Modelo 1 en papel informático: Análisis de la composición y escenarios de aplicación del sistema de radio cognitivo
La composición del sistema de radio cognitivo
El sistema de radio cognitivo se refiere al uso de cognitivos Los sistemas de comunicación inalámbricos basados en tecnología de radio hacen que los sistemas de comunicación sean más flexibles con la ayuda de plataformas transceptoras más flexibles y una inteligencia informática mejorada. El sistema de radio cognitivo incluye principalmente tres módulos funcionales: adquisición de información, aprendizaje, toma de decisiones y ajuste, como se muestra en la Figura 1 [3].
Las principales características de los sistemas de radio cognitivos son la capacidad de adquirir conocimiento del entorno externo de la radio, los estados internos y las políticas relacionadas, y de monitorear las necesidades del usuario. Los sistemas de radio cognitivos tienen la capacidad de captar el entorno de radio externo y analizarlo. Por ejemplo, al analizar el uso actual del espectro, se puede mostrar la frecuencia portadora y el ancho de banda de comunicación del sistema de comunicación inalámbrica, e incluso se puede obtener su cobertura y nivel de interferencia. Los sistemas de radio cognitivos tienen la capacidad de obtener información del estado interno de la radio, que se puede obtener a través de su información de configuración, información de distribución de carga de tráfico y potencia de transmisión. Los sistemas de radio cognitivos tienen la capacidad de obtener información política relevante, que estipula las bandas de frecuencia, la potencia máxima de transmisión, las frecuencias y los anchos de banda de nodos adyacentes que el sistema de radio cognitivo puede utilizar en entornos específicos. Los sistemas de radio cognitivos tienen la capacidad de monitorear las necesidades del usuario y tomar decisiones basadas en las necesidades del usuario. Como se muestra en la Tabla 1, las necesidades comerciales de los usuarios generalmente se pueden dividir en tres categorías: voz, datos en tiempo real (como imágenes) y datos en tiempo no real (como paquetes de archivos grandes). Los diferentes tipos de servicios tienen diferentes características. Requisitos para la QoS de comunicación.
La segunda característica principal de los sistemas de radio cognitivos es la capacidad de aprendizaje. El objetivo del proceso de aprendizaje es mejorar el rendimiento mediante el uso de información de decisiones y resultados previamente almacenada en el sistema de radio cognitivo. Según los diferentes contenidos de aprendizaje, los métodos de aprendizaje se pueden dividir en tres categorías. El primer tipo es el aprendizaje supervisado, que se utiliza para aprender el entorno externo, principalmente utilizando información de medición para entrenar al estimador. El segundo tipo es el aprendizaje no supervisado, que se utiliza para aprender el entorno externo, principalmente para extraer las reglas cambiantes de los parámetros relacionados; al entorno externo es el aprendizaje por refuerzo, que se utiliza para aprender reglas o comportamientos internos, principalmente a través de mecanismos de recompensa y castigo para resaltar reglas o comportamientos que son adecuados para el entorno actual y abandonar reglas o comportamientos que no lo son. adecuado al entorno actual. Según el mecanismo de aprendizaje, la tecnología de aprendizaje automático se puede dividir en aprendizaje mecánico, aprendizaje basado en explicaciones, aprendizaje guiado, aprendizaje por analogía y aprendizaje inductivo.
La tercera característica principal de los sistemas de radio cognitivos es la capacidad de ajustar de forma dinámica y autónoma sus parámetros y protocolos operativos en función del conocimiento adquirido para lograr algunos objetivos predeterminados, como evitar desventajas con respecto a las interferencias de otros sistemas de radio. La adaptabilidad de los sistemas de radio cognitivos no requiere la intervención del usuario. Puede ajustar los parámetros de trabajo en tiempo real para lograr una calidad de comunicación adecuada; o cambiar la tecnología de acceso inalámbrico en la conexión o ajustar los recursos inalámbricos en el sistema o ajustar la potencia de transmisión para reducir la interferencia; Los sistemas de radio cognitivos analizan los conocimientos adquiridos, toman decisiones de forma dinámica y autónoma y los reconstruyen. Después de tomar decisiones de reconfiguración, en respuesta a comandos de control, el sistema de radio cognitivo puede cambiar sus parámetros y/o protocolos operativos basándose en estas decisiones. El proceso de toma de decisiones para los sistemas de radio cognitivos puede incluir la comprensión de los requisitos de los entornos operativos inalámbricos y multiusuario y el desarrollo de estrategias. El propósito de esta estrategia es seleccionar la configuración adecuada para satisfacer las mismas necesidades de estos usuarios.
La relación entre la radio cognitiva y otras radios
Antes de que se propusiera la radio cognitiva, ¿ya existían algunas? ¿Una radio? Conceptos como radio definida por software y radio adaptativa y su relación con la radio cognitiva se muestran en la Figura 2. La radio definida por software se considera una tecnología habilitadora para sistemas de radio cognitivos. La radio definida por software no requiere las características de CRS para funcionar. SDR y CRS se encuentran en diferentes etapas de desarrollo, es decir, los sistemas de comunicación por radio que aplican SDR ya están en uso, mientras que CRS se encuentra en etapa de investigación, y su aplicación también se encuentra en investigación y experimentación. SDR y CRS no son servicios de radiocomunicación, sino tecnologías que pueden utilizarse de manera integral en cualquier servicio de radiocomunicación.
Las radios adaptativas pueden adaptarse a canales y entornos preestablecidos ajustando parámetros y protocolos. En comparación con la radio cognitiva, la radio adaptativa no puede aprender de los conocimientos y decisiones adquiridos, no puede mejorar la forma de adquirir conocimientos y ajustar las decisiones correspondientes a través del aprendizaje y, por lo tanto, no puede adaptarse a canales y entornos preestablecidos. Una radio reconfigurable es una radio cuya funcionalidad de hardware se puede cambiar mediante el control de software. Puede actualizar algunas o todas las formas de onda de la capa física y capas superiores de la pila de protocolos. Las radios basadas en políticas se pueden actualizar para adaptarse a las políticas regulatorias locales sin requerir cambios en el software interno. Al igual que ocurre con las redes de radio más nuevas, los enrutadores de Internet siempre se basan en políticas. De esta manera, los operadores de red pueden utilizar políticas para controlar el acceso, asignar recursos y modificar la topología y el comportamiento de la red. Para la radio cognitiva, la tecnología basada en políticas debería permitir que los productos sean versátiles, se adapten automáticamente a los requisitos regulatorios locales y se actualicen automáticamente a medida que las reglas regulatorias cambian con el tiempo y la experiencia. Una radio inteligente es una radio que predice el futuro y realiza ajustes por adelantado en función de las condiciones pasadas y presentes. En comparación con la radio inteligente, donde la radio adaptativa simplemente determina una estrategia y se ajusta en función de la situación actual, la radio cognitiva puede aprender, determinar una estrategia y ajustarse en función de resultados anteriores.
Tecnologías clave de la radio cognitiva
Las tecnologías clave de los sistemas de radio cognitiva incluyen la tecnología de detección de espectro inalámbrico, la tecnología de gestión inteligente de recursos, la tecnología de transmisión adaptativa y la tecnología de diseño entre capas. que distinguen la radio de la radio tradicional [4, 5].
La detección de espectro se puede dividir en detección de capa física, detección de capa MAC y detección colaborativa multiusuario según la estrategia de detección, como se muestra en la Figura 3. 3.1.1 Detección de la capa física El método de detección de la capa física determina principalmente si la banda de frecuencia autorizada está ocupada detectando si hay señales de usuario autorizadas en el dominio del tiempo, el dominio de la frecuencia y el dominio del aire. La detección de la capa física se puede dividir en los siguientes tres métodos: Los principales métodos de detección de transmisores incluyen la detección de energía, la detección de filtros adaptados y la detección de características cicloestacionarias, así como la detección de múltiples antenas basada en uno de estos métodos. Cuando el receptor del usuario autorizado recibe una señal, se debe utilizar un oscilador local para convertir la señal de alta frecuencia a frecuencia intermedia. Durante este proceso de conversión, parte de la energía de la señal del oscilador local inevitablemente se escapará a través de la antena. Por lo tanto, se puede colocar un sensor de detección de baja potencia cerca del receptor del usuario autorizado para detectar la fuga de energía de la señal del oscilador local para determinar la señal autorizada. recepción del usuario. ¿Está funcionando la máquina? Los modelos de temperatura de interferencia permiten un cambio en la forma en que se evalúa la interferencia desde el funcionamiento de un gran número de transmisores a la interacción en tiempo real de transmisores y receptores de manera adaptativa. La base es el mecanismo de temperatura de interferencia, que gestiona cuantitativamente las fuentes de interferencia en el entorno de comunicación inalámbrica autorizando a los usuarios a recibir temperaturas de interferencia. La detección de la capa MAC se centra principalmente en cómo mejorar el rendimiento o la utilización del espectro en condiciones multicanal. Además, al optimizar la secuencia de detección de canales y el período de detección, se maximiza el número de canales inactivos disponibles detectados o se minimiza el tiempo promedio de búsqueda del canal. La detección de la capa MAC se puede dividir principalmente en los dos métodos siguientes: la detección activa es la detección periódica, es decir, cuando los usuarios cognitivos no tienen necesidades de comunicación, los canales relevantes se detectarán periódicamente. La información obtenida de la detección periódica se puede utilizar para estimar el uso del canal. propiedades estadísticas. La detección pasiva también se denomina detección bajo demanda. Los usuarios cognitivos solo detectan todos los canales autorizados en secuencia cuando tienen necesidades de comunicación hasta que encuentran un canal inactivo disponible. Debido a factores desfavorables como el desvanecimiento por trayectos múltiples y el sombreado, es difícil para un único usuario cognitivo emitir un juicio correcto sobre si existe una señal de usuario autorizada. Múltiples usuarios cognitivos deben cooperar entre sí para mejorar la sensibilidad y precisión del espectro. Detección y acortar el tiempo de detección. La detección cooperativa combina la tecnología de detección de las funciones de la capa física y la capa MAC. No solo requiere tecnología de detección de capa física de alto rendimiento para cada usuario cognitivo, sino que también requiere mecanismos eficientes de programación y coordinación para la capa MAC.
El objetivo de la gestión inteligente de recursos es maximizar la eficiencia del espectro y la capacidad del sistema dentro de un ancho de banda limitado mientras se cumplen los requisitos de QoS del usuario y se evita de manera efectiva la congestión de la red. En un sistema de radio cognitivo, la capacidad total de la red varía en el tiempo, por lo que es necesario utilizar un determinado algoritmo de control de acceso para garantizar que las conexiones recién accedidas no afecten los requisitos de QoS de las conexiones existentes en la red.
Los modelos conceptuales de acceso dinámico al espectro generalmente se pueden dividir en tres categorías, como se muestra en la Figura 4. El modo dedicado dinámico conserva la estructura básica de la actual política estática de gestión del espectro, es decir, el espectro está autorizado para servicios de comunicación específicos. La idea principal de este modelo es introducir el oportunismo para mejorar la utilización del espectro e incluye dos métodos de implementación: derechos de propiedad del espectro y asignación dinámica del espectro. Modo de compartir * * * abierto, también llamado modo de compartir espectro, este modo abre el espectro a todos los usuarios para compartir * * *, como el modo de compartir * * * abierto de la banda ISM. La idea central del modelo de acceso jerárquico es dar el espectro oauth2.0 a usuarios no autorizados, pero restringir las operaciones de usuarios no autorizados hasta cierto punto para no interferir con los usuarios autorizados. Hay dos tipos de espectro subyacente y de relleno de espectro. La asignación de espectro en radio cognitiva se basa principalmente en dos estrategias de acceso: ① Acceso al espectro ortogonal. En el acceso al espectro ortogonal, sólo se permite que un usuario cognitivo acceda a cada canal o portadora en un momento determinado. Después de la asignación, los canales de comunicación entre usuarios cognitivos son mutuamente ortogonales, es decir, no hay interferencia entre los usuarios (o la interferencia puede ignorarse). ② * * *Disfrute del acceso al espectro. En el acceso al espectro * * *, los usuarios cognitivos acceden a múltiples canales o operadores de usuarios autorizados al mismo tiempo. Los usuarios deben considerar no solo la tolerancia a la interferencia de los usuarios autorizados, sino también la interferencia de otros usuarios. De acuerdo con las limitaciones de tolerancia a la interferencia de los usuarios autorizados, según las dos estrategias de acceso anteriores, se puede dividir en los dos métodos de acceso al espectro siguientes: acceso al espectro de relleno y acceso al espectro subyacente. Para acceder al espectro de relleno, ¿los usuarios cognitivos esperan oportunidades de acceso? ¿Agujero del espectro? Solo necesitan vender espectro a tiempo cuando aparecen usuarios autorizados, y no hay ningún problema de interferencia adicional al compartir canales con usuarios autorizados. Este método es fácil de implementar y no requiere que el equipo de comunicación existente proporcione parámetros de tolerancia a la interferencia. En el modo de acceso al espectro subyacente, los usuarios cognitivos y los usuarios autorizados * * * disfrutan del espectro, por lo que deben considerar * * * restricciones de interferencia adicionales al usar el canal.
El control de potencia puede reducir al máximo la potencia de la señal transmitida sin afectar la calidad de la comunicación, aumentando así la capacidad del canal y aumentando el tiempo de espera del terminal de usuario. El diseño de algoritmos de control de potencia en redes de radio cognitivas enfrenta un problema de optimización conjunta multiobjetivo. Dado que diferentes objetivos tienen diferentes requisitos, existen muchos compromisos. Según los diferentes escenarios de aplicación, los algoritmos de control de potencia existentes en las redes de radio cognitivas se pueden dividir en dos categorías: una es una estrategia de control de potencia adecuada para escenarios distribuidos y la otra es una estrategia de control de potencia adecuada para escenarios centralizados. Las estrategias de control de poder en escenarios distribuidos se basan principalmente en la teoría de juegos. Algunos se refieren a los métodos de control de poder en las redes Adhoc tradicionales, comenzando con estrategias centralizadas y luego convirtiendo estrategias centralizadas en estrategias distribuidas, mientras que el control de poder en escenarios centralizados. conveniencia del procesamiento centralizado de información en estaciones base y adoptar estrategias conjuntas, es decir, combinar el control de potencia con la asignación de espectro o considerar el control de potencia y el control de acceso juntos.
La transmisión adaptativa se puede dividir en transmisión adaptativa basada en servicios y transmisión adaptativa basada en la calidad del canal. La transmisión adaptativa basada en servicios tiene como objetivo cumplir con los diferentes requisitos de QoS de la transmisión multiservicio y se implementa principalmente en la capa superior sin considerar el rendimiento de transmisión real de la capa física. Actualmente, esta tecnología de transmisión adaptativa se considera en redes cableadas. La radio cognitiva puede utilizar tecnologías relacionadas para optimizar los parámetros de radio y ajustar las estrategias de transmisión relacionadas en función de los parámetros ambientales percibidos y los resultados de la estimación del canal. La optimización aquí significa que el sistema de comunicación inalámbrica minimiza los recursos que consume mientras cumple con el nivel de rendimiento del usuario, como minimizar el ancho de banda ocupado y el consumo de energía. Los parámetros que pueden ajustarse mediante la capa física y la capa de control de medios incluyen la frecuencia central, el modo de modulación, la velocidad de símbolos, la potencia de transmisión, el método de codificación de canal y el método de control de acceso. Obviamente, este es un proceso de optimización no lineal, multiparamétrico y multiobjetivo.
Las pilas de protocolos en capas existentes solo consideran las peores condiciones de comunicación al diseñar, lo que resulta en la incapacidad de utilizar de manera efectiva recursos de espectro y recursos de energía limitados. El diseño entre capas coordina las operaciones entre capas mediante la introducción y transmisión de información específica entre capas de la pila de protocolos en capas existente para adaptarse a entornos de redes de comunicación inalámbrica complejos y en constante cambio y satisfacer las diferentes necesidades de los usuarios para diversas aplicaciones comerciales nuevas.
El núcleo del diseño entre capas es permitir que cada capa de la pila de protocolos en capas optimice de forma adaptativa la asignación de recursos de la red de acuerdo con los cambios en el entorno de la red y las necesidades del usuario. En los sistemas de radio cognitivos, existen principalmente las siguientes tecnologías de diseño entre capas: Para seleccionar los huecos de espectro apropiados, las estrategias de gestión dinámica del espectro deben considerar requisitos de QoS de alto nivel, información de enrutamiento, planificación y detección, la interacción entre protocolos de comunicación y la capa física Una estrecha integración requiere que las soluciones de gestión dinámica del espectro sean multicapa. La función de movilidad del espectro debe combinarse con otras funciones de gestión del espectro, como la detección del espectro, y las bandas de frecuencia disponibles están determinadas por ***. Para estimar el impacto de la duración de la transferencia de espectro en el rendimiento de la red, se requiere información de la capa de enlace y los retrasos percibidos. La capa de red y la capa de aplicación también deben conocer esta duración para reducir la degradación repentina del rendimiento. Además, la información de enrutamiento también es importante para el proceso de descubrimiento de rutas mediante la conmutación de espectro; El rendimiento de la compartición del espectro depende directamente de la capacidad de detección del espectro en la red de radio cognitiva, que es principalmente una función de la capa física. Sin embargo, en el caso de la detección cooperativa del espectro, la información de detección debe intercambiarse entre usuarios de radio cognitiva, por lo que es necesario un diseño transversal entre la detección del espectro y el uso compartido del espectro. En un sistema de radio cognitivo, dado que el espectro disponible de cada salto en la comunicación de múltiples saltos puede ser diferente, la configuración topológica de la red necesita conocer la información de detección del espectro, y una de las ideas principales en el diseño de enrutamiento de la radio cognitiva El sistema es la relación entre el enrutamiento y la toma de decisiones sobre el espectro.
Escenarios de aplicación de radio cognitiva
Los sistemas de radio cognitiva no solo utilizan eficazmente el espectro, sino que también tienen muchas capacidades potenciales, como mejorar la flexibilidad del sistema, mejorar la tolerancia a fallas y mejorar la eficiencia energética. Teniendo en cuenta las ventajas anteriores, la radio cognitiva tiene amplias perspectivas de aplicación tanto en el campo civil como en el militar.
La mejora de la eficiencia del espectro se puede lograr no solo mejorando la eficiencia del espectro de un único dispositivo de acceso inalámbrico, sino también mejorando el rendimiento del almacenamiento de varias tecnologías de acceso inalámbrico. Se espera que este nuevo método de utilización del espectro mejore el rendimiento del sistema y el valor económico del espectro. Por lo tanto, estas mejoras en el rendimiento de * * * memoria/* * disfrute de los sistemas de radio cognitivos promueven el desarrollo de nuevas formas de utilización del espectro y hacen posible adquirir nuevo espectro en * * * formas de memoria/* * disfrute. Las capacidades de los sistemas de radio cognitivos también ayudan a mejorar la flexibilidad del sistema, incluida la mejora de la flexibilidad de la gestión del espectro, la flexibilidad del funcionamiento del equipo durante el ciclo de vida y la mejora de la robustez del sistema. La tolerancia a fallos es una de las principales prestaciones de los sistemas de comunicación, y la radio cognitiva puede mejorar eficazmente la tolerancia a fallos de los sistemas de comunicación. Normalmente, la tolerancia a fallos se basa principalmente en pruebas en máquina, aislamiento de fallos y medidas correctivas. Otra ventaja de la tolerancia a fallas de radio cognitiva es la capacidad de los sistemas de radio cognitiva para aprender fallas, respuestas y mensajes de error. Los sistemas de radio cognitivos pueden mejorar la eficiencia energética ajustando los parámetros operativos, como el ancho de banda o los algoritmos de procesamiento de señales, según las necesidades comerciales.
Lo que la radio cognitiva necesita resolver es la utilización de recursos. Las ventajas de su aplicación en zonas rurales se pueden resumir en los siguientes puntos. El uso del espectro radioeléctrico en las zonas rurales ocupa principalmente bandas de frecuencias de radio, televisión y comunicaciones móviles. Sus características son que la ocupación de las bandas de radiofrecuencia es básicamente la misma que la de las ciudades, la tasa de utilización de las bandas de televisión es menor que la de las ciudades y la ocupación de las bandas de comunicaciones móviles es menor que la de las ciudades. Por lo tanto, considerando el dominio de la frecuencia, los recursos de frecuencia disponibles son más ricos que en las ciudades. La economía rural generalmente no está tan desarrollada como la de las ciudades. Además de la ocupación relativamente fija de los canales de televisión, la tasa de uso de las comunicaciones móviles tampoco es tan buena como la de las ciudades. Por tanto, la utilización de la frecuencia asignada es relativamente baja. Debido a que las áreas rurales son vastas y están escasamente pobladas, las células móviles están limitadas por el radio de radiación. Una gran cantidad de áreas, especialmente áreas remotas, no tienen cobertura de frecuencia de comunicación móvil y los recursos espaciales de frecuencia disponibles son bastante abundantes.
En un entorno inalámbrico heterogéneo, uno o más operadores operan múltiples redes de acceso radio en diferentes bandas de frecuencia que tienen asignadas. Usando tecnología de radio cognitiva, se permite que los terminales tengan la capacidad de seleccionar diferentes operadores y/o diferentes redes de acceso de radio, y algunos de ellos también pueden tener la capacidad de soportar múltiples conexiones simultáneas en diferentes redes de acceso de radio. Debido a que el terminal puede utilizar múltiples redes inalámbricas al mismo tiempo, se incrementa el ancho de banda de comunicación de la aplicación. A medida que el terminal se mueve y/o cambia el entorno inalámbrico, puede cambiar rápidamente a una red inalámbrica adecuada para garantizar la estabilidad.
En el campo de las comunicaciones militares, los posibles escenarios de aplicación de la radio cognitiva incluyen los siguientes tres aspectos. Comunicación cognitiva resistente a interferencias. Dado que la radio cognitiva le da a la estación de radio la capacidad de detectar el entorno circundante, puede extraer las características de la señal de interferencia y luego seleccionar una estrategia de comunicación antiinterferencia adecuada basada en la información de detección del entorno electromagnético, las características de la señal de interferencia y los requisitos del servicio de comunicación, lo que mejora en gran medida la eficiencia de la radio. El nivel antiinterferencias de la estación. Percepción del entorno electromagnético del campo de batalla. Una de las características de la radio cognitiva es la fusión de la comunicación y la detección ambiental inductiva. Dado que cada estación de radio es a la vez una estación de radio de comunicación y una estación de radio de detección de entorno electromagnético, se puede utilizar para formar una red de detección de entorno electromagnético, que puede cumplir eficazmente los requisitos de detección de entorno electromagnético en cualquier clima, en todas las bandas de frecuencia y en todas las condiciones. regiones. Gestión del espectro electromagnético en el campo de batalla. El espectro electromagnético en los campos de batalla modernos ya no es el espectro de radiocomunicaciones tradicional, y las estrategias estáticas y centralizadas de gestión del espectro ya no pueden satisfacer las necesidades flexibles de la guerra moderna. La gestión del espectro electromagnético del campo de batalla basada en tecnología de radio cognitiva brinda capacidades de detección del espectro a múltiples elementos de combate, lo que permite que el monitoreo y la gestión del espectro se realicen simultáneamente, mejorando en gran medida la cobertura de la red de monitoreo del espectro y ampliando la cobertura de la gestión del espectro.
Conclusión
Cómo mejorar la utilización del espectro para satisfacer las necesidades de ancho de banda de los usuarios; cómo hacer que la radio sea inteligente para que podamos descubrir de forma independiente cuándo, dónde y cómo utilizar los recursos inalámbricos para obtener información; Servicios; cómo obtener información del entorno de manera efectiva, aprender, tomar decisiones efectivas y hacer ajustes, todos estos son problemas que deben resolverse mediante la tecnología de radio cognitiva. La introducción de la tecnología de radio cognitiva proporciona un fuerte apoyo para lograr la percepción inalámbrica del entorno, la gestión dinámica de recursos, la mejora de la utilización del espectro y el logro de una comunicación confiable. La radio cognitiva tiene amplias perspectivas de aplicación y es otro hito en el desarrollo de la tecnología de radio.
Modelo 2 en papel informático: Diseño e investigación de un sistema de control y gestión inalámbrico remoto
1 Introducción
Con el desarrollo de la industria aeroespacial de mi país, las tareas emprendidas por el barco de reconocimiento La alta densidad y la alta intensidad han llevado a preparativos cada vez más arduos para las tareas de atraque, y la realidad es que hay muchos elementos de evaluación, un tiempo de evaluación corto y coordinación y evaluación comparativa entre varios barcos. Cómo mejorar la eficiencia de la gestión de la evaluación comparativa y garantizar la seguridad y confiabilidad de la gestión de la evaluación comparativa se ha convertido en un problema urgente que debe resolverse. Debido a requisitos de confidencialidad, el sistema de control de calibración remota original no se puede conectar a la red existente. El costo de instalar una red privada es alto y el rendimiento de costos es bajo, por lo que no es la primera opción. En los últimos años, la comunicación inalámbrica se ha convertido en la tecnología de más rápido crecimiento y más utilizada en el campo de la comunicación de información. Se utiliza ampliamente en el hogar, la agricultura, la industria, el sector aeroespacial y otros campos, y se ha convertido en una parte indispensable de la vida social. La era de la información [1]. Esta tecnología también brinda soporte para resolver el problema del control remoto de equipos de calibración en barcos de reconocimiento. Este artículo selecciona puentes inalámbricos y adopta el método de red de retransmisión de puentes a través de los métodos de comunicación inalámbrica de media y larga distancia comúnmente utilizados. Al desarrollar el módulo de control de red y el software de control correspondiente en el lado del equipo remoto, se logra un control efectivo y seguro del equipo remoto por parte del barco de medición.
2 Comparación de modos de comunicación inalámbrica
La tecnología de comunicación inalámbrica es un método de comunicación que utiliza señales de ondas electromagnéticas para difundir información en el espacio libre. Se puede dividir en dos tipos según los aspectos técnicos. formulario: uno son las tecnologías de acceso celular, como los paquetes de datos digitales celulares, la tecnología general de transmisión inalámbrica de paquetes, EDGE, etc. El segundo son las tecnologías basadas en LAN, como WLAN, Bluetooth, IrDA, Home-RF, tecnología de comunicación inalámbrica de corta distancia con micropotencia, etc. Las tecnologías de comunicación de banda ISM (como ZigBee y otros módulos de transmisión de datos de banda de frecuencia) y las tecnologías de redes inalámbricas (como GSM, GPRS y puentes inalámbricos) son tecnologías de uso común en las comunicaciones inalámbricas de larga distancia. La frecuencia de comunicación del módulo de transmisión de datos basado en la banda de frecuencia ISM es una banda de frecuencia pública y no existen restricciones en el desarrollo de productos, por lo que se desarrolla muy rápidamente y se utiliza ampliamente. Especialmente la tecnología ZigBee emergente en los últimos años debido a su bajo consumo de energía, baja complejidad y bajo costo, especialmente las redes autoorganizadas, no limita la cantidad de dispositivos en el segmento de red y puede completar enlaces de red de manera flexible. en hogares inteligentes y lectura de contadores inalámbricos se ha aplicado en el desarrollo de otros sistemas de red [2]. Sin embargo, para el desarrollo de este sistema, es necesario desarrollar módulos de hardware para puntos de control y puntos controlados por separado, y configurar el entorno de red mediante software. El ciclo de desarrollo es largo y el costo de desarrollo es alto, lo que no es la solución óptima. para el desarrollo de este sistema.
GSM y GPRS, dos tecnologías de comunicación móvil inalámbrica, se han convertido en una parte indispensable de la vida diaria y laboral de las personas, y también son ampliamente utilizadas en otros campos como el posicionamiento inalámbrico y el control remoto [3]. Sin embargo, debido a factores como la confidencialidad, los costos de comunicación y los costos de desarrollo, no se puede aplicar al desarrollo de este sistema. El puente inalámbrico brinda un apoyo favorable para la investigación y el desarrollo de este sistema con bajo costo y alta eficiencia, y es la primera opción para el desarrollo de este sistema. Un puente inalámbrico es un puente de redes inalámbricas que puede unir las comunicaciones entre dos o más redes y también es una rama de un punto de acceso inalámbrico. ¿Puente inalámbrico funcionando en 2 minutos? Ya sea en la banda de frecuencia de 4 GHz o de 5 a 8 GHz, no es necesario solicitar una licencia inalámbrica, por lo que es más conveniente de implementar que otros equipos de red por cable, especialmente adecuados para comunicaciones de corta y larga distancia en las ciudades.
3 Diseño del sistema
El sistema de control remoto está diseñado para garantizar que el barco de medición controle eficazmente el equipo de calibración remota, incluida la conmutación del equipo de calibración, la recopilación de parámetros de estado, etc. Se compone principalmente de una computadora de control del barco de medición, un equipo de calibración, un módulo de control de red, una computadora de control principal y un puente inalámbrico. El flujo de trabajo es el siguiente: el microordenador de control o microordenador de control principal del recipiente de medición emite instrucciones de control y la información se transmite a través del puente inalámbrico, el módulo de control de red recibe y analiza las instrucciones y las envía al dispositivo de calibración a través de él; el puerto serie de acuerdo con el formato de datos especificado por el protocolo Modbus, y el dispositivo de calibración responde al control Las instrucciones se ejecutan y ejecutan periódicamente, el módulo de control de red envía instrucciones de consulta, empaqueta los datos de estado recopilados y los envía de forma inalámbrica al control remoto; computadora para facilitar el monitoreo del operador. El protocolo de comunicación de red adopta el modo UDP. El microordenador de control y el microordenador de control principal del barco de medición solo necesitan enviar o recibir paquetes UDP de acuerdo con un determinado formato de datos. El módulo de control de red es el componente central del sistema y el foco de la investigación y el diseño de este artículo. En la actualidad, los chips de red de uso común incluyen principalmente ENC28J60, CP2200, etc. Aquí se selecciona C28J60 y se diseña y procesa el circuito de hardware basado en el microcontrolador STC89C52RC. Mediante el desarrollo de módulos de software de procesamiento de información de red, se cumplen los requisitos funcionales para la interacción de información de la red; mediante el desarrollo de módulos de software de protocolo de puerto serie Modbus, se cumplen las funciones de monitoreo del equipo de calibración y se logran los objetivos de diseño del sistema.
3.1 Modo de red
El puente inalámbrico tiene tres modos de funcionamiento, a saber, conexión punto a punto, punto a multipunto y retransmisión. De acuerdo con los requisitos de control y los factores ambientales del sistema, el sistema adopta un método de conexión de relé y su topología de red se muestra en la Figura 1. Se puede ver claramente en la figura que este método de conexión de relé organiza dos puentes inalámbricos en el extremo del control remoto para comunicarse con el punto de control principal y el cliente respectivamente, y completa la interacción de datos a través del módulo de control de red para completar la red.
3.2 Precauciones de seguridad
Debido a que es un diseño abierto, la seguridad de la red inalámbrica es un tema que se debe considerar. Las características del sistema son que se inicia de forma irregular o las 24 horas del día, los datos confidenciales solo tienen parámetros de frecuencia y el propio equipo controlado tiene medidas de protección (protección de protocolo). Por lo tanto, el diseño del sistema se centra en prevenir puntos de acceso y ataques, y las medidas incluyen instalaciones de contraseña de inicio de sesión, configuración de claves de red, IP fijas, cifrado dinámico de datos confidenciales en estructuras de datos, etc. , evitando así? ¿Hackeado? . Al mismo tiempo, se utiliza un dispositivo de protección contra rayos de red para evitar daños por rayos.
3.3 Diseño del módulo de control de red
3.3.1 Diseño de hardware
La función del módulo de control de red es recibir información de comando y enviar información de estado, y se implementa a través del puerto serie Interacción de información con el equipo de calibración. Su circuito de hardware consta principalmente de MCU (microcontrolador), ENC28J60 (chip de red), Max232 (chip serie) y circuitos periféricos. Su diagrama eléctrico esquemático se muestra en la Figura 2. El núcleo del diseño de hardware es la selección de MCU y chips de red. El microcontrolador STC89C52RC seleccionado como MCU de este sistema es un microcontrolador CMOS de 8 bits de bajo consumo y alto rendimiento que se puede descargar directamente a través del puerto serie, lo que proporciona una solución altamente flexible y súper efectiva para muchos sistemas de aplicaciones de control integrados. C28J60 es un chip de control Ethernet altamente integrado producido por M-microchip.
Su interfaz cumple con el protocolo IEEE802.3 y solo 28 pines pueden proporcionar las funciones correspondientes, lo que simplifica enormemente los diseños relacionados. El C28J60 proporciona una interfaz SPI para comunicarse con la MCU a través de dos pines de interrupción y SPI. La velocidad de transmisión de datos es de 10 mbit/s. El ENC28J60 cumple con todas las especificaciones de IEEE802.3 y utiliza una serie de mecanismos de filtrado de paquetes para limitar los datos entrantes. paquetes y proporciona un módulo DMA interno para lograr un rendimiento de datos rápido y un cálculo de suma de comprobación de IP compatible con hardware [4]. El C28J60 utiliza HR911102A como interfaz de red externa. El transformador de red incorporado, la red de resistencias y la luz de visualización de estado tienen las características de aislamiento de señal, adaptación de impedancia y supresión de interferencias, lo que puede mejorar la capacidad antiinterferencias y la estabilidad de envío y recepción.
Diseño de software.
El diseño del software del módulo de control de red incluye principalmente dos partes. El primero es la programación del controlador de ENC28J60 basado en el bus SPI, incluida la definición e inicialización de la estructura de la trama de datos Ethernet y el transceptor de datos. El segundo es el protocolo Modbus y su proceso de software se muestra en la Figura 3.
Programación del controlador
(1) Estructura de la trama de datos Ethernet La longitud de una trama Ethernet que cumple con el estándar IEEE802.3 está entre 64 ~ 1516 bytes, compuesta principalmente por la MAC de destino. Consta de dirección, dirección MAC de origen, campo de tipo/longitud, carga útil de datos, campo de relleno opcional y verificación de redundancia cíclica. Además, al enviar paquetes a través del medio Ethernet, se agrega un campo de preámbulo de 7 bytes y un delimitador de inicio de trama de 1 byte al comienzo del paquete Ethernet. La estructura del paquete de datos Ethernet se muestra en la Figura 4. (2) Programación del controlador 1) Reglas de lectura y escritura de registros ENC28J60 Dado que el chip ENC28J60 adopta el método de interfaz serie SPI, la regla para leer y escribir registros internos es la primera dirección de registro de código de operación
proceso de protocolo ModBus p>
La comunicación de datos del protocolo ModBus en este sistema adopta el modo RTU [5]. Como nodo maestro, el módulo de control de red establece una conexión con el nodo esclavo (dispositivo de calibración) a través del puerto serie. El nodo maestro envía periódicamente comandos de consulta al nodo esclavo y envía información del estado del dispositivo al nodo maestro en función del comando de respuesta del nodo esclavo. Cuando se detectan datos de red, el comando se analiza a partir del paquete de datos recibido por ENC28J60 y el código de función y la trama de datos correspondientes se envían al nodo esclavo de acuerdo con la estructura de la trama de datos Modbus, el nodo esclavo correspondiente responde al comando de control; configurar los parámetros del dispositivo.
4 Depuración y verificación del sistema
El entorno de prueba y depuración está organizado de acuerdo con la Figura 1, e incluye principalmente 5 puentes inalámbricos, 1 punto de control principal, 2 clientes y 1 módulo de control de red. equipos de tablero y calibración, etc. Las pruebas principales incluyen efectos de comunicación de red, capacidades de control de red y pruebas simples de protección de seguridad. Conclusión de la prueba: la conexión de red es confiable, cada punto de control puede controlar de manera segura equipos remotos, tiene ciertas capacidades de protección de seguridad y cumple plenamente con los requisitos de control de los equipos remotos.
5 Conclusión
Basado en las necesidades reales, este artículo compara las tecnologías de comunicación inalámbrica populares actuales y elige puentes inalámbricos para realizar la conexión en red de sistemas de control remoto. Mediante el desarrollo de módulos de control de red y el software de control correspondiente, se desarrolló un sistema de equipos de control remoto para medición de barcos. La aplicación de múltiples barcos de reconocimiento muestra que el uso de redes de puentes inalámbricos cumple plenamente con los requisitos de diseño del sistema, tiene las ventajas de alta seguridad, alta confiabilidad y alta escalabilidad, y desempeña un papel importante en tareas de soporte cada vez más pesadas. El método de conexión en red inalámbrica y el diseño del circuito de hardware adoptado por este sistema tienen cierto valor de referencia para otros campos de control relacionados.