一種礦用本安型自組網(wǎng)基站設(shè)計(jì)

李文峰 ，常會(huì)麗 ，李 博 ，丁書浩 ，庹璐璐

（1.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司 救護(hù)消防大隊(duì)，陜西 黃陵 727307）

煤礦井下空間狹窄、環(huán)境復(fù)雜，易發(fā)生自然災(zāi)害與事故災(zāi)難[1]。災(zāi)后斷網(wǎng)、斷電、通信系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致救援隊(duì)無(wú)法統(tǒng)一指揮，影響了救援效率和反應(yīng)速度。目前礦井下應(yīng)急通信設(shè)備存在傳輸距離短、無(wú)后備電池或電池工作時(shí)間短、傳輸帶寬窄等問(wèn)題，而井下設(shè)備必須滿足防爆要求，通常采用厚重的隔爆外殼，設(shè)備體積較大，質(zhì)量較重，不夠輕量化[2]。

基于此，設(shè)計(jì)了一種礦用本安型自組網(wǎng)基站。基站基于SDR 平臺(tái)，采用無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)、COFDM、分集接收等技術(shù)設(shè)計(jì)2.4 GHz 和1.4 GHz 雙頻段無(wú)線組網(wǎng)，支持“有線+無(wú)線”的工作方式，能快速組建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)覆蓋，解決地面指揮部、井下災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)以及救援人員之間信息互通的問(wèn)題[3]。設(shè)備利用本質(zhì)安全技術(shù)到達(dá)防爆標(biāo)準(zhǔn)，具有安全性能高、體積小、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還自備電源，以滿足應(yīng)急通信需求，但其不局限于應(yīng)急救援，也可應(yīng)用于礦井下臨時(shí)組網(wǎng)。

1 自組網(wǎng)基站的工作框圖

本安型自組網(wǎng)基站的整體工作框圖如圖1。

圖1 基站工作框圖Fig.1 Block diagram of base station work

基站通過(guò)有線方式接收到的信號(hào)，先由光電轉(zhuǎn)換單元將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再進(jìn)行其他操作；由天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)AD9361 射頻收發(fā)芯片的放大、變頻、采樣、抽取等操作后，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)[4]；基帶處理單元接收信號(hào)后進(jìn)行預(yù)處理、FFT 變換、COFDM 解調(diào)等處理，得到原始數(shù)據(jù)；對(duì)其進(jìn)行拆包，存入不同緩存單元，由ARM 通過(guò)PCIe 接口讀取后，完成信源編碼后進(jìn)行存儲(chǔ)或上傳等操作。

基站通過(guò)WIFI 轉(zhuǎn)串口將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)解析出來(lái)傳給目標(biāo)頻段的無(wú)線通信模塊，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)頻段的射頻信號(hào)由WIFI 天線發(fā)射出去[5]，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋。

2 基站硬件

2.1 硬件組成

自組網(wǎng)基站系統(tǒng)框圖如圖2。

圖2 自組網(wǎng)基站系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of AD hoc network base station system

硬件采用通用SDR 平臺(tái)，包括射頻單元、基帶處理單元、光電轉(zhuǎn)換單元、主控單元、電源單元和接口單元。射頻單元負(fù)責(zé)信號(hào)的收發(fā)；基帶處理單元負(fù)責(zé)基帶信號(hào)的調(diào)制解調(diào)；主控單元負(fù)責(zé)無(wú)線資源的分配、功率控制和軟切換；光電轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；本安電源單元負(fù)責(zé)為自組網(wǎng)基站的各個(gè)單元提供本質(zhì)安全的電源；接口單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)基站的參數(shù)調(diào)試以及數(shù)據(jù)的交互。

2.2 射頻單元

自組網(wǎng)基站的射頻單元由ADL5523 低噪聲放大器、零中頻射頻收發(fā)芯片AD9361、線性功率放大器和天線構(gòu)成[6]。其中AD9361 集成度高、體積小、功耗小，相較于超外差接收機(jī)，不存在鏡像頻率干擾的問(wèn)題且有利于實(shí)現(xiàn)單芯片集成，接收噪聲系數(shù)小于2.5 dB，誤差向量幅度EVM 小于-40 dB，比較適合礦用設(shè)備便攜化、輕量化的要求[7]。

發(fā)射頻率和接收頻率是獨(dú)立的，為優(yōu)化設(shè)計(jì)頻率設(shè)置通過(guò)以下式子實(shí)現(xiàn)。

式中：FRFPLL為發(fā)射鎖相環(huán)頻率；FLO為發(fā)射頻率；FREF為參考時(shí)鐘頻率；VCO_Divider 為通過(guò)表格查詢得到的數(shù)值；NInteger、NFractional分別為發(fā)射頻率的整數(shù)和小數(shù)部分； Floor 為取最小整數(shù)；Round 為取小數(shù)部分。

以發(fā)射頻率為例，如FLO設(shè)置為1 400 MHz，則對(duì)應(yīng)的VCO_Divider 為2，根據(jù)式（1）得FRFPLL為114 800 MHz；將FREF設(shè)置為50 MHz，通過(guò)式（2）和式（3）得到NInteger為0XE5，NFractional為0X4C_CCC4，將其分別寫入0x271、0x272 和0x273-0x275 寄存器中。

2.3 主控單元

自組網(wǎng)基站的主控單元由ARMCortexA9 雙核應(yīng)用處理器、LPDDR 存儲(chǔ)芯片、片內(nèi)存儲(chǔ)器接口、各類I/O 外設(shè)接口、時(shí)鐘等構(gòu)成。其中ARMCortexA9 雙核應(yīng)用處理器解決超高頻設(shè)計(jì)效率低下的問(wèn)題，具有較高的功效水平；LPDDR 相較于DDR 體積小、性能穩(wěn)定、功耗低，更適用于移動(dòng)設(shè)備。主控單元通過(guò)AXI_GP 控制接口實(shí)現(xiàn)邏輯資源AXI_DMA 轉(zhuǎn)換模塊的初始化和相關(guān)配置，并調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.4 基帶處理單元

自組網(wǎng)基站的基帶處理單元由核心處理器Kintex-7 架構(gòu)的可編程邏輯、高速Q(mào)TE 擴(kuò)展接口、調(diào)試配置接口與時(shí)鐘構(gòu)成。相比于DSP 芯片，F(xiàn)PGA 內(nèi)部RAM 資源可滿足數(shù)據(jù)緩存需求，接口和資源復(fù)用更加靈活，并行處理能力強(qiáng)[8]。FPGA 采用LVCMOS 電平標(biāo)準(zhǔn)與AD9361 連接，通過(guò)AXI接口與ARM 連接。主要完成以下功能：對(duì)ARM打包好的數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶處理，然后傳輸給AD9361完成基帶到射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換；將接收到的信號(hào)恢復(fù)出有效數(shù)據(jù)，傳輸給ARM 進(jìn)行再處理操作；根據(jù)主控單元配置的通信策略，調(diào)整碼率、調(diào)制方式等參數(shù)。基帶處理流程如圖3。

圖3 基帶處理流程圖Fig.3 Baseband processing flowchart

2.5 光電轉(zhuǎn)換單元

光電轉(zhuǎn)換單元整體框圖如圖4。光電轉(zhuǎn)換單元由光模塊、TF1102 網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器、以太網(wǎng)芯片RTL-8201F、時(shí)鐘、LED 和接口組成。

圖4 光電轉(zhuǎn)換單元整體框圖Fig.4 Block diagram of photoelectric conversion unit

光模塊在接收到光信號(hào)后，經(jīng)過(guò)光探測(cè)二極管和前置放大器處理進(jìn)而得到相應(yīng)碼率的電信號(hào)[9]，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)基站有線通信中的光電轉(zhuǎn)換的功能。RJ-45 和其他接口實(shí)現(xiàn)與其他單元的數(shù)據(jù)交互，RTL-8201F 通過(guò)MII/RMII 接口與MCU 連接，TF1102 連接RJ-45 和RTL-8201F，使RTL-8201F與外部隔離，用于信號(hào)電平耦合，抗干擾能力得到了增強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)。

2.6 本安電源電路

自組網(wǎng)基站正常工作的最高電圧為12 V。由于本基站為本安設(shè)備，所以電源電路也要滿足GB 3 836.4 中的相關(guān)要求[10]。本安電源采用軟啟動(dòng)和DC-DC 轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方案，由TPS54302 電源芯片、抗干擾電路、限流與軟啟動(dòng)電路、雙重過(guò)流過(guò)壓電路組成。

根據(jù)GB 3638 標(biāo)準(zhǔn)的要求，為防止電源反接或電路總電容能量外擴(kuò)，在輸入端串聯(lián)3 個(gè)SS34二極管，限流軟啟動(dòng)電路可以將設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流限制在允許范圍內(nèi)，可以提高基站的穩(wěn)定性。

3 自組網(wǎng)基站軟件

自組網(wǎng)基站軟件框圖如圖5。

圖5 自組網(wǎng)基站軟件框圖Fig.5 Block diagram of AD hoc network base station software

內(nèi)核用戶層中運(yùn)行主控、組網(wǎng)模塊和Linux 嵌入式操作系統(tǒng)軟件；ARM 和FPGA 功能區(qū)運(yùn)行波形控制、接口控制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理程序。基站的數(shù)字波形信號(hào)采用COFDM 調(diào)制方式處理，通過(guò)QPSK/16QAM/64QAM/256QAM 自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)提高平均吞吐量和頻帶利用率。

設(shè)備之間組建網(wǎng)絡(luò)是以無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的形式，Mesh 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用了IEEE802.11s 軟件協(xié)議，使相關(guān)的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接[11]。通過(guò)對(duì)/etc/config/wireless 配置文件的修改完成協(xié)議的設(shè)置，從而順利構(gòu)建Mesh 網(wǎng)絡(luò)，通信鏈路構(gòu)建流程如圖6。

圖6 基站建立通信鏈路流程圖Fig.6 Flow chart of establishing a communication link for a base station

基站通電后，通過(guò)默認(rèn)的共享密鑰和Mesh ID 等信息與根節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)上AC 的基站進(jìn)行Mesh Peering Open/Confirm 交互，從而建立非安全臨時(shí)的連接和MPP 節(jié)點(diǎn)路由；基站通過(guò)此次連接與DHCP server 交互，從而獲得AC 和自己的IP 地址；發(fā)現(xiàn)AC 并與其進(jìn)行關(guān)聯(lián)，臨時(shí)建立CAPWAP 隧道，從AC 獲得配置信息；然后通過(guò)Mesh Peering Close 消息斷開之前的臨時(shí)連接；利用新的配置信息進(jìn)行Mesh Peering Open/Confirm 交互，完成密鑰協(xié)商，進(jìn)而得到基站間通信的最終密鑰，并建立起安全正式的通信鏈路；與AC 也建立起安全的CAPWAP 隧道；若兩基站間長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法建立連接則會(huì)恢復(fù)默認(rèn)的配置，重新開始以上步驟，直到與AC 建立起安全CAPWAP 隧道。

4 系統(tǒng)測(cè)試

自組網(wǎng)基站與地面調(diào)度臺(tái)通過(guò)有線方式連接，啟動(dòng)基站后，基站之間通過(guò)1.4 GHz 頻段建立無(wú)線中繼，從而形成從地面指揮部到救援現(xiàn)場(chǎng)的通信鏈路。同時(shí)自組網(wǎng)基站采用2.4 GHz 頻段實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋，為救援隊(duì)攜帶的智能終端設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦井下數(shù)據(jù)與地面指揮部之間的信息互通。

測(cè)試表明，該自組網(wǎng)基站在礦井下斷電斷網(wǎng)的情況下能夠很好地提供網(wǎng)絡(luò)，完成信息地傳遞，多跳能力為視頻6～8 跳，單跳傳輸距離不少于200 m，傳輸時(shí)延單跳約7 ms，整機(jī)功耗低于15 W，可持續(xù)工作4.5 h，整機(jī)質(zhì)量約3 ㎏，可以滿足煤礦井下災(zāi)后斷電斷網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)急通信也可應(yīng)用于礦井下臨時(shí)組網(wǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款礦用本安型自組網(wǎng)基站，基站通過(guò)無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)建立了礦井下與地面之間的通信鏈路，為各種終端設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)。介紹了自組網(wǎng)基站的工作原理、硬件組成和基站的軟件的設(shè)計(jì)。自組網(wǎng)基站克服了現(xiàn)有產(chǎn)品通信距離短、傳輸帶寬窄、電池工作時(shí)間短、不方便攜帶等不足，QPSK/16QAM/64QAM/256QAM 自適應(yīng)調(diào)制，支持“全無(wú)線”和“有線+無(wú)線”兩種工作模式，提高了事故救援的效率。