时间：2023-02-25 10:52:28
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足球机器人是一个极富挑战性的高技术密集密集型项目，融小车机械、机器人学、机电一体化、单片机、数据融合、精密仪器、实时数字信号处理、图像处理与图像识别、知识工程与专家系统、决策、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调以及无线通信等理论和技术于一体，既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能体系统、多机器人之间的合作与对抗提供了生动的研究模型。它通过提供一个标准任务，使研究人员利用各种技术获得更好的解决方案，从而有效促进各个领域的发展。其听理论与技术可应用于工业生产、自动化流水线、救援、教育等实践领域，从而有效推动国家科技经济等方面的发展。机器人足球从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域的基础研究和高技术发展水平。
目前，国际上有机器人足球比赛分为两大系列——FIRA和Robocup。本文所要论述的系统所应用的F-180小型足球机器人比赛就是RoboCup系列中应用较广泛的一种。
F-180小型足球机器人足球比赛的示意图如图1所示，比赛双方各有5名机器人小车在场上。足球机器人系统在硬件设备方面包括机器人小车、摄像装置、计算机主机和无线发射装置；从功能上分，它包括机器人小车、视觉、决策和无线通信四个子系统。
其中无线通信系统是衔接主机和底层机器人不可缺少的一环，它必须保证从主机端到机器人底层之间的数据传送是可靠的，从而使得机器人比较能够顺利流畅进行。由于比赛双方都有多个机器人同时在场地上跑动，要求无线通信有一定的抗干扰性。无线通信系统的性能相当程度上直接影响着机器人的场上表现。
1系统的设计及实现
比赛中从摄像头来的视频信号经过计算机处理之后得到控制小车用的数据信息，而无线通信系统的就是将这些数据信息及时准确地送达场上的每一个机器人小车，系统采用广播方式，各机器人根据特定标志识别发给自己的有用数据，从而进行决策与行动。整个系统的框图如图2所示。
1.1发送端的硬件设计
发送端主要用PIC16F877单片机实现编码和对发射机的控制，计算机通过串行口发送数据，经过PIC16F877编码后再通过PTR3000无线通信模块将数据发送出去。
所采用的PIC16F877单处机是MICROCHIP公司推出的8位单片机。采用RISC指令系统和哈佛总线结构，最高运行的时钟频率可达20MHz，因而指令运行速度快。它有很宽的工作电压范围，可直接与3.3V的PTR3000无线通信模块配合使用。
TR3000无线数据收发模块是一种半双工收发器，采用NORDIC公司的nrf903无线收发芯片，工作频率采用国际通用的数传频段ISM，频段915MHz，工作频率可以在902MHz～928MHz可变。采用GMSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制。灵敏度高，达到-100dBm，最大发射功率+10dBm，工作电压为2.7V～3.3V。它最多有169个频道，可满足需要多频道的场合，最高数据速率可达76.8kbps。因而完全可以满足小型组机器人通信的数传速率与距离的需要。
本系统中PIC16F877就是采用20MHz的时钟信号，能够满足即时收发数据以及编码的需要。整个系统中包含两种电源，无线通信模块的电源为3.3V，而MAX232又需要+5电源。信号线的连接也要考虑两种电平的匹配问题，在必要的地方要加上电平转换电路。
首先单片机要接收来自计算机端的数据，计算机串口输出的信号经过MAX232由232电平转换为TTL电平。但是由于单片机采用3.3V电平，因而MAX232输出的信号需经过电平转换才能输入单片机，电平转换可以采用TI公司提供的典型电平匹配电路（见图3），也可采用74LVCXX系列逻辑门来转换。
由于PIC16F877只有一个异步串行口，因而要通过16C550通用同步异步收发器（USART）芯片来扩展一个异步串行口。这样就可以保证从计算机串口输出的数据与无线通信的数据速率不同，从而使原始数据经过通信编码及打包数据量增加之后也能及时传送，并且在必要时也能将接收数据送回计算机端，实现半双工通道。系统的电路图如图4。从图4可以看出PIC单片机采用并口对16C550进行初始化配置。由于16C550共有10个寄存器，且占用了8个地址，因而PIC单片机用RA0、RA1、RA2三个通用I/O口做地址线选择16C550的各个寄存器。单片机可以不断通过RB1、RB2引脚检测TXRDY、RXRDY信号获知ST16C550是否接收到数据，还是已经发送了数据。还可以通过把16C550设置成中断方式使每接收到一个字节数据便产生一次中断使INT信号有效，单片机进入中断处理程序，从而使单片机的执行效率更高。
单片机通过自带的异步串行口输出数据到PTR3000通信模块。由于nrf903芯片接收和发送数据共用一个引脚，因而需要其他电路来解复用。最简单的方法就是在单片机的TX引脚先接一个10kΩ的隔离电阻，再与RX和PTR3000的DATA引脚相连。但是这种方法有两个缺点，它会造成发送的数据串入到单片机的接收引脚中，另外发送信号的驱动能力受到了极大的限制。因此，本系统采用了74HC244三态缓冲器作为隔离（见图4中虚线框内所示），并且通过单片机的RB4控制收发状态，因而在半双工方式下发送信号与接收信号可以互不干扰地传送。
对于通信模块工作状态的控制主要包含表1所列的这几个信号，通过单片机的普通I/O口即可控制。
表1PTR3000工作工作模式配置表
PTR3000工作模式STBYPWR-DWNTXENCS
正常工作:接收0000
正常工作:发射0010
掉电模式01XX
待机模式10XX
1.2发送端的软件设计
当系统复位时，单片机首先要对PTR3000无线通信模块和16C550的寄存器进行编程初始化。PTR3000的初始化编程是通过同步串行信号进行的，总共有三个信号CFG_CLK、CS和CFG_DATA，分别连接到单片机RC3、RB7、RC5引脚。PIC16F877单片机本身就有同步串行口功能模块，但是由于PTR3000的同步串行数据位为14位，并非整数字节，而且14位数据必须一次初始化完成，因此实际通过普通的I/O口编程来实现这14位的同步串行信号更方便一些。在整个初始化期间CS信号必须一直为高电平。这14位初始化字的定义见表2。在初始化同步串行信号输出时最高有效位在先。在对PTR3000编程前先其状态为接收状态以免在其他频率造成无线干扰，编程完成后就可以将状态改为发射状态了。
表2PTR3000初始化控制字各位定义
Bit参数名称符号参数
位数
0～1频段FB必须为了10(表示为选择频段915±13MHz)2
2～9频点CHf=902.1696+CH·0.1536(MHz)
10～11输出功率POUT发射功率≈-8dBm+6dBm·POUT2
12～13时钟分频输出Fup"00"=>Fup=fxtal
"01"=>Fup=fxtal/2
"10"=>Fup=fxtal/4
"11"=>Fup=fxtal/82
接下来对16C550的初始化设置。由于PIC16F877自身的并行口对16C550进行初始化编程设置各个寄存器，需要注意的只是在输出每一个字节之前先要通过RA0～RA2输出相应字节的地址信号。在初始化设置时将16C550的波特率设置低于76.8kbps，以保证接收的数据能够通过PTR3000即时发送。
1.3接收端的硬件设计
接收端装在每个机器人小车上，由于机器人小车的控制采用DSP控制器TMS320LF2407，因而在接收端PTR3000无线通信模块就采用TMS320LF2407来控制。通过PTR3000接收的数据直接输入DSP，由DSP进行解码，从而做出决策和发出控制信号。因而无线通信系统的接收端电路相对发送端要简单得多，只需用TMS320LF2407代替发送电路中的单片机与PTR3000模块相连接即可。PTR3000的初始化编程也就由2407的普通I/O口来实现，只不过在初始化编程之后依旧保持PTR3000处在接收状态。
2协议的设计
2.1物理层的编码设计
物理层的编码设计要根据所采用的物理器件和物理信道的特性来决定。本系统采用PTR3000无线通信模块在接收模块中为了获得0直流电平就需要在所传输的数据中逻辑“0”和逻辑“1”的数量相等。只有满足上述条件接收部分才会获得很高的接收正确率。长时间空闲也会导致接收部分的0直流电平漂移，因为长时间的空闲实际上一直发送的是逻辑“1”。
由于PTR3000的这些特性，很自然就想到采用曼彻斯特编码（Manchester）（也称为数字双向码（DigitalBiphase）或分相码（Biphase,Split-phase）。它采用一个周期的方波表示“1”，而且它的反向波形表示“0”。由于方波的正负周期各占一半，因而信号中不存在直流分量。在异步串行通信中有一个起始位“0”，因此将停止位“1”长度也设为一位，这样在一个字节共10位信号中也就不存在直流分量了。只是加了曼彻斯特编码之后原来一个字节的数据现在要两个字节才能传送。
图4
有一些数字节，不会在进行曼彻斯特编码之后的数据串口出现，但是在一个字节中也具有0直流分量的特性，也有很高的接收正确率。这类数据字节如：0xF0、0x0F、0xCC、0x33等。从码型看来其中0xF0码型定时性能是最好的（其码型见图5），它很容易使异步接收器达到同步并且不会发生错误。由于0xF0的这种特性就可以用它做同步码元，在空闲的时间内通信系统就通过一直发送同步码元，使接收端保持同步，而且也可以保持接收模块的0直流电平状态。
2.2纠错编码设计
为了在有一定外界干扰的情况下，保证主要与机器人之间的无线通信依然稳定可靠，必须采取一定的抗干扰措施，这可以采用纠错编码来实现。可以选择纠错编码方案有（14，8）分组码、（7，4）分组码和循环码，需要使用两字节的长度发送一字节的有效信息；（5，2）分组码和循环码，交错码、（21，8）分组码和缩短循环码、（21，9）BCH码、（21，12）BCH码，需要使用三字节的长度发送一字节的有效信息。
系统中使用了（7，4）分组码，并在实际中取得了较好的效果。它的构成方式如下：
假定不做任何处理的原码格式为：
其高四位的监督码为：
A2A1A0
其低四位的监督码为：
B2B1B0
则编码后成为两个byte长度：
1X7X6X5X4A2A1A0
0X3X2X1X0B2B1B0
其中每个字节的最高位作为标志位，用于表示高四位和低四位，高四位用“1”做标志，低四位用“0”做标志。接收端通过检测标志进行重组和解码。对于译码基本方法有维特比译码和使用监督矩阵译码，可根据具体的编码方案灵活选用。
2.3帧格式设计
一般数据帧包括帧头、机器人标识、数据、数据校验、保留字节等内容，通常按照下面的格式排列：
帧头机器人标识数据保留字数据校验
通信协议应该和体系没有关联。但是需要在一个操控系统上运作协议栈，那么就需要提供一些体系有关的支持，把协议栈集中在操控系统之中。所以我们取出系恶意软件的体系有关部分，当朝着不同操控体系移植时，只需要修正这些体系有关部分代码就可以了。体系有关部分涵括进程进度以及同步模块、定时器模块，和一些运作库。协议栈是运用ANSIC编组的，采用标准C运作库。协议栈的用户端口和系统是相互关联的。如果需要将协议栈植入到一个全新的操控系统上，需要检索全部的体系有关部分，把这些体系有关的函数重新改写并且链接到不同的运作库。从代码数量来看，体系相关部分占据全部协议模块代码数量的百分之五左右。
1.2一种短距离无线通讯全新技术
近距离无线通讯协议目的就是每一种信息设施可以完成无缝资源共同享用。不管是手机、电脑计算机、PDA、打印机，亦或是数码相机、MP3播放器都可以相互传送语音消息、文字记录、图像、文件消息等等。所以在实现协议栈时，应该和不同的操控体系以及通信协议具有良好的接口端。但是现在很多协议在这方面的建设和实现具备一定的缺点和不足之处，致使体系不能完成跨平台通讯，唯独同种产品之间的通讯。一种全新的短距离无线通讯技术是BT技术，它在很多方面都具备很大的优势，采用全向天线；更加容易地发现设施；支持终端的迁移性能；视距对信号传递没有影响；全双工的运作形式，适宜开展话音业务；支持点到多点的连接形式，容易组成小型局域网络；并且可以经过无线局域网和特网连接，完成多媒体信息的无线传递。
1.3总体设计方案
用BT协议作为背景，提供无线通讯协议体系设计以及实现新型机制。我们建设的协议栈是对主机协议栈的整体实现，让它涵括了主机协议栈的全部系恶意，二元电话操控协议简称为TCS、服务发现协议简称为SDP以及主机操控端口简称为HCI等等。全部的协议栈是由四个部分组成的。
（1）体系模块。每个协议在开启时需要朝着BT体系模块注册。BT体系模块维持了BT主机协议的FSM案例表。一个BT主机协议栈可以采用这些小洗衣机其余的BT主机协议栈实行通讯。这个模块在每个平台上不一样的，因为并不是全部的体系都需要全部的协议模块。
（2）通用函数库模块。涵括了为各种协议模块维持FSM所需求的通用代码，像定时器的治理、进程之间的通讯等等。它还涵括了平台有关的代码。如果来自不一样的BT主机协议的FSM案例对于公共资源的需求，这个模块会负责为这些需求实行调度。
（3）协议栈的每个协议模块。全部协议模块都是采用ANSIC编组的，可以不需要改动就可以在每个平台上进行迁移。每一个BT主机协议被实现作为一个FSM。当协议进行初始化的时候，它会为相对应的FSM生成一个跳转矩阵，该FSM是由状态和事件牵引的。跳转矩阵的各项显示对一个指定形态下的指定事件的治理函数。在协议进行初始化期间，FSM会被形成开始形态。
二、体系无关的实现形式
在协议进行初始化时，会为相对应的FSM产生一个跳转矩阵，这个FSM是有形态以及事件牵引的。在协议进行初始化期间，FSM会被调制成初始形态。当协议的FSM收取到一个事件，它首要检索任务就是FSM现在是否正在治理事件。如果FSM繁忙，那么把这个时间植入到事件队列之中等待治理，否则的话，FSM就会立马进行治理。
二、认知无线电与宽带无线通信系统的融合
认知无线电的关键技术有：频谱监测技术，自适应频谱资源分配技术、自适应调制解调技术等。宽带无线技术主要有正交频分复用技术（OFDM）、多输入多输出技术(MIMO)、HARQ技术和AMC技术等。认知无线电与宽带无线通信系统的融合最主要的就是自适应频谱资源分配技术和正交频分复用技术结合、并辅以其它相关技术。OFDM系统是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式。该调制方式可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，其与自适应技术相结合，除了在传统的时间域上自适应外，还更容易利用多载波的频率域，可以灵活控制和分配频谱、时间、功率等资源，在结合MIMO系统的空间资源，根据用户在不同的位置的不同传输条件，感知环境并且适应环境，并不断地跟踪环境的变化，以合理利用资源、提高系统容量。自适应频谱资源分配的关键技术主要有:载波分配技术、子载波功率控制技术、多天线层资源分配算法和复合自适应传输技术。
(1)载波分配技术。CR具有感知无线环境的能力。子载波分配就是根据用户的业务和服务质量要求，分配一定数量的频率资源。检测到的宽带资源是不确定的，随时间、空间、移动速度等变化。OFDM系统具有裁剪功能，通过子载波的分配，即在频段内对于用户来说，信干噪比(SINR)较高的不规律和不连续子载波的频谱资源进行整合，按照一定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，确定每个子载波传输的比特数量，选取相应的调制方式，实现资源的合理分配和利用。
(2)子载波功率控制技术。由于分配给用户的功率和子载波数一般是成比例的，功率控制算法在经典的“注水”算法的基础上，有一系列的派生算法。这些算法追求的是功率控制的完备性和收敛性，既要不造成干扰又要使认知无线电有较好的通过率，且达到实时性的要求。事实上功率控制算法和子载波分配算法是密不可分的。这是因为在判断某子载波是否可以使用时，就要对现状(空间距离、衰落)做出判断，同时还需要计算出可分配的功率大小，对于一个用户如果速率一定，如子载波数目增加所需的功率就会下降。
在无线通信传输过程中，能对无线通信传输产生干扰的因素很多，其中大部分的干扰因素来源于外部噪音，主要包括宇宙、太阳以及其余的方面，并且具备强度大、时间短等特点在传输过程中，应针对性采取措施才能将其克服。另外，人为因素中的车辆、电器以及高压输电线等噪音，也是外部噪音的主要来源。这一部分噪音与频率有着直接关系，同时也会受到外界环境的影响。所以，为了降低这一类干扰的影响，需要采取一些屏蔽方式来降低干扰。
1.2通信设备本身
在传输过程中，因为通信设备本身的原因，也可能对传输造成一定的干扰，如，收信机、发信机扰或者是天线内部出现缺陷。尤其是在工作过程中，通信设备极易产生噪声，影响信号的传输。另外，由于电路内部被外界干扰物质侵入，而内部又缺少先进的过滤设备，使得杂乱的电磁波影响到信号的正常传输。对于这样的干扰，就可以通过通信设备改良的措施提高通信设备性能，有效降低通信设备自身的干扰。
1.3通信网络
各个电台发出的信号会相互影响，尤其是在同时工作时，更容易出现同频干扰、信号阻碍或者是邻道干扰，个别情况还会出现互调干扰。一旦产生这几类型干扰，就需要采取改善措施。另外，部件接触不良也会出现糊掉干扰。在某种情况下，发射系统会出现较高的辐射，如果在收机旁有大功率发射台，这样就会导致杂乱信号侵入，让回路处于饱和的状态，再加上附近干扰信号特别抢，最终引起干扰阻塞。这种情况一般是发生在距离通信机较近的区域，是因为天线的耦合而出现信号传播的阻塞。如果收到其他信号干扰，就成为邻道干扰。产生邻道干扰的主要原因是收机回路本身存在缺陷。在无线传输过程中，如果管理频率不当亦或是设备出现问题，就会有同频干扰出现，同频干扰主要是因为电台正常工作时的频率一致，由于其调制相位，最终产生同频干扰。
1.4网络间
在同一个区域之内有众多通信网络，由于通信网的不同，也会在彼此之间产生干扰，这些干扰就会影响信号的传输。面对这一类情况，就需要在组网之前勘察当地的实际情况，对周围的频点有充分地了解，才能确保组网设计的合理性。
2无线通信中传输干扰抵御的有效措施
2.1对干扰源进行详细盘查
抵御传输干扰，首先需要对干扰源进行盘查处理，确定干扰源具体的位置和具体类型，如此才能对症下药，找准问题的结症所在。但是想要盘查出原因，并非简单的事情，常常会遇到情况不明的问题，无法辨认问题所在。所以，建立在分析与研究实际环境的基础上，再配合一定的设备与仪器的支持，从细微之处出发，才能找到干扰源，实行相应的干扰抵御措施。
2.2更新通信设备
很多设备都会干扰无线通信的正常传输，如在打电话时，收音机、广播电台等处于开启状况，就会干扰手机的通信信号，使得打电话时出现较高的刺耳声音，导致手机信号接收无法全面，而收音机内也会出现杂乱的噪音。针对如此情况，就需要对通信设备抗电磁波频率的干扰能力予以更新，从接收器、调频器以及发射器等装置入手，尽可能改善其性能，之后再合理地优化无线通信设备的信号连接方式，确保其与设备相互吻合。此外，在通信设备使用时，应将其余通信设备关闭，确保信号不受干扰。
2.3创新通信技术
推动通信事业发展，离不开通信技术的创新，创新技术，无论是对解决无线通信传输存在的干扰问题，提升传输质量，都有着重要意义。如最近几年出现的wifi信号技术，就是一种通过无线信号将手机、PC终端以及平板电脑相互连接的技术，这样可以降低在信号传输过程中无线通信面临的干扰，wifi是将小型智能天线与动态波束相互结合，实现信号之间的互联互通，最终解决因为环境影响而造成的信号干扰或者是中断等情况。
2.4更新通信网络系统
更新与改造通信网络系统需要通信网络共同完成升级更新改造，尽可能将不同组网之间的互调干扰降低。所以，通信网络公司首先需要改造自身的通信网络系统，尽量选择在噪音小、干扰源少的空旷地带建设信号发射塔，利用硬件设施对通信网络系统进行排查，一旦发现异常，需立刻更新装备。为了让无线通信处于一个优质的“干净”环境，增强对外界环境干扰的抵御能力，就需要一个高效而又高频的通信网络系统，让无线通信网络系统能以敏捷、灵活地方式来抵御外界干扰，确保正常的无线通信信号传输。
在接入网络中，用户可以在同一网络内和不同网络间任意地漫游和切换，已经完全控制某个系统的攻击者通过生成RRC（RadioResourceControl）信令的方法向ME发起重配置过程，制ME切换到安全性较弱的传统网络中，并且将ME引进攻击者已经控制的网络或系统中。比如当前EPON网络中OLT设备往往是多个逻辑OLT的集合，可选加上交换芯片，集成交换机或路由器的功能，与核心网络的接口称为SNI（系统网络接口）。ONU设备一般为单个逻辑ONU设备，提供UNI（用户网络接口），SNI、UNI口可以为以太口（数据）、POTS口（语音）、RF（视频）接口，可选和交换机、路由器、其他特定功能的网络终端集成。
2接入网技术在城市4G无线通信中的应用体系建立
2.1常见安全机制
采用临时身份或加密的永久身份信息实现用户的身份隐藏。通过使用数字签名技术可以实现信息的防抵赖性。通过数字管理技术、加密技术、消息摘要技术可以实现数据完整性。通过加密技术和安全信道可以实现数据的机密性。通过认证机制实现通信参与方在数据交换之前的身份鉴定过程。比如当前某某城市联通移动核心网新建的第一套4GHSS（用户归属服务器，是4G移动网的核心网元）顺利割接入网，经过近期运行观察，性能良好，各项话务指标都在正常范围。割接完成后，现有用户不换号就可以享受联通4GLTE网络，对整个4G网络建设进度具有里程碑式的意义。
2.2系统总体设计
对于开发下一代产品的验证平台，对于城市4G无线通信接入网络，强大的硬件运算能力和大容量存储以及高速的数据传输能力都是必须的，因此在器件选型的时候就选择了业界较为先进、处理能力高、集成度大、功耗低和工艺新的器件。比如TMS320DM8168多媒体处理器具有一颗CortexA8内核和一颗C674X系列的DSP，其中电源是整个电路能否正常稳定工作的核心，这个部分着重讲了验证平台所选取的电源芯片以及周边电路，同时分析了各个支路的电流和上电顺序，以确保电路能够正常稳定的工作。验证平台的PCB设计主要包括器件布局，层叠结构设计等。外设部分主要包含了存储系统和配置电路。存储系统为软件运行提供了足够的运行空间，配置电路为FPGA的程序下载提供了一条高速公路，减少了程序员的开发时间。接入网系统是芯片与芯片或者芯片与外设信息交换的桥梁，这部分主要介绍了验证板所使用的各种接入网方式同时分析了接入网系统的硬件性能。
2.3接入网系统设计
接入网系统是芯片与芯片之间以及验证平台与外设之间数据传输的系统，一个接入网系统的优劣直接决定了整个系统的数据传输能力以及性能。目前所用的系统间或者芯片间的接入网方式很多，例如UART、I2C、SPI等，这些都是速度比较低的接入网接口协议，而现代的多媒体时代需要更高速的接入网接口比如USB2.0、USB3.0、SATA、PCIe、SRI/O等。TMS320DM8168主板上的PCIExpressx2接口，每条串行线路的数据传输率最大可传输5Gbps的数据，该接口用于和外设进行高速数据传输。目前，中国移动已经启动了全国范围内4G网络技术的试点应用，正准备快速在全国范围内推广。“4G”TD-LTE的最大特点是高速数据传输服务，是现有3G网络的十倍。同时可以通过手机等各种终端获得无线高清视频体验，十分流畅清晰。4G无线网络的部署是在运营商的4G网络基础上对覆盖点进行网络的延伸，增加4G网络路由器通过无线方式与监控平台互联，通过运营商的宽带网络实现信息传输。在4G网络未覆盖到的区域可以通过3G网络作为补偿进行承载，可根据3G网络带宽情况灵活调整信号的方式和容量。其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线监控方式。
1．2仿真分析采用MATLAB仿真工具，对矿井巷道时变多径信道模型自相关函数仿真。图1描述了传统信道模型，带宽为500Hz和1000Hz的时变多径信道模型下接收信号的自相关谱，其中，横坐标表示延时，纵坐标表示自相关函数。分析发现，时变多径信道模型与实际接收信号自相关谱较为符合，此信道模型适合矿井无线通信。
2系统性能分析
根据多径时变信道模型，假设接收天线总功率与发射总功率相等，且等于Pe，信道噪声是加性白高斯噪声，每根接收天线的噪声功率为σ2，则信噪比SNR:ξ=Pe/σ2。
2．1系统容量分析实际的无线信道是时变的，受到衰落的影响。对于单天线系统，即单输入单输出(SISO)系统的信道容量可用下式计算。图2给出了单输入单输出(SISO)系统和多输入单输出(MISO)系统的信道容量与发射天线数目之间关系的仿真结果，横坐标表示信道容量，纵坐标表示概率。其中，仿真参数设定为信噪比10dB，迭代次数为1000，接收天线为1，发射天线数目分别为1，2，3。仿真结果表明，SISO系统信道容量最小，发射天线数目从1依次增加时，信道容量也依次增加。图3给出了MIMO系统的信道容量与发射天线数目之间关系的仿真结果，横坐标表示信道容量，纵坐标表示概率。其中，仿真参数的设定同上，发射天线数目分别为2，3，4，接收天线对应为2，3，4。从仿真结果可以看出，MIMO系统信道容量随着收发天线数目的增加而增加。对比图2与图3发现，MIMO系统的信道容量显然比SISO系统的信道容量有了较大增加。
2．2误码率分析令xm(l)表示第m根天线的第l个子载波上的发射信号(l=0，…，L－1)，经历时变多径衰落信道传输和FFT变换后，在t时刻第n根接收天线的第l个子载波上得到的信号yn(t)可由下式得到。采用MATLAB对MIMO－OFDM系统在不同天线数目下进行误码率性能对比，具体实验流程如下:1)初始化过程。给定发射信号及时变多径衰落信道的冲激响应初始值。接收端采用最小均方误差(MMSE)检测算法。2)确定接收信号过程。输入数据经过串/并转换、空时编码、IFFT变换并添加循环前缀后经时变多径衰落信道到达接收方，根据式(5)确定接收信号形式。3)对接收信号去除循环前缀、FFT变换、空时译码及并/串变换后，计算MMSE检测加权矩阵，并进一步得到MMSE判决数据。4)误码率计算过程。根据数据检测与判决结果，与初始输入数据对比，计算系统误码率。基于上述分析与描述，设置的仿真参数如表1所示。仿真在收发天线数目相等的情况下进行，天线数目分别为1，2，3，多径数目假设为2，接收端采用MMSE检测。图4给出了收发天线数目相等，不同天线数目情况下的MIMO－OFDM系统的误码率性能，其中，横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。从仿真结果可以看出，随着收发天线数目的依次递增，从1增加到3，在BER为0．02处，天线数目选取3相对于选取数目2和1分别有4dB和9．6dB的增益，系统的误码率依次下降且抗多径衰落的能力依次增强。图5反映的是多径对MIMO－OFDM系统性能的影响。图中，横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。这里假设发射天线数目为2，接收天线数目为2，接收端采用MMSE检测，多径数目取2，4，6。分析发现，随着多径数目的递增，在BER为0．02处，多径数目选取6相对于选取数目4和2分别有4．3dB和9．7dB的增益，给定一定的信噪比值，误码率随着多径数目的递增而递减，此结果与MIMO－OFDM技术对抗多径衰落相符，是一种更适合于矿井巷道通信的无线技术。
二、通信软件设计
1、通信格式。车载微机向地面通信系统发送请求信号主形式为ABBAIDSUMNFF、其中数据帧一共包含有6个字节，前两个字节（ABBA）表示起始位置，第三个字（ID）表示该趟列车的车载微机的编码号，第四字节(SUM)为通信活动中的标注字节，第五字节（N）表示在本次通信活动中从起始字节到结束字节的字节数，是为了防止在通信中信息丢失而设置的，第六字节（FF）表示通信内容结束。无线通信技术在单片机通信系统中的应用，对通信模式最大的创新就是实现了信息通信的数字化。单片机通信系统在我国的应用广泛的存在着运行中一对多的运行模式，一般大型机务段都拥有数百台机车。因为铁路运输自身的特性，大量的机车回段的时间都不确定，机车在完成运输任务返回机务段时，应该首先与地面信息系统取得联系，这种联系由机车首先发出通信请求，在得到地面信息系统的回应后，与地面信息系统建立通信连接并完成数据信息的转发。当车载微机连续三次申请通信都得不到回复或者回复信息不正确的时候，车辆管理人员应该保留该车次的数据信息，并与维护人员联系进行车载微机的修理[3]。
2、程序流程。无线通信技术在单片机通信系统中的应用结构包括有数转电台和车载微机系统，其运行流程为机车管理人员将通信键按下，车载微机系统向地面通信中心发送通信请求，车载微机系统在通信请求发出之后其接收系统就开始工作，验证是否收到地面数据中心的应答，如果收到应答则进入到数据传输程序，如果超过三次通信请求没有收到应答系统将提示维护，同时如果一次通信请求在10分钟之内没有收到应答信息系统也会自动提示维护[4]。
2如何有效进行节能管理
2.1针对性进行节能
想要有效地节能，首先要充分了解当前耗能现状，弄清楚哪些具体环节消耗的能源最高。无线通信网的节点有许多，也许一个节点的能耗看起来很少，但小数量的能耗乘以大数量的基础就会变得让人难以忽视。要做的就是找出这些节点，找出关键的环节。然后再根据这些环节对症下药，拟定节能的目标、指标，取消或是改造不必要的环节[2]。充分借鉴国外的经验，提出可行的提案，聆听多方面专家的意见，进行开放的讨论，全面地看待问题。之后再制定计划，重点关注那些高耗能环节，针对性实行节能管理。
2.2优化无线网络
优化无线通信的网络优化是帮助推行节能管理的好方式。主要有三个步骤，一是采集数据，二是分析性能，三是实施和测试方案[3]。采集数据是系统数据，包括网络总体的和主要结构的数据，从而更好地分析其网络性能和网络质量。至于分析性能，是基于采集到的系统数据，有效地分析数据，制定优化的方案。最后，要对无线网络的性能实施和测试方案。这个优化方案包括了很多的优化如设备、网络结构和硬件系统等方面。
2.3建立完整系统
设计系统的内容要是完整的、全面的，同时要保证设计方案科学性和可操作性。系统通常是综合而严格的，也要符合当前技术的发展潮流，才能让系统保持先进性。合理布局，监测设备及其他设备要符合技术发展的趋势，考虑到安全性的原则的重要性，以确保整个系统的安全和可靠操作，我们要首先考虑系统的安全性和系统整体的可靠性。此外，节能系统要维修方便，而且维护费用低。整个投资要控制在合理范围内。满足以上，节能管理就有系统可依靠，就能更加科学和规范[3]。
第一阶段为20年代初至50年代初，主要用于舰船及军有，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现150MHZVHF单工汽车公用移动电话系统MTS。
第二阶段为50年代到60年代，此时频段扩展至UHF450MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。
第三阶段为70年代初至80年代初频段扩展至800MHZ，美国Bell研究所提出了蜂窝系统概念并于70年代末进行了AMPS试验。
第四阶段为80年代初至90年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进；此时出现了D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、PACS、PCS等各类系统与业务运行。
第五阶段为90年代中至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题在内。
2无线通信领域的未来发展趋势
首先，无线通信领域各种技术的互补性日趋鲜明。这主要表现在不同的接入技术具有不同的覆盖范围，不同的适用区域，不同的技术特点，不同的接入速率。比如3G和WLAN、UWB等，都可实现互补效应。3G可解决广域无缝覆盖和强漫游的移动性需求，WLAN可解决中距离的较高速数据接入，而UWB可实现近距离的超高速无线接入。因此，在政策上我们应该综合推进各种无线接入的发展，推进组网的一体化进程，通过建网的接入手段多元化，实现对不同用户群体的需求覆盖，达到市场细分和业务的多元化，解决移动通信发展不均衡的状况。
其次，我国政府应该给企业配置更多的无线频率资源，推进不同技术相关频谱的规划和应用工作。这样才有利于不同的企业根据不同的发展策略和市场需求，综合地规划自己的无线通信网络，实现资源的有效配置和利用。当然，政府也需要加强对有限频率资源的管理，对于企业闲置不用的频率占用，考虑适当的手段予以收回。
其三，从公众移动通信网络发展来看，3G已经成为全球包括中国移动网络演进的主要进程。从欧美发达国家的经验来看，由于其移动话音用户的普及率高，通过发展用户实现增长的模式已成为历史。因此，他们期望通过3G搭建更大的业务平台，从而实现利润的新来源。由于3G技术的成熟，目前3G商用网络部署已经在全球范围内启动。就我国而言，也要借鉴欧美的经验，在用户数量增长放缓之前，就应提前培育新兴移动市场。目前，政府应该开始积极考虑3G牌照发放和商用问题，把握住这个移动业界的巨大历史机遇。
其四，从宽带无线接入技术来看，全球该领域发展十分火热。该领域的发展呈现出向高带宽快速跃进、覆盖范围逐步扩张的趋势。未来，该领域还可能出现更强大的新技术，从另一个角度对整个无线通信产业起到推进作用。但从近期来看，我们对宽带无线接入技术发展应该有一个理性的态度和科学的把握。目前的宽带无线接入技术主要集中在固定环境下的高速接入，其移动性和话音支持能力无法和公众移动通信网络抗衡。在发展中，我们应该从全局的观点来把握，使之成为与移动网络互补的重要技术手段，这样既可以充分发挥其技术个性，又防止出现不必要的资源竞争和浪费。
其五，移动与无线技术在演进中走向融合。当前，移动、无线技术领域正处在一个高速发展的时期，各种创新移动、无线技术不断涌现并快速步入商用，移动、无线应用市场异常活跃，移动、无线技术自身也在快速演进中不断革新。在网络融合的大趋势下，3G、WiMAX、WLAN等各种移动、无线技术在演进中相互融合。
在多元融合的大趋势下，3G、WiMAX、WLAN等各种无线技术在竞争中互相借鉴和学习，涌现出了同时被上述无线技术采用的新型射频技术，如MIMO和OFDM技术等。与此同时，在以ITU和3GPP/3GPP2为引领的蜂窝移动通信从3G到E3G，再走向B3G/4G的演进道路上，以及IEEE引领的无线宽带接入从无线个人域网到无线局域网、无线城域网，再到无线广域网的演进道路上，都开始增加对方的内容，例如：移动通信不断强化宽带传输性能，无线宽带接入不断增强漫游性能以及安全性能。
借鉴WiMAX的高速数据传输特性，蜂窝移动通信启动了LTE，即“3G长期演进”项目，用以增强宽带传输性能。LTE的确立，令蜂窝移动通信系统的技术线路与定位为“低移动性宽带接入”的WiMAX有了很多的相似之处。
在“无线＋宽带”的大趋势下，无论是蜂窝移动通信技术还是WiMAX、WLAN等无线宽带技术，都面临着同样的考验：信道多径衰落和频谱效率。在这样的情况下，OFDM和MIMO就成为各种无线技术的共同选择。OFDM在解决多径衰落问题的同时，增加了载波的数量，造成了系统复杂度的提升和带宽的增大；MIMO则能够有效提高系统的传输速率，在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。因此，OFDM和MIMO的结合，成为推动“无线＋宽带”发展的重要力量。
其六，更远的未来，按当前专家们的预想，通信信息网络将向下一代网络NGN融合。在未来NGN概念中，固定网络将形成一个高带宽、IP化、具有强QoS保证的信息通信网络平台。在这一平台上，各种接入手段将成为网络的触手，向各个应用领域延伸。而3G、宽带固定无线接入、各种无线局域网或城域网方案，都将成为大NGN平台的延伸部分。从而形成集固定无线手段于一体，各种接入方式综合发挥效用，各种业务形成全网络配置的一体化综合网络。当然，这一进程将是漫长的，也必将遇到很多挫折。
由于无线通信网络存在的带宽需求和移动网络带宽不足的矛盾，用户地域分布和对应用需求不平衡的矛盾以及不同技术优势和不足共存的矛盾，因此，决定了发展无线通信网络需要综合运用各种技术手段，从全局和长远的眼光出发，采取一体化的思路规划和建设网络。发挥不同技术的个性，综合布局，解决不同区域、不同用户群对带宽及业务的不同需求，达成无线通信网络的整体优势和综合能力。对此，我国政府管理部门也应该积极为运营商配备充足的频谱资源，为其综合规划提供有力的支撑和保障。
2寻找一种适合目前准东开行万吨列车的无线通信方式
经过长时间的考察、调研，我们发现由西安铁路局科研所研制、开发的400K+400M双信道无线通信系统适合当前准东开行万吨列车的无线通信需求。该系统采用的是400KHz、400MHz双频率同发同收工作方式，两个频率在工作中相互补充，实现无缝式对接，完全可以满足开行万吨列车的安全需求。其中，400KHz通信方式为感应式无线通信，我们近一步从理论上的了解一下其特点：
3解决限制空间的电波传播的可靠性办法
我国感应通信的应用起步较晚，大约在七十年代才开始感应通信的研究，除一些大型国家煤矿少量地应用国外进口的感应通信器材外，主要在铁路上使用。现已在几个大型矿井中采用但还没推广到全国煤矿及地铁。我所开始研究感应通信是在电气化铁路开通后，无线列调在山区电气化铁路不能即时顺利的推广应用。
4无线通信的基本原理
2、商务旅游
NFC技术为广大使用者解决了很多以前不能在路上解决的问题，例如，着急出差却已经买不到票耽误了行程，NFC技术可以在网上迅速查到票的剩余情况并及时更新；在旅游的路上找不到路，NFC技术可以进行定位；着急打车却没有空车，NFC技术可以通过网络帮助使用者联系车辆并自动定位。
3、NFC的关键技术
3.1调制技术
NFC的工作频段是12.33-14.99MHz。为了保证NFC信号的频谱范围在13.56MHz频段内，NFC信号的波特率必须小于1Mbps。当数据传输速率大于1Mbps时，只有采用多进制调制才能满足高速传输要求。如果采用多进制ASK调制脉冲波形，则由于脉冲波形的调制度较低，多进信号的分辨率很低，这将导致系统输出信噪比的严重下降。多进制差分相移键控可解决这一难题。DPSK信号是利用前后两个相邻码元载波的相位差来传送数字信息，而与载波的幅度没有关系，因此调制信号的幅度在传输过程中始终保持不变。同时，在DPSK接收机中避免了复杂的相干解调，价格低廉、容易实现。因此在高速数据传输时，采用多进制DPSK调制是一种理想的选择。
3.2信源编码
随着数据传输速率的上升，脉冲的宽度变得越来越窄，对电路的脉冲响应要求也愈来愈高。为了减小电路的实现难度，在高速传输时可以采用Miller码进行信源编码。它是Manchester码的一种变形，Miller码的平均脉宽要比Manchester码宽，降低了编码硬件的实现难度。
3.3防冲突机制
如我们所知，NFC技术是两个技术设备相互靠拢就可以开启的网络，但并不是随便的两个设备都可以靠拢，NFC技术在启动之前，都是需要对周围可以连接的系统进行检测，看是否能够有空闲的设备供自己与之想靠拢，这是NFC技术在工作之前必须要确认的一个步骤，因为随便和其它设备相连，会导致网络混乱，网络突然断开，设备与设备之间的联系不紧密，会造成NFC技术的瘫痪。因此，在连接其他设备之前，NFC技术的设备通常都是先对周围进行扫描，当周围的射频场小，也就是说扫描后确定有未连接的设备，在对其他设备进行呼叫，相对近的设备会与这一台设备相连，连接成为网络。NFC技术中没有那两个技术设备是固定连接的，所以在确定了较近的设备正常工作后，会连接成为可安全使用的网络。
3.4传输协议
传输协议的设计主要考虑数据传输的有效性与可靠性。传输协议一般分为三个过程：协议激活、数据交换、协议关闭。3.4.1协议激活协议的激活包含属性的申请和参数的选择，激活的流程分为有源模式和无源模式两种。有源模式的协议激活流程为：第1步：主呼启动防冲突机制，进行系统初始化；第2步：主呼切换到有源模式并选择传输速率；第3步：主呼发送属性请求；第4步：被呼发出属性响应以回应主呼的属性请求，回应成功后选中该被呼作为连接对象；第5步：主呼如果检测到有冲突发生，重新发送属性请求；第6步：如果被呼支持主呼属性请求中的可变参数，主呼在收到被呼的属性响应后发送参数选择请求指令，以改变有关参数；第7步：被呼发出参数选择响应以回应主呼的参数选择请求，并改变有关参数（如果被呼不支持属性请求中的可变参数，则不需要改变有关参数）；第8步：利用数据交换协议传输数据。无源模式的协议激活流程与有源模式的协议激活流程基本类似，所不同的是在系统完成初始化后需要进行单用户设备检测。3.4.2协议关闭关闭协议包含信道的拆线和设备的释放。在数据交换完成后，主呼可以利用数据交换协议进行拆线。一旦拆线成功，主呼和被呼都回到初始状态。主呼可再次激活，但是被呼是通过释放请求指令切换到刚开机的原始状态。
