基于移動通信網(wǎng)的雷達數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)

        文章摘要：本文在分析GPRS技術與應用的基礎上，設計實現(xiàn)了一種基于移動通信網(wǎng)的新型雷達數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)的體系結構和關鍵技術，該系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、實時性強、可靠性高的特點，對于提高現(xiàn)有雷達數(shù)據(jù)傳輸效率和使用靈活性具有重要的意義。
        關鍵詞：移動通信；傳輸；雷達數(shù)據(jù) 
        雷達廣泛應用于航空管制、氣象預報、資源探測和環(huán)境監(jiān)測等社會經(jīng)濟活動的各個方面，在科學研究領域也發(fā)揮著越來越重要的作用。目前雷達數(shù)據(jù)傳輸方式有電纜、光纖、短波、衛(wèi)星、微波等，但都無法實現(xiàn)雷達移動中的即時數(shù)據(jù)傳輸，這些相對固定的通信方式制約了雷達效能的發(fā)揮，降低了雷達數(shù)據(jù)的使用效率。因此探索機動靈活、實時可靠的雷達數(shù)據(jù)傳輸方式具有重大的現(xiàn)實意義。

        一、系統(tǒng)總體方案

        我們從手機短信通信中受到啟發(fā)，采用與手機短信類似的數(shù)據(jù)傳送方式，實現(xiàn)從雷達到數(shù)據(jù)中心的快速數(shù)據(jù)傳送。如果直接采用現(xiàn)行的手機短信發(fā)送方式，雖然不需要架設專用天線就可做到即時開通，但它的數(shù)據(jù)發(fā)送量有限。對于高數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳遞,我們可以采用另一種方式—GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式。
        GPRS（general packet radio service）是通用分組無線業(yè)務的簡稱，是一種基于分組交換的數(shù)據(jù)傳輸方式。作為一種高速、高效、經(jīng)濟的無線系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)帶寬、適應性強、實時在線的優(yōu)點，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁少量的數(shù)據(jù)傳輸。對于雷達數(shù)據(jù)點多分散、間斷突發(fā)、中小流量的特點和實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸要求，利用GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸有其他傳輸方式不可比擬的優(yōu)勢。
        “基于移動通信網(wǎng)的雷達數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)”由數(shù)據(jù)發(fā)送終端、GSM/GPRS無線網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)接收中心服務器三部分組成。數(shù)據(jù)發(fā)送終端負責把雷達錄取設備輸出的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡；GSM/GPRS網(wǎng)絡負責信息的遠距離傳輸；接收中心服務器實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)的接收和處理。數(shù)據(jù)中心服務器接入GPRS網(wǎng)絡的方式通常有公網(wǎng)接入和專網(wǎng)接入兩種，公網(wǎng)接入由ADSL或專線直接連接Internet，專網(wǎng)接入申請APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡。

        二、系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

        1. 終端系統(tǒng)結構
        雷達傳輸終端硬件設計如圖所示。終端選用LPC2103為主控MCU，負責雷達數(shù)據(jù)的接收處理，并通過UART0以RS232電平與GPRS模塊MC39i連接，用AT命令控制其登網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)；LPC2103通過UART1與雷達自動錄取設備或PC機進行數(shù)據(jù)交換。

        2．GPRS模塊選擇
        監(jiān)測終端與網(wǎng)絡的通訊及數(shù)據(jù)傳輸?shù)染峭ㄟ^GPRS通訊模塊來實現(xiàn)的，目前市場上可選用的通訊模塊種類繁多，其中用于工業(yè)領域的主要有SIEMENS的TC系列、MC系列，SIMCOM公司的SIM系列，以及WAVECOM公司的Q系列等。這些GPRS模塊又分為兩大類：一類是模塊本身已經(jīng)嵌入了實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡傳輸所需的協(xié)議，外部只要通過AT指令即可控制模塊工作；一類是模塊本身不帶協(xié)議的，需要開發(fā)者在處理機中自行實現(xiàn)協(xié)議棧功能，其中包括鏈路層協(xié)議(PPP協(xié)議)，網(wǎng)絡層協(xié)議(IP協(xié)議等)，傳輸層協(xié)議(UDP/TCP協(xié)議)。
        考慮到自帶協(xié)議棧的模塊雖然開放周期很短，但由于整個模塊對于開發(fā)者來說是一個黑盒系統(tǒng)，可操控性不強，由于開發(fā)者不了解模塊內部實現(xiàn)協(xié)議的具體過程，對系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸性能進行改善的可能性幾乎沒有。同時，萬一系統(tǒng)運行中出現(xiàn)問題，開發(fā)者在維護方面能進行的工作也不多。
因此，在要求較高的雷達系統(tǒng)中，一般使用本身不帶協(xié)議的模塊，協(xié)議由開放者自行實現(xiàn)，這樣有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)設計中所采用的通訊模塊是SIEMENS公司生產(chǎn)的MC39i。
        3．系統(tǒng)軟件設計
        按照完成的主要功能，軟件分為初始化模塊、雷達數(shù)據(jù)采集及處理、命令執(zhí)行模塊以及通訊模塊。根據(jù)各功能模塊寫相應的應用程序。
        數(shù)據(jù)處理中心軟件采用Bland C開發(fā)，實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)的接收與處理。GPRS模塊上電后，就擁有一個IP地址，它主動向服務器發(fā)出連接請求，服務器使用Winsock從Internet上接收TCP/IP包。Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡的API，方便開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡上的應用程序，利用VC中MFC提供的CAsyncSocket套接字類來實現(xiàn)Socket編程。 
        在系統(tǒng)設計中，用于區(qū)分本地參數(shù)包、遠程參數(shù)包、數(shù)據(jù)包和鏈路包的數(shù)據(jù)格式是自行定義的。所有數(shù)據(jù)包采取幀格式，如表所示。
        （1）心跳：推薦10s發(fā)送一次，數(shù)據(jù)包包括4bytes。 前2字節(jié)用戶中心的ID，后兩字節(jié)也是用戶中心的ID。格式如下：

        （2）數(shù)據(jù)：包括包頭和用戶數(shù)據(jù)，包頭分四個字節(jié)。

        4. 協(xié)議棧的實現(xiàn)
要在設計的系統(tǒng)中完成GPRS方式下數(shù)據(jù)的正確傳輸，很重要的一點就是如何實現(xiàn)協(xié)議棧。一些廠商生產(chǎn)的GPRS模塊中內嵌有協(xié)議棧，開發(fā)者只需通過AT指令簡單控制模塊即可。但本文設計的系統(tǒng)中選用的是不帶協(xié)議的GPRS模塊，協(xié)議棧的內容必須自行在處理機中實現(xiàn)。
        MCU與Internet所交互的數(shù)據(jù)，先通過GPRS模塊與當?shù)氐腉SM基站中的GPRS業(yè)務節(jié)點進行無線通信，并進入GPRS網(wǎng)絡，然后通過GPRS網(wǎng)關與Internet進行數(shù)據(jù)傳輸。
        在本設計中MC39i本身不帶有TCP/IP協(xié)議棧，系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸相關的設計需要像傳統(tǒng)網(wǎng)絡通信那樣進行分層考慮，進入GPRS模塊的數(shù)據(jù)必須包含各層網(wǎng)絡協(xié)議，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的加工、協(xié)議的加載都應由MCU完成。
        考慮到所設計的系統(tǒng)中雷達數(shù)據(jù)的實時性要求很高，希望移植的協(xié)議棧越小越好。最后決定在傳輸層使用更為簡單的UDP協(xié)議。可靠性問題交給應用軟件解決。
        由于整個協(xié)議的實現(xiàn)完全自行開發(fā)工作量巨大，開發(fā)周期會很長，且可靠性得不到保證，所以在本系統(tǒng)中，采用了移植已有開源協(xié)議的方法，即對已有的開源協(xié)議根據(jù)本系統(tǒng)硬件特點進行修改，移植到本系統(tǒng)上運行。經(jīng)過分析，移植開源協(xié)議lwIP。

        三、系統(tǒng)特點

        1．實時性強
        從設備上電到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間小于2s，真正做到即開即通。GPRS實時在線和高速數(shù)據(jù)傳輸率，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性，并支持多點同時傳輸。
        2．可靠性高
        GPRS采用面向連接的TCP協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。GPRS網(wǎng)絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，中心與多個信息源同時進行數(shù)據(jù)傳輸互不干擾，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機頻段“碰撞”現(xiàn)象。
        3．系統(tǒng)的傳輸容量大，擴容性能好
        目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在30Kbps左右，信道完全支持20部雷達同時傳輸數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)采用成熟的TCP/IP通信架構，具備良好的擴展性能，一個數(shù)據(jù)處理中心可支持上百個遠程信息點的通信接入。
        4．覆蓋范圍廣，系統(tǒng)建設成本低
        GPRS網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)全國范圍內覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設網(wǎng)絡，只需安裝設備就即可，建設成本低，也免去了網(wǎng)絡維護費用。
        5．功耗小，適合野外供電環(huán)境
        雖然與遠在千里的數(shù)據(jù)中心進行雙向通信，GPRS數(shù)傳設備在工作時卻只需與附近的移動基站通信即可，其整體功耗與一臺普通GSM手機相當，平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統(tǒng)數(shù)傳電臺小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽能供電或蓄電池供電的場合下使用。
                                                              責編/劉 路
        參考文獻：

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