（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式的无线区域识别系统的研究.pdf

重庆人学硕+ 一论文 中文摘要 摘要 传统的旅游景区中的解说工作主要由解说员担任，解说员每天要重复讲解多次 相同 勺容的解说词，且只能用单一语种解说，工作不但乏味，而且不能保证解说质 量，特别是人数较多、多个解说员同时讲解的时候，游客大多听不到或听不清楚解 说内容。为此，非常希望能有一种不受制于人的自动装置代替解说员，这样既节省 了人力增加了效益，又能充分保证解说质量。智能电子解说系统有两项关键技术， 一是数字语音录放技术，二是位置区域识别技术。国内外许多公司也开展了无线区 域位置识别技术研究，应用于电子解说系统。但主要存在相邻区域干扰、不能实现 自动功率控制、循环播放缺乏个性或接收端用手动选台等问题。 本文以数字无线解说系统的研制为工程背景，将无线传输技术、功率控制技术 和数字编码位置识别技术等应用到智能无线解说系统中，研制一套区域位覆的探测 识别和切换控制系统，提高决定数码播放系统区域识别的准确度和精确度。根据系 统探测范i 羽大小和特殊环境的需要，在每个点位设置一套或多套区域地址码发射系 统，景点信息不相互干扰。用户一旦进入该区域范围，用户随身携带的播放机自动 接收到该景点的启动信号，能识别出游客所处位置的区域，通过地址码自动完成播 放解说内容的切换功能。特点是具有智能化、个性化，多语种，实用性强，避免传 统人工解说时不能保证解说质量的不足。 首先根据实际环境，建立了无线区域识别系统应用模型，在此基础上，完成了 区域识别系统的软硬件设计。硬件部分，设计了基于收发芯片c c l 0 0 0 的收发模块 电路、控制电路及接口电路，采用两级判决和双门限切换算法来提高系统识别性能 的准确度。软件部分，根据系统应用模型及硬件要求，设计出了相应通信协议；采 用循环冗余校验( c r c 一1 6 ) 确保位置编码信息的可靠性和准确性；完成了收、发模 块软件和接口程序设计；分析和测试了数据的检错性能及系统的抗干扰性能。 本文研制的短距离无线区域识别系统已用于重庆市大足石刻景区的智能无线解 说系统工程中，完成了现场测试，对测试结果进行了分析和总结。论文研究的成果 为快速识别用户所在区域、准确自动切换操作提供了切实可行的解决方案。 关键词：区域识别，功率控制，区域切换，无线传输技术 重庆人学硕l 论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a lt o u r i s m ，ah u m a nc i c e r o n eh a dt or e p e a t e d l yi n t r o d u c ei n f o r m a t i o nt o v i s i t o r sag r e a tm a n yt i m e se v e r yd a y i td i dn o tu s u a l l ys a t i s f ye v e r yo n eo fc r o w d e d v i s i t o r s ，p a r t i c u l a r l yf o rf o r e i g n e r s t op r o m o t ei tm o r ee f f e c t i v ea n di m p r o v et h eq u a l i t y o fs e r v i c eo ft o u r i s mm o r es u p e r i o r ，a ne l e c t r o n i cd e v i c ei s d e v e l o p m e n tt o b ea n a u t o m a t i cc i c e r o n ei np l a c eo fh u m a n t h ed i g i t a lw i r e l e s si n t e l l i g e n tc i c e r o n ec o m b i n e s v o i c e - c o m p r e s s e dt e c h n o l o g y ，d i g i t a ls t o r a g et e c h n o l o g y ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，d i g i t a l c o d i n ga n dt h et e c h n o l o g yo f a r e ai d e n t i f i c a t i o n s o m ec o r p o r a t i o n sa r ed e v e l o p i n gt h e c i v i l c h e a p e rw i r e l e s s s h o r t - d i s t a n c ea r e a i d e n t i f i c a t i o n ，w h i l e t h e r ea r es t i l ls o m e p r o b l e m sw i t ht h o s ep r o d u c t st h a tc a nn o tb eh a n d l e dv e r yw e l l ，f o ri n s t a n c e ，i n t e r r u p t i n g f r o m a d j a c e n tt r a n s m i t t e r s ，n oa u t o - p o w e rc o n t r o l ，a n d m a n u a lc h o i c eo fr e c e i v i n g c h a n n e l b a s e do na p r o j e c to f d i g i t a lw i r e l e s si n t e l l i g e n tc i c e r o n e ，t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so n t h ek e y t e c h n i q u eo f e m b e d d e dw i r e l e s ss h o r t - d i s t a n c ea r e ai d e n t i f i c a t i o n i ti sl e s sp o w e r c o n s u m p t i v e ，c h a r a c t e r i s t i ca n di n t e l l i g e n t , h i g h l e v e lv o i c ea n d c o n v e n i e n t f o ra u t o m a t i cs h o r t - d i s t a n c ea r e ai d e n t i f i c a t i o n , t h et e c h n o l o g yo fp o w e rc o n t r o li s a p p l i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gn e e do f a s y s t e m ，a s e to rs e v e r a ls e t so f t r a n s m i t t e r w i l lb es e tu pa ts p e c i f i cp l a c e s t h em o b i l et e r m i n a li nv i s i t o r s h a n d si n c l u d e st w o p a r t s ： ar e c e i v e ra n da na u d i op l a y e r a ss o o na sv i s i t o r sa c c e s sas p e c i a la r e a , av i s i t o rc a nb e a u t od e t e c t e da r e aw h e r eh ei sb ya r e a - c o d ei n f o r m a t i o na c q u i r e df r o mt h et r a n s m i t t e r ， w i t h o u ti n t e r r u p t i n gf r o ma d j a c e n to n e s a f t e ra u t o i d e n t i f i c a t i o n ，t h ep l a y e rc a na u t op l a y o rs w i t c ht h ec o r r e s p o n d i n gc o l n n l e n t a r yo ft h i sa r e a ，a c c o r d i n gr e c e i v e dc o m m a n d s i n a d d i t i o n ，av i s i t o rc a l lc h o o s et h el a n g u a g ei f h el i k e ，s i n c ei ti sam u l t i l i n g u a ls y s t e m t h e k e y i st oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dd e f i n i t i o no f s h o r t d i s t a n c ea r e ai d e n t i f i c a t i o n t h em a i n p o i n t so f t h i sd i s s e r t a t i o nc o n t a i n s e v e r a lp a r t sa sf o l l o w s ： f i r s t , d e s i g nar e a s o n a b l ew i r e l e s ss h o r t - d i s t a n c ea r e ai d e n t i f i c a t i o nm o d e l i no r d e r t od e v e l o pt h ea c c u r a c yo fi d e n t i f i c a t i o n ，t w ol e v e li d e n t i f i c a t i o na n da l g o r i t h mo fs w i t c h 、撕t ht w ot h r e s h o l d s i nt h i sm o d e ，d a t aa r et r a n s f e r r e di ns i n g l ew a y ，f u r t h e rm o r e ； c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e df o rt h i sm o d e i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h ec i r c u i t s d e s i g no fc c l0 0 0a n di t sp e r i p h e r a l s ，s y s t e ma n d i t si n t e r f a c e sa r ei l l u m i n a t e d c i r c u i t so fs i g n a lp r o c e s s i n ga n di d e n t i f i c a t i o nb a s e do n m i c r o c o n t r o l l e ra n dt h a to ft r a n s m i s s i o na n dr e c e i v ep a r ta r ei n t e g r a t e dt o g e t h e r t h e n i i m 庆火学颂十论文英文摘要 b a s e do nt h es y s t e mm o d ea n dh a r d w a r e ，t h ed s p p r o g r a ms t r u c t u r ei si n t r o d u c e d ，a n d t h e t l o wc h a to ft r a n s m i s s i o na n dr e c e i v em o d eo fs y s t e m ，c y c l e r e d u n d a n c y - c h e c k ( c r c ) p a r tw i t hp o l y n o m i a lu s e dc r c 一1 6 ，s e t u po fc c l 0 0 0a n da r e a i d e n t i f i c a t i o np a r ta r e e m p h a s i z e d t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m sp e r f o r mw e l l a tl a s t ，t h ep c bi sl a y e d o u ta n da l lp r o g r a m sa r ed o w n l o a d e dt op c b t h e p r e s e n tw o r k s h o w st h a tt h es y s t e mc a n e f f i c i e n t l yc o m p l e t ew i r e l e s ss h o r t d i s t a n c ea r e a i d e n t i f i c a t i o n t h et h e o r e t i c a lr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e es u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h e r e s e a r c ho f d i g i t a lw i r e l e s si n t e l l i g e n tg u i d e r a td a z uc a r v e d - s t o n e i ta l s op u t sf o r w a r da p r a c t i c a l l y f e a s i b l ea p p r o a c ht h ea c c u r a t es h o r t - d i s t a n c ea r e ai d e n t i f i c a t i o na n dr a p i d a u t o m a t i cs w i t c h k e yw o r d s ：a r e ai d e n t i f i c a t i o n , p o w e r c o n t r o l ；a r e as w i t c h ，w i r e l e s s t r a n s f e r t e c h n o l o g y 暖庆大学硕十论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着我国生活水平不断地提高，旅游业和以科技信息和人文信息吸收为主的展 览馆、博物馆、文化教育陈列馆、产品交易会同盏受到人们的极大关注。在旅游市 场，游客在景区旅游时，可看景点多，可了解的人文资料却极其匮乏，属于低层次 的感性旅游阶段。通常旅游景区、展览馆的解说工作主要由解说员担任。在游客人 数较多、有多个解说员同时讲解时，游客大多听不到或听不清楚解说内容。如何使 游客在满足感观认识的基础上，把旅游真正变成文化旅游，提供高水平、高质量的 服务，以满足不同游客和参观者的个性化需要，是各个展览馆、博物馆和旅游景区 管理部门急需改善的问题。 解说系统的目的是：协助游客对景区的人文、历史、渊源认识、了解和欣赏， 使其获得丰富而令人愉快的经验。追求永续经营的目标，促使游客对游憩资源作 明智的使用，同时将各种资源的人为冲击降至晟低，推动旅游景区长远的可持续发 展。传达管理单位的信息，引导游客远离易遭破坏之地区，减少对环境的干扰。 解说系统能发挥无人经营时的功效，使游客了解个人在整个环境中的地位，并 由此使其了解与环境共存j 的复杂性。解说系统的建设与完善不仅是增加旅游者 满意度的要求，同时也是不断创新( 尤其是文化创新) ，发展核心竞争力的要求。文 化创新主要是将内化于景点、景观内的文化韵昧挖掘出来，使内化的文化内涵能够 遵循“外化一内化”的转换模式，通过完善的旅游解说系统，形成旅游者的旅游 体验的一种过程。尤其是当文化信息的发射主体与文化信息接收主体之间存在严重 的非均衡不匹配的情况下，这种解说系统就显得更为重要了，因为再悠久灿烂的文 化也只有在有文化的后辈中才能闪光。 近年来解说系统在国内外得到广泛发展，最初采用的是静态文字显示系统，如简 单的介绍牌。随着信息技术的发展，能为人们方便、快捷地提供信息传播服务的方 式越来越多。参观、旅游服务的电子化和智能化是全方位提高服务档次和水平的方 向，解说系统发展到了“人机”系统， 改善景区解蜕系统是提高旅游者对景区的评价、推动旅游景区长远的可持续发 展的有利措施，因此，本文提出研制一种广泛应用于旅游业、博物馆、展览馆、文 化教育陈列馆、产品交易会等行业的智能无线电子解说系统，将目前先进的语音压 缩技术、数码存储技术、无线电传输、数字编码位哥识别技术等应用到旅游业、展 览馆、博物馆、文化教育陈列馆、产品交易会的智能无线解说系统中，特点是具有 智能化、个性化，高音质，实用性强的特点。为用户提供种不受制于解说员的小 重庆大学硕1 ：论文 绪论 巧玲珑、使用方便、能提供多语种解况的智能无线终端装置，避免了传统人工解说 时不能保证解说质量的不足。该系统的应用可以彻底改变传统的解说方式，使我国 的文化、旅游业的数字化水平达到国内外的先进水平。 1 2 国内外现状综述 1 2l 解说系统 目前解说系统有以下几种形式： a 、无线接收方式 无线接收方式导游解说系统由多台无线调频发射机和游客接收机构成。在旅游 景区的重要景点放置调频发射机，将解晓内容预先存贮在发射机内。发射机开始工 作后，一种或多种语言的导游解说信号通过发射天线发射出去。游客通过手中的接 收机在景点周围收听适合自己语种的导游解说。无线接收方式的导游解说系统的优 点是系统投资较少，服务面较宽。需解漉景点均安置发射机，游览路线不受限制， 但缺点是循环播放缺乏个性。如果游客到达时间先后不同，则不能同时获得完整的 信息，且收听语音解说的质量相对较低。 b 、按键选择方式 这种导游解说方式多数采用数码录音或m p 3 方式，未采用无线收发模块。导游 解说机上有液晶显示屏，数字键和操作键。游客根据旅游景点提示牌上的数字编号， 按下导游解说机上对应数字键，再按下播放键，播放预先大量存储在导游解说机内 的导游解说信息。由于采用数码录音技术，加之是播放方式，收听质量能够得到保 证。但这种导游解说机自身的弱点是不能自动播放，需要手动选台来切换播放内容。 c 、自动播放方式 该导游解说方式，具有智能化功能，游客除了开关机和收听音量外，基本可以 做到免操作。在需解说的旅游景点，分别安置一个或多个启动发射装置。游客到达 任何一个景点，他们手中的播放机可自动接收到景点的启动信号，播放机自动播放 解说信号。自动播放方式的优点是智能化强，游客使用方便、实用。但同样存在成 本较高的问题。但随着新的语音压缩技术的出现和电子元器件规模化生产，成本逐 步降低是完全可能的。 1 2 2 无线区域识别系统 在比较以上三种解说系统后，本文采用具有智能功能的自动播放方式。自动播 放方式导游解说系统中的关键技术之足准确接收景点启动信号，即无线区域识别 系统，要求游客到达任何个景点，他们手中的播放机可自动接收该启动信号、识 别所在景点，实现播放机自动播放。无线区域识别系统可用在诸多不同场合，所以 浚系统的核心是一种通弁；j 电路。对于不同的用途，其工作原理基本相同，不同的只 2 至丛叁兰堡堡窭 ! 笪堡 是手持终端功能电路的选取、识别的对象及有效区域范围的大小。 目标定位识别技术在国防、军事、科学研究、导航以及门常生活中应片j 相当广 泛，但是用于国防、军事、科研、导航等领域的目标定位识别主要是通过卫星定位 系统( g p s ) 或者大型专用定位设备来实现，整个定位识别系统的实现往往需要较 大的资金收入和高科技的支持。 目前国内外许多公司也开展研究非卫星定位系统( g p s ) 方式、民用、价廉的 区域识别技术，并应用于解说系统产品。但存在以下一些问题： 相邻区域的干扰问题：在景点与景点之间的距离较近时，不能很好地处理切 换问题，产生较大的相互干扰，影响切换效果： 不能实现自动功率控制，发射的功率不能在许可范围之内可调，因而产品的 功耗较大，不利了二环保； 采用光波传输编码的产品，存在覆盖阴影和信息阻挡等问题： 自动选台切换较慢，使用不方便。 1 3 嵌入式系统应用综述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用 于系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式 微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成， 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能，是将计算机技术、电子技术和各 个行业的具体应用相结合后的产物。嵌入式系统己成为计算机应用的新热点，人们 对嵌入式产品的要求越来越高，稳定可靠、功能丰富、物美价廉的信息产品将成为 人们的首选。 单片机作为嵌入式信息产品的一个重要应用方面，以嵌入式系统的形式隐藏在 各种装置、产品和系统中。基于单片机的区域位置识别系统中，手持终端确定自身 当前所属区域范围，根据这个结果采取相应措施和处理目自口状态信息。其主要特点 是： 可靠性要求高：计算机都必须具有自我检测、自我纠错、自我恢复的容错技术。 而在保证完成功能的前提下，用最简单的计算机实现目标区域位置的识别，这 是提高可靠性的行之有效的办法。 对环境的适应性强：发射系统装置往往安装在离现场不远的地方，接收部分在 被识别的装置或人身上，计算机所处的环境会有震动，电磁干扰等不利条件， 因此要求计算机要有很好的适应性，使之能保证在各种环境的条件下正常工作。 实时性好：对被测量的微小变化，计算机都能及时捕捉到，并做出快速处理， 为了达到这一要求，一般从硬件和软件两方面来保证，保证在检测过程中，严 皇鉴叁堂堡堡苎 ! 竺堡 格按照事先编制的时叫进行操作，过程有变化时，尽快地及时相应。 价格低，尺寸小，安装方便：单片机往往与产品融为一体，它的价格直接影响 到产品成本及售价。因此生产者要求尽可能降低系统价格，以保证利润。单片 机体积小及外围电路简单，不但降低了成本而且可以灵活地安装在产品设备上， 并不必改变原产品设备外形尺寸。 因此，在进行本系统的设计时，不但在实时性方面作了一定的考虑和设计，对 于系统的实用性也做了许多设计和设想。比如手持终端的体积要在保证功能和可靠 性的前提下尽可能小，密封性能要好，信号的收发角度要大，响应的时间要短。 1 4 本文的主要内容和研究目的 1 4 1 研究内容 本文的工程背景是研制数字无线解说系统，该系统主要由两部分组成：无线区域 识别和数字化语音播放。本文的主要工作是设计基于嵌入式的短距离无线区域识别 系统，提高决定数码播放系统区域识别的准确度和精确度。要求本系统设计具备的 特点是：信息传输要求具有很强的可靠性，手持移动终端携带方便，系统需要获得 优良的识别性能。 本文根据系统探测范围大小和特殊环境的需要，在每个景点设置一套或多套区 域区域码发射系统，在保证接收范围尽可能大的同时，使景点信息不相互干扰。用 户一旦进入该区域范围，随身携带的手持终端自动接收该景点的启动信号，通过区 域码识别出游客所处位置的区域；然后播放器根据区域识别的结果自动完成解说内 容切换功能，选择播放存储在手持终端内高清晰、低噪声的解说内容。特点是具有 智能化、个性化，多语种，实用性强，避免传统人工解说不能保证解说质量的不足。 无论游客到达的时间先后，无论游客的语言是否相同，该系统能根据其所在位置， 使每个游客得到所在景点的完整信息，除开关机和收听音量外，基本可以做到免操 作。本论文主要完成的任务为： 1 、设计基于嵌入式的短距离小型无线区域位置识别系统，进行基于单片机的信 号处理及识别电路与发射电路的集成，并有相应的实物实现。 2 、设计发射与接收电路，完成区域位置识别结果的发射与接收，使得手持终端 能在1 米左右识别信号，根据这个结果采取相应的措施。 3 、用单片机处理实现目标区域位置识别。主要研究怎样结合单片机的软、硬什 束进行区域位置识别。 1 4 2 论文的章节安排 论文第章为绪沦，简要介绍无线解说系统的背景和意义，比较国内相关产品技 术，概述嵌入式系统应用并对本文的主要内容进行浇明。第二章分析本课题无线区 重庆人学硕+ 论文 l 绪论 域识别实现的关键技术，设计系统的通信协议建立无线区域识别的系统模型，及分 析整个系统的工作流程。第三章为系统的硬件设计，介绍以单片微控制器、无线收发 模块为硬件平台的发射与接收电路、系统电路和接口控制电路的设计，和相关电路器 件的选择。第四章在系统模型及硬件基础上介绍系统收发送模块的软件开发，分析了 关键软件流程：无线收发芯片的配景、校准，c r c 校验和区域识别模块。第五章给出 系统实际应用和调试的结果。文章的最后一章总结全文的工作，并提出进一步研究的 方向。 暖庆火学硕士论文2 无线区域识别技术 2 无线区域识别技术 2 1 区域识别原理 数码语音播放系统在每个景区设置一套区域地址码发射系统，要求用户旦进 入该区域范围，通过区域码能自动完成切换播放功能。本文定义一个景点的范围为 一个无线覆盖区。区域识别的准确度和精确度是决定数码播放系统性能的关键技术 之一。 2 1 1 区域识别概述 当手持移动终端用户从一个无线覆盖区移动到另一个无线覆盖区时，系统要识 别出移动终端当前位置所属的无线区域。当移动台向一个无线覆盖区边界运动时， 信号强度和质量开始下降，且收到的相邻另一个发射机的信号增强。通常手持移动 终端应转移通信到另一个发射机上“。1 。另外，由于衰落、障碍物和干扰引起的信 号变化，也需要对所在位置进行识别。识别过程( 可以称为切换过程) 能使手持移 动终端切换到另一个更好的无线覆盖区，甚至可以在同一小区内不同频率之间切换， 继续保持好的通信链路。 越区切换检测 判决何时实现越区切换，是以对移动台或两个发射机的链路测量为基础。选择 合适的区域识别判决标准有利于提高系统正确切换播放内容的速度，降低移动台终 端功率需求。越区切换检测以链路测量为基础，由测量过程识别位置后，切换所需 要转换的目标接入点1 4 1 。测量的主要内容有：( 1 ) 接收信号强度指标( r s s i ) ，它表明 信号接收场强的大小( 2 ) 数字系统的误码率( b e r - - b i te r r o rr a t i o ) ：( 3 ) 发射机识别 码；( 4 ) 各信道的状况。 r s s i 测量受远近效应、阴影衰落、瑞利衰落影响。理想的区域切换判决基于阴 影衰落和远近效应，并独立于瑞利衰落。在足够的时问内，用平均接收信号强度来 实现判决。在通信链路发送和接收所需信号时，移动台必须取样、测量所用通信频 率。判决需要以瞬时功率总和为基础，而对非瑞利衰落则需进行连续测量并平均其 结果。 发射机与手持移动终端之间的传播由直接视e ( l o s ) 路径和由建筑物、地形、 游客引起的散射或衍射的路径组成。因此，当移动台遇到干扰时，接收信号出现快 衰落。如果无强l o s 成分，此快衰落现象的包络过程为瑞利分布，否则为r i c i a n 分布。当手持移动终端移动时，不同的散射源和地形改变移动台天线上的入射平面 波，加上有反射和衍射路径，使叠加在手持移动终端天线上的多径快衰落信号电平 中值发生慢衰落，称为阴影衰落。 重庆人学硕十论文 2 无线区域识别技术 当手持移动终端出发射机a 向发射机b 移动时，来自发射机a 的信号变弱， 而来自发射机b 的信号更强，但这种慢效应被多径瑞利衰落和阴影衰落掩盖。短期 瑞利衰落可用分集技术处理( 如调频) 和信号处理技术( 如卷积编码、均衡器) 。在 系统链路估算余量内，长时间阴影衰落可用增加发信机功率和同频再用距离的方法 补偿。 切换算法中建立了一个适合建立新通信连接的相邻发射机的候选列表 4 1 ，通过 测量每个相邻发射机的路径消耗( r s s i ) 来进行。只要接收电平大于最小规定电平， 该相邻发射机就可选为切换的目标发射机。有以下几种切换算法： r 1 ) 相对信号功率：当接收到相邻发射机的信号功率大于当前接收机的接收功率电 平时启动切换。这种算法没有考虑到当前小区的绝对接收功率电平。 f 2 ) 相对门限的信号功率：这种情况下，若当前信号功率下降到一给定的门限以下 并且手持移动终端已接收到比当前发射机更强的相邻发射机n 信号的话，就启 动切换。这种方法的性能主要取决于门限值。 f 3 ) 相对切换储备的信号功率：只有当相邻发射机n 的平均接收功率值大于当前发 射机的平均功率值加上切换储备值，才启动切换。切换储备值的调整确定了切 换的性能。 ( 4 ) 相对于切换储备和门限的信号功率：该算法是将( 2 ) 、( 3 ) 算法结合。当前信号功 率下降到一给定的门限以下并且目标发射机n 的信号功率超过当前发射机的平 均功率值与切换储备值之和的话，手持终端将向目标小区切换。 无线区域识别检测策略 1 ) 手持移动终端控制区域切换 手持移动终端不断检测来自被访问端口和越区切换候选信道的信号质量与强 度，当满足某一区域切换标准时，手持移动终端自动与新的发射机建立通信。手持 移动终端对当前和候选接入点的频率进行质量测量束控制区域切换，质量保持处理 框图见图2 1 ，它包括以下四部分： 幽2 1 质量保持处理框蚓 f i g u r e 21d i a g r a mo f k e e p i n gq u a l i t yp r o c e s s 重庆人学硕+ 论文 2 无线区域议别技术 ( 1 ) 不断进行测量及测量数据处理，以使移动台监测质量； ( 2 ) 依触发判决法，移动台根据处理后的测量数据来决定下一步工作； ( 3 ) 与新的发射机建立通信。 手持移动终端对无线链路质量信息进行检查，当达到确定标准时，检查过程要 求进行区域切换操作。 2 ) 网络控制区域切换 接口监测手持移动终端信号强度和质量，当这些值低于某门限值时，网络安排 切换至另一个发射机。网络要求所有周围端口都监测手持移动终端信号，并报告检 测结果，然后选择一个新发射机通信，通知手持移动终端实现区域切换。发射机根 据r s s i 测量监督全部当前链接的质量。周围发射机不时地对这些链路进行测量， 根据所得到的测量值，决定何时何地实现区域切换。由于网络中收集信息信令业务 太大，以及发射机测量邻近链路频率的无线资源不足，区域切换实现时间较长。加 上不是经常测量，精确度也有所下降。因此在实际r s s i 低于一个特定门限值之前， 不能做出判决。 3 ) 移动辅助区域切换 网络要求手持移动终端测量来自周围接口的信号，并把测量结果送回原发射机， 以便网络可决定是否需要区域切换及切换到哪个发射机。区域切换过程更分散，发 射机和手持移动终端都要监督链路质量。 2 1 2 区域识别技术 对移动通信网络来说，移动管理中的小区选择重选过程和切换过程是其精髓， 是保证服务质量的重要环节，切换可以被认为蜂窝通信中最复杂和最重要的过程。 但是蜂窝系统的越区切换并不适合用到无线解说系统的区域识别，这是因为： 第一、数据量不同：蜂窝网络是大量的话音通信，而无线解说系统的区域识别 中，无线收发的数据不到1 0 0 个字节，两者通信收发的数据完全不在一个数量级上： 第二、切换后操作不同：蜂窝网络要保证无线资源在越区切换时的连续性，即 通话过程不被中断，而无线解说系统中，切换后改变数码放音系统的播放内容，则 其无线区域识别算法可以极大简化越区切换算法的复杂度，节约了系统资源； 第三、成本不同：蜂窝系统对于系统指标要求远远高于无线解说系统，因此， 无线解晚系统无须使用蜂窝网络越区切换昂贵的设备，大大降低了成本。 目前，也出现了自动播放的解说系统，有的产品其网络分布上，将发射机的覆 盖范围规划为相互独立、无相互交叉覆盖范围，未采用区域识别系统；有的产品接 收终端在相邻景点的交叉范围有相互干扰，切换效果差，因此适合覆盖面积广的风 景区，不能用于景点相对集中的场合，应用范围较窄。 重庆人学硕七沦文 2 无线区域汉别技术 j ，一，一一一一、，、 7 无线谴流域1、 ( 、签鋈漤淤， 蚕 、圈7 、。、一一一一一一一一一一p 。一 同一无线覆盖区域内的四个发射机，采用四个不同频率发送相同的区域码信息。 通过测试各接入点覆盖范围内接收功率变化，调整发射机的发射功率和发射天线功 率，实现减小相邻发射机交叉覆盖区域，经测试得到最佳发射功率后，建立并存储 各接入点的功率与距离对应丑录表。 假设现处于发射机1 a 有效覆盖范围。手持移动终端接收发射机l a 的信号。 同时搜索其他三个频率，建立新通信连接的相邻发射机的候选列表。手持移动终端 移动位置时，若此时r s s i 小于某个门限值，则发出查询命令，查找接收到的接入 点功率记录表和候选表，若存在r s s i 大于当前已建立通信的发射机1 a 的发射机， 经比较后选择优先级最大者，假设选择发射机l b ，则与1 一b 发射机建立连接。由 j 二两发射机发送数据帧中的区域码相同，区域识别结果为，手持移动终端仍处于原 煎庆人学硕k 论文2 无线阪域识别技术 无线覆盖区域1 内。 当手持移动终端移动到发射机1 - d 和发射机2 a 之洲，且在接入点功率记录表 和候选列表中，发射机2 - a 优先级最高，比较自口后收到的区域码。区域识别判决为 手持移动终端移动进入了无线覆盖区域2 中。 切换算法采用相对于切换储备和门限的信号功率。由于游客在游览时移动速度相 对较慢，可利用信号强度测量取平均的窗口大小，来减少系统处理的负荷，消除频繁 切换。若出现当前信号功率下降到给定的门限以下，且手持移动终端已接收到超过当 前发射机平均功率值与切换储备值的相邻发射机信号的情况，就启动切换。采用两级 调节的“平滑”切换，运用双门限算法。在图2 2 中，假设移动终端在发射机a 覆盖范围 之内，定义接入点a 与该移动终端之间一定时间内评价信号强度为s a ，而发射机b 与 接收机之间信号强度为s b ，s b 与s a 之间的信号强度差为p = s 。一s 。，以及两个常数， p - 和p + ，当p p 一时，准备进行移动终端从n 切换到m 的切换，若p p + ，则执行切 换。平滑切换在保证切换快速的同时，克服了交叉覆盖区内反复切换的现象。 2 2 功率控制 功率控制目的在于通过调整功率减小远近效应和对抗阴影衰落和快衰落，使网 络干扰最小化，从而有效降低网络平均干扰电平，提高网络质量，并减少接入点的 发射功率，节省电源功耗1 5 j 。 发射机根据系统的控制指令工作在不同的发射功率级别上。采用步进功率控制 ( s t e p b ys t e p p o w e r c o n t r 0 1 ) 技术，控制发射机的r f 输出功率，实现输出功率以一 定的步长逐步提高或降低，直至接收信号电平达到功率控制门限。 发射功率和接收功率之间的关系为： 兰：g , g r f 2 1 1 b三， 其中，p ，为接收功率( r f - l n 输入功率) ，p t 为发射功率，g r 和g t 分别为接收和发 射天线增益，l s 为自由空问传输损耗。 l ，= - 2 7 5 6 + 2 0 1 9 f ( m m ) + 2 0 1 9 4 。1 d b ( 2 2 ) 测试各接入点覆盖范围内接收功率变化，通过接收信号强度得出了接收机和发 射机间距离的估计值。为调整发射机的发射功率，减小相邻发射机交叉覆盖区域提 供依据。 2 3 区域识别r f 频率的选择 本系统数据传输采用f s k 调制。对于本系统载频的选择，考虑i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率 o 重庆人学硕卜论文 2 无线区域识别技术 ( 一般低于1 w ) ，并且不要对其它频段造成干扰即可。i s m 波段的无线通讯产品在亚 洲的频段为4 3 3 4 5 0 m h z ，在欧洲为8 6 8 8 7 0 m h z ，而9 0 2 9 2 8m t t z 则被美国采用。 因此，本系统设计工作在4 3 3 m h z 频段，为避免其他电子设备或相邻无线覆盖区 域发射机的干扰，同一无线覆盖区域的几个发射机采用不同的r f 发射频率，手持 移动终端接收已建立通信的发射机信息的同时，搜索其它频率，记录相应频率的接 收信号强度。 2 4 区域识别的通信协议 由于无线收发模块的特性，通信容易在发射端与接收端之间受到外界干扰而使数 据发生错误，且各小区之间的信息也会相互干扰，因此，需要设计和使用可靠的通 信协议保证接收端正确接收来自发射端的数据，并确定数据的真实性”。根据无 线区域识别系统对通信协议提出的误码低、可靠性高和开销小的要求，设计了相应 的通信协议。 数据传输格式 手持终端与接入点闻的数据通信码制均为十六进制。传输数据格式如下： h u 导码l 标识( s o f ) | 区域码i c r c i 标识( f o f ) i ( 1 ) 前导码：建立比特正确同步。接收模块接收到的数据第一位极易被干扰( 即零 电平干扰) 而引起接收到的数据错误。在数据识别位前加一些扰码以抑制零 电平干扰，以避开背景噪声。推荐模式为：0 1 0 1 0 1 ( 3 2 位) 。对曼彻斯特编 码模式，设置为：0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 ( 2 ) 标识( s o f s t a r to ff r a m e f o f f i n i s ho ff r a m e ) ：用于帧同步，在发送的数 据格式中，在帧的开头和结尾各放入的标识，作为一个帧的边界。 ( 3 ) 区域码：用来指示各个接入点的地址。 ( 4 ) c r c ：校验位采用c r c 1 6 校验，为2 个字节。将除标识头以外的数据相加， 确保设备接收的数据不因外界干扰而出错。 前导码 在本系统中要注意起始码和噪声的识别问题，这是因为所选的无线收发模块的 灵敏度比较高，而系统使用的4 3 3 m h z 频段为i s m 共用频段，存在较多干扰。所 以协议的第一件事情就是能够识别噪声和有效数据。噪声是以随机字节出现的，没 有明显的方式。一个理想的噪声源应浚能够产生每一种可能的字节信息的结合，噪 声的这种特性使得去找一种字节组合来作为有效包的开始相当困难，但实际上，噪 声并不是理想的。经测试和实验，发现a a h ( i o i o i o i o b ) 在噪声中不容易发生， 传输协议应浚在数据包前加开始字节a a h 。 里塑型兰堑生! 堕 ! 垂垡匿蔓望型丝查 检测编码 由于系统工作于i s m 公用频段、无线接入信道属于随机和并发干扰的变参信道， 为确保位置区域识别的准确性和可靠性，系统使用了以循环冗余校验为主的差错控 制编码技术。差错控制编码的基本思想是通过对信息序列作某种变换，使原来彼此 独立、相关性极小的信息码元产生某种相关性，从而在接收端利用这种特性，来检 查或进而纠正信息码元在信道传输中所造成的差错。按照差错控制编码不同功能， 可分为检错码，纠错码和纠删码。检错码能检测误码，纠错码则兼有纠错和检错的 能力，当发现不可纠正的错误时可发出错误指示。 在信道编码中常用检错编码，用于系统传输性能的实时检测0 7 卜h 0 1 。大多数的 错误检测方法都包含一定程度的冗余位，冗余是随信息块一起发送的在一定程度上 表示信息内容的附加位。各种导出冗余码的方法之间的差别只是表示的信息量的不 同和编码、解码算法的复杂性不同而已。 1 ) 字符校验位：奇偶校验 这种方法是在一个a s c i i 字符上增加一个奇偶校验位来进行错误检测。这种错 误检测形式的命名来自数学的奇偶校验思想，即整数的奇僭陛。奇偶位构成一个规 则，即所有字符要么有偶数个1 位，要么由奇数个l 位。在数据传送期间，发送方 先计算要发送的字符的奇偶位，在加到字符后面( 偶校验就是所有数据位作“异或” 运算) 。对接收方来说，计算出数据字节的7 个位的奇偶性，并与接收到的奇偶校验 位相比较，如果两者不一致，则说明发生了错误。 奇偶校验是所有可能的冗余位中最低级的，因为它的目标是为了在单个字符的 级别上发现错误。由于奇偶位是一种二进制值( 奇一偶) 关系的，故它只能提供最小 的错误检测手段。特别是，奇偶位只能检测出只影响奇数个位的错误。奇偶校验在 异步串行通信中普遍无效，因为在那里绝大多数错误都是以突发形式表现出来的， 特别是在远程通信的不良环境下，其出错概率相当高。 2 ) 块冗余：校验和 这种方式是在数据块上而不是在个别字符上进行错误校验，该技术的扩展就是 “算术校验和”，即块中数值的简单求和。 表2 2 算术校验雨l f i g u r e 2 2a r i t h m e t i cc h e c k o u t 传送内容接收内容 产符信息段一行上的双位错误两行上的双位错误两行上的单位错误 c1 0 0 0 0 l l1 0 0 0 0 1 11 0 0 0 0 1 11 0 0 0 0 1 0 f1 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 1 01 1 0 0 l l o1 1 0 0 1 1 l 重庆人学硕卜论文2 无线区域识别技术 y1 1 1 1 0 0 11 1 0 0 0 0 l1 1 0 0 0 0 l 1 1 1 1 0 0 1 u1 0 1 0 l o l1 0 1 0 1 0 1l o o l l 0