双向卫星通信（精选九篇）
双向卫星通信 篇1
当前,越来越多的大型分布式无线电系统,如各种雷达系统、测控系统和卫星导航地面站等,由多个分布在不同位置的站(设备)组成。各站为了确保测量数据的时间一致,要求各个站(设备)之间有一个统一的时间标准[1,2]。
卫星双向时间频率传递(TWSTFT)是目前应用最为广泛的远距离高精度时间传递方法之一,通过TWSTFT实现站间时间同步,具有方便、实用和高精度的特点[3]。在双向时间传递过程中,由于链路的近似对称性,地球站之间的传输延迟绝大部分被抵消了,剩余的误差中,地球站信号传输延迟及其温度变化影响是目前TWSTFT链路的最主要误差源[4]。卫星双向系统的校准是具体的工程问题,主要方案有2种:(1)基于卫星模拟器的地球站实时收发延迟测量方案;(2)基于移动参考站的站间相对延迟测量方案。卫星模拟器延迟测量设备可以安装在卫星双向地球站,对地球站收发相对时延进行近实时监测,但对TWSTFT系统的校准或验证不够直接。移动参考站法较直接,是国际卫星双向链路校准的基本方案[5,6],可以采用车载卫星双向时间同步系统对卫星双向的发射接收设备进行标校。
1 总体设计
车载卫星双向时间同步系统集成在一台依维柯车中,如图1所示,车内包含时间同步发射单元、上变频器、下变频器、时间同步接收单元、时频设备和监控与数据处理设备等设备,车辆顶部安装1.8 m天线,车内还包含温控设备、调平设备和标校设备等辅助设备,功放和场放等设备放置在车载平台方舱顶部。
时间同步发射单元产生时间同步信号,经过发射信道设备的处理,再通过天线发射给GEO卫星。通过天线接收时间同步信号,经过接收信道设备,变频到中频提供给时间同步接收单元设备进行解调处理以及伪距测量。
1.1 发射单元设计
发射单元是车载卫星双向时间同步系统的主要部分之一,完成时间同步信号的产生。
发射单元基于PXI总线和FPGA+DSP构架,主要由DSP模块、FPGA模块、高速D/A、时钟管理模块、电源模块和串行通信接口模块等组成[7]。DSP模块对监控发来的控制命令和参数进行解析,产生信号生成的控制参数提供给FPGA,并对D/A模块进行控制,协调整个单元的信号处理流程。FPGA模块在DSP解析的信号参数控制下实现伪随机码生成、扩频调制、信息组帧、信道编码、动态调整和正交调制等功能。数字化的调制数据通过高速D/A进行数模转换,输出中频信号。
1.2 接收单元设计
接收单元是车载卫星双向时间同步系统的主要部分之一,完成时间同步信号的接收。
接收单元基于PXI总线和FPGA+双DSP构架,同步接收处理单元由高速A/D模块、FPGA模块、主从DSP模块、时钟管理模块、电源模块和串行通信接口模块等组成。其中,FPGA处理模块包括正交下变频、载波NCO、伪码NCO、可配置伪码发生器、相关累积器和精密伪距测量等处理等部分,所有信号的跟踪控制采用数字化处理,具有较高的灵活性和可配置性;DSP处理模块主要完成对FPGA信号的数据处理工作,主要包括伪码的解扩、伪码环路和载波环路的跟踪、数据解调以及译码和电文组帧等。可配置伪码发生器可以实现不同伪码的生成,以适应输入信号要求。为实现良好的跟踪及观测精度,相关处理可根据要求采取不同的相关间隔,以满足不同跟踪精度的要求。
1.3 发射信道设计
发射信道设备主要由上变频器和功放等设备组成。上变频器将发射单元设备发出的中频信号上变频到射频信号,同时具备设备监控功能。功放主要是将射频信号放大到指定的功率电平。
1.4 接收信道设计
接收信道设备主要由下变频器和场放等设备组成。场放接收抛物面天线馈源送来的接收信号,进行低噪声放大送至下变频器进行处理。下变频器将射频信号下变频至中频信号。
1.5 天线设计
1.8 m车载天线设备由馈源网络、天线反射器、天线座架和伺服控制跟踪等组成。
馈源网络包括波纹喇叭、网络和馈线等部分;天线反射器包括主反射器、副反射器、馈源及副面支架等;天线座架包括方位机构、俯仰机构、驱动装置、限位装置和测角装置等部分;伺服控制跟踪包括天线控制单元、驱动控制组合和安全保护装置等部分。
1.6 时频设备设计
时频设备由高精度原子钟、信号分配和保持设备组成,可以为车载卫星双向时间同步系统其他设备提供精确、稳定和统一的时频基准信号。
1.7 监控与业务处理软件设计
监控与业务处理软件是整个车载卫星双向时间同步系统的指挥调度、监控和数据处理中心。主要包括信息接收与解析、数据处理、数据存储与管理、数据通信和设备与系统状态监控等功能。
根据软件功能,监控与处理软件分为显示与控制模块、信息接收与解析模块、数据库管理模块、数据通信模块和数据处理模块,软件模块划分如图2所示。
2 关键技术
车载卫星双向时间同步系统的主要作用是精确地测量和校准地面站的设备延迟,进一步挖掘TWSTFT技术潜力,实现亚纳秒甚至更高精度时间同步。车载卫星双向时间同步系统本身的时延稳定是至关重要的。理想状态是车载卫星双向时间同步系统的本身时延不论其位置在哪里都是不变的。
2.1 设备时延稳定技术
采用了多种设计技术和测量手段来降低设备时延误差,提高设备的时延稳定性。
温度、湿度等环境因素是卫星导航设备时延的主要因素[8],准确的检测和采用合理的温度控制方式是实现高精度温度湿度控制的有效途径[9]。从设计角度对车内设备进行环境参数的精密控制,对车内的温度、湿度进行精密控制;对于室内和室外设备的连接,使用温度系数较低的稳相电缆;同时对室外环境参数进行监控,对室外设备的时延变化进行补偿。
设备老化是长期内卫星导航设备时延不稳定的主要因素。在卫星导航产品生产前对器件进行老化筛选及老化试验,选取抗老化性能好的器件。
从测量角度,为确保使用精度,在车载站设备集成完毕后进行设备时延的零值标定;在车载站设备运行间隙使用在线标校手段对设备时延进行测量。
2.2基于高速示波器的高精度设备时延标定技术
高精度设备时延标定技术的应用主要是为了提高车载卫星双向时间同步系统的时延校准能力和精度。
文献[10,11,12]论述了基于高速示波器的高精度设备时延标定技术以及该技术的使用。该技术在本系统中主要用于对车载卫星双向时间同步设备的发射、接收设备时延的初值装订、稳定性测试和调整性能等进行测试,该技术成果是车载卫星双向时间同步时延校准精度的重要保障。
2.3 车载站时频技术
如果没有高精度的时频,车载卫星双向时间同步系统就不可能有好的性能,而高精度的时频由高精度的原子钟来建立和维持[13]。原子钟的选择主要由车载原子钟的自身性能指标及其工作环境决定。在固定站可以选用体积较大、供电稍多的大型原子钟,为系统提供较高的守时精度。而在移动车载平台的原子钟设备需要考虑小体积、低功耗和抗震性能好的产品,因此只能选择铷钟。为了防止铷钟守时过程中的调整对系统设备零值的影响,采用了测试期间不进行同步调整,只对两地时间差进行实时监测的技术。
3 同源零基线验证实验
为了更加准确、真实地反映车载卫星双向时间同步系统的性能,进行了同源零基线验证实验。零基线测试示意图如图3所示,实验是在时间同步A站内进行,将标准的时频基准送入车载卫星双向时间同步系统和时间同步A站,利用SR620计数器测得车载卫星双向时间同步系统和时间同步A站的钟差。车载卫星双向时间同步系统通过GEO卫星和时间同步A站进行卫星双向时间传递获得伪距值,扣除线缆、分路器时延以及钟差后,就可以解算出系统组合时延值。
保持时间同步A站状态不变,对车载卫星双向时间同步系统进行了3次开关机实验和1次跑车实验。开关机实验中,每次将车载卫星双向时间同步系统关机1 h,开机恢复1 h,然后记录2 h。跑车恢复实验中,将车载卫星双向时间同步系统开出20 km,然后再开回来,设备恢复2 h,再记录2 h。
4 实验结果分析
同源零基线实验中,系统组合时延值初值为:231.52 ns。实验结果如表1所示,3次开关机、跑车恢复实验测得系统组合时延与初值的差值分别为:-0.18 ns、0.11 ns、0.06 ns和0.16 ns。最大差值与最小差值之间相差0.34 ns。系统组合时延差值还包含着时间同步A站的时延稳定性。该实验表明,车载卫星双向时间同步系统时延稳定,其不确定度在0.4 ns之内,可以完成对卫星双向时间比对链路设备时延高精度的校准。
5 结束语
车载卫星双向时间同步系统具有灵活、方便的特点,虽然其应用条件较固定站差,但其精度也能够达到较高的水平。可广泛应用在各种需要远距离无线电时间传递的系统中,可以用于双向时间同步站之间的校准,方便于临时站点的双向时间比对。当然,需要通过继续深化误差分析,逐步优化系统设计,进一步提高其精度。
摘要：卫星双向时间频率传递技术是高精度时间频率远程比对的基本手段。对设备时延进行校准是获得高精度时间比对的关键。设计了车载卫星双向时间同步系统,描述了系统设备组成、工作原理及各设备的功能特点,并对关键技术的实现进行了分析。设计并完成了同源零基线验证实验。实验结果表明,车载卫星双向时间同步系统时延不确定度在0.4 ns之内,可以完成对卫星双向时间比对链路设备时延高精度的校准。
双向卫星解决方案 篇2
SkyBlasterTM与安装有DVB发射卡和接收卡的微机组成的远端小站共同构成了IP专用网络的完美组合，也是IP专用网络的理想选择。SkyBlasterTM的主站通常位于用户总部或者服务提供商处，提供2Mbps到40Mbps可升级的数据管道，同时卫星回传信道可提供38.4Kbps到153.6Kbps的信息速率。SkyBlasterTM代表了一个全方位的DVB解决方案，并通过强大的网络管理能力给予强有力的支持。
SkyBlasterTM的特征是一个开放的IP平台。
·公司培训
·交互式商务电视
·数据推送
·可靠的IP多点广播
·宽带Intranet/Internet接入
一、应用
·公司内部培训
在Gilat com. 推出的TrainNetTM应用基础上，SkyBlasterTM为企业内部的培训系统提供了一揽子解决方案。TrainNetTM系统配有宽带视频解码软件并具有多点广播的能力，能够同时直接在LAN和PC上对数百名员工进行在线培训,并且还为教师提供了完整的教学界面来进行实时、在线和内交互式的培训。视频、音频和其它学习材料也可以保存在企业服务器中，以便随时供需要的员工访问。
·交互式商务电视
Gilat提供了基于IP的多点广播和Intranet技术，可以提供MPEG-2解码质量的交互式商务电视。在PC或TV监视器上，视频数据流与交互数据信道集成在一起，为公司内部通信增加了新的方式，可以对各种应用进行联机响应。这种开放式Internet结构保证了无论是现在还是将来，都能支持各种实时的音频、视频和数据应用。吉来特提供了一揽子解决方案，从用户的视频信号源到视频编码服务器(包括IP多点广播数据层)，直至视频解码卡或者软件。
·数据推送
SkyBlasterTM提供了一个综合的端到端数据推送解决方案，对卫星传输和IP多点广播进行了优化，
运用带有公告技术的高端推送技术，就可以从各种信息源发布企业内部消息，并向雇员和管理人员发出通告。推送技术能够加速信息的发布和紧急决策的制定。销售工具包的及时卸载，可以为销售队伍提供紧急信息，包括竞争变化、新产品信息、价格单、演示、客户信息、销售激励和成功案例等等。利用SkyBlasterTM和推送技术在公司网络内部进行软件更新的发送和配置已经成为现实。用户接收数兆字节的软件，享受到自动安装和更新的乐趣。(☆ 编程入门网 ☆)
·可靠的IP多点广播
SkyBlasterTM为可靠的IP多点广播提供了一揽子解决方案。该方案将IP多点广播这种非确认性的协议转换成了可靠的数据多点广播。现在，从中心点向许多其它地点发送紧急商务应用，能够可靠地到达，而不会造成网络过载。例如，从服务器进行的软件更新、多媒体查询数据和视频数据更新、大型图象文件的发布和发送到销售点的价格信息。相对于其它的网络结构，卫星自身所固有的广播能力也极大地简化了IP多点广播。目前的Internet应用仍然在使用低效的点到点TCP/IP协议，即使在进行“一对多”通信时也是如此。IP多点广播通过允许单个数据的拷贝发送到所有指定的目的地解决了这个问题，有效地提高了网络的性能和效率。
·宽带Intranet/Internet接入
通过使用由吉来特IP“地址欺骗”技术改进的卫星技术，企业用户可以在访问公司Web服务器或者Internet站点时享受到大于400Kbps的数据速率。LAN用户也可以通过SkyBlasterTM的网关接入全球Internet，而不必在PC上安装SkyBlas- terTM。
主站提供2Mbps - 40Mbps的高速出境速率，主站装有各种服务器，包括服务质量监控、视频分配、海量数据下载、Internet接入并带有数据统计功能;远端小站由运行NT操作系统的微机构成，在微机上插有专用的板卡。另外，发射和接收卡可以增加视频硬解压以及条件接收部件。路由和再广播由远端VSAT的PC执行，特殊的客户应用能够被综合并特殊对待。
二、 系统描述
SkyBlasterTM系统是专为双向IP传输、视频和数据多点广播而设计的通信网络，它可用于交互式Internet/Intranet接入、海量数据下载、视频广播、交互式远程教学和许多基于PC的应用。
SkyBlasterTM的星状网络结构很适合企业总部或信息中心与成百上千个分支机构之间的通信联络。SkyBlasterTM系统结合最先进的DVB标准，确保复杂的多种网络同时受到中心网管的控制。
SkyBlasterTM系统由下述部分构成：
· 主站和控制设备
· 大量的VSAT小站
· 卫星信道(用于主站和小站之间的链接)
双向卫星通信 篇3
摘要:文章分析了兰州电网西部光纤专用通信网的现状、存在问题以及优化改造后的系统状况,充分介绍了优化改造后系统的保护方式,分析了网络在特殊情况下的最优保护路径,提出了解决方案并在实际应用中的良好应用情况。
关键词:SDH;保护;建设
中图分类号:TN929.1文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)18-0056-02
兰州市区东部、西部光纤通信传输环网工程的建设成功,不仅缓解了因微波及载波电路容量、种类有限而导致市区110kV及以上等级电网范围内变电站通信信息业务受遏制的现状,而且实现了整个市区电网“信息高速公路”,完成整个兰州市区光纤全覆盖的目的,为甘肃电网专用通信网各级信息“进市区”提供了必要的高速率、大容量、低误码的传输通道。
整个工程依托现有的本地通信线路、10kV配电线路、35kV线路以及新建的110kV线路同杆架设8芯、12芯、18芯、24芯和36芯普通无金属架空光缆GYFSTY和无金属自承式架空光缆ADSS,组成东西相切环和西部三个相交环的网络拓扑。系统共建成网元67个,敷设光缆400多公里,基本覆盖兰州市区东部、西部的110KV及以上变电站(包括永登地区及榆中地区)。
兰州市区西部光环网全部采用深圳华为通信公司的Optix 2500+和Optix 155/622H光传输设备以及HONET ONU智能交叉接入设备。其中主干光环网全部采用Optix 2500+和HONET ONU,Optix 2500+光传输设备传输等级STM-4(可在线不中断业务平滑升级至STM-16,西环网工程已将所有Optix 2500+中的数字交叉板直接配置成为STM-16等级,若需升级,只需更换相应的光接口板即可实现STM-16容量),传输速率622.080 Mbit/s(可升级至2.5 Gbit/s),传输容量252×E1(可升级至1008×E1),交叉能力高阶128×128VC-4和低阶等效1008×1008VC-12。HONET ONU智能交叉接入设备传输容量16个2M方向,单框最大提供480路时隙。主干光链路全部采用Optix 155/622H和HONET ONU,Optix 155/622H光传输设备传输等级STM-1(可在线不中断业务平滑升级至STM-4,若需升级,只需更换相应的光接口板即可实现STM-4容量),传输速率155.520 Mbit/s(可升级至622.080 Mbit/s),传输容量63×E1(可升级至252×E1),交叉能力高阶16×16VC-4。
兰州市区西环网目前全网络采用双纤双向通道保护环方式,并且不占用系统容量,。而改造后的西部光环网因系统网络拓扑发生了较大的变化,因此其保护方式也应该进行相应的改造。
为了提高网络的安全性,要求网络有较高的生存能力,从而产生了自愈网。自愈网能在网络出现意外故障时自动恢复业物。环行网保护就是实现自愈网的方法之一。
根据自愈环节构可分为通道倒换环和复用段(线路)倒换环两大类。在通道倒换环中,业务信息的保护是以每个通道为基础的,根据环内每一个别通道信号质量的优劣来确定是否倒换。而在复用段倒换环中,倒换是以每一对节点间的复用段信号质量为基础的,当复用段有故障,在故障的范围内整个线路倒换到保护回路。根据通道保护复用段保护倒换的性质及保护信息的流向可以看出,一般情况下,通道保护倒换方式常用于集中型业务处理及网络管理上,而复用段保护倒换方式则常用于分散型网络管理及业务分配的系统中。那么,针对这两种保护方式,本设计将对照即将改造后的西部光环网,来进行相应的自愈环网保护设置。
改造后的西部光环网,将形成一个STM-16等级的支撑环网与一个STM-4等级的接入环网相切的基本结构,相切点正好是地调中心站,然后分别在两个环网上添加不同传输等级的环网或链路。对于整个西部光环网来说,从其业务流向上可以看出,各站点业务信息在传输回地调的同时,也被部分传输回各分集控中心。在西环网上,有建西集控、西固集控、红古集控、建设坪集控、榆中集控、永登集控等多个集控中心,但是相对于集控中心而言,大部分、甚至绝大部分信息依然是以地调中心站作为最终的传输溯源。所以,现阶段,兰州电网专用通信网的业务信息配置及流向还是一个集中型的网络结构。
原有的西部主干光环网,即改造后的接入主干光环网在西部光环网系统工程中就已经将其配置成为了一个双纤单向通道保护环网,并在所有的链路或环网接入节点上都进行了SNCP保护设置(环带链),使得环网上任何一个方向的光缆或站点(包括光接口板)出现故障产生该方向业务流中断时,都能在最短的时间内发生保护倒换,并使得各分支所带节点业务传输不致中断。所以,在改造后的该环网,因其网络拓扑并没有发生大的变化,所以还是继续保留该网络原有的保护倒换方式。
对于新建成的STM-16支撑主干光环网,因其业务流向也大部分都是传输回中心站,故也拟将该网络设置成为双纤单向通道保护环网。只是在该环网上的每一个节点,由于都带有分支或附属环网,所以,除中心站外,每一个网元都需要进行SNCP保护设置。
另外,由西部主干光链路改造成的两个STM-1等级的小环网和永靖地区小环网也依然采用双纤单向通道保护环方式。而永登地区和榆中地区的链路则采用SNCP无保护链方式。
图1为双纤单向通道倒换保护环示意图。
在通道倒换环上信号的传输方式是单向的,从A节点向C节点发送的信号沿业务光纤S按顺时针方向传输,从C节点向A节点发送的信号继续沿光纤S绕顺时针方向传输。发送侧发送的信号同时也送给保护光纤P,因此,在P光纤有一个从A向C发送的备份信号,且沿P光纤绕反时针方向从A传到C;P光纤上从C向A发送的备份信号继续沿P光纤绕反时针方向从C传到A每个节点均从两个方向接收到相同的信号,并选择两个方向来的信号中最好的一个。
当节点B和C之间的两条光纤同时被切断时,如图2所示。
在节点C,由于从A经S光纤按顺时针方向送来的信号已丢失,故接收端的倒换开关将S光纤转向P光纤,倒换为接收从A节点经P光纤按逆时针方向送来的信号,而C发向A的信息仍经S光纤按顺时针方向传送。其它个节点仍从顺时针方向接收信号,因而,B节点与C节点之间的路段虽已失效,但信号仍然沿两个方向在A与C之间传送,信息也正常地流过其它节点,根据图3可以看出。
在本次优化改造设计中新建设的STM-16等级的支撑主干光环网中,大部分路径是与三级通信网采用共缆分纤的方式来实现的。为了最优化合理的组织该环网的网络拓扑,我们在张家台变～海石湾变段的24芯OPGW借助了6芯,分别组成了302开关站～海石湾变(其中302开关站～张家台变段光缆为新建光缆)～张家台变段以及大坪开关站～张家台变(其中大坪开关站～海石湾变为已建成光缆)段,如图3所示。尽管OPGW光缆的可靠性是目前电力系统使用光缆中可靠性最高的一种光缆,但是在进行网络保护的时候,就不能不考虑光缆在中断时业务如何迂回的方式。所以,本设计拟对在出现张家台变～海石湾变段光缆中断时,业务信息在中断面最小的情况下进行迂回的通道保护方式,现作如下要求:
除STM-16等级支撑主干环网和两个依托在其上的STM-1等级小环网本身采用的双纤单向通道保护方式以及各节点采用的SNCP保护方式外,在该网络中,还需要借助系统中16个VC-4中的一个,组成地调中心站→302开关站→达川变→张家寺变→花庄变→洞子村变→红古变→红古供电所→海石湾变→一矿变→窑街变→建设坪变→连城电厂→大坪开关站→张家台变→炳灵变→和平变→地调中心站的一个新的虚拟通道保护环网,如图3。并将该网络上所有较为重要的2Mbps业务、自动化业务、调度业务、联网业务等通道全部组织在该虚拟环网上,一旦发生光缆中断的情况,这些业务不会随着光缆的中断而无法进行正常传输。
采用这种方式的好处是当网络中302开关站～海石湾变段、海石湾变～张家台变段和大坪开关站～张家台变段的光缆在同一时间中断时,STM-16主干环网上其余节点除借助自身的保护方式发生通道倒换外,海石湾变和两个STM-1等级小环网上的较为重要的业务也会随着虚拟环网的通道倒换而不至于发生中断。
另外,该保护方式只是针对海石湾变～张家台变段光缆中断时考虑的,如果是环网上任何一个网元或网元中的光板中断,都不会引起该保护动作,网络会利用自身的通道保护环网进行倒换,使得业务不受影响。
参考文献:
[1] 国家电力调度通讯中心.电力通信技术标准[M].北京:中国
电力出版社,2003.
双向卫星通信 篇4
由于n RF905射频芯片具有收发功能,在本设计中目标是在单向通信实现的基础之上,扩展系统功能实现双向通信,这也是本设计的突破点所在,最终目标是实现双向通信。一般来说数据传输系统分为数据发送系统和数据接收系统两大部分,该系统是无线传输系统的核心。无线传输系统采用nRF905射频收发芯片,其任务是将采集进来的数据,通过单片机时序控制,写入nRF905射频模块,实现数据无线传输。
1 无线收发系统设计
本文所设计的系统主要是针对无线监测的双向通信,一般由传感器实时采集信号,通过前置处理将其送入单片机,并且从由单片机经过相应处理后将其显示出来,并读取当前时间信息,同时将这些信息通过控制射频芯片进行无线传输。其总体架构如图1所示。
2 软件设计
双向通信的主要就是通过程序来控制发射以及接受之间的时间差,因此软件设计将是本系统最为重要的部分。
2.1 发射模块软件设计
由于单片机是通过SPI口将命令字及数据写入n RF905射频收发芯片,因此SPI时序对命令字及数据写入至关重要。当进行发送和接收时,SPI时序如图2和图3所示。同时通过SPI口将配置字写入nRF905射频芯片中,使设置的参数满足通信要求。
其中C0~C7为命令字,S7~S0为状态字,O7~O0为地址字,D7~D0是数据字节。
在编写程序时,要注意其时序,其时序如图4所示
其单向发送程序流程如下:
(1)MCU将PWR_UP置高,使nRF905进入工作模式,再将TX_EN置高进入发送模式;(2)将发送地址通过SPI接口写入发送地址寄存器TX_ADDRESS,再将数据写入发送寄存器;(3)MCU置高TRX_CE,nRF905自动将数据帧格式补齐,加入包头Preamble,并根据寄存器设置计算CRC校验填入包尾,然后nRF905将整个数据以100kbps(bit per second)的速度,采用曼彻斯特编码,以GFSK(高斯频移键控)形式发送出去;(4)如果配置成自动重发模式,nRF905会自动重发,直至TRX_CE置低;(5)发送完后可以将TRX_CE置低,这样就进入等待模式。
2.2 接收模块软件设计
nRF905接收也需要进行SPI初始化,并根据时序进行编程。时序如图5所示。
其单向程序流程如下:(1)MCU将TRX_CE置高,TX_EN置低,延迟650μs后进入接收模式;(2)nRF905监控频道使用情况,如果发现频道被占用,则将CD置高,可以利用该特性采取一些冲突避免检测机制,发送数据前如果检测到CD信号,则可以随机延时一段时间再发送数据,该特性可以有效地避免数据冲突。(3)当接收到的数据发送地址和自己地址匹配时,则AM置高,通知该数据是发给自己的;(4)对数据的CRC进行检验,如果正确,则除去包头和CRC段,将数据保存在接收数据寄存器RX_PAYLOAD,同时,DR信号置高,通知MCU读取数据。MCU可采用中断或查询方式进行数据读取;(5)MCU将TRX_CE置低,进入等待模式,再通过SPI口将数据读取出来,当数据读完后nRF905将AM和DR重新置低,为下次接收数据做好准备。
2.3 双向通信软件设计
本系统为了实现双向通信,在程序设计时特别需要考虑发送与接收的时间。尤其要注意接收模块的时间管理,为了让单片机运行效率提高,可以采用RX到TX模式转换或TX到RX的模式转换,由于不需要再重新配置寄存器,且同的频道被保持,因此转换所消耗的时间最少,这个时间对于双向通信程序设计是非常重要的。因此为了发送应答信号,需要将从Shock Burst RX模式转换为Shock Burst TX,转换时间在程序设计中采用接近300μs,从而实现了双向通信。但是在程序设计由于采用了不停的发送和接收,因此很容易进入死循环,为了能够顺利进行双向通信,只采用一定时间的查询判断是否接收到了数据,如果没有则继续进行发送,与单向通信相比,时间要稍延长。
2.4 发射系统软件可靠性设计
nRF905进行发送采用了不断发送的程序设计方式,使数据可靠的进行发送。同时由于nRF905射频收发芯片具有自动添加CRC(循环冗余校验码),有利于提高数据传输的稳定性。
2.5 接收系统软件可靠性设计
接收是无线通信的一个关键,可以采用查询的方式进行接收,也可以采用中断方式进行接收,为了降低系统的复杂性,同时考虑到nRF905最多一次只那可能发送32字节,所需要的时间不是很长,但由于要进行双向通信,为了程序能够顺利运行,因此在接收时设定了一定时间,如果在这段时间内没有接收到信号,则跳出接收程序。由于nRF905典型灵敏度为-100dBm,这种高灵敏度即使在没有数据进行传输时也会有杂波输出,因此不建议采用中断进行接收,但在进行唤醒采集模块进行工作时可以采用中断进行接收,因为只有中断才能唤醒单片机正常工作。
3 双向通信实验
本实验为了方便进行观察,也是采用串口调试工具进行测试,采集的是传感器所采集的温度。在发送端发送数据后,接收端接收到数据通过串口显示,并原样发送给发送端,发送端再将数据通过串口输出。图6为发送端接收返回数据,图7为接收端接收到的数据。
从两图数据比对来看,由于发送端是一直处于工作状态,当接收端通电后,就开始进行数据传输,数据能够正确的返回,且数据接收没有误差。
4 小结
数据传输系统肩负着数据发送和数据接收两大任务,单片机是整个系统的核心,它控制数据传输,处理以及射频芯片的正常工作。单片机和nRF905射频芯片的结合,具备了无线数据传输与接收,而且,可以通过扩展使系统的功能变得更加的强大。
在进行双向通信时,软件调试成为了突破的重点,可以通过菜单按钮自动控制单片机的工作状态以及发送显示数据,这是双向通信的优点。要实现双向通信,接收模块的时间延时必须设置的很好,这可以通过不断地实验,总结出自己的程序设计方案,虽然在数据接收一次所需要的时间比单向通信有所延长。这是由于没有采用查询的方式,而查询方式容易让单片机处于等待状态,使得系统不能进行正常工作。为了能实时将采集到的数据发送,可以将数据先保存起来等待发送且采用每次发送32字节,这样就不会有数据丢失。
随着功能的增加,程序的扩展,因此需要不断调整程序运行时间,以便能够顺利进行双向通信,且要求具有实时性,这可通过合理的设定发送和接收的时间差,通信时间不会延长。
摘要：针对传统无线通信是单向传输的局限问题,设计了基于nRF905射频芯片的双向通信系统并以单片机为主控制单元。给出了射频芯片收发电路,以及收发模块的软件设计和双向通信的程序设计,实验表明本设计运行速度快,传输距离远,精度高,完全实现双向通信。双向通信将是未来无线通信发展研究的趋势。
关键词：nRF905双向通信,程序设计,数据传输
参考文献
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双向卫星通信 篇5
近几年,物理层网络编码(Physical Layer Network Coding,PNC)是无线通信领域的热点话题之一,吸引了大量的学者进行相关研究[1,2]。在有线网络中,网络编码的基本思想是中间节点转发其接收数据包的某一组合方程,而不是多个单独的数据包[3],进而可以提高网络的吞吐量。随后有3组不同研究团队几乎同时将其思想引入到了无线网络中,提出了物理层网络编码[4]、模拟网络编码[5]的概念,以及相关理论上的研究[6]。其核心都是通过电磁波天然的叠加性质实现对多个无线信号的组合,即在物理层实现网络编码运算。研究表明,在由两个源节点和一个中继节点组成的双向中继信道(Two-way Relay Channel,TWRC)模型中,可允许两个源节点同时发射信号,中继节点对两个源信号的模2和(即异或值)进行译码和转发,此方法可以大大提高该模型下的吞吐量。自此,物理层网络编码由于具有能够显著提高无线网络吞吐量的潜力,吸引了诸多学者的兴趣。研究的目标是如何利用物理层网络编码进一步提高无线中继网络的传输速率或容量。
2011年,Nazer和Gastpar为无线中继网络提出了一个新的中继策略:计算-转发策略[7]。其基本思想是通过采用格码(lattice codes),对多址干扰加以利用而不是抑制,进而可以提高网络吞吐量。在这一中继策略中,多个源节点同时发射信息,但中继节点不单独恢复出这些信息,而是希望对这些信息的某一整数线性组合(即方程)进行译码并将其传递给目的节点。目的节点从多个中继处接收到足够数量的方程后,便可以通过解这些线性方程而得到原始的多个信息。
双向中继信道模型来源于双向中继通信,即两个源节点通过一个中继节点互换信息,且二者之间没有直达链路。若采用传统存储转发方式,受半双工工作方式限制,需要4次信道占用(即时分多址接入方式中的4个时隙)完成两个数据包互换;而采用物理层网络编码只需2次信道占用即可完成。典型的物理层网络编码过程包含两个阶段:多址阶段和广播阶段[8]。在多址阶段,两个源节点同时发送信息给中继节点,中继对其某一组合形式进行译码;在广播阶段,中继节点将这一原始信息组合广播给两个源节点。
1 计算-转发中继策略
在计算-转发中继策略中,由于要求码字的整数线性组合仍然是码本中的一个码字,所以目前仍都采用线性码。格码不仅能满足上述要求,还具有诸多其他良好性质,因此在计算-转发策略中得到广泛应用。
计算-转发策略是为一般化的无线中继网络而提出的,网络模型中通常存在多个源节点和多个中继节点,如图1所示。
1.1 编码过程
在编码过程中,L个信源节点的发射消息记为w1,w2,…,wL∈Fqk,通过编码器得到L个n维的复数值码字。编码码字发送到信道中,第l个源节点到第m个中继节点之间的信道系数记为hml,取值也为复数值。每个中继节点接收到的是全部源节点发送信号的某一线性组合,同时叠加加性噪声z。则第m个中继节点的接收信号可记为:
式中,n维的码字需要满足平均功率限制,即(1/n)E‖xl‖2≤P。信道为加性高斯白噪声信道,则z为循环对称复高斯随机向量,即z~CN(0,σ2In),式中,In为n×n的单位矩阵。
1.2 译码过程
假设中继节点能够获得所有源节点到该中继节点之间的信道系数。每个中继的任务是译码恢复出所有源节点发射码字的一个整数型线性组合:
式中,是译码过程中所选取的系数,选取准则为最大化可达速率。
每个中继节点完成译码后,将得到的线性方程转发给目的节点。目的节点接收到足够数量的线性独立方程后,即可恢复出所有源节点所发射的消息。
计算-转发策略中常用的译码方法如图2所示。
译码过程主要包括两步,首先根据最优比例系数对接收信号进行缩放,其次将缩放后的信号量化到最近的格点[9]。在复数信道AWGN网络中,当信道系数向量为
能够使计算速率最大化的α取值为其MMSE系数值,即:
将上述最佳比例系数值带入式(3),即可得到计算速率的最终表达式。
2 双向中继通信在AWGN信道的可达速率
2.1 双向中继信道
首先给出如下假设:
(1)本文采用基于计算-转发策略的物理层网络编码方案,其容量主要由中继节点处的可达速率所决定,为此可只考虑中继处的可达速率;
(2)在不采用预编码时,每个用户的平均发射功率为P,同时两用户的速率为对称速率;
(3)为便于性能比较,当采用信道反转预编码时,总的平均发射功率设为2P;
(4)在衰落信道中,信道系数的取值为复数值;
(5)每个接收机处的接收信号先按MMSE比例系数进行缩放,然后再进行格译码。
2.2 AWGN信道的可达速率
在第1个时隙,即多址传输阶段,两个源节点同时发射信号,中继节点则对这两个用户发射码字的一个整数线性组合进行译码。对于AWGN信道来说,信道系数h1=h2=1均为整数,则译码时整数线性方程的最佳系数等于信道系数即可。式(4)中的MMSE比例系数为αMMSE=2P/(σ2+2P)。等效噪声为:
此时的可达速率为:
图3给出了计算-转发中继方案与传统四时隙的存储转发方案、三时隙的网络编码方案、译码-转发和放大-转发方案的可达速率对比。其中后几种传输方案参见文献[1,8],此处不再赘述。由图3可知,采用计算-转发的中继传输方案,其性能表现良好,且在高SNR区域获得的性能提升更大,更接近理论上界。
2.3 计算-转发在双向中继信道中的优势分析
对双向中继通信来说,与其他中继策略相比,基于计算-转发的物理层网络编码方案具有两个主要优势。首先,在传输过程中,由于每个目的节点只需译码单个消息(即对方消息),因此只需要一个整数线性方程,而中继节点总是能够提供这一方程。其次,在具有多个源节点和多个中继节点的一般化中继网络中,当信道为AWGN信道时,中继节点难以为一个目的节点提供足够多的、相互独立的整数线性方程。但对于双向中继信道来说,由2.2节可知AWGN信道非常适于计算-转发策略。实际上,通过下一节在衰落信道中的应用也可验证以上结论。
3 双向中继通信在衰落信道的可达速率
分别考虑没有预编码和有预编码的情况。
3.1 发射端无预编码
此时的双向中继信道模型即计算-转发策略中用户数为2的情况,可达速率直接由计算速率表达式(3)给出:
式中,aopt=[a1,a2]为最优的整数系数向量,与信道系数向量h=[h1,h2]相互独立。
3.2 发射端执行无约束的预编码
在具有多个源节点和多个中继节点的一般化无线中继网络中,由于每个源节点都具有到多个中继节点之间的多个路径,因此源节点无法进行预编码。但双向中继信道中只有一个中继节点,因此在多址阶段,两个源节点到中继节点之间的信道衰落可通过预编码来完全抵消。但需指出,广播阶段同样无法对中继节点的发射信号进行预编码。
在多址阶段,假设每个源节点的瞬时发射功率可以任意高,则可在发射端执行信道反转预编码,使得中继处的接收信号保持为y=x1+x2+z,此时与AWGN信道的情况完全相同。具体说来,两个用户发射信号时分别用1/h1和1/h2对各自信号进行预编码,此时对应的发射功率则变成P/|h1|2和P/|h2|2。
考虑到由于预编码而引起发射功率的变化,采用计算-转发策略的物理层网络编码方案的可达速率为:
其中,总的瞬时功率变化系数由下式给定:
每个用户每时隙能够获得的可达速率为式(8)中速率的一半。
3.3 发射端执行信道感知的预编码
由于实际发射机工作时的发射功率不能做到任意高,而是存在某一上限,因此前述预编码方案在实际应用中可能存在问题,即当信道增益过小时,信号发射时的预编码系数过大而使得瞬时发射功率超过实际上限。为克服此问题,在这一小节提出一种信道感知的预编码方案。
假设平均发射功率为P,瞬时发射功率的上限为PLIMIT,则信道感知的预编码过程如下:
(1)如果两个源节点到中继节点的信道状态都较好,即P/|h1|2≤PLIMIT,且P/|h2|2≤PLIMIT,则两个用户均执行预编码,且整个传输过程按照计算-转发策略进行。
(2)如果两个源节点到中继节点的信道状态都过差,即P/|h1|2>PLIMIT,且P/|h2|2>PLIMIT,则两个用户均不发射信号,此时可节省发射功率。
(3)如果有一个源节点到中继节点的信道状态较好,即P/|h1|2≤PLIMIT,或P/|h2|2≤PLIMIT,则信道状态较好的用户执行预编码并发射信号,另一个用户则不发射信号。此时发射信号的用户可获得单用户速率的上限。
根据以上预编码方案,每用户每时隙的平均可达速率可表示为:
式中,p1为h1和h2均较好,p2为只有h1较好,p3为只有h2较好的概率。
图4对比了以上3种方案中每用户每时隙的平均可达速率,其中信道增益的方差σ2h1=σ2h2=1。从图中可知,当SNR超过特定值时,有预编码的中继方案其可达速率提升明显。信道感知的预编码方案优于无约束的预编码方案。
3.4 仿真验证
此小节通过仿真验证对比以上3种中继方案的误码率性能。仿真中,两个源节点采用的格码为取自瓕2,且每一维度的点数为2,等效于4-QAM星座。在中继节点处,中继通过格译码得到源节点发射码字的整合线性组合。图5给出了不同方案下的误符号率。
从仿真结果可知,当SNR大于特定值时(以上仿真条件中约4.0 d B),执行信道感知预编码的中继方案其性能优于没有预编码的中继方案。而执行无约束预编码的中继方案只在SNR高于约16.5 d B时的性能好于无预编码的中继方案。
实际上,当信道状态过于恶劣时,能够正确译码的概率将十分小,因此当信道状态较好时再传输便会得到一定增益,信道感知预编码中继方案的性能提升即来源于此。这一思想也类似于常见的注水算法[10]。
4 结束语
对于双向中继通信来说,无论是AWGN信道还是衰落信道,计算-转发策略都是非常合适的中继策略。从可达速率的表达式可知,基于计算-转发策略的传输方案总是能够达到最大自由度,并不需要一般化多源、多中继网络中的限制条件[11]。针对衰落信道,提出了信道感知的预编码方案,能够进一步提升该信道下的可达速率,本文研究为推动物理层网络编码技术的实际应用提供了有意义的参考。
参考文献
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双向卫星通信 篇6
目前，国内汽车门禁系统大多数采用远程遥控方式进入系统(remote key entry system,RKE)，该门禁系统无论打开或关闭车门，都必须由车主主动触发，舒适性很低，并且由于单向的射频传输功能，防盗能力差。为了提高汽车门禁系统的安全性和舒适性，本文提出了一种射频双向通信的汽车门禁系统，该系统无需主动关闭或打开汽车门禁，完全自动控制，在提高了汽车使用舒适性的同时提高了安全性，并且该系统可扩展，在该系统的基础上可添加其他的应用功能，例如一键启动单元，可大大提高汽车的智能化。
1 无钥匙进入功能设计
无钥匙进入系统中分为基站和应答器两个部分，应答器由驾驶员随身携带，基站安装在车身中，无钥匙进入驾驶员走进汽车车身一定区域内，按应答器开锁按键或驾驶员按车门把手微动开关后，应答器和基站自动开始通讯并双向验证身份，验证完成并成功后车门自动解锁，完成车门开启功能，区域范围范围为半圆周内1.5米。
2 无钥匙进入系统通信链路设计
应答器和基站通信由高频和低频完成整个通信链路，应答器发送消息到基站是通过高频通信的方式，触发方式可以是按键触发或低频唤醒触发，按键触发可实现较远距离的通信;基站发送消息到应答器是通过低频方式，由门把手微动开关触发或高频信号触发，通信距离短，并需要定位应答器位置。通信链路过程设计加密和编码过程，整个通信框图如图1所示。
2.1 低频和高频信号调制
无钥匙进入系统根据应用的场合，高频信号有效传输距离为15米，低频信号有效距离为1.5米，因此高频和低频信号频段分别选择433MHz和125kHz，调制方式为二进制振幅键控调制方式(OOK),OOK调制时ASK调制的一种特殊方式，该调制方式适合距离比较近，且调制和解调简单的优点[1]。
2.2 通信编码
射频通信系统中，信号的传输可靠性尤其重要，为了将信号更好的传输和加密[2]，需要将‘0’和‘1’进行编码，在低频125kHz的信号传输速率下。在低频和高频通信链路中，需要对报文信号进行编码，高频和低频的编码方式均采用曼彻斯特编码，该编码采用不归零编码方式，速率可以达到1Mb/s，用于传输速率较高的场合，并且是一种同步时钟编码技术，曼彻斯特编码能非常有效防止时钟同步的丢失[3]。
2.3 加密算法
无钥匙进入系统的通信过程中，系统的通信标准必须有一个设计标准，设计中通信方式有以下要求:在低频和高频通信中，必须对传输信号进行加密，整个系统中，统一采用Hitag2加密算法，设计中对信号加密需要输入是明文，32bits随机数，48bits密钥;解密时需要输入密文，加密时的32bits随机数，48bits密钥。其中，32位随机数是加密时基站或应答器随机模块数单元产生，信号发送时，需将随机数发送到接收端，接收端根据随机数和密钥解密[4]。该过程保证了每次同步的加密和解密使用了不同的密钥，提高了通信的安全性。Hitag2加密和解密算法过程如图2所示。
使用Hitag2算法和随机数加密和解密后，通信安全性大大提高，但是利用穷举法，对随机数和密钥重复攻击，是可能破解密钥和随机数的。故在软件设计中，需要对验证过程设置最大错误计数，当超过最大计数时，基站或应答器会认为被攻击，禁止自身无线通信功能一段时间，防止密钥被攻破。
3 硬件设计
3.1 应答器硬件设计
应答器用作和基站通信，相对于基站，应答器硬件结构较简单，主要电路模块包括:微控制器，按键，电源电路，低频接收电路，高频发射电路。微控制器选用NXP的PCF7952，该控制器集成了LF前端接收器，高频发射器芯片采用PCF7900。应答器模块框图如图3所示。
3.1.1 高频发射器
PCF7900芯片采用ASK调制方式，发送频率为433.92MHz，芯片与微控制器通过SPI连接，微控制器通过SPI总线将报文数据发送到PCF7900中。PCF7900对报文数据进行曼彻斯特编码，并对编码后的数据进行调制。PCF7900芯片需要外接晶振后，可更快的建立发送速度，并且受温度影响较小。
设置PCF7900的相关寄存器，外部晶振和载波频率的关系由以下公式计算得出:
公式中，FXTAL为晶振参考频率，FRF为载波，FC是芯片的频率控制寄存器，FC可通过设置寄存器修改。
在ASK调制方式下，选择载波频率为433.92MHz，硬件设计如图4所示。
3.1.2 低频接收器
应答器低频接收器用来接受基站发射的低频信号，该低频信号频率为125kHz。PCF7952内部集成了3个低频模拟输入通道，每个通道需要外接LC谐振电路作为天线接收低频信号[5]。为避免由于天线的方向性而造成信号丢失的可能，外接天线为3个相互正交的天线，3个通道可以检测X,Y,Z三个方向的信号。
3.2 基站硬件设计
基站一方面和应答器通信，另外需要控制车门系统，起着承上启下的作用，最终完成无钥匙进入的过程。基站采用飞思卡尔16位单片机MC9S12XS256单片机作为控制器，该单片机具有很强的处理功能，并且安全可靠，非常适合于安全等级要求很高的汽车电子系统中。基站根据功能模块的划分，基站硬件模块分为:微控制器模块，电源管理模块，高频接收模块，低频发射模块，信号输入输出模块。基站硬件框图和基本的控制接口如图5所示。
3.2.1 低频发射模块
低频通信采用125kHz的ASK调制方式的无线传输方式，低频驱动模块需要外接低频天线，设计中采用ATMEL公司的ATA5279低频驱动芯片，该芯片最大可驱动六路低频天线。低频发射电路图如图6所示。
ATA5279驱动天线的最大电流可达1A，通过软件设置，可将电流设置为20个档位，系统中设置驱动电流为100mA，单片机通过SPI口向该芯片中写控制字来控制低频驱动模块，为了提高程序的执行速度，软件设计流程上应在发送完一个控制字后向单片机发送请求中断从而降低单片机负载率。此外ATA5279不具备曼彻斯特编码功能，单片机对数据完成曼彻斯特编码后，传送给该芯片，然后发送[6]。该芯片在不工作的时候具备低功耗模式，在出错时可进入诊断模式。
3.2.2 高频接收模块
高频接收端ATA5724射频接收芯片，该芯片使用唯一导线连接单片机的输入口，如图7所示。驱动芯片支持最大波特率10kbps，传输的数据采用曼彻斯特编码格式。应答器发送高频信号的编码为曼彻斯特编码，调制方式为ASK方式，ATA5479支持曼彻斯特解码和ASK解调，程序设计中，以DATA_CLK为时钟，从DATA接口直接读取该芯片返回的数据;芯片在接收不同频率的高频信号是根据电容C16和C17，电感L1，晶振值的改变。
3.2.3 输入信号检测模块
无钥匙进入系统中，外部开关量的信号主要有两种:车门把手触动开关信号、车门状态开关信号。由于MCU的I/O资源充足，所以就不需要采用其他译码器来实现少数I/O口实现多输入检测的目的，只需要用基本的电路实现每个I/O口采集一个输入信号即可。根据各信号形式的不同，即高有效还是低有效的不同。
4 软件设计
4.1 通信协议设计
低频信号采用OOK调制，信号采用曼彻斯特编码方式，通信速率为4kbps。微控制器PCF7952低频模拟前端定义了信号报文的帧格式，只有满足其要求的帧格式信号才会被模拟前端识别，否则被丢弃。在正常通信模式下，低频信号分为两种模式:低频唤醒帧，正常通信帧，分别如表1-2所示。基站在高频信号接收时需要通过固定的字节判断帧数据大小，故高频报文加入帧长信息，帧格式如表3所示。
4.2 通信系统软件设计
在无钥匙进入系统状态机基础上，应分块设计各功能模块的子系统，应答器和基站通信过程中的系统可分为:密钥生成子系统，加密和解密子系统，通信子系统。各模块内容分开，通过特定的参数接口，完成调用关系。
4.2.1 密钥生成子系统
在基站和应答器学习完成后，应答器和基站EEPROM中分别存储了共有的密钥，应答器ID和密钥成对存储，由于系统安全等级要求较高，设计中每次加密的使用随机数和密钥共同加密。故密钥子系统需要读EEPROM中密钥，和32bit随机数生成模块做成接口，供其他模块调用。应答器和基站的密钥生成子系统完全一致。
4.2.2 加密和解密子系统
应答器和基站的采用的加密算法一致，由于应答器采用硬件加密和解密，基站采用软件加密和解密，需要将加密和解密做成软件接口模块，供应用程序调用。
4.2.3 通信子系统
根据不同状态，通信系统负责控制硬件的接收和发送，并封装成中间层接口，供应用程序进入不同状态机调用。
4.3 基站软件设计
在实际应用中，基站并不是一直处于工作状态的，驾驶汽车的人不会一直处于车中，也不会频繁的操作门把手，应答器。因此，基站的大部分时间处于休眠。所以在基站的软件设计是将其设定在两种工作模式下:正常模式和休眠模式。在正常模式下，系统各部分全部工作;休眠状态下，系统绝大部分电路处于休眠态，休眠的电路消耗很低的电流，当某信号唤醒系统或系统复位，则重新进入工作模式。基站进入工作在睡眠模式时，需要门把手触动开关信号或高频天线接收的信号才能出发基站进入工作模式。
应答器系统在无通信状态下处于侦听模式，当有按键触发或低频信号触发时，系统状态机进入应答模式，在应答器模式下与基站通信，进入应答模式前要先读取已定义好的相关配置，根据配置内容，完成报文组织和相应的调制方式，由基站回复不同的通信内容，应答器完成相应的工作。考虑到用户可能的粘滞按键状态的发生而耗尽应答器电源的能量，当发送超时时，系统自动进入侦听模式。在判断逻辑上，如果有新的按键被检测到，则停止发送未完成的报文并丢弃，改为发送新的报文。
5 测试结果
通过频谱分析仪测试，应答器实际发射的UHF信号频率为434MHz，如图8所示;基站实际发射的LF信号频率为125kHz，如图9所示。在实验场地中，低频数据通信有效距离约为1.5米，高频数据通信有效距离约12米。以上参数可以满足无钥匙进入系统中的各项性能指标。
6 结束语
本文完成了汽车无钥匙进入系统的设计，增加汽车的安全性和舒适性的同时在一定程度上提高了汽车电子的智能化。但是设计也存在一定的缺陷，例如强行进入车门后，汽车的安全性问题。所以无钥匙进入系统还需要继续改进，可增加一键启动单元，根据空间中变化的磁场和电场是可以相互转换的，则可以通过一个电路向另一个电路传输数据和能量，应答器和基站在可以传输数据的同时也可以传输能量，应答器可将自身所处位置的场强转化为能量，基站根据应答器所处位置能量的大小，可判断应答器位置，只有当应答器在车身内部时，才可发动。具有无钥匙进入和一件启动系统的汽车门禁系统在未来将会有很大的应用价值。
摘要：将射频技术与汽车电子技术结合,提出一种安全度和舒适性很高的汽车无钥匙进入门禁系统,该系统在无需人为干预的情况下,可对车门进行自动控制。系统分为两个部分:应答器和基站。现详细论述了应答器和基站之间的通信链路,并设计出能实现该链路的硬件和软件,在低功耗的前提下,实现了无钥匙进入系统的功能并给出了该系统相关的实验测试数据。本设计让汽车门禁系统变得更加智能,可作为汽车门禁一个良好的解决方案。
关键词：无钥匙进入,应答器,基站
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双向卫星通信 篇7
近几年,随着智能电网的发展,电力用户从原有的被动用电模式逐步向智能用电、经济用电方向发展,电力用户与智能电网间的双向互动需求也变得日益迫切[1,2,3,4]。为了进一步提升智能电网的互动化水平,增强电力用户的感知度和参与度,国家电网公司研发了直接双向交互智能电表,设计了智能电表双向互动系统,实现了智能电网与电力用户之间的用电信息直接双向互动。然而,智能电网的开放性和互动性也给其自身带来了关键业务信息被非法窃取、破坏,设备被冒用、非法控制等安全隐患[5,6,7]。此外,针对智能电网的攻击也层出不穷。2003年,美国俄亥俄州Davis-Besse核电站遭受SQL Slammer蠕虫病毒攻击导致重要设备及系统不能正常运行[8];2014年10月,研究人员发现西班牙电表存在安全漏洞,该漏洞允许黑客进行计费欺诈甚至关闭整个电路系统,引发大面积停电事件;2015年12月,由于黑客在乌克兰国家电网中植入了恶意软件,乌克兰多个区域的电网受到网络攻击,22.5万民众失去电力供应[9,10,11]。信息安全隐患不仅会给电力企业带来经济损失,更会给社会带来安全与稳定问题。因此,迫切需要研究智能电网双向互动安全防护技术,设计相关安全通信协议。
针对用电信息系统,文献[12,13]设计了一种安全性高、信息交互次数少的轻量级密钥协商协议,并对其进行了安全性分析。文献[14]利用数字签名机制、挑战应答思想和动态密钥协商机制,提出一种适用于用电信息采集系统的高安全等级的多重身份认证协议。上述协议主要基于数字证书和非对称加密算法针对系统主站和采集终端进行安全认证,对主站和采集终端的计算性能和数据处理性能要求较高,需要在主站侧部署硬件加密机,在采集终端侧安装釆集专用安全认证加密模块,而没有考虑智能电表的实际业务应用需求。目前,智能电表同时支持与主站系统、采集终端、红外抄表掌机和本地信息交互终端通信,具有业务种类繁多、传输数据量大、通信渠道多、信息交互流程多、响应实时性强、响应速度高、通信数据短、允许用户通过家庭无线网络接入访问等特点,而智能电表主要通过RS485通信模块、红外接口或电力线载波模块进行数据交互,上述模块对传输数据的信息交互次数、交互数据长度和每次计算量都有着一定的要求,如为保证智能电表通信稳定性,要求智能电表进行数据交互时单次报文长度不大于200B[15]。若采用非对称密码算法进行数字证书交换和非对称加解密运算,通信报文将至少达到1 600B,且需要进行多次信息交互,不适合智能电表复杂的应用环境和短报文通信要求。因此,文献[12,13,14]设计的协议不适用于智能电表双向互动系统。
根据智能电表双向互动系统业务类型较多、业务量大、信息交互流程较多、安全性要求较高等需求,提出了一种适用于智能电表双向互动系统的双向互动、多重防护安全通信协议(BIMP),并采用形式化分析方法和非形式化方法对BIMP进行了性能分析与验证。
1 智能电表双向互动系统
智能电表是智能电网与电力用户间进行信息交互的重要计量设备之一,它为智能电网的互动化需求提供了重要的数据支撑[16]。为了增加电力用户参与度和感知度,给用户提供便捷的服务,使用户及时了解当前电价策略及自身用电情况,引导其合理用电,构建了安全的智能电表双向互动系统。在智能电表双向互动系统中,智能电表具有双向互动通信模块,该模块支持双网络工作模式,既可以与采集终端通信,又可以与本地信息交互终端通信。本地信息交互终端是完成智能电表本地应用的关键设备之一,部署在用户家庭内部,主要通过智能网关和智能插座控制智能用电设备,具有数据抄读、智能用电设备监控等功能。采集终端部署在用户现场的变压器下,具有用电信息收集、处理、存储和传递等功能。智能电表双向互动系统逻辑结构如图1所示。图中:PLC表示电力线通信;GPRS表示通用分组无线服务技术;CDMA表示扩频多址数字式通信技术。用电信息采集系统通过智能电表和采集终端获取用户用电相关信息,掌握系统运行状态,制定灵活的电价或费率策略及负荷控制策略,以达到“削峰填谷”、合理利用资源的目的;用户通过智能电表获得详细的电价费率及负荷控制策略信息,由本地信息交互终端自动调节用电设备的启停及应用时段,从而达到均衡电能消费的目的。
在智能电表双向互动系统中,BIMP主要用于解决智能电表与本地信息交互终端或智能电表与采集终端间的信息安全传输问题。BIMP采用协议过滤、双向身份认证、访问列表查询和优先级控制等方法,有效避免了智能用电系统与现有用电信息采集系统通信冲突,保证了智能电表与本地信息交互终端或智能电表与采集终端间数据传输的安全性,进而确保智能电表双向互动系统的整体安全防护性能。
2 双向互动通信协议设计
2.1 符号及算法描述
BIMP通信协议中的符号及算法描述如下:A表示本地信息交互终端或采集终端;B表示双向互动智能电表;KP1和KP2分别为A和B的参数保护密钥;PVN表示协议的版本号;ACLA和ACLB分别为A和B的访问控制列表;PrMi为消息Mi的优先级;EKPi和DKPi分别为加密和解密运算;MixBit(x,y)表示非线性循环位移;Rot(x,y)表示x循环左移wt(y)位;wt(y)表示y的汉明重量;⊕表示按位进行异或运算;<<表示按位左移;>>表示按位右移;‖表示连接符号;K为主密钥;KE为数据加密密钥;KMAC为消息鉴别码(MAC)密钥;TIV和TMIV为初始向量;R1和R2分别为由A和B产生的随机数。
其中,MixBit(x,y)算法描述为[17]:
主密钥K的计算方法为:
2.2 协议描述
BIMP主要包括协议过滤、内外部双向身份认证及密钥协商、访问列表查询与验证、优先级控制和关键数据加密传输这5个过程。BIMP主要采用国密SM1算法实现安全认证、密钥协商、访问控制、优先级控制、关键数据加密传输和MAC校验等功能。在BIMP开始前,首先在通信实体A和B中预置密钥列表和操作权限白名单列表,共享参数保护密钥,然后启动会话并发送包括协议版本号、加密算法和用于相互之间进行交换的随机数等问候消息,进行协议过滤、内外部双向身份认证、密钥协商、访问列表查询与验证、优先级控制和关键数据加密传输。智能电表BIMP交互过程见图2,具体描述见附录A[18]。
3 协议性能分析
3.1 协议的形式化分析
本文主要采用BAN逻辑[19,20]进行BIMP的形式化分析,验证BIMP是否能够达到预期目标。基于BAN逻辑的形式化分析主要包括协议建模、设定预期安全目标、初始假设和推理证明四个过程。由于文章篇幅限制,BAN逻辑语法、推理规则及协议的证明过程见附录B[21,22]。由协议的推理证明公式和协议分析过程可知该协议符合预期安全目标。由于协议在交互过程中进行了MAC验证,所以初始假设均成立。
3.2 协议的非形式化分析
由于BAN逻辑本身具有一定的局限性,协议交互过程相对复杂,其内部加解密函数众多,部分性能很难由BAN逻辑验证[23],因此本文结合非形式化分析方法,对协议的安全保密性、抗攻击性和通信效率进行了进一步分析。
1)安全保密性
BIMP的安全保密性主要体现在身份鉴别、密钥协商与数据加密、优先级控制和访问控制过程中。
在身份鉴别、密钥协商与数据加密过程中,通信双方首先预置密钥列表和操作权限白名单列表,共享参数保护密钥,然后产生随机数R1和R2,加密后通过验证密文数据完成双向身份认证,如果密文相同,说明A和B密钥正确且身份合法,这样可以有效抵抗攻击者假冒智能电表或终端攻击。在内外部双向身份认证后利用协商出的初始密钥根据具体业务和操作权限白名单列表进行密钥分散,实现数据加密传输。由于每次认证成功后产生的密钥均不相同,根据不同业务分散出的数据加密密钥也不相同,这样可以实现一表一密和一次一密,攻击者很难破解传输数据的加密密钥,有效保证了传输数据的安全保密性。与文献[12,13,14]设计的密钥协商协议相比多了根据具体业务和操作权限分散数据加密密钥环节,多了一层安全保障。
在优先级控制过程中,由于双向互动智能电表需要同时支持多渠道通信,其通信环境比较复杂,BIMP主要采用加密验证与优先级控制相结合的方式实现系统优先级安全控制,首先采用对称密码算法对通信报文进行安全性和完整性验证,验证通过后将数据传输至电表应用层,进行报文协议分析,然后根据数据类型和通信方式,确定优先级。而其他用电信息设备的优先级控制主要通过通信信道默认排序设定。
在访问控制过程中,传统智能电表或终端主要基于通信地址进行访问控制列表配置,而双向互动智能电表和本地信息交互终端在安装前需预置双方访问控制密钥衍生因子,然后根据通信地址采用密钥衍生算法实现通信双方的密钥配对,同时将密钥衍生因子等信息配置到通信模块中形成访问控制列表,进行访问权限控制。智能电表通信模块根据访问控制列表,对本地信息交互终端进行操作权限限制,确保仅有访问控制权限的终端设备可以与智能电表通信模块通信。这样可以通过数据加密的方式实现本地信息交互终端与智能电表通信模块的一一绑定,提升了系统通信的安全性。
2)抗攻击性
BIMP的抗攻击性主要体现在抗截获攻击、抗网络阻塞攻击和抗重放攻击三个方面。
抗截获攻击:在信息交互过程中,R1由A随机生成,R2由B随机生成,R1和R2分别在参数保护密钥KP1和KP2的保护下加密传输,通信双方通过解密随机数密文后独立生成预主密钥K,数据加密密钥KE,KMAC和初始向量TIV,TMIV,之后计算上述信息的MAC值,通过传递双方计算的MAC值进行密钥的一致性和完整性验证。这样可以有效避免关键密钥信息、数据加密密钥和初始向量在通信信道中被非法截获。
抗网络阻塞攻击:由于A和B在信息交互前首先根据约定的通信协议、通信频率、通信报文长度等对双方通信协议进行协议过滤,当通信双方检测到通信报文中存在不符合协议规则要求的数据项时,通信模块主动丢弃该通信报文并结束本次会话。此外,本协议还采用了访问列表查询与验证、优先级控制机制保证通信网络畅通。因此,本协议具有抵抗网络阻塞攻击性能[24]。
抗重放攻击:在BIMP中,A和B每次密钥协商均自动产生新的随机数R,因此,随机数R具有新鲜性;关键信息均密文传送并进行MAC验证,这样保证了传输数据的机密性和完整性。当攻击者重放攻击时,只能发送整条报文信息,然而整条报文信息又包含旧的随机数或参数信息,很容易被通信双方识别导致攻击无效,因此该协议具有抗重放攻击性能[25]。
3)通信效率
传统基于非对称密码算法的安全通信协议在数字证书交换和非对称加解密过程中,通信报文至少达到1 600B,且需要多次信息交互,通信开销较大。而BIMP主要采用对称密码算法实现协议过滤、内外部双向身份认证及密钥协商、访问列表查询与验证和优先级控制,每次通信数据长度均小于200B,信息交互次数较少,通信效率相对较高。
4 协议性能比较
BIMP与无线局域网鉴别和保密基础结构协议(WAPI)和高安全等级多重认证型安全协议(HSMA)的性能比较如表1所示。WAPI的身份认证、密钥协商及数据加密环节是彼此分开的。在身份认证环节,WAPI主要采用基于椭圆曲线的公钥数字证书认证机制通过鉴别服务器进行身份鉴别,缺乏相应的密钥保护,通信双方存在着被冒充的可能;在密钥协商环节,缺乏对会话密钥的安全认证,不能抵抗重放攻击、中间人攻击等常见攻击手段。在数据加密环节,采用对称密码算法实现数据的加密传输。因此,WAPI只能完成部分的认证和密钥协商目标,其安全性相对较差[26,27,28]。HSMA基于数字证书签名认证机制采用非对称密码算法与对称密码算法相结合的方式进行身份鉴别、密钥协商与数据加密,虽然安全性得到有效保证,但单次传输数据量较大,密码运算较复杂,协议的通信效率相对较低,不适用于智能电表双向互动系统。BIMP采用对称密码算法进行内外部双向身份鉴别与密钥协商,在密钥协商阶段也进行了密钥确认和完整性校验,在数据加密阶段利用协商出的初始密钥根据具体业务和操作权限白名单列表进行分散,实现了“一表一密和一次一密”数据加密传输,其安全强度与HSMA相当,但协议单次报文长度明显小于HSMA,通信效率高于HSMA,并满足智能电表双向互动系统业务应用需求。
5 结语
基于对称加密算法,融合双向身份认证、访问列表查询、优先级控制和协议过滤等方法,本文提出了一种适用于智能电表双向互动系统的BIMP。BIMP主要采用国密SM1算法实现安全认证、密钥协商、访问控制、关键数据加密传输和MAC校验等功能。为了验证BIMP的性能,采用了BAN逻辑形式化分析和非形式化分析方法分析了其性能,并与WAPI和HSMA的性能进行了比较。验证结果表明,BIMP具有安全保密性、抗攻击性、通信效率较高等特点,可有效避免智能用电系统与现有用电信息采集系统通信冲突,保证智能电表与本地信息交互终端或智能电表与采集终端之间数据传输的安全性,进而确保智能电表双向互动系统的整体安全防护性能。
双向卫星通信 篇8
要实现P P C程序与桌面程序进行通信, 可通过Socket技术完成PPC与个人电脑的信息交换。实际上就是将P P C与P C组成一个局域网, 把PPC当作局域网中的一个终端来与PC连接。实现连接的物理方式有很多种, 可以采用USB、WIFI等方式, 组成相应的有线或无线网络。本文研究的是通过Visual Studio.NET 2005开发平台中的C#.N E T程序设计语言来实现相关功能。
1 PC与PPC双向通信系统简介
1.1 功能
P C与P P C双向通信系统应用在基于Windows CE操作系统的PPC上, 主要实现PC与PPC的连接 (连接方式为WIFI连接或USB连接) 、数据双向传输 (数据类型包括各种文档、图片、音频、视频等) 、PC或PPC上文件编辑、查看等功能。
1.2 系统工作流程
P C与P P C双向通信系统的基本工作流程如图1所示:
2 PC与PPC双向通信系统基本设计思想
2.1 PC与PPC的建立连接与断开连接
P C与P P C双向通信系统的系统架构分为服务端和客户端, 通过Internet连接。
2.1.1 服务端启动服务
过程如下:首先初始化一个Tcp Listen er对象, 然后调用这个Tcp Listener对象的S tart () 方法进行侦听。因为客户端随时会有连接请求, 所以服务端必须创建一个循环的子线程用于不断等待和接受客户端的连接请求 (注意是连接请求) 。在服务端收到连接请求后, 还必须创建一个循环的子线程, 用于不断接受客户端的请求命令, 然后根据客户端的命令进行相关的操作。
2.1.2 客户端主动连接服务端
过程如下:首先初始化一个Tcp Client对象, 然后通过这个Tcp Client对象的Connect () 方法向服务端发出连接请求。服务端的等待连接请求的子线程接收到这个客户端的请求, 便为这个客户端创建一个Socket用以会话。创建连接后服务端返回成功连接的信息.之后客户端便通过UI界面接受用户的操作, 再把这个操作命令发送给服务端处理。
2.1.3 终止连接
过程如下:如果是服务端终止, 则首图1工作流程先终止等待接受客户端连接的子线程, 然后调用Tcp Listener.Stop () 方法停止侦听。而客户端要终止, 则直接调用Tcp Client.Close () 方法释放连接即可。
建立连接与断开连接工作原理如图2所示。
2.2 下载文件
客户端UI接收到用户下载的命令后, 就向服务端提交命令:要求下载列表窗口选中的文件。服务端在接收到客户端的这个请求后, 即初始化子线程, 开始线程并向客户端发送消息通知客户端接收文件 (附带文件的名称和大小等信息) 。客户端接收命令后, 即弹出保存询问窗口, 让用户选择存放文件的位置并输入保存的名称。这样就完成了初始阶段。
服务端中文件传输的子线程定义一个读文件流, 创建缓冲区, 循环读取文件到缓冲区中, 通过Socket发送给客户端, 一直到读取完毕。在客户端, 同时初始化文件下载子线程, 启动计算接收进度的计时器, 启动下载子线程, 从Socket不断读取数据包到缓冲区里, 如果缓冲区里的内容含有服务端发送过来的读取完毕的消息, 则将命令前的缓冲区内容写入文件, 并退出循环, 否则将缓冲区里的内容全部写到文件中。这样接收文件直到循环退出就完成了文件传输。
最后, 服务端必须关闭文件流, 终止文件传输的子线程, 而客户端则要将进度设置为100%, 停止计时器, 关闭文件流, 终止文件接收的子线程。
下载文件工作原理如图3所示。
3 系统调试与测试的实现
在智能设备项目开发周期的大部分阶段, 设备仿真程序都可以充当物理设备的替代品。因此本系统使用Visual Studio.NET智能设备开发平台中的PocketPC2003 SE设备仿真器进行系统的开发和调试。因此需进行Pocket PC 2003 SE设备仿真器网络的配置, 具体的设置过程较为简单, 主要是下载虚拟网卡驱动程序、在PC上安装虚拟网卡驱动、在Visual Studio2005中配置仿真器参数、配置Pocket PC2003 SE仿真器参数等几个步骤。配置好Pocket PC 2003 SE设备仿真器后, 即可以使用它来进行系统的调试与测试了。
4 结语
Visual Studio.NET 2005开发环境中的.NET Framework类库极大的方便了系统的开发, 提供了良好的开发环境。其中, .NetFramework中的System.Net.Sockets命名空间的实现Berkeley套接字接口的Socket类、用于TCP网络客户端侦听连接的Tcp Listener类、为TCP网络服务提供客户端连接的Tcp Client类为网络访问的开发提供了极大的便利;System.Threading命名空间则提供了所有与多线程机制应用相关的类。Visual Studio.NET2005的智能设备开发平台为开发在基于Windows CE的智能设备 (如Pocket PC) 上运行的软件提供丰富的集成支持。
参考文献
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双向卫星通信 篇9
未来卫星通信系统是一个能将现有和未来的各种无线系统有机融合在一起的开放式异构网络。在异构网络系统中, 要求用户和网络可以根据业务需要和满意度等因素随时选择对自身最合适的接入系统, 从而既满足用户越来越灵活多变的个性化业务需求, 又兼顾网络运营等问题。各种卫星网络提供了功能侧重不同的服务, 用户如何在保证自身满意度的同时兼顾网络的满意度, 同时达到用户与网络的双赢是必须要研究的课题。
当前, 针对异构网络选择的算法越来越多, 大致可分为3类。第一类是以用户为中心的网络选择算法[1,2], 第二类是以网络为中心的选择算法[3,4,5], 决策因素由少到多, 渐趋完善。但这两类算法都只从一方面考虑网络选择问题, 仅能满足用户或网络单方面需求。第三类算法兼顾了用户与网络双方需求, 但针对卫星异构网络选择的算法则较少, 参考文献[6]以网络的特征与费用为决策目标;参考文献[7]提出了网络与用户的双向选择算法, 但并非卫星异构网络;参考文献[8]同时考虑到了用户与网络的满意度, 但并非针对异构网络;参考文献[9]是在卫星异构条件下, 但仅考虑了用户一方的满意度。
针对以上问题, 本文提出了一种基于博弈论的多用户接入网络选择算法, 通过用户与网络的相互博弈来取得双方效益最大化, 提升卫星异构网络的整体性能。
1 博弈模型的算法描述
假设有限集Net={N1, N2, …, NM}、Usr={U1, U2, …, UN}分别表示待选的网络集和用户集, 集合Net是由卫星窄带网、宽带网、抗干扰网等构成的异构网络, 集合Usr由低速语音业务、高速宽带多媒体业务和短消息传真业务等用户组成。各用户至少被两个接入网络所覆盖, 且每个用户 (网络) 对网络 (用户) 都有各自的偏好。为了便于分析, 本文假定所有用户都被Net中所有网络所覆盖, 且网络与用户之间均可以做到相互选择。
本文以业务服务质量Qo S (记为q, 包括时延α、抖动β、误码率γ) 、带宽 (B) 、负载情况 (L) 、用户或网络的偏好 (F) 及网络的抗干扰性能 (J) 等作为决策因素并依据层次分析法来分别建立用户与网络双方各自目标函数Faim。
f为各决策因素的归一化函数, ω为各决策因素权重。Fnaim为用户可选择的网络目标函数, Fuaim为网络可选择的用户目标函数。对Fnaim和Fuaim进行各自降序排列, 排得越前, 被选的可能性越大。
网络与用户双方博弈算法描述如下:
(1) 每个用户首先选择Fnaim中排名第一的网络, 并发送入网请求;
(2) 每个网络把入网请求的用户与Fuaim中靠前的用户进行对比, 允许排序靠前的用户入网, 并拒绝其他用户;
(3) 被拒绝的用户再向其他未拒绝其入网并且Fnaim排名靠前的网络发送入网请求;
(4) 每个网络把请求用户与Fuaim中排名靠前的用户对比, 选择靠前的用户入网, 并拒绝其他用户;
(5) 重复步骤 (3) ~ (4) , 直至所有用户入网。
2 层次分析法
层次分析法 (Analytic Hierarchy Process, AHP) 是多标准决策的常用方法之一, 它是用两两决策因素的重要性程度之比来表示相应重要性程度等级, 步骤如下:
(1) 根据决策因素建立阶梯层次结构, 包括目标层、准则层和方案层, 如图1所示。
(2) 构造判断矩阵, 采用1~9标度, 记aij为第i和第j决策因素的重要性程度之比。
(3) 计算各决策因素的权重:
矩阵的权向量:ω=[ω1, ω2, …, ωn]T;
(4) 权值合成, 即全局权值由本地权值和上层相应权值的乘积得到。
3 算法仿真及结果分析
3.1 用户选择网络
3.1.1 接入网络的决策因素归一化
影响网络选择的决策因素大致分成两类, 一类为正向型因素, 越大越好, 如带宽、负载能力、抗干扰性能等;另一类为负向型向量, 越小越好, 如时延、抖动、误码率等, 其归一化如式 (2) 、式 (3) 。
Xi表示当前网络条件下的用户值, Xmax为用户业务所要求的最大值限制, Xmin为网络所能提供的最小值。
3.1.2 仿真环境
假设网络集Net={N1, N2, …, N6}中N1、N2为窄带网, N3、N4为宽带网, N5、N6为抗干扰网;用户集Usr={U1, U2, …, U6}中U1、U2为第一类低速语音业务, U3、U4为第二类宽带多媒体业务, U5、U6为第三类短消息传真业务。网络和用户类型参数分别如表1、表2所示。
设业务所能承受的最大时延、抖动、误码率值分别为60 ms、70 ms、6×10-4, 其余各决策因素采用相对无量纲数值。根据用户自身特点, 三类用户对窄带网、宽带网、抗干扰网的偏好可分别取1、0.5、0.1;0.5、1、0.1;0、0、1。
3.1.3 网络排序
第一类用户:根据各决策影响因素归一化方法可得该类用户对于N1的归一化向量为:
f=[αβγB L F J]=[0.971 1 0.2 1 1 0], 构造判断矩阵, 如表3、表4所示。
根据层次分析法计算权重得:
同理可得其余网络的FN, 用向量表示为:
话音业务用户偏好的网络排序为N1, N2, N3, N4, N5, N6。
第二类用户的第一、二层权重判断矩阵如表5、表4所示。得Fnaim=[0.636 0.536 0.916 0.887 0.619 0.519], 网络排序为N3, N4, N1, N5, N2, N6。
第三类用户由于其对网络的抗干扰能力要求较高, 第二层权重需重新构造, 判断矩阵如表6、表7所示。
Fnaim=[0.142 0.097 0.165 0.127 0.966 0.896], 网络排序为N5, N6, N3, N1, N4, N2。
3.2 网络选择用户
网络选择用户的Fuaim也由以上各决策因素组成, 但与用户选择网络不同, 这些决策因素中Qo S、F、L为正向型向量, B为负向型向量, 构造判断矩阵如表8、表9所示。
与用户选择网络方法相似, 即窄带、宽带与抗干扰网可选择的用户排序分别为U1, U2, U4, U3, U5, U6;U3, U4, U1, U2, U5, U6;U5, U6, U1, U2, U4, U3。
3.3 博弈双方互相选择
根据算法思想及用户与网络各自可供选择的目标排序集, 得最终双向选择结果, 如表10所示。即窄带网圮低速语音业务, 宽带网圮高速多媒体业务, 抗干扰网圮传真短消息业务, 符合实际要求。
4 结论
网络选择是卫星异构网络发展的关键问题, 本文提出了一种新的双方博弈网络选择算法, 既满足了用户的多化样需求, 同时兼顾网络的满意度, 仿真结果也验证了算法的可行性, 确实做到了网络与用户双赢, 具有一定的实用性。
摘要：针对目前卫星异构网络选择算法较少且大多只考虑用户或网络一方满意度的问题, 综合衡量用户和网络双方利益, 提出了一种基于博弈论的卫星异构网络多用户接入选择算法。该算法通过在用户与网络之间建立博弈模型, 利用层次分析法分别计算各决策因素权重, 得到各类用户与网络各自可供选择的最优网络集或用户集排序, 并通过双方博弈进行双向选择。仿真结果表明, 该算法能够较好地解决多用户接入卫星异构网络问题, 取得了网络与用户双赢。
关键词：卫星异构网络,博弈,双向选择,层次分析法
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