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。
PHS技术就是常说的矿井小灵通，是现代社会矿井无线通讯的主要设备之一。矿井小灵通综合使用了大量硬件技术，如FPGA和DSP等，该技术的软件开发以模块化为标准，其控制体系以逐级分布为主；系统的配置灵活性较高，用户可以随机调换系统的业务功能和系统容量；该系统还能够统一指挥和调度矿区内固定和移动的用户，实现公众通信移动网络和矿区通信移动网络的联合发展。
2、SCDMA技术
SCDMA技术是常说的矿井大灵通，在矿井开采过程中发挥着至关重要的作用。SCDMA技术不符合国际电信联盟标准，在实际开采过程中的应用范围较小。主要原因是该技术仍存在着覆盖方式以泄露电缆为主和限制手机定位等缺陷。
3、矿井无线数字对讲
该技术在矿井开采中应用范围十分广泛，相关的配套设施和产业链已经非常完善，具有可靠、实用和经济实惠等特点。但是，在实际应用过程中该技术仍很难实现一部手机全双工的保密通信要求；难以完成电信公网和企业原有的固话交换之间的相互连通；并存在业务信道较少以及覆盖面狭窄等缺陷。
4、矿井无线局域网
矿井无线局域网属于短距离无线宽带数据传输领域，是非移动无线宽带数据通信产品的典型代表，该技术与其其他通信技术相比最大的区别在于它不支持语音业务和移动数据传输，在无线网片和无线网桥领域应用比较广泛。
二、煤矿企业中无线通信技术的发展趋势
1PHS技术
据相关统计结果显示：PHS技术是目前我国煤矿企业应用频率最高的无线通信技术，该技术在煤矿企业的发展建设过程中具有极大的技术优势，最典型的特点有语音通话效果好、移动切换呼通率高一级组网通信规范等。近几年，伴随着无线通信技术的深入发展，PHS技术的原有频段将转移到3G组网上。该项技术转移的主要原因有：第一，PHS技术中必须使用的基站和手机功率相对而言较小，属于无线微蜂窝通信体制的范畴，原有频段转移到3G最往后，网络通信受干扰程度较小；第二，转移到3G组网的原有频率可以完成自动调整，确保在新通话收集的通信频道不被切换；第三，原有频段转移到3G组网后，PHS和DECT系统可以同时实现与3G网络的兼容发展；第四，PHS技术主要集中在矿井下，对地面3g网络信号不会产生影响。
2Wifi无线局域网技术
Wifi技术系统在未来的发展领域十分广泛，主要由于该技术在无线通信领域占有十分广阔的发展空间和技术优势，该技术正逐步替代PHS技术在煤矿无线通信领域的地位。该技术的使用可以使矿井工作人员在同一个网络平台上完成无线和有限网络通信，网络点非常容易连接，井下或者井上都可以随时完成无线通信。
3NGP移动通信技术
NGP无线通信技术在我国未来的发展范围十分广泛，主要由于该技术具有节约电缆、人员定位以及自行监控井下作业等优势。NGP移动通信技术在根本上实现了煤矿开采过程中矿井多网合一无线通信的实际需求。NGP移动通信技术的新通信协议能够实现及时和精确的定位，并能上传有效的定位信息，是现阶段煤矿企业发展过程中最有效的移动成产调度系统之一。该技术在使用过程中与其他无线通信技术之间不产生任何冲突，在煤矿开采过程中发挥着至关重要的作用。
最早的通信方式是采用狼烟、火光、闪光镜、信号弹或者旗语等方式进行短距离的信息传送。直到1838年这些原始的通信手段才被萨缪尔•莫尔斯的电报网所取代，之后被贝尔的电话取代。真正具有现代无线通信意义的事件是1895年马可尼实现了英国怀特岛与30公里以外的一条拖船之间的无线传输。之后随着通信技术的不断发展，可以实现更好通信质量、更高功效的信息传输，例如无线通信、无线电视、无线网络等等。通信工程属于是电子工程的一个分支。主要用于处理信息传输过程中对信号产生、传输和处理的问题。主要应用于计算机通信、卫星导航、数字信息传输、光纤通信、个人通信以及多媒体技术和数控应用等方面。无线通信工程是信息科学发展的一项重要的体现。不断应用与网络通信技术上，而且还体现在商业、工业、军事以及人们的日常交流当中。无线通信技术的推广和应用，为人们传递和获得信息带来了极大的便利。随着我国对通信工程不断进行投入和开发，其未来的发展前景将会非常的广阔。
1.2无线通信技术
无线电通信是指利用（电磁波）的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式。目前主要利用的无线通信技术有：2G（包括GSM、CDMA）、3G（包括wcdma、cdma-2000、TD-SCDMA）、4G(LTE-A)、WiMax、UWB、RFID以及WiFi。UWB和RFID主要用于短距离的无线通信。无线移动通信技术主要经历了4个发展时期。第一个发展时期。最早的移动通信电话采用模拟蜂窝通信技术和FDMA技术。由于受到传输能力的限制，不能用于长途漫游，只能作为一种区域性通信手段。第二个发展时期。这一时期，信息技术得到了极大的发展，因此移动通信采用了GSM和GPRS通信技术。由此，正式步入了数字化时代。在这一时期，为了增强数据传输效率，通信运营商开发出了EDGE技术，也就是人们常说的2.5G技术。第三个发展时期。这一时期主要的技术为3G技术。3G技术有不同的技术标准。分别为：WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000以及WiMax。目前各项标准都开发的比较成熟，使用范围也在不断的扩大。第四个发展时期。4G技术的广泛应用。4G能够满足更高的传输要求，通信速度更快、网络频谱更宽，通信方式更为灵活，同时实现终端设备的智能化。2013年12月4日国家工信部正式向中国移动、中国电信和中国联通三大运营商4G牌照，标志着我国正式步入4G时代。
1.3无线通信工程的特点
1.工程位置不固定。
无线通信工程要确保通信信号的质量和传输效率，就要保证工程的通信容量和覆盖面积。由于工程的区域通常比较分散，因此工程位置不固定。在一些人口密集的地区，通过设置加大容量的基站，保证通信的质量和效率。在偏远的地区设置基站，确保交通不便利的地区位于信号的覆盖范围之内。
2.工程干扰因素较多。
在进行基站建设时，常常会遇到周围居民因担心辐射而阻挠基站建设，同时在较远地区搭建信号塔和摆放通信设备时，还可以能要租用民宅，由于部分房屋的图纸很难寻找，往往对设备的安装造成影响。
3.运输线路较长。
通信工程主要利用传输光缆进行信息传输。因此在铺设时不但光缆的长度很长而且光缆间的间距小，在不同的地区或者地段的工作量相当之大。
二、无线通信工程发展现状和4G技术的介绍
2.1无线通信工程的发展状况
1.无线通信包含了无线通信设备的制造开发以及通信的服务行业两个大的部分。
一般来说，无线通信的服务行业主要是通过无线网络的通信技术运营实现的。
2.通信工程最重要的部分为通信制造。
目前我国主要普及的是3G技术，正在推广4G技术。3G技术为通信行业的发展带来了更广阔的市场和发展前景。目前，通信制造业不断进行改造和完善，出现了很多先进的通信产品。目前2013年全国3G用户高达9万余户。
3.通信工程的发展过程中最重要的支柱之一就是电信行业的发展。
我国电信行业近几年迅速发展主要是依靠3G时代的发展，因此我国要为能够更好地促进3G时代的发展做更多的努力，从而达到普及扩大通信工程的目的。但是就目前而言，我国很多企业在发展的过程中，还是存在一些技术或者资金相对不足的现象。
2.24G技术的介绍
4G移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。
1.OFDM技术
在3G向4G转变的过程中，OFDM是关键的技术之一。它包含了V-OFDM，W-OFDM，F-OFDM，MIMO-OFDM，以及多带-OFDM这些类型。OFDM是多载波调制的一种，它的各种载波是相互正交的，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，然后进行子信道传输。由于子信道可以看成平坦性衰落，所以就消除了信道间的干扰。OFDM对脉冲噪音以及信道快衰落有很强的抵抗力。
2.SDR软件无线电技术
由于4G系统中的软件系统比较复杂，因此将SDR引入到4G移动通信系统之中。SDR能够减低系统开发的风险，减少硅芯片的容量，从而降低产品的开发成本和生产成本。SDR是以现代通信为基础，以数字信号处理为核心，实现把无线和通信功能编译为多信号进行传输，满足用户在不同地点对接入网络的需求。
3.SA智能天线技术
SA采用天线的原理进行无线信息传输。主要是利用信号传播方向的差异，讲同频率、同时隙的信号加以区分，能够最大限度的利用有限的频谱。智能天线技术可以成倍的扩充通信容量，可以有效解决大量用户产生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等影响。
4.MIMO技术
无线电传输信号时，每个信号都是一个空间流，使用单输入输出的系统只能收发一个空间流，而MIMO允许多个天线同时收发多个空间流。因此MIMO有时被称作空间多样。只有站点（移动设备）或接入点（AP）支持MIMO时才能部署MIMO。目前它在3G通信系统中得到了广泛的应用，同时也是4G的关键技术。
5.载波聚合技术
LTE-A通过“载波聚合”（SpectrumAggregation）的方式进行带宽增强，即把几个基于20MHz的LTE设计捆绑在一起，通过提高可用带宽，LTE-A将带宽扩展到100M。但是实际上很可能没有一整块的空闲带宽，所以LTE-A允许离散频带的聚合。在具体应用中还面临很多问题，如载波聚合时多个可选载波是否需要划分可用集合和各种集合的等级划分；在切换中载波变化的通信问题；载波变化时的信令传输问题；各个载波的激活和去激活过程。这些问题都在3GPP会议中提出并存在多种方案。
6.无线中继技术
LTE-A系统容量要求很高，这样的容量需要较高的频段。为了满足下一代移动通信系统的高速率传输的要求，LTE-A技术引入了无线中继技术。用户终端可以通过中间接入点中继接入网络来获得带宽服务。减小无线链路的空间损耗，增大信噪比，进而提高边缘用户信道容量。无线中继技术包括Repeaters和Relay。
1.1区分多重区段
线路架设固有的距离、电磁波固有的波长，会表征着不同比值。依循拟定好的这些比值，可把选出来的区域电场，分出四种区段。具体而言，若预设的通信距离偏近，或拟定好的频次偏低，那么这一区段被设定成准静区。伴随距离拓展，细分出来的这些区段，依次设定成近区、中部架构下的中间区、偏远的区段。测量得来的频率范围，关涉着对应情形下的波长。例如：频率被拟定成10k赫兹这一数值以内，那么波长表征的数值，就被限缩在30千米；依循这一递增规律，可以推测得来幅值特有的衰减常数。由此可得，在偏低频次特有的区段内，如上的比值会满足特有的准静区；若拟定好的通信距离，没能超出2千米，那么给出来的通信范围，就被划归为近区。
1.2明晰运算流程
准静区特有的区段之中，应当经由审慎的运算，计算出拟定好的场，同时辨识场的特性。若给出来的频率既定，且通信距离特有的间隔偏近，那么体系架构以内的架设天线，就被看成近似态势下的恒流偶极子。场强及关联着的电流矩，会凸显出正比的关联；然而，场强与运算得来的电导率、场地固有的水平距离，却带有反比的关联。若拟定好的频率升高，则原初的这种距离，就会快速缩减。如上的运算中，没能考量偶极子特有的埋设深度。真实态势下，水平方位的这种偶极子，会被安设于特有高度的通信线路之内。真正去计算时，还应在拟定好的公式之中，添加衰减因子。
1.3埋地范畴内的偶极子
甚低频架构下的无线通信，拟定好的电场，会跨越这一范畴中的准静区、关联着的近区。接纳过来的信号，主要依凭运输特性的天线。为获取各个层级内的场强数量级，有必要明晰多重参数的更替规律。接收点区段之中的原有场强，会随同变更着的参数，而不断更替。例如：发射天线预设的埋设深度，被拟定成300米；拟定好的这种长度，表征着水平方位的电偶极子。运算得来的电流矩，会达到100A每米。天线固有的上侧区段，覆盖着等效特性的电导层。这一层级固有的电导率，被测定成每米0.018S。由此可推知，划分好的通信范畴，应被涵盖在准静区。把如上的条件，带入给出来的公式，就能明晰接收点关涉的电场；还能明辨电场随同频率而更替这样的规律。若选出了既定的一点，则可以明辨通信距离特有的彼此关联。
2应注重的事宜
依循地层固有的多样磁性，可以辨识这一层级以内的磁导率。除了带有铁磁特性的这种物质，其他范畴之中的关联物质，都很近似拟定好的真空状态。预设的介电常数，关联着极化场这样的频率；介电常数特有的测定及运算，也关涉周边范畴中的环境。干燥特性的区段环境，对于固定着的多重频率，都会保持恒定。潮湿特性的环境，对于关联着的声频，会凸显明晰的干扰。这样测定出来的电导率，会相差偏多的数量级。拟定好的这一电导率应被设定为恒定。为便利接续的通信设计，依循穿透点布设着的大致方向，可以经由运算，得来等效态势的电导率。把测算得来的这种参数，简化为惯常见到的、均质架构以内的电磁波，并拟定可用的穿透模式。等效情形下的电导率，可被概要拟定成平均值。在如上的运算中，应被涵盖的关联参数，包含总体的线路长度、线路固有的导体状态。依循通信地点特有的布设状态，得到平均态势中的电导率。
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软件设计
当电源上电后，程序开始初始化，各个模块开始测量数值，单片机开始读取各个模块采集回来的值，并通过液晶显示回来，比较各个模块采集值与阀值的大小，当超过阀值时，通过GSM短信报警。其程序流程图如图4所示。
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。
随着高科技信息技术的不断发展，在3G向着4G转变的过程中，无线通信系统正在逐渐的变得更加完善，尤其是卫星通信技术的不断发展，成为通信产业未来发展的重要方向。在实践过程中，无线通信技术在广播电视卫星通信中的应用，必须注重卫星通信的独特性、广泛性和高科技性等，才能在充分开展各种地面业务的同时，推动卫星通信技术改革和创新，最终实现卫星通信技术和无线通信业务的融合。现展中，4G通信技术的产生，使各国之间的交流和沟通变得更加频繁，也使无线通信技术发生了历史性的转变，并给广播电视卫星通信带来非常深远的影响。一般情况下，卫星通信技术主要是作为应急通信技术在使用，可以在自然灾害发生时发挥着重要作用，因此，对无线通信系统的发展也有着非常重要的影响，在与地面业务传输网络相结合应用的过程中，使各种信息传输的速度得到有效提高，并保证了传输信息的高质量、高速度、高效率和高覆盖，从而显示出卫星通信技术与地面业务传输网络之间有着相互补充和影响的特点。
由此可见，卫星通信系统与地面业务传输系统在空中接口中的完美融合，才能使网络通信技术获得不断发展，并促进无线通信系统不断发展。因此，想要更快的进入4G通信时代，就必须高度重视通信技术改革和创新，不断加大投入力度，才能真正实现无线通信系统的现代化发展。在无线通信技术不断发展的过程中，卫星空间段通信的某些部分与地面段通信某些部分的不是完善，在一定程度上构建成了一个完整的、具有复杂性质的混合体结构。现代高科技技术中，用于上行链路的SC―FDMAR技术和用于下行链路的基于OFDM技术的接入方式等，都是高速数据传输系统中效果较好的新型多址方式，在LTE的接入方式中也得到了有效运用，从而对宽带多媒体卫星通信系统的空中接口技术有着更高的要求。
因此，在通信技术的不断发展和端口到端口对接系统不断演化的大环境下，想要不断提高卫星通信的市场竞争力，就必须快速适应现代快速变化的通信环境，注重端口到端口的卫星通信基础设施的建设，提高其技术水平，才能真正发挥卫星通信系统的综合效用，促进我国广播电视产业长远发展。目前，卫星通信技术的发展方向主要有如下几个方面：一是，对不同区域的资源进行灵活配置；二是，注重直连性，以保证不同区域之间的配置可以哼哼的进行星型互联；三是，在移动和固定两种情况下，确保终端用户可以拥有更好的宽带容量；四是，在满足地面业务多样化需求的同时，不断增加卫星通信系统的容量；五是，在端口对端口的相关设施中，采用混合通信业务模式，以不断提高数据观测和定位能力；六是，注重卫星通信的中继功能，以确保空间通信网络的数据链路高速性、网络实时性和永久性。根据通信技术的发展情况可知，目前其正处于融合下一代移动网络的趋势中，在提高山区和通信不良好地区的通信能力上发挥着重要作用。与此同时，卫星通信网络和地面业务系统的相关联结，成为地面传输业务的重要组成部分，从而使传统通信技术和卫星通信产业的相互融合，成为未来通信技术发展的核心和重要方向。
综上所述，无线通信技术给广播电视卫星通信带来了非常深远的影响，在保证地面传输系统不断完善的同时，提高了通信信息的传输质量、有效性和速度，在推动广播电视产业长远发展上发挥着重要作用。
作者：刘昶阅 单位：国家广电总局无线电台管理局七八三台
24G无线通信系统的网络安全威胁
2.1移动终端的安全威胁
①由于移动终端使用的是不同类型的操作系统，这些移动操作系统具有诸多公开漏洞，因而造成了移动终端的不安全性；
②因移动终端对于那些基于无线网络的电子商务、电子邮件等应用的支持性越来越普遍，这些无线应用的程序漏洞、安全隐患、病毒感染渠道等加大了无线终端的安全威胁；
③伴随病毒种类的不断增加，传统防病毒软件体积也越来越大，而移动终端有限的计算能力、存储能力、电池容量会逐渐无法适应和满足；
④因缺乏完整性、机密性、完善性的保护验证机制和访问控制机制，移动终端硬件平台中的各个模块、内部各个通行接口极易遭到攻击者的篡改、窃听信息、非法访问、信息窃取等。
2.2无线网络的安全威胁
①因无线网络的融合、共存特点，用户能够任意在不同系统之间漫游与切换，加大了无线网络移动性管理的安全威胁；
②4G网络必须与异构非IP网络相连接，且需有可靠的QoS提供，若无法满足这些条件则会存在安全隐患；
③无线网络由安全机图14G无线通信网络体系结构制、协议与体系构成，不同的无线网络具有差异性，在网络融合中会有安全威胁，且无线网络结构的不同也易造成容错性。
2.3无线业务的安全威胁
①随着基于电子商务的无线应用及增值业务的推陈出新，提出了更加高级的安全需求，但现有的安全机制却难以满足；
②因缺少完善的安全交易凭证，无线业务的利益冲突会越来越多；
③由于一次无线移动业务中会涉及多个网络运营商、业务提供商的服务，利益争端更为复杂，业务安全威胁更高。
34G无线通信系统的网络安全防护措施
3.1移动终端的安全防护措施
①在物理硬件的安全防护方面，为削弱物理接口的被攻击性，需要提升集成度，增加电流与电压检测电路，提高启动、检验与存储等方面的完善性；②在操作系统方面，需选用可靠性强的操作系统，并加固操作系统，使系统能够满足混合式访问控制、远程验证、域隔离控制等的安全操作。
3.2无线接入网的安全防护措施
①高可靠性载体是移动终端与无线接入网建立连接的第一道关卡，以数字证书等载体构建双向身份认证机制；
②采用相关技术措施（如物理地址过滤、端口访问控制等）设置无线接入网的细粒度访问控制策略；
③为防止非可信移动终端接入无线接入网络，需运用无线接入网自身安全策略来实现可信移动终端的安全接入功能，或是借助相关辅助安全设备来实现安全接入；
④根据业务需求，移动终端在与无线接入网进行传输过程中需建设加密传输通道，以自主设置数据传输方式来实现安全传输，或是开设专用网络来实现物理、逻辑隔离；
⑤满足无线接入网的安全数据过滤功能，发挥该功能对无线接入网资源在内部系统或核心网中的安全性，防止非法数据的侵入；
⑥为针对性、有效性分析和记录移动终端的行为规律、异常操作，以保障无线接入网的可靠性与高效性，需要结合移动终端的访问行为、无线接入设备的运作情况来构建统一的监控和审计系统。
