摘? 要: 分析了綜合跳頻(FH)通信、碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)等多種技術,采用新型小區制兩級蜂窩組網方式和通信協議的GPS移動車輛監控系統。
關鍵詞: GPS-AVL? 跳頻技術? 蜂窩組網
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1 目前系統存在的問題及跳頻系統的組成
全球衛星定位移動車輛監控系統(Global Positioning System-Automatic Vehicle Location,簡稱GPS-AVL)是在全球衛星定位系統GPS、地理信息系統GIS (Geography Information System)和移動通信網技術上實現的移動目標管理系統。GPS-AVL系統由指揮監控基站和移動車載單元兩部分組成。
目前,GPS-AVL系統存在的問題主要有:車載單元與監控中心之間的動態數據交換速率低、GIS電子地圖的實時顯示和實時報警速度慢、容量和信道的使用效率不高。隨著現代反高科技作案和反電子對抗課題的提出,這些問題更加突出,并且增加了通信的隱蔽性、保密性和抗惡意干擾、抗多徑衰落的要求。
為此,可在原有普通電臺系統的基礎上加以改進,綜合跳頻(FH)通信、碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)等多種技術,采用全新的小區制兩級蜂窩組網方式和通信協議組建GPS-AVL系統,系統組成原理如圖1所示。
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2 跳頻關鍵技術
2.1 跳頻圖案的構造
跳頻圖案的選擇對跳頻通信系統性能的好壞有決定性的影響。由于各用戶的跳頻超始相位不同,傳輸延時差異等因素,要做到跳頻圖案無相互干擾極其困難。跳頻頻隙的“擊中”或者稱為“碰撞”,可用參數漢明相關來衡量。
2.1.1 跳頻圖案設計要求
(1)每個跳頻序列都可以使用頻隙集合中的所有頻隙,以實現處理增益最大;
(2)跳頻序列數目盡量多且實現電路盡量簡單,以實現多址通信;
(3)跳頻序列集合中任意兩個跳頻序列在所有相對時延下,發生頻隙重合的次數應盡可能少,同時跳頻序列集合中的任意跳頻序列與其跳頻平移序列的重合次數也應盡可能少,即要求漢明互相關和漢明自相關越小越好;
(4)跳頻序列應有良好的均勻性、隨機性和較大的線性復雜度,以使系統具有良好的抗干擾性能,且令敵方不能利用以前傳輸的頻率信息預測當前和以后的頻率;
(5)跳頻序列應能實現寬頻隙跳頻,以對抗寬帶阻塞干擾、跟蹤干擾和抗多徑衰落。
2.1.2 跳頻圖案實現電路
理論分析表明:假設重合次數為k,頻隙數目q=pn(p為素數),性能最優的跳頻序列碼是長度為L=q-1,信息元b=k+1的(L,b)RS碼。它為非重復序列族,序列數目為q;序列漢明自相關旁瓣為0;兩序列在任意相對時延τ下,漢明互相關不大于1。在本系統中,設定k=1，p=2，n=5，q=pn=25=32，則L=q-1=31，b=k+1=2。為實現寬頻隙跳頻,采用對偶頻帶法構造跳頻序列族,可滿足設計要求。假定跳頻頻隙不小于32Δf,選取(31,2)RS碼,跳頻序列按如下步驟構造:
(1)在頻隙集合F={0,1,…,63}上構造兩個區間頻帶,分別為:F1={0,1,…,31}和F2={32,33,…,63};
(2)選擇n=5次本原多項式:f(x)=x5+x2+1;
(3)以f(x)為聯接多項式的m序列發生器產生非零狀態序列G={a1，a2，…，a31}；
(4)在G的各項加上一個該m序列的固定狀態aV={v1，v2，…,v5},即可生成區間F1和F2上的兩族非重復跳頻序列:
式中,加法按逐位模2運算;
(5)組合區間F1和F2上的兩族跳頻序列得到新的一族跳頻序列SV(j)。由于跳頻頻隙不小于32Δf,所以實際上SV(j)在區間F1和F2上的跳頻頻隙相互交錯,即:
跳頻序列SV(j)的實現電路如圖2所示。
2.2 頻率合成技術
系統跳頻鎖定時間主要由鎖相環跳頻鎖定時間決定,對于半雙工電臺還得解決發射接收功放電路的切換時延問題。本系統采用全雙工電臺,頻率合成器采用日本富士通公司的MB1504,工作頻段為403～443MHz,參考頻率為fR=25kHz。
為了既考慮鑒相波紋的抑制能力,又要兼顧環路的瞬態特性,選取ξ≈0.707，ωn≤ωR/5。根據ξ、ωn及環路增益可唯一確定環路濾波器RC常數。考慮到增加PLL環路增益可以縮短環路鎖定時間,在環路濾波器之后,再增加一級集成運放。則鎖相環環路換頻鎖定時間tS可以按如下近似公式計算:
但實際電路中由于串行送數的局限和電路中分布參數的影響,tS為理論值的5～6倍左右,小于1ms。
2.3 跳頻同步技術
2.3.1 設計要求
對于跳頻通信,應保證以下三種同步:
(1)跳頻圖案同步,即跳頻接收機與發射機的跳頻圖案要求相互一致;
(2)載波同步,即發送信號載頻和接收本地信號載頻之差,應落在中頻帶通濾波器內;
(3)碼元同步,可分為跳頻碼元同步和信息碼元同步。
2.3.2 硬件設計
跳頻同步包括同步捕捉和同步跟蹤兩個過程。首先由捕獲過程保證跳頻圖案的同步,然后進行載波同步跟蹤和碼元同步跟蹤。
同步捕捉可利用GPS OEM模塊的高精度秒脈沖信號進行同步。秒脈沖信號的起點精度ΔTUTC可達±1μs,甚至為±50ns,其秒脈寬為100ms,上升沿是世界協調時UTC(Universal Time Coordinated)時刻。電路實現如圖3所示。
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秒脈沖信號1PPS經微分電路得到窄脈沖秒信號,對分頻電路定時清零,從而做到本地的毫秒時鐘與UTC同步。分頻電路得到的周期為5ms的脈沖信號送往CPU的中斷/INT0,作為跳頻圖案同步信號。
跳頻速率為200hop/s,即跳頻時隙間隔Δt1為5ms;假設信息傳輸速率為100kb/s,即信息元寬度Δt2為10μs,則跳頻碼元同步時間誤差和信息碼元同步時間誤差分別為:
所以可以不加碼元同步跟蹤電路,而載波同步跟蹤則可以由鎖相環電路實現。
采用高精度時鐘授時同步組網有如下優點:在任一時隙中各用戶發射的是彼此互不相同的頻隙,不會相互干擾;可對抗敵方利用單一頻率的方法進行測向,因為在任一時隙中各用戶發射互不相同的所有頻隙。
3 GPS-AVL系統組網方案
網絡結構為兩級星形蜂窩跳頻(FH)通信系統,由兩個固定基站和八個移動基站組成,用以監控GPS-AVL系統的警車、運鈔車、消防車、救護車等近兩百部GPS移動車載單元。網絡拓樸結構如圖4所示。
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兩個固定基站為原系統之大功率基站,由時分雙工改為碼分雙工,即發射和接收各選用一幅相互正交的跳頻圖案以實現收發并行處理。而移動基站為碼分雙工,每個移動基站的發射和接收機亦各選用一幅相互正交的跳頻圖案以實現收發并行處理。監控中心節點、移動基站和移動車載單元的電臺完全一致,統一的電臺系統便于維護和更換。
每個移動基站容量設定為管理32部移動車載單元,8個移動基站足以管理256部移動車載單元。每4個移動車載單元的GPS定位信息以TDMA的方式匯接成1個移動基站的數據,而移動車載單元靠CDMA方式區分移動基站;移動基站再將移動車載單元的GPS定位信息發送給固定基站,每4個移動基站的數據亦以TDMA的方式匯接成1個固定基站的數據,移動基站亦靠CDMA方式區分固定基站;然后由監控中心的兩部電臺并行接收來自兩個固定基站的數據,最后存入動態數據庫以備進一步的處理和實時GIS電子地圖顯示。
在同一小區內,離基站近的和遠的移動車載單元雖然按同一跳頻圖案通信,但由于它們被安排在不同的時隙上通信,所以離基站遠的信號不會被離基站近的信號所掩蓋,即FH/CDMA-TDMA系統能在頻域和時域上使遠近信號完全分開。因此無須采用自動功率控制技術,即可解決擴頻通信系統的“遠-近效應”問題。
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參考文獻
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