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

杜昆祥

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

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

5G技術(shù)指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)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(jī)中表現(xiàn)聲音和圖像的模擬信號(hào)數(shù)字化，通過(guò) ADC轉(zhuǎn)換并以比特流形式傳輸，可以滿(mǎn)足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等大容量傳輸?；?G網(wǎng)絡(luò)這一優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于5G網(wǎng)絡(luò)的水利衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，以解決目前存在的問(wèn)題。

1 水利衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 微處理器設(shè)計(jì)

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(chǔ)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(diǎn)如下：①兼容MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品[1]；②系統(tǒng)可編程 Flash內(nèi)存中 SK字節(jié)；③1000個(gè)擦寫(xiě)周期；④1000次擦寫(xiě)循環(huán)；⑤三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；⑥32個(gè)可編程I/O口線(xiàn)；⑦三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；⑧8個(gè)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(mén)狗定時(shí)，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(hào)的帶寬，為此需要選取相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)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(wú)須外部電路與時(shí)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(diǎn)如下：12 b分辨率；1/2 LSB線(xiàn)性；輸入范圍有四個(gè)：±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(shí)都處于低位。低HBEN時(shí)，讀低8位；高HBEN時(shí)，讀高4位，在整個(gè)采樣周期結(jié)束后，通過(guò)PC機(jī)運(yùn)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(jì)

該傳感器為KYC09系列液位傳感器[4]，屬于隔絕式擴(kuò)散硅壓敏元件，采用精密溫度補(bǔ)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(lèi)型，本品可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)液位的檢測(cè)與控制，可直接將其置于液體中進(jìn)行測(cè)量，具有體積小、性?xún)r(jià)比高、精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 KYC09傳感器技術(shù)指標(biāo)

1.4 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

因?yàn)樗馁Y料的數(shù)據(jù)是定期采集的，而本設(shè)計(jì)所要測(cè)量的水文資料包括水位、降雨量、流量、溫度、濕度等，所以?xún)?chǔ)存的是5個(gè)數(shù)據(jù)資料。該系統(tǒng)每10min定期收集水文資料，即每10min儲(chǔ)存一份記錄。每個(gè)記錄占用9個(gè)字節(jié)[6-9]，每年有366×24×6個(gè)記錄，每月有39K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，需要64K存儲(chǔ)芯片。通過(guò)這種方式，每個(gè)記錄存儲(chǔ)少于20K，一個(gè)64K存儲(chǔ)芯片可以存儲(chǔ)兩個(gè)月的水文信息。利用基于地址的存儲(chǔ)，第二個(gè)月會(huì)覆蓋上個(gè)月的數(shù)據(jù)，用戶(hù)需要每月發(fā)送2次。

其工作原理：這一24 LC系列遵循二線(xiàn)傳輸協(xié)議，只允許在總線(xiàn)空閑的情況下傳輸數(shù)據(jù)，但所有操作都以啟動(dòng)條件開(kāi)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(shí)信號(hào)激發(fā)，前高后低，串行數(shù)據(jù)傳輸具有指定的總線(xiàn)時(shí)間。②在總線(xiàn)空閑時(shí)，SDA線(xiàn)路從高到低的過(guò)程被稱(chēng)為操作的初始條件。③當(dāng) SCL線(xiàn)處于高位時(shí)，在數(shù)據(jù)傳輸完成后停止相應(yīng)操作。④DataWrite過(guò)程：當(dāng) SCL很低時(shí)，可以改變線(xiàn)上數(shù)據(jù)，即寫(xiě)入的數(shù)據(jù)只能夠存放到SDA中。

數(shù)據(jù)讀出過(guò)程：讀指令會(huì)把這些數(shù)據(jù)讀進(jìn) SDA。但無(wú)論是讀或?qū)懖僮?，?個(gè)數(shù)據(jù)傳輸完成后，都需要添加一個(gè) SCL線(xiàn)上的時(shí)鐘信號(hào)，以完成芯片的內(nèi)部操作。當(dāng)額外時(shí)鐘信號(hào)下降時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)將 SDA線(xiàn)拉低到低水平，作為響應(yīng)信號(hào)。該設(shè)計(jì)選擇了24 LC的串行電擦除只讀存儲(chǔ)器。連接電路如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)電路

1.5 液晶顯示模塊

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

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

其主要通過(guò)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(gè) 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(huì)互相干擾。單片機(jī)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(lái)控制 RS寄存器選擇，P1.2用來(lái)控制讀寫(xiě)選擇，P1.3 El用來(lái)控制 E使能信號(hào)。

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

2 水利衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，主要通過(guò)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(jìn)行通信。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通信能力有限，因此需要5 G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的能量損失主要來(lái)自監(jiān)測(cè)信息的傳遞和接收。為了避免消耗能量高、成本高的問(wèn)題，采用人工免疫算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局處理。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為d時(shí)，發(fā)送n個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)的能量損耗可以表示為

式中，Em—信號(hào)處理消耗的能量；nξp1、nξp2—每個(gè)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(dòng)均值濾波不同，采樣值對(duì)結(jié)果的影響也不同，即不同的權(quán)值對(duì)新樣本的影響不同[15]，越接近當(dāng)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(shí)間常數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)

在 VMware虛擬工作站虛擬機(jī)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證此次研究的基于5G網(wǎng)絡(luò)的水利衛(wèi)星移動(dòng)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(duì)比，對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。先將 Linux操作系統(tǒng) Ubuntu安裝在虛擬機(jī)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(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

通過(guò)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(jì)分析了仿真程序生成的跟蹤文件，并根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)價(jià)了所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)的性能。對(duì)系統(tǒng)的延遲性能、吞吐量和丟包率進(jìn)行了比較。不同終端個(gè)數(shù)下的仿真參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同終端個(gè)數(shù)下的仿真參數(shù)

3.1 數(shù)據(jù)接收延時(shí)性對(duì)比

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)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(dòng)通信系統(tǒng)的延時(shí)性進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收延時(shí)性對(duì)比

此次研究系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收延時(shí)性明顯較傳統(tǒng)系統(tǒng)延時(shí)性低，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)來(lái)后，在較短的時(shí)間就能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行接收并傳輸，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)則需要耗費(fèi)更多的通信時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用效果較差。

3.2 吞吐量對(duì)比

對(duì)上行鏈路的吞吐量和端子數(shù)量進(jìn)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(duì)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(shí)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(méi)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(duì)比

3.3 丟包率對(duì)比

對(duì)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(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于5G網(wǎng)絡(luò)的水利衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，通過(guò)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(shí)際應(yīng)用意義較強(qiáng)，能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域應(yīng)用提供一定的幫助。

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