上并与其他所有模块电性连接，用于为整个终端供电；
所述收发模块用于接收无线信号并对其进行调制和解调，并将相关数据发送至综合控制模块；
所述综合控制模块与收发模块电性连接，用于控制收发模块的运行和对相关数据的处理。
2.如权利要求1所述的一种基于MIMO技术的无线数据链终端，其特征在于：所述负载模块包括无人机，所述收发模块包括收发天线。
3.一种基于MIMO技术的无线数据链终端的通信方法，其特征在于：该方法包括：
S1：将GPS模块、电源模块、综合控制模块、多组收发模块均正确安装在负载模块上，同时设置好收发模块的收发频率；
S2：综合控制模块将原数据以高字节在前、高位先发的要求排列并切片包装成多个发射数据帧，每个发射数据帧均需被所有收发模块利用相同的码元时钟进行调制后以不同的频率同时发射一次至接收端；
S3：收发模块多次接收多组接收端发回的回执信号，每次接收回执信号时均以不同的频率同时接收同一个信号并进行解调，得到各自的码元时钟、信号锁定状态和接收数据帧；
S4：每次接收信号后，综合控制模块根据信号锁定状态确定该收发模块接收的是否是正确的接收数据帧，之后将所有正确的接收数据帧按顺序拼接成总数据并与原数据进行对比，若对比完全相同，则以接收到正确的接收数据帧的收发模块向接收端发送确认回执信号。
4.如权利要求3所述的一种基于MIMO技术的无线数据链终端的通信方法，其特征在于：所述发射数据帧和接收数据帧均包括：2字节帧同步数据+2字节帧计数+1字节的源头发射设备代码+251字节业务数据；其中从每个收发模块发送发射数据帧的帧同步数据不同。
5.如权利要求4所述的一种基于MIMO技术的无线数据链终端的通信方法，其特征在于：所述信号锁定状态的获取方法如下：收发模块同步解调各自频率下接收到的同一个回执信号，并以相同的码元时钟搜索接收数据帧中的帧同步数据，当搜索到设定的帧同步数据后向综合测控模块上报信号锁定状态。
6.如权利要求4所述的一种基于MIMO技术的无线数据链终端的通信方法，其特征在于：所述GPS模块还会记录负载模块的位置以及所有收发模块的接发方向，并将位置信息实时发送至综合控制模块，综合控制模块根据位置信息判断所有收发模块的接发方向是否与接收端背离，并在S2中需根据未与接收端背离的收发模块数量将原数据进行均分切片再包装。
7.如权利要求6所述的一种基于MIMO技术的无线数据链终端的通信方法，其特征在于：所述GPS模块记录负载模块的位置以及收发模块的接发方向的时间间隔为1秒。
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