CN204103916U

CN204103916U - 采用二次扩频技术提升测距功能的矿井wifi系统

Info

Publication number: CN204103916U
Application number: CN201420562028.XU
Authority: CN
Inventors: 孙继平; 蒋恩松
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2024-09-28

Abstract

本实用新型涉及一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，所述的矿井WIFI系统为现有的WIFI系统集成了二次扩频实用测距功能，在WIFI移动站上集成多载波扩频调制部件，采用m序列对测距的WIFI信号进行二次扩频，提高了测距信号的码速；在WIFI基站上集成多载波扩频解调器对二次扩频的测距信号进行捕获，从而获得更高的时间分辨率，相对原有的WIFI系统时间分辨率可提高7倍。在WIFI内部，设置两个独立于现有WIFI系统的MAC控制帧，系统测距过程不影响系统的正常WIFI通信。本实用新型能有效解决现有WIFI系统测距能力不足的固有问题，对于在煤矿WIFI平台上建立人员定位和通信联络一体化的系统提供了硬件支持。

Description

采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统

技术领域

本实用新型涉及一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，具体是在传统的WIFI通信系统上集成了扩频部件对已有的WIFI信号进行再次扩频，提升系统的测距功能，属无线电/WIFI定位技术领域，适用于煤矿井下通信系统与工作人员定位系统的集成。

背景技术

井下人员定位系统和矿井通信联络系统属于煤矿“六大安全避险系统”，对保障煤矿安全生产发挥重大作用。WIFI技术在各行各业中已被广泛使用，其具有传输距离远、带宽高、组网容易的特点，基站的部署便捷，可移动的终端能就近接入系统，另外，还可统一进入工业以太网，不需要另布有线通信网络，这些先天的优越性，适应矿井无线通信的环境需求，在部分煤矿企业中已经有较为成熟的应用。

任何定位系统，首先要获取移动目标与定位基站之间的距离。根据WIFI标准，直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技术是其物理层采用的主要实现方式，IEEE802.11商业应用采用扩频码片是长度为11的BAKER码，处理增益10dB左右，直接以WIFI的物理信号作为测距信号，其时间精度显然不够，换言之，WIFI系统基于时间的测距功能薄弱，故一般WIFI系统不能提供基于时间的测距方法。

由于以上的一些因素，现有的WIFI通信技术，特别是在井下特殊环境下，并不能提供精确的测距数据，只能提供大致的定位范围，没有办法在一般通用的WIFI设备上来获取所需要的精确距离信息，因而无法在现有的WIFI通信系统上建设精确的人员定位系统。在WIFI通信系统外，还需要另建井下的人员定位系统，会导致井下的人员定位系统和通信系统相互独立，信息无法共享和交互。不利于管理和信息的综合处理，同时也导致了井下的通信线路的二次建设，增加整体系统维护的难度。因此，为了更好地发挥WIFI技术在矿井无线宽带应用的优势，解决WIFI系统的测距瓶颈，在原有的系统上进行创新改造以提高测距能力，对于在煤矿WIFI平台上建立人员定位和通信联络一体化的系统具有重要意义。

实用新型内容

为了解决现有WIFI系统测距能力不足的固有系统问题，本实用新型提供了一种采用二次扩频技术以提升测距功能的矿井WIFI通信系统，在已有的WIFI平台上，额外增加了扩频部件，采用了DSSS-DSSS结合的信号新体制，在不影响原有WIFI系统正常工作情况下，扩频复用WIFI信号，升级了原有WIFI系统的扩频能力，可获得通信双方更高精度的信号传播时间，提升了系统的测距功能，为煤矿井下人员精确定位系统建设提供了可靠的技术支持。

本实用新型采用的技术方案是：采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，所述的矿井WIFI系统，包括具有扩频测距功能的WIFI基站和具有二次扩频功能的WIFI移动站；

所述的WIFI基站包括基站WIFI模块、多载波扩频解调器、基站微控制器、基站射频收发器、基站信号通道选择开关、基站双工器；所述的基站射频收发器与基站双工器双向连接，所述基站WIFI模块的输出端口与基站射频收发器的发射信号输入端口连接，用于将生成的测距询问帧及其它的WIFI帧通过基站射频收发器经基站双工器发送给WIFI移动站；所述基站信号通道选择开关的一端与基站射频收发器的接收信号输出端口连接，另一端有两个连接口，其中一个连接口与基站WIFI模块的输入端口连接，形成通常的WIFI信号接收通道，另一个连接口与多载波扩频解调器的信号输入端口连接，经多载波扩频解调器的信号输出端口连接到基站WIFI模块的输入端口上，形成测距信号接收通道；基站WIFI模块与基站微控制器双向连接；多载波扩频解调器与基站微控制器单向连接，向基站微控制器提供测距信号的时延数据；所述的基站微控制器控制端口分别与基站WIFI模块和基站信号通道选择开关的控制端口相连，控制所连接的各模块协调工作；

所述的WIFI移动站包括移动站WIFI模块、多载波扩频调制器、移动站微控制器、移动站射频收发器、移动站双工器和移动站信号通道选择开关，所述移动站射频收发器与移动站双工器双向连接，所述移动站射频收发器的接收信号输出端口与移动站WIFI模块的输入端口连接，用于将接收到的测距询问帧及其它的WIFI帧发送给移动站WIFI模块；所述移动站信号通道选择开关一端与移动站WIFI模块的输出端口连接，另一端有两个连接口，其中一个连接口与移动站射频收发器的发射信号输入端口连接，形成通常的WIFI信号发送通道，另一个连接口与多载波扩频调制器的信号输入端口连接，经多载波扩频调制器的信号输出端口连接到移动站射频收发器的发射信号输入端口上，形成测距信号发送通道；移动站WIFI模块根据测距询问帧生成测距响应帧，并进行第一次扩频，多载波扩频调制器对移动站WIFI模块送入的测距响应帧进行第二次扩频，经过二次扩频后的测距响应帧通过移动站射频收发器经移动站双工器发送给WIFI基站；所述的移动站微控制器控制端口分别与移动站WIFI模块和移动站信号通道选择开关的控制端口相连，控制所连接模块协调工作。

系统通过特定的测距询问帧/测距响应帧来启动WIFI基站与指定的WIFI移动站之间的测距功能并完成二者之间距离的测定；所述的测距询问帧、测距响应帧均由帧控制、持续时间、接收站点地址、发送站点地址、帧校验序列5个域组成；测距询问帧的类型为控制帧，其子帧类型为0001，测距响应帧的类型为控制帧，其子帧类型为0010。

所述的二次扩频采用了直接序列扩频体制：在WIFI的物理层采用长度为11的Barker码对测距响应帧扩频，采用BPSK调制；多载波扩频调制器采用m序列对测距响应帧进行第二次扩频，m序列码长为7。

所述的多载波扩频解调器包括：并串转换器、控制并串转换的时钟电路、7个不同频率的振荡器、7个载波解调器、1个m序列匹配滤波器、1个BAKER码序列匹配滤波器、2个门限比较器；多载波解调后的数字基带信号分别连入到m序列匹配滤波器及BAKER码序列匹配滤波器，实现m序列及BAKER码序列的捕获，并同时进行m序列的解扩。

所述的多载波扩频调制器包括：串并转换器、m序列发生器、时钟电路、7个不同频率的振荡器、7个载波调制器，时钟电路与m序列发生器相连，产生扩频m序列。

所述的7个不同频率的振荡器，产生的中心频率分别为：2412、2422、2432、2442、2452、2462、2472，单位为MHZ，它们分别是WIFI1、3、5、7、9、11、13信道的中心频率；m序列发生器是3级的移位寄存器，m序列长度为7。

所述的WIFI基站包括基站接口层部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB数据通讯接口；所述的WIFI移动站包括移动站接口层部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB数据通讯接口。

所述的射频收发器支持802.11n协议。

本实用新型有以下4点有益效果。

1.在现有的WIFI系统上集成了实用的测距功能，利用已有的通信网络，无需在无线接入网侧增加设备，对网络结构不做任何改动，即可获得较为精确的测距数据，有效解决了在现有的WIFI通信系统上建设人员定位系统的难题，为人员定位系统，矿井通信联络一体化建设提供了可靠的技术支持，从而避免井下的人员定位系统的二次建设，节约了财力和人力成本，有利于系统整体的维护和升级。

2.系统增加了扩频部件，在移动站上只有扩频部件，基站只有解扩部件，硬件设计简约，在此基础上，巧妙利用WIFI保留帧构造了测距过程所用到的测距询问帧/测距响应帧，无缝对接802.11协议，透明地在WIFI系统中嵌入了基于时间的测距功能，系统测距并不干涉或影响WIFI的通信功能，因此，本实用新型应用于矿井定位系统和通信系统建设，能充分保证定位系统和通信系统的兼容性，信息可以共享和交互。方便系统管理和信息的综合处理。

3.测距性能突出，具有实时性，测量距离长，测距精度高，的特点。测距询问帧/测距响应帧的构造，只包括基本的帧域，帧长很短，而且持续时间设定为最短的SIFS，即帧间隔不超过84微秒，由于采用了匹配滤波器进行匹配捕获，可在9个WIFI符号周期内实现同步，因此，一次测距过程不超1ms，具有实时性。测量范围取决于一个WIFI同步头符号所持续的时间，WIFI同步头符号码速为1Mb/s，因此，测距范围可达300m，这个范围与WIFI在煤矿井下的覆盖范围大致一样，远远超过WIFI原有的基于RSSI测量范围。二次扩频的m序列码长为7，WIFI自身扩频码长11，故整体测距精度可达3.83m，适合人员定位系统的要求。

4.系统具有抗多径干扰能力。扩频技术具有较强的抗多径干扰能力，而本实用新型采用的是双扩频技术进行测距，因此，能够矿井空间狭窄，多径损耗严重的环境。

附图说明

图1是本实用新型系统的组成原理图。

图2是本实用新型测距询问帧/测距响应帧示意图。

图3是本实用新型多载波扩频调制器的组成框图。

图4是本实用新型多载波扩频解调器的组成框图。

图中1.具有扩频测距功能的WIFI基站，2.具有二次扩频功能的WIFI移动站。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型系统的组成框图，不执行测距功能时，具有扩频测距功能的WIFI基站1与具有二次扩频功能的WIFI移动站2之间进行的是正常的WIFI通信。此时，它们相当于一般意义上的WIFI基站和WIFI移动站。

执行测距时，WIFI基站1中的基站WIFI模块11生成特定的测距询问帧，测距询问帧格式如图2所示，由帧控制、持续时间、接收站点地址、发送站点地址、帧校验序列5个域组成，特别地，测距询问帧的类型为控制帧，其子帧类型为0001，为802.11协议保留未用，不会对原有WIFI的MAC层协议造成影响，其中，接收站点地址指示执行测距的WIFI移动站，即接收测距询问帧的WIFI移动站地址，发送站点地址是指发出测距询问帧的WIFI基站地址。测距询问帧经基站射频收发器14通过基站双工器15经天线发射，这个过程跟一般的WIFI信号传播一样。同时，在基站微控制器10控制下，基站选择开关13连通信号的测距接收通道。

WIFI移动站2接收到WIFI基站1发来的测距询问帧，由移动站WIFI模块21生成特定的测距响应帧，测距响应帧格式如图2所示，类型为控制帧，其子帧类型为0010，为802.11协议保留未用，持续时间为一个SIFS(短帧间间隔)，由帧控制、持续时间、接收站点地址、发送站点地址、帧校验序列5个域组成，其中的接收站点地址从测距询问帧的发送站点地址复制得到。与此同时，在移动站微控制器20控制下，移动站选择开关23指向信号的测距发送通道，为说明问题方便，设测距响应帧加上物理层帧头后，可表示成：T_d是一位数据bit持续时间，根据WIFI协议，T_d＝1×10^-6秒，移动站WIFI模块21对d(t)进行第一次扩频，扩频码为11位Barker码，表示为：T_b＝T_d/11，则WIFI测距询问帧可表示为：s_w(t)＝b(t)d(t)；s_w(t)经移动站选择开关23进入到多载波扩频调制器22中进行二次扩频，多载波扩频调制器22结构如图3所示，3级m序列发生器在时钟电路控制下，产生长度为7的m序列，表示成：其中T_c＝T_b/7；s_w(t)首先经过一个串并转换电路，分成7路，在7个子载波通道内完成扩频操作，多载波扩频调制器22内有7个载波调制器以及7个频率振荡器，分别利用WIFI的1，3，5，7，9，11，13信道完成OFDM扩频调制，这样，能够将扩频后的信号带宽限制在ISM所要求的带宽内，满足WIFI信号带宽要求。经多载波扩频调制器22出来的信号可表示成：经移动站射频收发器24及移动站双工器25发射。同时，移动站微控制器20控制移动站选择开关23指向正常的WIFI通信通道。

WIFI基站1接收到经二次扩频的测距响应帧，送入多载波扩频解调器12中解调解扩。图4所示的是多载波扩频解调器12的组成框图，多载波扩频解调器12提供了7个通道的子载波解调器及相应的振荡器，各子载波通道经载波解调后，经过由时钟电路控制的并/串转换电路，得到的数字带信号可表示为：其中，tco′及tac′表示由于信号的传播引起接收到的信号与原信号之间的时延。将r_c(t)引入m序列匹配滤波器进行m序列匹配捕获，其输出经相应门限比较器判决同步后，产生的本地m序列再与r_c(t)相乘，二者相乘后可表示为：

r_{w} = Σ_{j = 0}^{6} d (t) b (t - tc o^{'}) c_{j} (t - ta c^{'}) c_{j} (t - tac),

其中tac是m序列匹配滤波器的时延值，它是实际时延tac′的逼近，误差不超过1个m序列码片，因此，解扩后，得到通常的WIFI信号：以上m序列的捕获，最长在两个Barker码片周期内实现同步。

将对m序列解扩后的数字基带信号引入BAKER码序列匹配滤波器以进行BAKER码序列的捕获，经相应的门限比较器判决同步后，BAKER码序列匹配滤波器的时延值tco为实际时延tco′的逼近；经过上述2次捕获后，可以得到测距响应帧传播时间：tp＝tco+tac，同时，由基站WIFI模块11得到发送测距响应帧的WIFI移动站的地址，从而能够计算出WIFI基站与WIFI移动站之间的距离：d＝tp*c；c为光速。计算结果及其它相应数据可放至SRAM16中保存，供其它进程调用。

基站微控制器10控制选择开关13指向正常的WIFI信号通道，结束此次测距操作。

通过以上结合附图对本实用新型实施例的具体描述，PN码捕获算法不超过9个WIFI符号周期，因此，测距的时间主要取决于测距询问帧，测距响应帧的发送和接收时间。测距询问帧和测距响应帧设置成短的控制帧，帧长20字节，加上物理头的24字节，实际物理发送为44字节，符号速率为1Mb/s，两个帧发送时间大约为504微秒，时间帧间3个SIFS时间共计84微秒，所以一般情况下，测距时间不超过600微秒，具有实时性。所采用的双扩频方法提高了时间分辨率，分辨率为1/11/7＝1.29×10^-8s，因此，测距精度可达到3.83m，测距范围定为一个WIFI码周期所持续的时间，即一个WIFI数据码的持续时间，光所能传播的距离，则测距范围为300m，能够满足井下定位系统的需要。

Claims

1.一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于：所述的矿井WIFI系统包括具有扩频测距功能的WIFI基站和具有二次扩频功能的WIFI移动站；

所述的WIFI基站包括基站WIFI模块、多载波扩频解调器、基站微控制器、基站射频收发器、基站信号通道选择开关、基站双工器；所述的基站射频收发器与基站双工器双向连接，所述基站WIFI模块的输出端口与基站射频收发器的发射信号输入端口连接，用于将生成的测距询问帧及其它的WIFI帧通过基站射频收发器经基站双工器发送给WIFI移动站；所述基站信号通道选择开关的一端与基站射频收发器的接收信号输出端口连接，另一端有两个连接口，其中一个连接口与基站WIFI模块的输入端口连接，形成通常的WIFI信号接收通道，另一个连接口与多载波扩频解调器的信号输入端口连接，经多载波扩频解调器的信号输出端口连接到基站WIFI模块的输入端口上，形成测距信号接收通道，所接收的测距信号在多载波扩频解调器中解调、解扩；基站WIFI模块与基站微控制器双向连接；多载波扩频解调器与基站微控制器单向连接，向基站微控制器提供测距信号的时延数据；所述的基站微控制器控制端口分别与基站WIFI模块和基站信号通道选择开关的控制端口相连，控制所连接的各模块协调工作；

2.根据权利要求1所述的一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，系统通过特定的测距询问帧/测距响应帧来启动WIFI基站与指定的WIFI移动站之间的测距功能并完成二者之间距离的测定；所述的测距询问帧、测距响应帧均由帧控制、持续时间、接收站点地址、发送站点地址、帧校验序列5个域组成；测距询问帧的类型为控制帧，其子帧类型为0001，测距响应帧的类型为控制帧，其子帧类型为0010。

3.根据权利要求2所述的一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的二次扩频采用了直接序列扩频体制：在WIFI的物理层采用长度为11的Barker码对测距响应帧扩频，采用BPSK调制；多载波扩频调制器采用m序列对测距响应帧进行第二次扩频，m序列码长为7。

4.据权利要求3所述的一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的多载波扩频解调器包括：并串转换器、控制并串转换的时钟电路、7个不同频率的振荡器、7个载波解调器、1个m序列匹配滤波器、1个BAKER码序列匹配滤波器、2个门限比较器；多载波解调后的数字基带信号分别连入到m序列匹配滤波器及BAKER码序列匹配滤波器，实现m序列及BAKER码序列的捕获，并同时进行m序列的解扩。

5.据权利要求3所述的一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的多载波扩频调制器包括：串并转换器、m序列发生器、时钟电路、7个不同频率的振荡器、7个载波调制器，时钟电路与m序列发生器相连，产生扩频m序列。

6.根据权利要求5所述的一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的7个不同频率的振荡器，产生的中心频率分别为：2412、2422、2432、2442、2452、2462、2472，单位为MHZ，它们分别是WIFI1、3、5、7、9、11、13信道的中心频率；m序列发生器是3级的移位寄存器，m序列长度为7。

7.根据权利要求1所述的一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的WIFI基站包括基站接口层部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB数据通讯接口；所述的WIFI移动站包括移动站接口层部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB数据通讯接口。

8.根据权利要求1所述的一种采用二次扩频技术提升测距功能的矿井WIFI系统，其特征在于，所述的射频收发器支持802.11n协议。