基于嵌入式系統的無線信息共享系統研究

摘 要：為滿足電子偵察一體化的需要，對無線信息共享系統傳輸協議、網絡拓撲結構和路由方式進行了研究，提出了一種無線信息共享系統結構。網絡節點硬件主體由嵌入式中央控制模塊與無線收發模塊組成，并在中央控制模塊中集成了多種接口用來外接信息采集模塊。應用了IEEE802.11g協議和Ad Hoc網絡路由方式，在Windows CE平臺上實現了網絡節點間的數據文件共享。實驗結果表明該系統可以在復雜的環境下穩定運行。

關鍵詞：IEEE802.11g； 嵌入式系統；Windows CE；eCos可配置實時操作系統

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0503403

Study of Wireless Information Communion System Based on Embedded System

QIU Libo XIA Junfang2，WANG Ruiqi3，SU Huiyi1

(1.Yantai Engineering Technology College，Yantai，264006，China;2.Yantai Branch，China Tietong Telecommunications Corporation，Yantai，264001，China;

3.Naval Aeronautical Engineering Institute，Yantai，264001，China)

Abstract：To meet the need of synthesizing electron reconnaissance，after studying wireless transmission protocol，network topology and network route，a kind of wireless information communion system is presented.The main structure of network node hardware is constituted by an embedded center control module which integrates common interface to connect information collection modules and a wireless transceiver module.Applying IEEE802.11g protocol and Ad Hoc network route，the share of data files among network nodes is realized on Windows CE operating system.The result shows this wireless information communion system can work steadily in complicated environment.

Keywords：IEEE802.1g;embedded system;Windows CE;configurable real-time operating system

1 引 言

信息化戰爭已經成為現代戰爭中不可或缺的一部分。在信息化戰爭中的一個重要特點是單兵武器裝備之間能實現橫向的無線組網，形成信息網絡系統，達成信息資源共享，從而及時洞察戰場各處的作戰態勢。目前，各軍事強國都展開了無線信息共享系統的研究，如美國的“陸地勇士”系統，英國的“FIST”計劃，法國的“SC”系統等。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎的專用計算機系統，其軟硬件資源是可裁剪的，能夠滿足應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等指標的嚴格要求。他可以方便地集成到便攜式偵察設備等武器裝備之中，完成對武器設備的控制、監視或管理等功能。把嵌入式系統與無線傳輸相結合而誕生的嵌入式無線信息共享系統，具備了專業的數據處理能力及實時性的共享數據傳輸能力，將武器裝備所探測到的信息和自身的狀態信息及時的在我方無線節點中傳輸，使武器裝備的戰斗性能得到了大幅度的提升，增強了作戰系統的協同性。

2 主流無線通信協議性能分析與比較

作為無線信息共享系統網絡節點的OSI參考模型最低層的物理層和數據鏈路層，擔負著射頻調制和在無線鏈路上建立可靠和安全的邏輯鏈路的任務。其直接決定了整個無線信息共享系統的傳輸速率和覆蓋范圍，因此選擇一種適于專用作戰環境的無線傳輸協議來規范物理層和數據鏈路層就顯得尤為重要。

目前IEEE制定的應用于無線連接的傳輸協議主要可以分為三類，他們分別是IEEE802.15系列協議，IEEE802.11系列協議以及IEEE802.16系列協議，按其不同的功能側重點分別被應用于不同的領域。

IEEE802.15系列協議主要應用于近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線個人網(WPAN)。Blueteeth技術采用了IEEE802.15.1規定的物理層和數據鏈路層標準，Zigbee技術采用了IEEE802.15.4規定的物理層和數據鏈路層標準。IEEE802.15.4的物理層在3個頻段上共定義了27個物理信道。在頻帶868 MHz，902~928 MHz和2-45 GHz上的數據率分別為20 kb/s，40 kb/s和250 kb/s。在868/915 MHz頻段上的11個信道均采用BPSK調制，而2-45 GHz上的16個信道采用O-QPSK調制。其可以覆蓋近距離約幾十米的通信范圍，目前其主要被應用作為無線傳感器網絡的通信標準。

IEEE802.11a/b/g/e/f系列協議具有了較高的傳輸速率，主要應用于無線局域網(WLAN)^[1]。目前應用比較廣泛的是IEEE802.11g協議，其在2-4 GHz頻段上劃分了11個信道，對物理層和數據鏈路層進行了規范，可以采用FHSS，DSSS或OFDM調制方式，使得可選擇的傳輸速率最高可達到54 Mb/s，無線覆蓋范圍達到了1 km。TI，MAXIM等廠商針對該協議都生產了大量的無線接入產品。

IEEE802.16系列協議工作于2~66 GHz的頻段，其調制方式包括了單載波，OFDM以及OFDMA，因而具有了更高的傳輸速率及覆蓋范圍，應用于無線城域網(WMAN)。其中IEEE802.16d和IEEE802.16e分別用于固定帶寬無線接入和移動帶寬無線接入，其標稱的傳輸速率達到了70 Mb/s，覆蓋范圍為50 km左右。然而，其高速的編碼解碼速度和復雜的調制方式對硬件的要求很高，目前市面上使用該協議的無線接入產品還很少，各大廠商更多的還是在從事芯片的生產和評估。

為了加快整個無線信息共享系統的構建，需要一種能快速投入生產形成戰斗力的底層傳輸協議來支持，因此應用產品種類多，技術理論相當成熟的IEEE802.11g協議就成為當前的最佳選擇，為了使各無線網絡節點在實際工作中能在更大的覆蓋范圍內工作，我們可以在實際應用中加裝二級功率放大器實現。

3 構建無線信息共享系統的核心因素

在確立了物理層和數據鏈路層的傳輸規范之后，根據IEEE802.11g協議所支持的網絡拓撲結構來進行分析和選擇。IEEE802.11g規范了兩種基本的網絡結構：獨立基本服務集和擴展服務集。前者也就是Ad Hoc網絡，網絡中的任何兩個節點可以通過節點間的多跳數據轉發進行通信，不需要固定的基站來進行數據轉發。后者可以看作是多個獨立基本服務集的集合，各個獨立基本服務集之間通過基站來進行數據的續傳和轉發。鑒于Ad Hoc網絡特有的無需架設網絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點，他將是未來數字化戰場通信的首選技術。在戰時通信基礎設施受到破壞而癱瘓時，網絡中的各個節點可以繼續完成數據的傳輸，從而順利完成作戰任務。因此，在本文構建的無線信息共享系統采用了Ad Hoc網絡結構。

組建網絡所要考慮的另一個關鍵因素是數據在網絡中的路由算法。針對不同的策略和應用場合，各研究機構已經開發出了大量的Ad Hoc路由算法，其中AODV路由協議是一種典型的按需距離矢量路由算法。在采用AODV路由協議的網絡中，源節點并不維持一個路由表，而是根據需要創建路由。當有數據包需要傳送時，為了尋找路徑，源節點廣播路由請求分組，鄰近節點收到廣播后再向其他鄰近點廣播，直到到達目的地或者到達已有最新路由的中間節點。路由請求分組采用序列號編碼以避免環路，并保證中間節點只回應最新的信息。若源節點發生移動，路由表必須重新初始化；若中間節點移動，其鄰近點會發現鏈路的失效，并將鏈路失效的信息通告其上行鄰近點，直到源節點收到該信息，然后根據需要重新構造路由。AODV算法采用了逐跳路由、序列編號和周期更新的機制，減少了創建路由所需的廣播數，適用于戰時的移動無線組網。

數據傳輸的安全問題也是無線信息共享系統不容忽視的方面，在IEEE802.11協議中規定了共享密鑰鑒權機制，要求建立連接的雙方必須有一個公共的密鑰，同時要求雙方支持WEP加密，然后使用WEP對測試文本進行加密和解密，以此來證明雙方擁有相同密鑰，從而有效地防止了數據的外泄。

4 無線信息共享系統網絡節點的硬件實現

無線信息共享系統網絡節點的硬件結構包括了兩個主要模塊：嵌入式中央控制模塊和無線收發模塊。嵌入式中央控制系統集成了ARM9處理器，RS 232接口，RJ 45接口，SD card接口，音頻接口，IDE接口，可以方便地擴展音頻視頻等各種信息采集模塊。無線收發模塊集成了ARM9處理器和符合IEEE802.11g標準的射頻前端^[2]。網絡節點的硬件組成模塊如圖1所示，嵌入式中央控制模塊通過交叉以太網線來完成對無線收發模塊的控制。

嵌入式中央控制模塊采用了Windows CE 5.0操作系統作為軟件平臺， Windows CE 5.0是微軟公司向嵌入式領域推出的一款操作系統，他最大程度地繼承了桌面版Windows操作系統的豐富功能，同時又加入了許多新特性，以適應嵌入式領域的實際情況和要求^[3]。Windows CE 5-0操作系統的網絡功能十分強大，支持IEEE802.11協議、IEEE802.3協議、IEEE802.5協議、HTTP協議、TCP/IP協議等所有主流網絡協議。其內置的通信模塊可以為嵌入式系統提供對多種硬件和數據傳輸協議的支持，包括串/并行數據端口、紅外數據端口以及電話應用程序接口。我們使用Microsoft Platform Builder 5.0來構造Windows CE 5.0的內核OS，Embedded VC⁺⁺4.0來為Windows CE開發實現無線信息共享的應用軟件^[4]。由于Windows CE操作系統所支持的API函數庫是桌面Windows操作系統API函數庫的子集，而且嵌入式操作系統的內存等資源有限，在編譯時要綜合考慮這些限制因素才能實現能穩定運行的應用軟件。無線信息共享系統的單個網絡節點通過應用軟件進行文件共享時的工作狀態如圖2所示。

無線通信模塊采用了Marvell公司的88w8000與88w8515芯片的組合，以eCos嵌入式可配置操作系統作為軟件平臺。eCos具有可配置性、可裁減性、可移植性和代碼體積小的優勢。他提供了功能強大的配置系統，可以在源碼級實現對系統的配置和裁減，并且實現最小功能的eCos系統可以只有幾百字節，方便的存儲于FLASH [5，6]。88w8515是集ARM9處理器、以太網MAC/BB處理器、IEEE802.11 MAC/BB處理器于一身的SoC，88w8000是工作于2-4 GHz頻段的IEEE802.11g無線收發芯片。通過JTAG接口，我們可以對無線收發模塊底層固件進行不斷的修改和完善。整個無線信息共享系統工作時，數據文件在兩個節點中的收發流程如圖3所示。

5 結 語

本文建立了一種基于Ad Hoc網絡的專用無線信息共享系統，對無線網絡節點的軟硬件平臺進行了設計和實現，為電子偵查信息一體化的建設提出了一種切實可行的方案，并進行了多次實地測試。該系統采用了模塊化設計，可以根據實際需要在中央控制模塊中擴展視頻信息、音頻信息、位置信息等數據采集設備，嵌入到戰時單兵偵察的武器裝備中完成對戰場環境的綜合信息融合。尤其是加裝位置傳感器后，可以通過軟件控制實現無人職守，從而加裝在導彈中，實現多彈之間對位置信息的傳遞，完成多彈編隊的立體化打擊。

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