基于嵌入式系統(tǒng)的無線信息共享系統(tǒng)研究

1 引 言

信息化戰(zhàn)爭已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的一部分。在信息化戰(zhàn)爭中的一個重要特點是單兵武器裝備之間能實現(xiàn)橫向的無線組網(wǎng)，形成信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達(dá)成信息資源共享，從而及時洞察戰(zhàn)場各處的作戰(zhàn)態(tài)勢。目前，各軍事強(qiáng)國都展開了無線信息共享系統(tǒng)的研究，如美國的"陸地勇士"系統(tǒng)，英國的"FIST"計劃，法國的"SC"系統(tǒng)等。

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的專用計算機(jī)系統(tǒng)，其軟硬件資源是可裁剪的，能夠滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等指標(biāo)的嚴(yán)格要求。他可以方便地集成到便攜式偵察設(shè)備等武器裝備之中，完成對武器設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。把嵌入式系統(tǒng)與無線傳輸相結(jié)合而誕生的嵌入式無線信息共享系統(tǒng)，具備了專業(yè)的數(shù)據(jù)處理能力及實時性的共享數(shù)據(jù)傳輸能力，將武器裝備所探測到的信息和自身的狀態(tài)信息及時的在我方無線節(jié)點中傳輸，使武器裝備的戰(zhàn)斗性能得到了大幅度的提升，增強(qiáng)了作戰(zhàn)系統(tǒng)的協(xié)同性。

2主流無線通信協(xié)議性能分析與比較

作為無線信息共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的OSI參考模型最低層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，擔(dān)負(fù)著射頻調(diào)制和在無線鏈路上建立可靠和安全的邏輯鏈路的任務(wù)。其直接決定了整個無線信息共享系統(tǒng)的傳輸速率和覆蓋范圍，因此選擇一種適于專用作戰(zhàn)環(huán)境的無線傳輸協(xié)議來規(guī)范物理層和數(shù)據(jù)鏈路層就顯得尤為重要。 目前IEEE制定的應(yīng)用于無線連接的傳輸協(xié)議主要可以分為三類，他們分別是IEEE802.15系列協(xié)議，IEEE802.11系列協(xié)議以及IEEE802.16系列協(xié)議，按其不同的功能側(cè)重點分別被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

IEEE802.15系列協(xié)議主要應(yīng)用于近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線個人網(wǎng)(WPAN)。Blueteeth技術(shù)采用了IEEE802.15.1規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee技術(shù)采用了IEEE802.15.4規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4的物理層在3個頻段上共定義了27個物理信道。在頻帶868 MHz，902～928 MHz和2.45 GHz上的數(shù)據(jù)率分別為20 kb／s，40 kb／s和250 kb／s。在868／915 MHz頻段上的11個信道均采用BPSK調(diào)制，而2.45 GHz上的16個信道采用O-QPSK調(diào)制。其可以覆蓋近距離約幾十米的通信范圍，目前其主要被應(yīng)甩作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE802.11a／b／g／e／f系列協(xié)議具有了較高的傳輸速率，主要應(yīng)用于無線局域網(wǎng)(WLAN)。目前應(yīng)用比較廣泛的是IEEE802.11g協(xié)議，其在2.4 GHz頻段上劃分了11個信道，對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了規(guī)范，可以采用FHSS，DSSS或OFDM調(diào)制方式，使得可選擇的傳輸速率最高可達(dá)到54 Mb／s，無線覆蓋范圍達(dá)到了1 km。TI，MAXIM等廠商針對該協(xié)議都生產(chǎn)了大量的無線接入產(chǎn)品。

IEEE802.16系列協(xié)議工作于2～66 GHz的頻段，其調(diào)制方式包括了單載波，OFDM以及OFDMA，因而具有了更高的傳輸速率及覆蓋范圍，應(yīng)用于無線城域網(wǎng)(WMAN)。其中IEEE802.16d和IEEE802.16e分別用于固定帶寬無線接入和移動帶寬無線接入，其標(biāo)稱的傳輸速率達(dá)到了70 Mb／s，覆蓋范圍為50 km左右。然而，其高速的編碼解碼速度和復(fù)雜的調(diào)制方式對硬件的要求很高，目前市面上使用該協(xié)議的無線接入產(chǎn)品還很少，各大廠商更多的還是在從事芯片的生產(chǎn)和評估。

為了加快整個無線信息共享系統(tǒng)的構(gòu)建，需要一種能快速投人生產(chǎn)形成戰(zhàn)斗力的底層傳輸協(xié)議來支持，因此應(yīng)用產(chǎn)品種類多，技術(shù)理論相當(dāng)成熟的IEEE802.11g協(xié)議就成為當(dāng)前的最佳選擇，為了使各無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在實際工作中能在更大的覆蓋范圍內(nèi)工作，我們可以在實際應(yīng)用中加裝二級功率放大器實現(xiàn)。

3構(gòu)建無線信息共享系統(tǒng)的核心因素

在確立了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸規(guī)范之后，根據(jù)IEEE802.11g協(xié)議所支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析和選擇。IEEE802.11g規(guī)范了兩種基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：獨立基本服務(wù)集和擴(kuò)展服務(wù)集。前者也就是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的任何兩個節(jié)點可以通過節(jié)點間的多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行通信，不需要固定的基站來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。后者可以看作是多個獨立基本服務(wù)集的集合，各個獨立基本服務(wù)集之間通過基站來進(jìn)行數(shù)據(jù)的續(xù)傳和轉(zhuǎn)發(fā)。鑒于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點，他將是未來數(shù)字化戰(zhàn)場通信的首選技術(shù)。在戰(zhàn)時通信基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞而癱瘓時，網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點可以繼續(xù)完成數(shù)據(jù)的傳輸，從而順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。因此，在本文構(gòu)建的無線信息共享系統(tǒng)采用了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

組建網(wǎng)絡(luò)所要考慮的另一個關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的路由算法。針對不同的策略和應(yīng)用場合，各研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出了大量的Ad Hoc路由算法，其中AODV路由協(xié)議是一種典型的按需距離矢量路由算法。在采用AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點并不維持一個路由表，而是根據(jù)需要創(chuàng)建路由。當(dāng)有數(shù)據(jù)包需要傳送時，為了尋找路徑，源節(jié)點廣播路由請求分組，鄰近節(jié)點收到廣播后再向其他鄰近點廣播，直到到達(dá)目的地或者到達(dá)已有最新路由的中間節(jié)點。路由請求分組采用序列號編碼以避免環(huán)路，并保證中間節(jié)點只回應(yīng)最新的信息。若源節(jié)點發(fā)生移動，路由表必須重新初始化；若中間節(jié)點移動，其鄰近點會發(fā)現(xiàn)鏈路的失效，并將鏈路失效的信息通告其上行鄰近點，直到源節(jié)點收到該信息，然后根據(jù)需要重新構(gòu)造路由。AODV算法采用了逐跳路由、序列編號和周期更新的機(jī)制，減少了創(chuàng)建路由所需的廣播數(shù)，適用于戰(zhàn)時的移動無線組網(wǎng)。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}也是無線信息共享系統(tǒng)不容忽視的方面，在IEEE802.11協(xié)議中規(guī)定了共享密鑰鑒權(quán)機(jī)制，要求建立連接的雙方必須有一個公共的密鑰，同時要求雙方支持WEP加密，然后使用WEP對測試文本進(jìn)行加密和解密，以此來證明雙方擁有相同密鑰，從而有效地防止了數(shù)據(jù)的外泄。

4無線信息共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件實現(xiàn)

無線信息共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)包括了兩個主要模塊：嵌入式中央控制模塊和無線收發(fā)模塊。嵌入式中央控制系統(tǒng)集成了ARM9處理器，RS 232接口，RJ 45接口，SD card接口，音頻接口，IDE接口，可以方便地擴(kuò)展音頻視頻等各種信息采集模塊。無線收發(fā)模塊集成了ARM9處理器和符合IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的射頻前端。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件組成模塊如圖1所示，嵌入式中央控制模塊通過交叉以太網(wǎng)線來完成對無線收發(fā)模塊的控制。

嵌入式中央控制模塊采用了Windows CE 5.0操作系統(tǒng)作為軟件平臺，Windows CE 5.0是微軟公司向嵌入式領(lǐng)域推出的一款操作系統(tǒng)，他最大程度地繼承了桌面版Windows操作系統(tǒng)的豐富功能，同時又加入了許多新特性，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域的實際情況和要求。WindowsCE 5.0操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能十分強(qiáng)大，支持IEEE802.11協(xié)議、IEEE802.3協(xié)議、IEEE802.5協(xié)議、HTTP協(xié)議、TCP／IP協(xié)議等所有主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其內(nèi)置的通信模塊可以為嵌入式系統(tǒng)提供對多種硬件和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的支持，包括串／并行數(shù)據(jù)端口、紅外數(shù)據(jù)端口以及電話應(yīng)用程序接口。我們使用Microsoft Platform Builder 5.0來構(gòu)造Windows CE 5.0的內(nèi)核OS，Embedded VC++4.0來為Windows CE開發(fā)實現(xiàn)無線信息共享的應(yīng)用軟件。由于Windows CE操作系統(tǒng)所支持的API函數(shù)庫是桌面Windows操作系統(tǒng)API函數(shù)庫的子集，而且嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)存等資源有限，在編譯時要綜合考慮這些限制因素才能實現(xiàn)能穩(wěn)定運行的應(yīng)用軟件。無線信息共享系統(tǒng)的單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過應(yīng)用軟件進(jìn)行文件共享時的工作狀態(tài)如圖2所示。

無線通信模塊采用了Marvell公司的88w8000與88w8515芯片的組合，以eCos嵌入式可配置操作系統(tǒng)作為軟件平臺。eCos具有可配置性、可裁減性、可移植性和代碼體積小的優(yōu)勢。他提供了功能強(qiáng)大的配置系統(tǒng)，可以在源碼級實現(xiàn)對系統(tǒng)的配置和裁減，并且實現(xiàn)最小功能的eCos系統(tǒng)可以只有幾百字節(jié)，方便的存儲于FLASH。88w8515是集ARM9處理器、以太網(wǎng)MAC／BB處理器、IEEE802.11 MAC／BB處理器于一身的SoC，88w8000是工作于2.4 GHz頻段的IEEE802.11g無線收發(fā)芯片。通過JTAG接口，我們可以對無線收發(fā)模塊底層固件進(jìn)行不斷的修改和完善。整個無線信息共享系統(tǒng)工作時，數(shù)據(jù)文件在兩個節(jié)點中的收發(fā)流程如圖3所示。

5結(jié)語

本文建立了一種基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的專用無線信息共享系統(tǒng)，對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟硬件平臺進(jìn)行了設(shè)計和實現(xiàn)，為電子偵查信息一體化的建設(shè)提出了一種切實可行的方案，并進(jìn)行了多次實地測試。該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，可以根據(jù)實際需要在中央控制模塊中擴(kuò)展視頻信息、音頻信息、位置信息等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，嵌入到戰(zhàn)時單兵偵察的武器裝備中完成對戰(zhàn)場環(huán)境的綜合信息融合。尤其是加裝位置傳感器后，可以通過軟件控制實現(xiàn)無人職守，從而加裝在導(dǎo)彈中，實現(xiàn)多彈之間對位置信息的傳遞，完成多彈編隊的立體化打擊。

作者：邱麗波，夏俊芳，王瑞奇，蘇慧祎
(1．煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 煙臺 264006；
2．中國鐵通 煙臺分公司 山東 煙臺 264001；
3．海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺 264001)