基于5G網(wǎng)絡(luò)的水利衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)設(shè)計

杜昆祥

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

在通信業(yè)務(wù)中，衛(wèi)星移動通信已經(jīng)成為目前一個重要發(fā)展方向，用戶可以通過發(fā)射人造衛(wèi)星信號與地面用戶進行通信，能夠在衛(wèi)星波束覆蓋內(nèi)進行自由移動。與其他通信手段相比，衛(wèi)星移動通信技術(shù)具有通信距離遠、覆蓋范圍廣以及通信靈活的優(yōu)點，它能為民用或軍用通信提供話音、電報和數(shù)據(jù)，因此發(fā)展前景十分廣闊。但在實際應(yīng)用中，水利衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)還存在時滯問題，需要對該系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

5G技術(shù)指的是第五代移動通信技術(shù)，蜂窩移動通信技術(shù)，中國三大運營商在2019年11月1日推出5 G商業(yè)套餐。以5 G技術(shù)為核心，將手機中表現(xiàn)聲音和圖像的模擬信號數(shù)字化，通過 ADC轉(zhuǎn)換并以比特流形式傳輸，可以滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大容量傳輸。基于5G網(wǎng)絡(luò)這一優(yōu)點，設(shè)計一個基于5G網(wǎng)絡(luò)的水利衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，以解決目前存在的問題。

1 水利衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 微處理器設(shè)計

AT89S52是一款8 K可編程閃存的 CMOS 8位高性能微處理器。采用高密度、非易失性存儲技術(shù)，與ATMEL公司生產(chǎn)的80C51工業(yè)晶體產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。

其特點如下：①兼容MCS-51單片機產(chǎn)品[1]；②系統(tǒng)可編程 Flash內(nèi)存中 SK字節(jié)；③1000個擦寫周期；④1000次擦寫循環(huán)；⑤三級加密程序存儲器；⑥32個可編程I/O口線；⑦三個16位定時器/計數(shù)器；⑧8個中斷源；⑨全雙工IIART串行通道；⑩小功率空閑及放電模式，放電后中斷可喚醒，看門狗定時，雙數(shù)據(jù)指針。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片

取樣速率取決于模擬信號的帶寬，為此需要選取相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)這一需求，此次研究選擇MAX197芯片，該芯片是Maxim公司推出的具有12位的轉(zhuǎn)換器，無須外部電路與時鐘的支持，就能夠?qū)崿F(xiàn)Am轉(zhuǎn)換功能。

它的主要性能特點如下：12 b分辨率；1/2 LSB線性；輸入范圍有四個：±10、±5、0～10、O～5V;8模擬輸入通道；內(nèi)外采樣控制[3]。

MCU響應(yīng)中斷，從MAXl97的FO接口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。CS和RE在讀取數(shù)據(jù)時都處于低位。低HBEN時，讀低8位；高HBEN時，讀高4位，在整個采樣周期結(jié)束后，通過PC機運行程序讀取數(shù)據(jù)塊，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)。

1.3 傳感器設(shè)計

該傳感器為KYC09系列液位傳感器[4]，屬于隔絕式擴散硅壓敏元件，采用精密溫度補償，全焊接裝配。該產(chǎn)品為一體結(jié)構(gòu)[5]，介質(zhì)有電纜型和鎧裝型兩種類型，本品可廣泛應(yīng)用于各類液位的檢測與控制，可直接將其置于液體中進行測量，具有體積小、性價比高、精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。其主要技術(shù)指標見表1。

表1 KYC09傳感器技術(shù)指標

1.4 存儲電路設(shè)計

因為水文資料的數(shù)據(jù)是定期采集的，而本設(shè)計所要測量的水文資料包括水位、降雨量、流量、溫度、濕度等，所以儲存的是5個數(shù)據(jù)資料。該系統(tǒng)每10min定期收集水文資料，即每10min儲存一份記錄。每個記錄占用9個字節(jié)[6-9]，每年有366×24×6個記錄，每月有39K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲容量，需要64K存儲芯片。通過這種方式，每個記錄存儲少于20K，一個64K存儲芯片可以存儲兩個月的水文信息。利用基于地址的存儲，第二個月會覆蓋上個月的數(shù)據(jù)，用戶需要每月發(fā)送2次。

其工作原理：這一24 LC系列遵循二線傳輸協(xié)議，只允許在總線空閑的情況下傳輸數(shù)據(jù)，但所有操作都以啟動條件開始，以停止條件結(jié)束。①所傳送的控制字節(jié)、地址及資料均為8位串行格式，由 SCL定時信號激發(fā)，前高后低，串行數(shù)據(jù)傳輸具有指定的總線時間。②在總線空閑時，SDA線路從高到低的過程被稱為操作的初始條件。③當 SCL線處于高位時，在數(shù)據(jù)傳輸完成后停止相應(yīng)操作。④DataWrite過程：當 SCL很低時，可以改變線上數(shù)據(jù)，即寫入的數(shù)據(jù)只能夠存放到SDA中。

數(shù)據(jù)讀出過程：讀指令會把這些數(shù)據(jù)讀進 SDA。但無論是讀或?qū)懖僮鳎?個數(shù)據(jù)傳輸完成后，都需要添加一個 SCL線上的時鐘信號，以完成芯片的內(nèi)部操作。當額外時鐘信號下降時，芯片會自動將 SDA線拉低到低水平，作為響應(yīng)信號。該設(shè)計選擇了24 LC的串行電擦除只讀存儲器。連接電路如圖1所示。

圖1 存儲電路

1.5 液晶顯示模塊

在顯示水文資料上，選擇型號為HD44780型號的模塊，該模塊可實現(xiàn)字符型液晶和點陣式液晶兩種顯示方式，以及字符、數(shù)字、符號等的顯示[10-12]。

在HD44780控制部分中，有一個可以用來表示 DDRAM和 CGRAM當前地址的地址指針計數(shù)器 AC。因此，HD44780控制部分的時鐘頻率范圍為125～350kHz。文字生成器包括 CGRAM固化文字庫(包括208種58點陣列和511點陣列文字字體數(shù)據(jù))和隨時可以定義的文字庫。

其主要通過DB0～DB7發(fā)送數(shù)據(jù)指令，就可以顯示指定的數(shù)據(jù)或指令。遠程監(jiān)測站將顯示水位、降雨量和其他數(shù)據(jù)。LCD顯示模塊DB0～DB7與大 D轉(zhuǎn)換器共享一個 PO接口，LCD顯示模塊DB0～DB7由于具有自身的控制接口，因此不會互相干擾。單片機的 PO端口直接與液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)端口相連[13]。在 RhampW中，P1.1用來控制 RS寄存器選擇，P1.2用來控制讀寫選擇，P1.3 El用來控制 E使能信號。

利用上述液晶顯示模塊實時顯示通信內(nèi)容，以此完成通信系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。

2 水利衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

在上述系統(tǒng)硬件設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)軟件進行設(shè)計。在系統(tǒng)軟件設(shè)計上，主要通過5G網(wǎng)絡(luò)提供支持，這樣，高速可靠的系統(tǒng)就可以與頂層管理系統(tǒng)進行通信。由于傳感器節(jié)點通信能力有限，因此需要5 G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行有效的實時監(jiān)測。軟件的工作流程如圖2所示。

圖2 軟件工作流程

其中，在5 G傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點和中繼節(jié)點的能量損失主要來自監(jiān)測信息的傳遞和接收。為了避免消耗能量高、成本高的問題，采用人工免疫算法對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布局處理。當兩個節(jié)點的距離為d時，發(fā)送n個比特數(shù)據(jù)的能量損耗可以表示為

式中，Em—信號處理消耗的能量；nξp1、nξp2—每個功放所消耗的能量[14]；DT—網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

利用上述技術(shù)為系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸提供支持，然后，為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，加權(quán)平均濾波系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。權(quán)重均值濾波同樣采用采樣值的均值，但與算術(shù)均值濾波和移動均值濾波不同，采樣值對結(jié)果的影響也不同，即不同的權(quán)值對新樣本的影響不同[15]，越接近當前數(shù)據(jù)，權(quán)值越大。權(quán)重均值濾波的算法為

(2)

式中，n—未經(jīng)濾波的第n次采樣值；yn-1—濾波后的樣值輸出結(jié)果；Ci—濾波時間常數(shù)。

3 實驗

在 VMware虛擬工作站虛擬機上進行了仿真實驗，以驗證此次研究的基于5G網(wǎng)絡(luò)的水利衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的有效性，并將傳統(tǒng)系統(tǒng)與此次研究的系統(tǒng)做對比，對比兩個系統(tǒng)的應(yīng)用效果。先將 Linux操作系統(tǒng) Ubuntu安裝在虛擬機上，然后將 NS-3.29安裝在 Ubuntu環(huán)境中作為網(wǎng)絡(luò)模擬工具。表2顯示了具體的模擬環(huán)境參數(shù)。

表2 實驗環(huán)境參數(shù)

通過設(shè)置合理的衛(wèi)星通信鏈路參數(shù)和 LTE網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在仿真程序中，用控制變量法改變模擬模型中數(shù)據(jù)包的傳輸間隔、終端數(shù)目以及終端到基站的距離。統(tǒng)計分析了仿真程序生成的跟蹤文件，并根據(jù)仿真結(jié)果評價了所設(shè)計的通信系統(tǒng)的性能。對系統(tǒng)的延遲性能、吞吐量和丟包率進行了比較。不同終端個數(shù)下的仿真參數(shù)見表3。

表3 不同終端個數(shù)下的仿真參數(shù)

3.1 數(shù)據(jù)接收延時性對比

在上述實驗環(huán)境下，對傳統(tǒng)系統(tǒng)與此次研究的基于5G網(wǎng)絡(luò)的水利衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的延時性進行對比，其對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收延時性對比

此次研究系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收延時性明顯較傳統(tǒng)系統(tǒng)延時性低，在數(shù)據(jù)傳輸過來后，在較短的時間就能夠?qū)?shù)據(jù)進行接收并傳輸，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)則需要耗費更多的通信時間，實際應(yīng)用效果較差。

3.2 吞吐量對比

對上行鏈路的吞吐量和端子數(shù)量進行了一系列研究。圖4為此次研究的系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的吞吐量，對比可知，隨著終端的增加，此次研究系統(tǒng)的吞吐量也在增加，證明此次研究系統(tǒng)在單位時間內(nèi)具有較好的數(shù)據(jù)成功傳輸能力，較傳統(tǒng)系統(tǒng)吞吐量高，在沒有幀丟失的情況下，具備較好的吞吐能力。

圖4 系統(tǒng)吞吐量對比

3.3 丟包率對比

對比此次研究系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的丟包率，如圖5所示。在傳輸數(shù)據(jù)增多的情況下，傳統(tǒng)系統(tǒng)丟包率也隨之增加。而此次研究系統(tǒng)的吞吐量受到傳輸數(shù)據(jù)多少的影響較小，具有較少的丟包率。

圖5 丟包率對比

4 結(jié)語

設(shè)計了一個基于5G網(wǎng)絡(luò)的水利衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，并通過實驗驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性，通過此次研究系統(tǒng)有效提高了系統(tǒng)的吞吐能力、減少了丟包率，實際應(yīng)用意義較強，能夠為相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用提供一定的幫助。

但是由于研究時間的限制，所設(shè)計的系統(tǒng)還存在一定的不足，還需要進一步的優(yōu)化研究，在后續(xù)的研究中，將重點研究通信系統(tǒng)通信成本問題，從而進一步提高應(yīng)用效果。