（信息与通信工程专业论文）基于窄带信道的微波监控网通信网络设计.pdf

国防科学技术人学研究生院学他沦文 摘要 本文以微波通信监控网利研任务为背景，首先从监控网的任务需求和信道 特点出发，提出一种保讯! 远程、低速、负* 0 较瞩f l j 通信网络性能的通信朗、议。 该协议主要包括带智能丌关的总线 f 训、结构嗣i ，淞姒制释放和漫游功能的改进的 c s m a c d 阱议。并讨论其实现方法。摄后从i l 均乔i i i 节、分组延迟和系统可靠 性等方面对协议性能与采用普通的总线型拓扑结构和c s m a c d1 办议的网络加以 分析比较、该协议效率高、性能安全可靠，解决了窄带远程通信网有实时性要 求的突发性数据传输问题。 关键词：共享总线拓扑结构强制释放漫游 c s m a c d实现 j ：7 ，仅直 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t h i sp a p e ri sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft h es c i e n c er e s e a r c ht a s ko fm i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o n w a t c h i n g a n d c o n t r o l l i n g n e t a t f i r s t ，w ep r o p o s e d ak i n do f c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l i nt h i s p a p e r t h a tc o u l d g u a r a n t e e c o m m u n i c a t i o nn e t p e r f o r m a n c ew i t hal o n gd i s t a n c e ，l o wr a t ea n dh e a v yl o a df r o mt h ep o i n to ft a s k s r e q u i r e m e n ta n dc h a n n e l sc h a r a c t e r i s t i co f t h ew a t c h i n ga n dc o n t r o l l i n gn e t t h e r ea r e t w o p a r t s i n c l u d e di nt h i sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，o n e i sb u s t o p o l o g y w i t h i n t e l l i g e n ts w i t c h ，t h eo t h e ri sr e f o r m i n gc s m a c dp r o t o c o lw i t ht h ef u n c t i o no f f o r c i n gr e l i e fa n dr o a m i n g ，a n dw ea l s oa n a l y z e di t si m p l e m e n t i n gm e t h o d s e c o n d ， w e c o m p a r e dt h i sp r o t o c o l sp e r f o r m a n c ew i t ht h en e ta d o p t e do r d i n a r yb u st o p o l o g y a n dc s m a c dp r o t o c o li nt h e a s p e c t so fa v e r a g et h r o u g h p u t ，g r o u p i n gd e l a ya n d s y s t e mr e l i a b i l i t y t h i sp r o t o c o lh a sm u c hm o r ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yi n p e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ho t h e r s i tc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo fo u t b u r s td a t at r a n s m i s s i o ni nr e a l t i m ei nn a r r o w b a n dl o n gd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nn e t k e y w o r d s ：s h a r i n gb u st o p o l o g y ，f o r c i n gr e l i c f , r o a m i n g ，c s m a c d ， r e a l i z a t i o n 国防科学技术大学研究生院浮佗论史 第一章概述 1 1 基于窄带信道的微波嗡控网 1 1 1 微波监控网的建设背景 微波通信作为电信部门信息传输的一个币要组成部分，提供了其它通信方 式不可替代的服务。尤其在特殊时期，盘9 8 年的特大洪涝灾害期问，微波通信 更以其不易受客观环境影响而体现 5 它的优越讹：。为了使网络维护水i l 和电路 维护质量跟上通信业务的发展，湖南省微波局决定建设“微波传输网监控系 统”以保障微波通信安全可靠、实现高山站无人值：j ：、提高维护水平和电路维 护质量取l 效率。 1 1 2 微波监控网的总体功能和结构 微波笛理监控系统应完成对全肯所订微波i u 踏所n 设备i 【1 4 t 状态和、l p 务传 输质星状念的实叫；隘视，将行种：州控制0 i n 戌叫川俐也f 递给微波f 输删， 实现刘伞省微波传输网实时峪视和调度的的。 与原监控系统相比，观阶控系统1 j 耍n 以卜4 0 t i ： 1 监控范围更广：原监控系统的1 2 个l 削空t 山除【毛沙、怀化等6 个区域 中心能全部或部分j i i 视到自己所维护的筒；辖爱域内的站和发备告警信息 外，其余的区域中心均不能卣接监视到r i 已维护管理的各站运行情况。 完成后的j l ：i 控系统将区域一i 一心扩展到2 5 个，择区域中心内的被控舛1 i 数目 也有较大增加，除= 期抗大灾新增的站外，又将农活微波归i _ l 竹：理，使 每个区域中心最大可支持l2 7 个被 卒) i l i 。 2 监控功能更完备：原监控系统只能进行仃关i 殳备和环境的告警遥信和部 分设备的遥控。现监控系统可完成被控i f ，所有设备的遥信( 每站可任选 3 2 - - 5 1 2 个遥信点) 、遥控( 每站可任选：3 26 4 个遥控点) 、遥测( 每站 可任选1 6 1 2 8 个遥测点) 、遥凋汞i 图像监视( 每站可任选l 一4 路图像 信号) 。 从目前通信维护业务和管理机制1 - ，将微波通信监控系统分为三个层次， 即省监控中心、区域监控r | 1 ，心和微波被控站数据采集系统。三者按树形拓扑结 构进行级联。连接信道分别为： 1 d d n 专线：连接省舱控巾一心和区域，f ，dn 0 信息通道，通信最大速率 6 4 k b i t s 。 2 微波服务信道：区域小心矛f i 被控站之川的连接通道，通信最人速率 4 8 0 0 b i t s ，接口电气标准为v 1l 标准。 第l 页 国防科学技术人学研究生院学能论文 3 公用电话网：作为区域r | i 心和被控站之问的备川连接通道，在微波服务 信道有故障时，保证监控系统通信畅通。 l - 2 微波监控网通信网络的特点 微波监控网的通信信道为4 8 0 0 b it s 的微波服务信道从逻辑性质一i 二看，可 将微波服务信道抽象为具有下列性质地通信链路： 1 总体结构上由一条条“透明”的总线链路组成。 2 它是收发共享的串行链路。 3 最大波特率为4 8 0 0 b it s 。 4 接口电气标准为v 1 l 标准，即各网站发的信号被“或”到总线 二。 从监控网系统要担负的任务和结构t 1 一可以磊，地理位胃分布广阔的众多 区域中心、被控站的各种告警、状态、图像和拧制信息有以下特点： j 数据流量相剥敬大。按每个区域中心f 有l2 7 个被控站，每个被控站下 有遥信设备5 1 2 个、遥控点6 4 个、1 2 8 个遥测点，4 路图像信号。 2 信号具“突发性”。因为蚧控网t l l n 卅i 【；如：微波通信线路中的故障告 警、发和的遥控命令等各类信弓都是随机广+ 牛的，无法预测和估计。 3 信号之m 有优先级。为信号类型多十f ，包括遥控、遥测、遥信、遥凋 和图像监视等信号各类信号的优先级j f ：不1 致，即便是同类信号关系 也“不平等”。如遥信中的告警信号就根据告警的紧急程度不同分为四 级：严重、紧急、一般、次要。 4 数据的变化较快。 5 数据具有异步特征。 6 实时性要求较高。 7 大量占用窄带信道。 监控系统中区域中，f l , 、被控站之间的数据和信道是一列矛盾，成为本系统 设计的瓶颈，如何克服这一瓶颈，是该项目的关键，也是本课题研究的主要内 容。 1 3 本文所作的工作及其应用前景预测 当代科学技术革命的核心和主流是信息技术瞥命，这次革命有两大特征： 一是信息量以指数形式飞速递增。随着汁算机技术和汁算机网络技术的发展， 电信科学已由以电话的语音传输为核心转移到以传输数掘、图像、声音等信息 的数字化信息的网络化时代：第_ - 是信息传输和处理能力成白 倍的提高。为 了适应这一一发展要求通信网络建没方向电为两个方向：一是通信网络向更宽 更高的方向发展。铺设宽带介质如光坌干，珂f 究赢速传输的技术和仇议如干兆以 太网、a t m 等技术为代表。二是发掘现有通信体制的潜力。相对第一种方法而 第2 页 国防科学技术人学研究! f i 院学何沦文 言，成功的第二种技术托性价比一卜远远f i t 优，阿先它”i 省大笔铺i 殳新介质 的费用，而且可节约通信资源包括频率资源，为频砖爰资源也不能无限制的向 上拓展。 本文的研究主要发掘书q 形总线结构信道 l | c s i ) m c d 朗、议的潜力，提出包括 带智能丌关的总线拓扑结构和；特强制释放和漫游功能的改进的c s m a c d 协议， 并加以实现，实现了包括图像信号在内的遥倩、遥控、遥测、遥调和图像监视 信号在4 8 0 0 b i t s 微波服务信道中安全可靠传输。 完成的微波监控网的通信网络有以f 特点： 1 网络管理系统的基本结构、功能及信息模型符合i s o ( i n t e r n a t j o n a 1 s t a n d a r d iz a t i o no r g n i z a t i o n ：围际标准化组织) 网络协议的有关标 准，遵循t m n 概念和方法。 2 良好的开放性、可扩充性。 3 较高的可靠性和安全性。在网络规划、设计和软件编程时充分考虑可能 出现的各种问题，减少并防“：系统故障，i ：能存j - 一出现战障时把损失 降低到最低程度。系统应能2 4 小州连续l 。作，做到稳定性高、敞障牢 低。 4 系统具有f | 动“漫游”功能。被控站i l i 常f ：f 1 ：叫按预定力案隶属某i 毳 域l i ，心，当其与管辖它的区域一l 心通信一i t l ；| 川，i q 接入干邻的区域一i 一心 进行信息交换。 木课题的研究不仅_ j 以解决微波：i 矗控网- l ，情道带、信，g 数据肇= 大的矛盾， 而且在我国通信网络建设薄弱、经济力量不容汁建设新的通信网络，在业务上 又有大数据量要求的行业和领域有着广泛的应用i j u 景。 第3 页 国防科学技术人学研究生院学化论文 第二章成熟技术的适用性分析 从第一章中可知，我们研究的对象为以最大传输速率4 8 0 0 b jt s 的微波服 务信道为传输介质的窄带远程通信网，本章主要讨沦远程无线通信网的主要设 计技术在以最大速率为4 8 0 0 b jt s 的微波服务信道为传输介质的微波腑控网的 通信网络中的适用性。 。 2 1 拓扑结构的适用性分析 常见的网络拓扑结构主要有：星性网络、剐路肜网络、树形网络、环形网 络、共享总线形网络。每种拓扑结构都m 其优缺点，但可明显看出星形结构的 连接成本、回路形结构及环形结构可靠性的脆弱性不川+ 能适应系统要求，而且 也不符合系统总体的层次结构和微波服务信道的连接方式。树形结构或共享总 线型结构不能保证系统的可靠性，因电气标准采用v 1 1 标准，即信号被“或” 到总线上空闲时为“0 ”电平，“l ”为 j 作状态，所以一个节点的故障可能导致 整个系统的瘫痪。 2 2 通信协议适用性分析 2 2 1 o s i 协议适用性分析 从理论上讲，( ) s i ( o p e ns y s t e mi 1 e r c o m l e cl r e e r e n c em o d e l ： ”放 式系统互联参考模) ，1 ：放式结构模型是个功能确定和灵活的结构和标准，但 由于本系统的特点：“总线式”结构，完令的( ) sj 柄；玳就移得过于繁琐，如“总 线”结构不需要路径选择，网络层就显得多余，i 叮臼( ) sj 体系结构昂贵的价格 也成为选择的障碍。所以o s l 只能作为一利一思想，在设计中根据系统特点采用 简化的o s i 结构。 2 2 2ie e e 8 0 2 协议适用性分析 从链路特征讲，本系统比较符合1 e e e 8 0 2 的结构特点，以下详细分析 i e e e 8 0 2m a c 子层协议的适用性。 i e e e 8 0 2 中主要存在两种介质访问方式：一利t 是基_ r 争用的，即 ( c s m a c d ) 技术；另一种是基于定州的，即令牌传递技术。下面分别列两种技 术加以讨论。 1 c s m a c di 办议： 一般意义下的c s m a c d ( 碰撞检测) 仂、议、全称为带冲突检测的载体 监听多址访问技术( c a r r i e fs e n s em u ll n 1e a c c e s s c o l l is i o n d e t e c t i o i l ) ，是在a l o i i a 协议上发展起来的较为完善的竞争控制协议，用 于以太网，所以又称e t h e r n e t 总线冲突技术，是f f j ；f a r 0 2 3 标准的j i s f i l l l ， 其含义为：一个站在传输前监听信道状态，根据信道状态( 信道n ：或 第4 页 国防科学技术人学埘究，l l 跪。学他沦文 闲) 决定传输或等待。即若信道一i - 4 s 数捌l i i ，l - 传输，! ! i j 不得发送数捌而破 坏以有数据；若监听到信道空闲，无信息1 输，欲发送数据的站点在延时 一个短时间段后再去抢f 5 信道发送数挪。为仃i j 能有两个或两个以上的 站点要发送信息并同时柃测到信道，：j 闲、儿于l 司州向信道发送报文，就会 发生冲突导致发生失败，因1 1 e 每j i - 点都设霄冲突检测器，报文发送站必须 接收自己发送的数据，跟原始数 l - ：比较，如果比较f l 二确，表明信道抢占成 功，否则表明信道l - 有冲突则停i | ：发送，再发送点后退一个随机时问 t ，然后再去抢占信道。由于随机叫州帚t 不同，符站再次抢占的h , j 问不 同，避免了冲突的再次发生。 由此可以看c s m a c d 主要是用竞争方式取得发送信息的权利，适宜于 网络通信量是“突发的”，并且- i | ! j i 到达时m j 不能做到精确的情况。 但c s m c d 方法会发生重复冲突，刚踏负担越莛，造成重复冲突的可 能性越大。这样就可能发生微波通信网小有“严艰告臀”等实时。陀要求高 的信号发送时，但i l i1 ：j 瓶挖网的信逆较一t 1 小能u j 发送。川此，c q m a c i ) 不完全适合系统要求。 2 令牌环叭议 令牌环网络利门j 权标( 令牌) 传送7 f l i ) i 力泄j 。权标m 议控制存l 跌介 质。权标是控制用的比特串。通常只允i i 具有权标的瞪备传输数拥，当没 备结束传输时将权标传递给网络卜的f 个没备，如果设备没有任何可传 送的信息，将权标继续传递到下一个设箭。1 t f n j 站点都有捕捉权标并用数 据帧代替权标的机会，权标持有的汁叫器能控制站点占据网络的最大时i 刨 量。一旦传输完成，马上将权标捅入环中。 令牌传递技术主要用于环形网络，也可九j l i 总线网络，因为这种结构 的每个节点起中继器的作用，数拥包利权标的原始信号强度能被再生，所 以这种网络和总线结构的网络不同，不受速度和距离的限制。能经受重负 担的要求，因为它可按优先级来发送数扪巾贞及川信息。但因其为定时发 送，不适合本系统“突发性”信息的要求，刚权标传送比c s m a c i ) 存取 方式复杂，硬件实现复杂，此控制m 议不适应系统需要。 3 轮询访问控制 轮询访问控制技术是一种集巾控制方式：j 存系统巾由一个系统控制 器( 或控制中心) 统一管理系统信道，它以某利t 事先约定好的顺序依次 询问其它设备是否需要发送信息来完成系统的信道分配。优点是承载能力 较强，不会出现突然的业务增加而超出网络的承受能力，而导致网络瘫 痪；此方法的缺点也是效率较低、目无法满足列“突发性”信号的处理。 第5 页 国防科学技术人学研究! l ! 院学他论文 其在满足以下条件刚是有效的：( 1 ) 轮砌报义消耗低：( 2 ) 往返延迟小； ( 3 ) 站的数量不多。总之在整个循环中的消耗与终端的数量成证比。显 然，微波监控网地域分斫jf 分广阔采用轮咖方式的消耗特别大，效率特 别低，因此，轮询访问控制方式不适廊微波嗡榨网的通信网络。 2 3 小结 从以上可知，成熟的远程通信网技术不能适应微波监控网剥通信网络的要 求，因此需在网络的拓扑结构和通信协议上提出新的解决方案。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学何论文 第三章微波监控网通信网络的设计 以上我们就成熟技术对本系统设计的适用性进行了简单的讨论。认为现有 技术在一定程度上都无法满足系统设计要求。因此，需要根据系统的信道和信 息特点对现有技术进行改进，以适应系统设计要求。这是本课题的重点，也是 本章讨论的主要内容。主要包括：改进的树形共享总线拓扑结构，即“带智能 开关的树形共享总线拓扑结构”；参考i e e e 8 0 2 标准而定义的简化的0 s i 体系 结构；以及m a c 层中的“带强制释放信号和漫游功能的c s m a c d ”协议。 3 1 微波监控网通信网络拓朴结构及传输介质 由于资源的限制，在微波监控网巾，区域小心与矗控网之i 刈的信道链路为 4 8 0 0 k b it s 的微波服务信道，从第一章介纠的微波舱挖网的分层结构和微波服 务信道的特点中可以看出，在拓朴结构上决定了只能采用树形总线型的拓朴结 构。在总线拓朴网络中，由于所有节点共享这条公用通信线路，如果一个链路 发生故障，将会破坏网络内所有节点的通信。如图3 1 为普遍的总线型拓朴结 构。当i l l 与m + l 之间总线发生故障时，糸圮会导致部分甚至整个通信网络瘫痪。 为了解决这个问题，提高通信传输的完全性、i 稚性，除在硬件上采朋“看r j 狗”等技术外，( 详见4 1 4 可靠性保汪单元) 并在拓朴结构上采用智能开 关，使被控站可以进行路由选择。克服总线拓朴结构的可靠性问题。以下将此 吁 m 1 + l 一e ：1 j k j 1 、 图3 1 共享总线型示意图 端接匹配器 、崽线 、 ：符点 方法予以解释说明。 本系统中，所采用的改进的总线拓朴结构如图3 2 ，正常工作时，被控站 c 、d 之间的智能开关断开，被控站a 、1 ：t 、c 依附区域中心l ，被控站d 、e 依附 区域中心2 。如果b 、c 之间通信链路发生故障( 如断开) ，被控站c 经过一定时 问内的尝试，发现无法与区域中心通信时，自动的使c 、d 间的智能开关接通， 将b 、c 间的智能开关断开，使被控站c 依附于区域巾心2 ，这样可保证由于通 信链路的故障而导致的通信网络的崩溃，可有效的提高信道的安全性和可靠 眭。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 被控站点a被控站点b被控站点c被控站点d被控站点e 正常： 作状态：一 b 、c 漫游后：一x 一 一 一 ， 图3 2 ：微波嗡控网通信网络拓朴结构及“漫游”示意图 3 2 微波监控网的通信协议 3 2 1 微波监控网通信网络的体系结构 毋庸质疑，为了实现网络结构的规范性，网络i 办议应选择丌放型的网络协 议，但我们注意到，若采用完全的i s o 所规定的全部功能和复杂的协议，会造 成以下问题 3 1 监控网中主要为面向控制的信息，当要求这种信息必须快速而可靠的到 达目的站时，七层模式使数据与交换远远慢 ：实时操作的要求。 2 虽然o s l 有诸多优点，提供了较大的灵活陆，但这些都是以大量的硬件 成本为代价的，系统非常昂贵，同时它划分过身i j ，十分复杂。与o s i 系 统有关的网络接口的造价对微波监控网系统来说显得过高。 以上可以看出，在微波监控网通信网络的设计中，虽然网络协议必须是开 放的，但网络体系结构并不需要保持与o s i 完个、+ 致，可采用简化的o s i 体系 结构。在监控网的操作中，究竟如何简化，需要保留那些层的协议呢? 应结合 监控网的实际情况。在o s i 环境中，监控网具有两个重要特点； 1 网络拓朴为树型总线型，正常情况下，被控站只有一条路由到达主 站，不存在中间转接。 2 数据为带地址的帧传输。 这样，第层物理连接肯定需要，第二层肯定也需要，因为在监控网中传 输的数据必须组织成帧，并实现某种控制。但第三层并不需要，这是因为：通 第8 页 国防科学技术人学 i j | = 究牛院。乎化沦文 信两方( 主站、从站) 之问有直接链路连接，升i 需婴路i l i 选择，而其他功能、习 址、流量控制、差错控制笥都i j 山第二层执行。彳j 刖足第一：层执行单个链路上 的这些功能，而第三层是在穿越网路的诳路序列i ：执行这些功能。 所以，在网络结构设计时，主要参考je f , f , r 0 2 的局域网坍议及国际电予技 术委员会( i e c ) 的现场总线体系结构，采用三层网络结j ：f j ：物理层、数据链路层 和应用层，流量控制和差错控制在数据链路层叫t 执行，报文的可靠传输在数据 链路层和应用层中执行。 3 2 。2m a c 子层协议 在l a n 网中，当局域网的传输介质和拓扑结构选定后，通信网的性能就主 要取决于m a c 。因为微波监控网的通信网络的结构模型采用与l a n 相似的体系 结构，m a c 子层的性能也决定了微波j | ；c 控网通信网络的性能，所以m a c 予层是 本课题研究的重点。 在微波监控网的通信网络设计中，根据信道树j p 总线结构，j 1 ：根捌系统信 息的突发性、不可预见性地特点，m a c 层卧议应采f 】“c s m a c d “吣议来进行介 质访问。但根据前面的介绍可知，当网络负担晕时，就会阕为信号的不断冲突 使信号不断延时而造成网络的堵塞、效率的降低i f i i 无法保i l j 系统r l 实l 性要求 较高的如“严重报警信息”的及时传输。为了解决这种问题，提出“带强制释 放信号的碰撞检测”协议和站点的“漫游”功能来加以解决。以下首先提出 “带强制释放信号的碰撞检测”协议和“漫游”功能的概念， 1 带强制释放信号的碰撞检测协议： “强制释放”是为信道上传输实时性高( 优先级高) 的信息而设定 的，当信道上某站需要发送实时性高的信息时，如果信道忙，发出“强制 释放”信号，迫使其它站释放信道强行t b 有信道。此时其它任何站都必 须在此时间内释放信道，等候发出“强制释放”信号的站传输实时信息。 利用微波服务信道的“或”的特点，我们定义“定时k ”的高电平为强制 释放信号。时长定义为l o m s ，当信号的传送速率为4 8 0 0 b t s 时，l o m s 发 送六个字节的时长。即在某站要发送实时要求高的信号时，先向信道上连 续发送1 0 r e s ( 微波可传输3 0 0 0 公驰) 的湖【i j n 总线被阻塞为“1 ”，其 它站点发现有连续l o m s 的“1 ”，释放信道，等待发f l ：；强制释放信号的站点 发送信息。发出“强制释放信号”的站点发送完数据后释放信道，其他站 点再去抢占信道。 2 “漫游”功能： 为了进一步提高信号的传输效率和提箭系统的n j 靠性，根据改进的 “总线树形”拓扑结构，提出“漫游”的概念。 第9 页 国防科学技术人学研究! e 院学位论文 “漫游”是指从属于两区域r i j 心之i h j 的被控站，根拥信道情况，适刚 决定的从属区域中心。在i f 常情况下被控站隶属1 ：j u p 的一个区域中心， 当此网络过于繁忙或网络低端出现故障时，可“漫游”至另一区域中心。 下面描述被控站的“漫游”过程。然后阐述其：j ：作过榭。 图3 2 说明了被控站正常工作和“漫游”时被控站站点的状态。图中 分别用“”和“”表示该被控站对左右信道的断路和短路状态，用 “一”和“一”表示该被控站逻辑上有效信息的通信方向，即：依附的区 域中心。我们假设正常工作时被控站点a 、b 、c 依附区域中心1 ，被控站点 d 、e 依附区域中心2 ，两个区域中心的分界线在被控站点c 和被控站点d 之间。我们假设区域中心a 、b 问的通信链路中断，此时被控站漫游的过程 是： 当低端站c 经过一定时问内的尝试发现无法与区域中心络1 通信时， 自动改变接入微波服务信通的力式为“一”，然历m 站t ij j 睛求肌入，i j i 于站点d 的监听是双向的，它可以听到站，_ c 的消求，如果站点d 允诈：其 加入，便将自己的状态变为“一”，同时阳站点cj 啦答允v i ：j i i 入信息，这 时便完成了站点c 向区域中心2 的“漫游”过程。 由于站点b 也无法与区域中心1 通信，使得础! 站点c 限在进彳j ：“漫 游”请求期间站点b 也会向站点c 重复上述的请求过程，但是我们为了避 免逻辑上的复杂性，规定点站c 程序在自己未“漫游”成功前，不接受站 点b 的“漫游”请求。点站c 成功“漫游”后，站点b 重复上述过程实现 其“漫游”。 “漫游”的点站必须时时记住自己的“家”，即：定时询问“回家”的 通道是否畅通，例如上例中的点站b 每隔一定时删( 具体时间根据实际情 况决定) 询问一次，如果站点 收到询问信号，在一定冗余条件下认为通 道已经恢复，立即向点站b 发出“回家”信号，然后重复“漫游”的逆过 程，相关站点变换其状态，逐一u ：它们“旧家”。 在介绍了两个主要概念后，以f 介绍在加入“强制释放信号”和“漫 游”功能后站点的m a c 层工作过程 3 信息发送工作过程： ( 1 ) 一般性数据的发送：信道中每个站点( 包括被控站和区域中心) 在 不发送信息的时间内时刻监听信道情况。并转发所接收的信息。当木站点 有一般性信息需要发送时在保证征发送i m 有。一个字1 ，长度时间内，信道 上无信息发送( 因设计为面向字节协议。一字节含8 位数据，起始、结 束、和奇偶校验各一位，共i l b i t 。信道容g l ：f i f j 最高速率为4 8 0 0 b i t s ，所 第1 0 页 国防科学技术大学硐究生院学1 节沦文 以一字节所用时问为2 2 9 m s ) 寸，e 去l 圳i j 信道发送数据：在发送数据的 同时通过冲突检测器检测信道，将冲突检测器接收的信号与自己发送的信 号比较，如相同，则认为无冲突，若不同，则认为有冲突发生，发送站退 出信道再去检测信道。若在发送完l i i ! j i 头、| _ _ i 标及起始地址后( 共7 个字 节、用时约 6 m s ：微波传输4 8 0 0 公罩) 若没有检测到冲突，则认为信道 抢占信道成功，一直发送数据直到数据发送完毕或检测到强制释放信号。 ( 2 ) 实时性要求高的信号的发送：当信道中无同样要求实日寸产生的信号 时，发送“强制释放”信号，迫使其他站点让出信道，并在其发送时段其 他站点不发送数据。 ( 3 ) 数据的接收和信道的检测：站点时刻检测信道情况，并将数据实h _ j 转发。当信道中有强制释放信号出现时，告诉木站信道终止现f 在进行的 发送，并在强制申请信道的数据发送d u 不再提出信道申请。直至强制申 请数据的信道发送完数据后5 m s 后再次i i i 请信道。站点在检测信道情况的 同时，查看信道的数据的目的地址，目的地址若为自己或广播信号，则按 数据长度接收数据接收结束后，根据纠错码利何宁节的奇偶校聆似来确 定数据是否出错和错误位胃，耍有错，请求发送错误的数掘。 ( 4 ) 发送数拼：包格式： 发送的帧格式定义如表3 1 所示： 表3 1 ：数据帧格式 数据帧格式中需要特殊说明的是： 开始标志、目的地址、源地址、数据类型、数据长度统称为帧头，其 中开始标志为3 字节“c o m ”字符串，目的地址为两个字节前字节为区域中 心组号、后一字节为被控站站号0 0 1 l f e l l ，而f f t l 表示广播地址；源地址 定义同目的地址。 数据类型占一个字节，主要表示现发的信息是转发上层数据还是对物 理层的命令，若为数据帧则此位为“d ”，若为命令帧，则此位为“c ”。 纠错帧采用“c r c ”方式形成。 结束标志为个字节的“f f ”。 3 3 小结 本章主要介绍了在微波监控网通信网络没计巾应用的关键技术，主要包括： 带智能开关的共享总线形拓扑结构和带强制释放信号和漫游功能的m a c 层协 议，并简要介绍了改进的m a c 层协议的工作过程。 这些技术是根据微波监控网通信网络的信道和数据特点以及所担负的任务 第1 1 页 国防科学技术人学州究啦院学位论文 列+ 现有远程通信网络设计技术的改进，这些改进提高了通信网络的可靠性和传 输效率( 在第五章将进行洋细分析) 。是在重负担刚络中传输适时性要求高的信 号成为可能。 第1 2 页 国防科学技术人学l i j f 究1 1 j 院学f t 论文 第四章微波监控网通信网络的实现 微波监控网的通信网络的实现是指其馁什设计平软件编程。在硬件世汁上 采用模块化结构，可分为控制处理单元、译 i 5 及存储译元、通信及信道检测单 元、可靠性保证单元以及电气标准转换等血个单元。基本构成如图4 1 所示。 可根据任务的需要设计为i s a 卡( 内嚣式) 或外胃式。一般的有监控计算机的 站点可采用内置式，其他更小的无监控计算机的被控站采用外置式。内置式和 外罨式除控制处理单元：内置式利刖 l i 控计翁：机的c 1 ) u 作控制、外胃式采用 8 9 c 5 1 作为控制单元：内置式另外有与计算机的接乜l 路不同有区别外，其他 单元都相同，因此以下以外胃式通信网络e 为例进行讨论。 图4 1 硬件基本结构图 4 1 微波监控网通信网络卡的硬件设计 因为单片机8 9 c 5 l 的技术比较成熟，在以一f v j 网络卡的设计中不再多作介绍 以下主要以介绍译码及存储单元、通信及信道检测单元、可靠性保证单元、与 计算机的接口电路以及电气标准转换单元的硬件设计。 4 ，1 1 译码及存储单元 译码及存储单元主要完成发送和接收数掘的缓存、产生通信及信道检测单 元的片选信号和地址信号、以及控制单元的外部i 断信号的产生。 这些功能由p s d 3 1 1 芯片完成( 如图4 2 ) 。p s i ) 3 1 l 为w s i 公司生产的商性 能的现场可编程的微控制器外围集成电路，在设计小使用可使设计简单、体积 小和低功耗。这是因为p s d 3 11 具有： 1 1 9 根灵活可重建、可单独配置的i 0 端川、可以分别用作：微处理机的 i 0 断口扩展、可编程地址译码器和锁存地址输出。 2 两个可编程阵列，可提供4 0 个乘积项和1 6 个输入和2 4 个输出，可直接 地址译码大l m 地址空间，也可进行逻辑替换。 3 2 5 6 k 位的e p r o m 。 第1 3 页 国防科学技术人学究，l 院学仲论文 4 1 6 k 位的静态r a m 。 图4 2 译码及存储单元j 聂理图 在应用中通过w s i 的m a p i ，f 软件的列p s i ) 3 l1 的i ：作状态进行配置。在本设汁 中，根据微处理器和任务需要，剥p s i ) 3 l i 进行如f 配置。 地址数据总线设为多路复用，8 位数捌总线读写信号为低电s f 有效， a l e 、r e s e i 商电平有效，口 为a ( i 7 ) ：l 】c ( i ，c 0 p c 2 ) 及a 1 9 配置为地址 输入( i n t a n t d 、t l l 6 c 5 5 4 的u q 路r 1 1 断信号) ：iib 为译码输出，其中c s a c s d 分别为t l l 6 c 5 5 4 的四路片选信号；将a 1 5 、a l 、a 1 3 作为译码输入。 在本瞪汁叫1 利用p s d 3 l l 作为程序存f i f i 器、数扒仃储器的扩充、提供i 选、 控制及地址锁存。即利用其内部的1 6 k 他的r a m 作数据存储器、2 5 6 k 位的 e p r o m 作程序存储器，p a d 使得i 殳计简哪、l ：降低了系统的总芯片数量，降低系 统成本。 4 1 2 通信及信道检测单元 通信及信道检测单元j j 要将接收到的信道- 0 f 1 1 行数据转换成并行数据交 控制处理单元处理、将本站要发送的数圳i l i 并 r 数据转换成串行数据送电气标 准转换单元发送出去，并时刻检测信道的“一 r ：闲”情况和“碰撞”情况。此单 元由r l l 6 c 5 5 4 及1 6 v 8 两块芯h 完成。如图4 3 所示 首先介绍，i 、l 1 6 c 5 5 4 芯”及在本i 殳汁f | _ in 0j 越川 1 t l l 6 c 5 5 4 简介 t l l 6 c 5 5 4 是美国德州公司新生产的种四路异步通信：苍片。其有以下 第1 4 页 【i 1 1 7 i t ；t 导：技术人。，。州j 乍院 1 谊论文 特点 u ) 1 6 v 8 图4 3 逦唐及信道检测单元原理图 ( 1 ) 每个异步通信单元( a c e ) 川i 独曲：。h i j 心路独立可控的接收、发送 和线路状态及中断。 可工作于f i f 0 s 方式。当。r 作 ir lf o s 力式叫，每个a c e 都有1 6 宁节的接 收和发送缓存以减少中断次数。 ( 2 ) 当工作于t l l 6 c 4 5 0 方式时，通过保持和移位寄存器来保证与c p u 的 精确同步。 ( 3 ) f i r 编程的波特率产生器可：留输入川钟进行l 至( 2 1 6 1 ) 的分频， 波特率产生器的输出频率为1 6 数捌速! 缸。外部口、j 钟最大可为1 6 m i i z ，即 波特率最大可为l m i i z 。 ( 4 ) 内部错误诊断能力。i ! | j f 有暂停、奇偶、过载、及帧错误的诊断能 力。 ( 5 ) 对双向数掂总线和拧：扎总线提供- i 态的t t l 驱动。 通信及信道榆测r 社元利川胁路异步ii 作允彳“言道的通信，两路异步14 作 信道检测。对各l _ ：1 的：i j 作状态通过设胃1 【：1 6 c 5 5 4 的内部寄存器完成。原理 图5 3 中c s a 、c s b 、c s c 、c s d 分别为四路异步通信单元的选通端，a 0 、 a l 、a 2 为内部寄存器的选通值。其内部寄存器及其选择见表4 1 第1 5 页 眄i 防利学技术人学4 i ) _ e 牛院。；似论史 表4 1 寄存器j l d i _ 钧肢i0 选抒 写状态 发送保持寄存器( 1 l i r ) r r 断使能寄存器( i e r ) i ? if o 控制寄存器( f c r ) 线路控制寄存器( l c r ) 酬制斛州控制寄存器( m c i ) 分频器控制m s b 高字节( i ) i 。m ) 分 蛳； 控：i j lm s b 低j i 节仆i m ) = 任意，0 = = 低电、l ，i = ：1 i f i _ ! l 、i 。c 该串口导通即c s a 至c s d 仟为低时 # i ) l a b 是l c r 中的第7 位( 分频器控制导通f 妒) $ 2a 1a 0 的值 通过c p u 对相应寄存器的操作( 读或写) 实现需要的功能。以下介绍 主要寄存器的定义、功能以及在本i 殳计r | ；i 的他。寄存器内的某个位用该寄 存器的助记符加该位序号表示，如i c r 7 代表线路控制寄存器的第7 位。 2 t l l 6 c 5 5 4 内部寄存器的控制 ( 1 ) l7 i i o 控制寄存器( f c r ) f c r 是一个只写寄存器，其地址。j j 州。j 功能为使能f m ) s 、设 置接收器i ? i f 0 的触发程度、选择i ) m a 的类，( g 。 b i t 0 ：f c r o 使能发送和接收：lf o s 。通过消f c r o 可清所有f i f o s 位。当 _ _ if i f o s 方式变为t l l 6 c 4 5 0 式或反过来i i ；j l i l f o s 内的数振自动 清除。f c r o 置l 刁能列f c i 的其它似编私! 。 b i t 1 ：当置l 时，f c r l 清除接收f i i ? o 内f l ；l f i ) ? 有位并重新设置计数 器。其不能清除移位寄存器。 第1 6 页 国防利学技术人学研究尘院学f _ _ ：j ：沦立： l ；i t2 ：当舀：l 寸，i ：c r 2 器。j 不能消除移化寄r f 器。 i j i t3 ：当f c r o 为l 叫， 式0 到方式1 。 消除发送f i i ；0i j , j 的j 行有位，i ：最新l 殳胃讣数 ( ：帅砹w 【殳变i x r i ) y 和t x r i ) y 的方式i ij 方 b i t4 昂lb i t5 ： 受冒f 为将来j b i t6 和b i t7 ：设胃接收f 1 3 0 一舢0 触发烈度( 见表4 2 ) 表4 2 接收i ? lf o sr i t i 目阳0 触发长度 b i t 接收i ：j f 0 触发程度 76( 位数) o00 l 0l0 4 l00 8 ll1 6 本设计用于通信的两串门接收采f l jf m ) s 小断方式，蒯! 发长度为1 6 位：发送采用f j f o s 查询方式。所以f i f o s 奇存器设为c 1 a 用于查湖的两串采用，【l 1 6 c 4 5 0 力，所以它们f 的f 【f o s 设为0 0 1 1 。 ( 2 ) 中断使能寄存器( ) l e r 独立使能叫路串行通道叫1 断源分j | i 1 、b 、c 、i ) 输。所有 r l ，断都刚由清除 m 0j e r o l l 沁 来禁l i ：。通过发置 中的相应位使 中断使能。禁止中断- j 禁i ：l l | 有效( 商f 【l 、f i ) 和一f 断输。 b i t0 ：当j e r o 置l 州，1 e r o 使能l ? j r 0 方式i ，的可接收数 ；i ! ：1 1 1 断和 超时中断。 b i tl ：当1 e r l 设置时，发送保持寄存器小断使能。 b jt2 ：二ji e r 2 设霄时，接收器线路：状态r 断使能。 b it 3 ：当l e r 3 设霄时，凋制解调状态小断使能。 b it4 、7 ：i e r 4 、ie r 7 。1 叭l i 的这v u 能为0 。 用于通信的两串口发送采用奄咖力式，接收采用r | j 断方式。所以其 l e r 设为0 2 1 1 。 用于检测的两串lf j i 接收不发送，接i 傲采川查咖力式所以它们的 设为0 0 1 i 。 ( 3 ) 中断检测寄存器( l i t ) 为只读寄存器，j g t l l ：o jf c r 干同。符地_ 【| = 禽义f 扛。 b it 0 ：接收器线路状态，优先级i ( 最高优先级) 。 b i t l ：接收数据准备好或接收字节超州优先缎2 。 b it 2 ：发送保持寄存器空，优先绒3 。 叭t 3 ：调制解调状态，优先级4 ( 最低优先级) 。 第1 7 页 嘣防科学技术人学州究乍院j 似沦文 ( 4 ) 线路控制寄存器( l c r ) 数据字格式由l c r 控制。 b i t0 和b i t1 ：l c r o 和l c r l 是宁长选择位，通过剥这些位的编程决 定侮个串行字节中的比特数，见表5 ： b il2 ：l c r 2 是停止位数选择位这化j l 刿了何个传输字节t l ，的停止 位数。 b i t3 ：l c r 3 是校验使能位。当l 。c r 3 设胃时，在最后数据字位和停止 位问产生一个奇偶校验位。 b i t4 ：l c r 4 是奇偶校验选择位。当此位设置并校验使能( l c r 3 设 置) ，为偶校验。当此位为0 而校验使能叫为奇校验 b i t5 ：l c r 5 为s t i c k 校验位。当校验使能( l c r 3 设置) 且此位设置 校验位的发送和接收放置在与l c r 4 值相剥的俯胃。它迫使校验位置1 。 b i t6 ：l c r 6 是终止控制位。当此位发胃，串行输出t x x 强制为空 ( 低) 。终止控制位仅作用串行