月面WiFi通信技術的應用設計

武加純，卜劭華，汪 瑩，董 巍，李林瞳

（1.上海航天電子技術研究所，上海 201109；2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引 言

近年來，我國在對月球探測上取得的成就有目共睹。2013年12月14日，嫦娥三號探測器成功著陸月球正面；2019年1月3日，嫦娥四號探測器成功著陸月球背面；2020年12月1日，嫦娥五號探測器完成月面軟著陸，并于12月17日完成月球樣品采樣返回[1-5]。為獲得更加豐富的月球研究數據，在月球表面建立長期并有效的工作站點十分重要。

為適應月球表面復雜電磁環境，建立多點通信，實現各站點之間自主信息交互、移動站點自主靈活接入主站點，引入WiFi通信技術。本文簡要分析了月球表面WiFi通信網絡結構的搭建，介紹了相關WiFi通信產品的硬件、軟件設計，并搭建相關測試平臺進行實驗數據分析。

1 WiFi通信技術簡介

WiFi全稱Wireless Fidelity（無線保真），目前廣泛用于商業通信服務領域。具有WiFi認證的產品符合IEEE 802.11無線網絡規范，它是當前應用最為廣泛的WLAN標準，采用2.4 GHz和5 GHz兩個頻譜。商用WiFi通信具有覆蓋范圍廣、開放性和兼容性強、組網簡單、輻射小、傳輸速率快以及成本低廉等特點[6]。

2 月面WiFi網絡結構設計

搭建月面WiFi通信網絡架構，如圖1所示。

圖1 月面WiFi通信網絡架構

月面WiFi通信網絡主要由一個主站點、多個副站點和移動WiFi站點構成。主站點系統包括主站收發設備、接入交換機、頂層交換機、高速通信處理基帶以及中繼通信網；副站點系統包括副站收發設備、接入交換機、頂層交換機；月面移動WiFi站點系統包括射頻收發器、基帶解調器和人機交互設備[7]。移動站點通過WiFi信道和主站點或副站點之間建立通信，主站點和副站點之間通過頂層交換機完成站點之間的信息交互，從而實現月面WiFi通信網絡資源共享。主站點的高速通信處理基帶將接收到的中繼通信網信息發送給各副站和移動站點，同時也將收集到各站點信息發送給中繼通信網，從而實現月面信息與地球控制中心之間的信息交互。

3 月面WiFi通信產品設計

3.1 硬件設計

為適應月面復雜環境，月面WiFi通信產品采用雙機溫備份設計，如圖2所示。

圖2 月面WiFi通信產品硬件設計

單機由A/B兩個獨立模塊組成，使用相同的通信協議（IEEE 802.11b/g）和收發頻率。根據任務需要，切換單機供電方式，完成溫備切換。備份狀態的WiFi通信芯片僅CPU內核處于運行狀態，而對外輸出接口處于高阻無輸出狀態。當任務需求切換時，可實現備份件快速切換成工作態。對外低頻接口安裝在A機的殼體上，兩塊單板之間通過內總線互連，實現供電回路溫備份保持。單機無線端使用相同的IP地址號，有線端A機和B機采用不同的IP地址號與數管計算機相連。兩個獨立的模塊使用相同的電路設計，單機上電后，WiFi芯片從Flash中讀配置程序。根據外部供電方式，檢測觸發電平。當班機工作態的WiFi芯片建立對外網絡通信，發射無線信號。備份態的WiFi芯片對外網絡接口設為高阻狀態，無線信號靜默。每個模塊通過外部接口指令，控制片選1或片選2選擇Flash芯片，完成運行程序加載[8]。

3.2 軟件設計

WiFi通信機軟件使用OpenWrt底層軟件，上層應用軟件采用C語言編譯。WiFi通信機上電后，軟件進入循環任務背景模式，如圖3所示。

圖3 月面WiFi通信產品網絡流程

同時軟件啟動各個線程，檢測各事件的發生，若發生則按流程設計進入各線程進行處理，處理完畢后返回循環背景任務，以響應其他線程的事件。本文僅考慮當前必要的軟件線程，在實際系統搭建時可以根據任務需要構建多線程，以滿足系統功能要求。

3.3 測試平臺搭建及測試數據

為驗證該月面WiFi通信網絡方案設計的合理性，搭建測試環境。WiFi通信產品硬件設計使用MT7620A為主芯片，包括1個802.11n-MAC和基帶、1個2.4 GHz無線電荷FEM、1個580 MHz MIPS CPU核心、1個5端口10/100 Mb/s交換機以及兩個RGMII。MT7620A支持2.4 GHz射頻兩收兩發（2T2R）和802.11b/g/n協議模式，使用Linux操作系統開發，可配置20 MHz晶振或40 MHz晶振。依照上述WiFi通信產品硬件和軟件設計架構完成單機設計后進行測試，測試數據如下文所述。

3.3.1 有線環境下測試情況

測試信道使用信道1，802.11b模式發送碼速率11 Mb/s，802.11g模式發送碼速率54 Mb/s。

802.11b模式下的輸出頻譜和802.11g模式下的輸出頻譜如圖4和圖5所示。

圖4 802.11b模式下的輸出頻譜

圖5 802.11g模式下的輸出頻譜

由圖4和圖5可以看出，802.11b模式下的輸出功率可達27.55 dBm、接收靈敏度可達-96 dBm，802.11g模式下的輸出功率可達23.23 dBm、接收靈敏度可達-74 dBm，滿足工信部測試標準要求。

3.3.2 無線環境下測試情況

為模擬測試WiFi通信產品在月面環境下無線信號傳輸情況，搭建測試平臺，如圖6所示。

圖6 無線測試平臺搭建框架

將PC機1理解為WiFi移動站點的數據處理單元，PC機2理解為主站點（或副站點）的數據處理單元，AP理解為主站點（或副站點）的收發裝置。

測試過程中，WiFi通信產品與天線之間的高頻電纜插損為2.5 dB，AP端與天線之間的高頻電纜插損為2.0 dB。天線1和天線2保持輻射方向軸心線對齊，天線1和天線2在該方向上的增益均為4.5 dB。測試過程中，使用單載波信號發射標定傳輸路徑衰減，記錄定點距離WiFi通信機各項測試數據，如表1所示。

表1 無線拉距測試數據

從表1可以看出，單載波標定功率與鏈路損耗之間呈正相關關系。在24～800 m的實測數據中，AP端接收的包計數與WiFi通信機發送包計數一致。在3 000 m模擬距離測試中，AP端接收的包計數與WiFi通信機發送包計數一致。測試過程中AP端保持絕對定位數據常發，WiFi通信機保持同步接收絕對定位數據。

4 對比分析

從表1的測試數據中可以看出，該WiFi通信測試環境下，3 000m通信距離范圍內仍然可以實現正常通信。月球表面無線信號衰落情況與地球不同，月面無線信號衰落估算如圖7所示。在進行無線拉距試驗時，測試環境場地選在傳輸路徑上沒有明顯突出遮擋且周圍無其信號反射路徑的空曠地段測試，最大化模擬月面菲涅爾區環境[9-10]。

圖7 月面無線信號衰落估算

由圖7可以看出，在月面500 m通信距離時其鏈路衰減估算為100 dBm，對應表1中的數據約為800 m處，該月面WiFi通信產品的設計可以滿足月面復雜環境下信道建立要求。

5 結 論

在月球表面建立多站點WiFi網絡通信，具有成熟的技術應用支持和便捷的可操作性。月面WiFi通信產品在硬件上采用多通道雙機備份設計，滿足可靠性要求。同時軟件上采用獨立多線程循環檢測機制，可以根據任務要求增加或刪減線程。從對測試數據的分析可以看出，即使在月面WiFi信道衰落情況下，仍然可以保證500 m范圍內通信有效。后續建立月面通信時，可以使用WiFi通信技術。