Muestra de tesis informática 5000 palabras
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Muestra de artículo de computadora 1: Análisis de la composición del sistema de radio cognitivo y escenarios de aplicación
Composición del sistema de radio cognitivo
El sistema de radio cognitivo se refiere al uso de radio cognitivo It es un sistema de comunicación inalámbrica con tecnología avanzada que hace que los sistemas de comunicación sean más flexibles con la ayuda de plataformas transceptoras más flexibles e inteligencia informática mejorada. El sistema de radio cognitivo incluye principalmente tres módulos funcionales: adquisición de información, aprendizaje y toma y ajuste de decisiones, como se muestra en la Figura 1 [3].
La característica principal de un sistema de radio cognitivo es la capacidad de adquirir conocimiento del entorno externo de la radio, el estado interno y las políticas relacionadas, así como la capacidad de monitorear las necesidades del usuario. El sistema de radio cognitivo tiene la capacidad de obtener el entorno de radio externo y analizarlo y procesarlo. Por ejemplo, analizando el uso actual del espectro, se puede expresar la frecuencia portadora y el ancho de banda de comunicación del sistema de comunicación inalámbrico, así como su cobertura y nivel de interferencia. incluso se puede obtener información; el sistema de radio cognitivo tiene la capacidad de obtener información del estado interno de la radio, que se puede obtener a través de su información de configuración, información de distribución de carga de tráfico, potencia de transmisión, etc.; la información de política relevante y la información de política de radio estipulan la banda de frecuencia que el sistema de radio cognitivo puede usar en un entorno específico, la potencia máxima de transmisión y la frecuencia y el ancho de banda de los nodos adyacentes, etc., el sistema de radio cognitivo tiene la capacidad de monitorear; necesidades del usuario y tomar decisiones y ajustes basados en las necesidades del usuario. Como se muestra en la Tabla 1, las necesidades comerciales de los usuarios generalmente se pueden dividir en tres categorías: voz, datos en tiempo real (como imágenes) y datos en tiempo no real (como paquetes de archivos grandes). Los diferentes tipos de servicios tienen diferentes características. Requisitos para la QoS de comunicación.
La segunda característica principal de los sistemas de radio cognitivos es la capacidad de aprender. El objetivo del proceso de aprendizaje es mejorar el rendimiento utilizando información de decisiones y resultados previamente almacenados del sistema de radio cognitivo. Según los diferentes contenidos de aprendizaje, los métodos de aprendizaje se pueden dividir en 3 categorías. El primer tipo es el aprendizaje supervisado, que se utiliza para aprender el entorno externo, principalmente utilizando información medida para entrenar al estimador; el segundo tipo es el aprendizaje no supervisado, que se utiliza para aprender el entorno externo, principalmente extrayendo parámetros relacionados con el entorno externo. Las reglas cambiantes; la tercera categoría es el aprendizaje por refuerzo, que se utiliza para aprender reglas o comportamientos internos, principalmente a través de mecanismos de recompensa y castigo para resaltar las reglas o comportamientos que se adaptan al entorno actual, y abandonar las reglas o comportamientos que no son adecuados. para el entorno actual. La tecnología de aprendizaje automático se puede dividir en aprendizaje mecánico, aprendizaje basado en explicaciones, aprendizaje guiado, aprendizaje analógico y aprendizaje inductivo según el mecanismo de aprendizaje.
La tercera característica principal de un sistema de radio cognitivo es la capacidad de ajustar de forma dinámica y autónoma sus parámetros y protocolos de funcionamiento en función de los conocimientos adquiridos, con el fin de alcanzar algunos objetivos predeterminados, como evitar interferencias con otros sistemas. Interferencias adversas con los sistemas de radio. La ajustabilidad de los sistemas de radio cognitivos no requiere la intervención del usuario. Puede ajustar los parámetros de trabajo en tiempo real para lograr una calidad de comunicación adecuada; o cambiar la tecnología de acceso inalámbrico en una determinada conexión o ajustar los recursos de radio en el sistema o ajustar la potencia de transmisión para reducir la interferencia; Los sistemas de radio cognitivos analizan los conocimientos adquiridos, toman decisiones y reconstruyen de forma dinámica y autónoma. Después de tomar decisiones de reconfiguración, en respuesta a comandos de control, el sistema de radio cognitivo puede cambiar sus parámetros y/o protocolos operativos basándose en estas decisiones. El proceso de toma de decisiones para los sistemas de radio cognitivos puede incluir comprender las necesidades de múltiples usuarios y el entorno operativo inalámbrico, y establecer una política destinada a seleccionar configuraciones apropiadas para respaldar las necesidades únicas de estos usuarios.
La relación entre la radio cognitiva y otras radios
Antes de que se propusiera la radio cognitiva, ya existían algunos conceptos de "tal o cual radio", como radio definida por software, radio adaptativa , etc. Su relación con la radio cognitiva se muestra en la Figura 2. La radio definida por software se considera una tecnología habilitadora para sistemas de radio cognitivos. La radio definida por software no requiere las características de CRS para funcionar. SDR y CRS se encuentran en diferentes etapas de desarrollo, es decir, se han utilizado sistemas de comunicación por radio que utilizan aplicaciones SDR, mientras que CRS se encuentra en etapa de investigación y sus aplicaciones también se están estudiando y probando.
SDR y CRS no son servicios de radiocomunicación, sino tecnologías que pueden utilizarse de manera integral en cualquier servicio de radiocomunicación. Las radios adaptativas ajustan parámetros y protocolos para adaptarse a canales y entornos preestablecidos. En comparación con la radio cognitiva, la radio adaptativa no tiene la capacidad de aprender de los conocimientos adquiridos y las decisiones tomadas, ni puede mejorar la forma de adquirir conocimientos y ajustar las decisiones correspondientes a través del aprendizaje. y ambientes. Una radio reconfigurable es una radio cuya funcionalidad de hardware se puede cambiar mediante control de software, con la capacidad de actualizar algunas o todas las formas de onda de la capa física, así como capas superiores de la pila de protocolos. Las radios basadas en políticas se pueden actualizar para adaptarse a las políticas regulatorias locales sin cambiar el software interno. Al igual que ocurre con las redes de radio más nuevas, los enrutadores de Internet siempre se han basado en políticas. Esto permite a los operadores de red utilizar políticas para controlar el acceso, asignar recursos y modificar la topología y el comportamiento de la red. Para la radio cognitiva, la tecnología basada en políticas debería permitir que los productos se utilicen en todo el mundo, se adapten automáticamente a los requisitos regulatorios locales y se actualicen automáticamente a medida que las reglas regulatorias cambian con el tiempo y la experiencia. Una radio inteligente es una radio que predice el futuro basándose en las condiciones anteriores y actuales y se ajusta con antelación. En comparación con las radios inteligentes, donde las radios adaptativas solo determinan estrategias y realizan ajustes en función de la situación actual, las radios cognitivas pueden aprender, determinar estrategias y realizar ajustes en función de resultados anteriores.
Tecnologías clave de la radio cognitiva
Las tecnologías clave de los sistemas de radio cognitiva incluyen la tecnología de detección de espectro inalámbrico, la tecnología de gestión inteligente de recursos, la tecnología de transmisión adaptativa y la tecnología de diseño entre capas. La radio distingue las tecnologías características de la radio tradicional [4, 5].
Según la estrategia de detección, la detección de espectro se puede dividir en detección de capa física, detección de capa MAC y detección colaborativa multiusuario, como se muestra en la Figura 3. 3.1.1 Detección de la capa física El método de detección de la capa física es principalmente determinar si la banda de frecuencia está ocupada detectando si hay una señal de usuario autorizada en el dominio del tiempo, el dominio de la frecuencia y el dominio del aire. Se puede dividir en los siguientes tres métodos: Los principales métodos de detección del transmisor incluyen detección de energía, detección de filtro adaptado, detección de características cicloestacionarias, etc., así como la detección de antenas múltiples basada en uno de estos métodos. Cuando el receptor del usuario autorizado recibe una señal, es necesario utilizar un oscilador local para convertir la señal de alta frecuencia a frecuencia intermedia. Durante este proceso de conversión, parte de la energía de la señal del oscilador local inevitablemente se filtrará a través de la antena, por lo que puede. Esto se puede lograr convirtiendo la frecuencia baja a la frecuencia intermedia. El sensor de detección de consumo de energía se coloca cerca del receptor del usuario autorizado para detectar la fuga de energía de la señal del oscilador local, determinando así si el receptor del usuario autorizado está funcionando. El modelo de temperatura de interferencia permite a las personas cambiar la forma de evaluar la interferencia del funcionamiento de una gran cantidad de transmisores a la interacción en tiempo real entre transmisores y receptores de manera adaptativa. La base es el mecanismo de temperatura de interferencia, es decir, a través del. Lado del receptor del usuario autorizado. Temperatura de interferencia para cuantificar y gestionar fuentes de interferencia en entornos de comunicación inalámbrica. La detección de la capa MAC se centra principalmente en cómo mejorar el rendimiento o la utilización del espectro en condiciones multicanal. Además, también optimiza la secuencia de detección de canales y el período de detección para maximizar la cantidad de canales inactivos disponibles detectados o minimizar el tiempo promedio de búsqueda de canales. . La detección de la capa MAC se puede dividir principalmente en los dos métodos siguientes: La detección activa es una detección periódica, es decir, cuando el usuario cognitivo no tiene necesidades de comunicación, los canales relevantes se detectarán periódicamente. La información obtenida mediante la detección periódica se puede estimar. Propiedades estadísticas del uso del canal. La detección pasiva también se denomina detección bajo demanda. Los usuarios cognitivos solo detectan todos los canales autorizados en secuencia cuando tienen necesidades de comunicación hasta que encuentran un canal inactivo disponible. Debido a factores desfavorables como el desvanecimiento por trayectos múltiples y las sombras de oclusión, es difícil para un único usuario cognitivo tomar una decisión correcta sobre si existe una señal de usuario autorizada. Por lo tanto, varios usuarios cognitivos deben cooperar entre sí para mejorar la sensibilidad y la sensibilidad. precisión de la detección del espectro, y Reducir el tiempo de detección. La detección colaborativa combina la tecnología de detección de las funciones de la capa física y la capa MAC. No solo requiere que cada usuario cognitivo tenga una tecnología de detección de la capa física de alto rendimiento, sino que también requiere que la capa MAC tenga mecanismos eficientes de programación y coordinación.
El objetivo de la gestión inteligente de recursos es maximizar la eficiencia del espectro y la capacidad del sistema dentro de un ancho de banda limitado mientras se cumplen los requisitos de QoS del usuario y se evita de manera efectiva la congestión de la red.
En los sistemas de radio cognitivos, la capacidad total de la red tiene cierta variabilidad en el tiempo, por lo que es necesario adoptar un cierto algoritmo de control de acceso para garantizar que las conexiones recién accedidas no afecten los requisitos de QoS de las conexiones existentes en la red. Los modelos conceptuales de acceso dinámico al espectro generalmente se pueden dividir en tres categorías, como se muestra en la Figura 4. El modelo dinámico exclusivo conserva la estructura básica de la actual política estática de gestión del espectro, es decir, el espectro se concede en licencia a servicios de comunicaciones específicos para uso exclusivo. La idea principal de este modelo es introducir oportunidades para mejorar la utilización del espectro e incluye dos métodos de implementación: derechos de propiedad del espectro y asignación dinámica del espectro. El modelo de compartición abierta, también conocido como modelo público de espectro, abre el espectro a todos los usuarios para que lo compartan, como el método de compartición abierta de la banda de frecuencia ISM. La idea central del modelo de acceso jerárquico es abrir el espectro con licencia a los usuarios sin licencia, pero restringir las operaciones de los usuarios sin licencia hasta cierto punto para evitar interferencias con los usuarios autorizados. Hay dos tipos de espectro subyacente y llenado de espectro. La asignación de espectro en radio cognitiva se basa principalmente en dos estrategias de acceso: ① Acceso al espectro ortogonal. En el acceso al espectro ortogonal, solo se permite que un usuario cognitivo acceda a cada canal o portadora a la vez. Una vez completada la asignación, los canales de comunicación entre los usuarios cognitivos son ortogonales entre sí, es decir, no hay interferencia entre los usuarios. o la interferencia es insignificante). ②*** Disfrute del acceso al espectro. En el acceso al espectro compartido, los usuarios cognitivos acceden a múltiples canales o operadores de usuarios autorizados al mismo tiempo. Además de la tolerancia a la interferencia de los usuarios autorizados, los usuarios también deben considerar la interferencia de otros usuarios. De acuerdo con las limitaciones de tolerancia a la interferencia de los usuarios autorizados, las dos estrategias de acceso anteriores se pueden dividir en los dos modos de acceso al espectro siguientes: acceso al espectro de relleno y acceso al espectro subyacente. Para el acceso al espectro de relleno, los usuarios cognitivos esperan el acceso oportunista a los "huecos del espectro". Solo necesitan transferir el espectro de manera oportuna cuando los usuarios autorizados aparecen sin problemas de interferencia adicionales al compartir canales con usuarios autorizados. es fácil de implementar y no requiere equipos de comunicación existentes para proporcionar parámetros de tolerancia a interferencias. En el modo de acceso al espectro subyacente, los usuarios cognitivos y los usuarios autorizados comparten el espectro y deben considerar restricciones de interferencia adicionales al utilizar el canal.
Sin afectar la calidad de la comunicación, el control de potencia se puede utilizar para minimizar la potencia de la señal transmitida, lo que puede mejorar la capacidad del canal y aumentar el tiempo de espera del terminal de usuario. El diseño del algoritmo de control de potencia en redes de radio cognitivas se enfrenta a un problema de optimización conjunta de múltiples objetivos. Debido a los diferentes requisitos de los diferentes objetivos, existen muchas soluciones de compromiso. Según los diferentes escenarios de aplicación, los algoritmos de control de potencia existentes en las redes de radio cognitivas se pueden dividir en dos categorías principales: una es la estrategia de control de potencia adecuada para escenarios distribuidos y la otra es la estrategia de control de potencia adecuada para escenarios centralizados. La mayoría de las estrategias de control de poder en escenarios distribuidos se basan en la teoría de juegos. Algunas también se refieren a los métodos de control de poder en las redes Adhoc tradicionales, comenzando desde estrategias centralizadas y luego convirtiendo estrategias centralizadas en estrategias distribuidas, mientras que la mayoría de las estrategias de control en escenarios centralizados; aprovechar la capacidad de la estación base para procesar información de forma centralizada y adoptar una estrategia conjunta, es decir, combinar el control de potencia con la asignación de espectro o considerar conjuntamente el control de potencia y el control de acceso.
La transmisión adaptativa se puede dividir en transmisión adaptativa basada en servicios y transmisión adaptativa basada en la calidad del canal. La transmisión adaptativa basada en servicios tiene como objetivo cumplir con los diferentes requisitos de QoS de la transmisión multiservicio. Se implementa principalmente en la capa superior sin considerar el rendimiento de transmisión real de la capa física. Esta tecnología de transmisión adaptativa se considera actualmente en redes cableadas. La radio cognitiva puede utilizar tecnologías relacionadas para optimizar los parámetros de radio y ajustar las estrategias de transmisión relacionadas en función de los parámetros ambientales percibidos y los resultados de la estimación del canal. La optimización aquí significa que el sistema de comunicación inalámbrica minimiza los recursos que consume mientras cumple con el nivel de rendimiento del usuario, como minimizar el ancho de banda ocupado y el consumo de energía. Los parámetros que pueden ser ajustados por la capa física y la capa de control de medios incluyen la frecuencia central, el método de modulación, la velocidad de símbolos, la potencia de transmisión, el método de codificación de canal, el método de control de acceso, etc. Obviamente, este es un proceso de optimización no lineal, multiparamétrico y multiobjetivo.
Las pilas de protocolos en capas existentes solo consideran las peores condiciones de comunicación al diseñar, lo que resulta en la incapacidad de utilizar de manera efectiva recursos de espectro y recursos de energía limitados. El diseño entre capas coordina la operación de cada capa mediante la introducción y transmisión de información específica entre cada capa de la pila de protocolos en capas existente para adaptarse al complejo y cambiante entorno de la red de comunicación inalámbrica, satisfaciendo así las necesidades de los usuarios para diversas tecnologías nuevas. aplicaciones empresariales.
El núcleo del diseño entre capas es permitir que cada capa de la pila de protocolos en capas optimice y configure de forma adaptativa varios recursos de la red de acuerdo con los cambios en el entorno de la red y las necesidades del usuario. En los sistemas de radio cognitivos, existen principalmente las siguientes tecnologías de diseño entre capas: para seleccionar los huecos de espectro apropiados, las estrategias de gestión dinámica del espectro deben considerar requisitos de QoS de alto nivel, información de enrutamiento, planificación y detección, y entre las distintas capas de El protocolo de comunicación. La influencia mutua y la estrecha integración de la capa física hacen que la solución de gestión dinámica del espectro deba diseñarse a través de capas. La función de movilidad del espectro debe combinarse con otras funciones de gestión del espectro, como la detección del espectro, para determinar conjuntamente una banda de frecuencias disponible. Para estimar el impacto de la duración de la transferencia de espectro en el rendimiento de la red, se requiere información de la capa de enlace y los retrasos percibidos. La capa de red y la capa de aplicación también deben conocer esta duración para reducir la degradación repentina del rendimiento. Además, la información de enrutamiento también es importante para el proceso de descubrimiento de rutas mediante la conmutación de espectro; El rendimiento de la compartición del espectro depende directamente de la capacidad de detección del espectro en la red de radio cognitiva. La detección del espectro es principalmente una función de la capa física. Sin embargo, en el caso de la detección cooperativa del espectro, los usuarios de radio cognitiva necesitan intercambiar información de detección, por lo que es necesario un diseño transversal entre la detección del espectro y el uso compartido del espectro. En un sistema de radio cognitivo, dado que el espectro disponible para cada salto en la comunicación de múltiples saltos puede ser diferente, la configuración de la topología de la red necesita conocer la información de detección del espectro. Además, una idea principal del diseño de enrutamiento del sistema de radio cognitivo es. enrutamiento y espectro combinados con la toma de decisiones.
Escenarios de aplicación de radio cognitiva
Los sistemas de radio cognitivos no solo pueden utilizar el espectro de manera efectiva, sino que también tienen muchas capacidades potenciales, como mejorar la flexibilidad del sistema, mejorar la tolerancia a fallas y mejorar la eficiencia energética. . Teniendo en cuenta las ventajas anteriores, la radio cognitiva tiene amplias perspectivas de aplicación en los campos civil y militar.
La eficiencia espectral se puede mejorar no sólo mejorando la eficiencia espectral de un único dispositivo de acceso inalámbrico, sino también mejorando el rendimiento del almacenamiento de cada tecnología de acceso inalámbrico. Se espera que esta nueva forma de utilización del espectro aumente el rendimiento del sistema y el valor económico del espectro. Por lo tanto, estas mejoras en el rendimiento de guardar/compartir de los sistemas de radio cognitivos promueven el desarrollo de una nueva forma de utilización del espectro y permiten que sea posible un nuevo acceso al espectro de una manera de guardar/compartir espectro. Las capacidades de los sistemas de radio cognitivos también ayudan a mejorar la flexibilidad del sistema, lo que incluye principalmente mejorar la flexibilidad de la gestión del espectro, mejorar la flexibilidad del funcionamiento del equipo durante el ciclo de vida y mejorar la robustez del sistema. La tolerancia a fallas es un desempeño importante de los sistemas de comunicación, y la radio cognitiva puede mejorar efectivamente la tolerancia a fallas de los sistemas de comunicación. Por lo general, la tolerancia a fallas se basa principalmente en pruebas en máquina, aislamiento de fallas y medidas de corrección de errores. Otra ventaja de la radio cognitiva para la tolerancia a fallas es la capacidad de los sistemas de radio cognitiva para aprender mensajes de falla, respuesta y error. Los sistemas de radio cognitivos pueden mejorar la eficiencia energética ajustando los parámetros operativos, como el ancho de banda o los algoritmos de procesamiento de señales, según los requisitos comerciales.
Lo que la radio cognitiva quiere resolver es el problema de la utilización de recursos. Las ventajas de su aplicación en zonas rurales se pueden resumir de la siguiente manera. Las principales bandas de frecuencia utilizadas en el espectro radioeléctrico rural son las bandas de radiodifusión, televisión y comunicaciones móviles. Sus características son que la ocupación de las bandas de frecuencia de transmisión es básicamente la misma que la de las ciudades, la utilización de las bandas de televisión es menor que la de las ciudades y la ocupación de las bandas de comunicaciones móviles es menor que la de las ciudades. Por lo tanto, considerando el dominio de la frecuencia, los recursos de frecuencia disponibles son más ricos que los de las ciudades. Las economías rurales generalmente están menos desarrolladas que las ciudades. Excepto por la ocupación relativamente fija de las bandas de televisión, la tasa de utilización de las comunicaciones móviles no es tan alta como la de las ciudades. Por lo tanto, la tasa de utilización de las frecuencias asignadas es relativamente baja. Debido a las zonas rurales escasamente pobladas y a la limitación del radio de radiación de las células móviles, un gran número de zonas no tienen cobertura de frecuencia de comunicaciones móviles, especialmente en zonas remotas, donde los recursos disponibles en el espacio de frecuencias son bastante abundantes.
En un entorno inalámbrico heterogéneo, uno o más operadores ejecutan múltiples redes de acceso inalámbrico en diferentes bandas de frecuencia que se les asignan. El uso de tecnología de radio cognitiva permite a los terminales elegir diferentes operadores y/o capacidades de diferentes redes de acceso de radio. , algunos de los cuales también pueden tener la capacidad de admitir múltiples conexiones simultáneas en diferentes redes de acceso de radio. Dado que el terminal puede utilizar múltiples redes inalámbricas al mismo tiempo, aumenta el ancho de banda de comunicación de la aplicación. A medida que el terminal se mueve y/o cambia el entorno inalámbrico, se pueden cambiar rápidamente las redes inalámbricas apropiadas para garantizar la estabilidad.
En el campo de las comunicaciones militares, los posibles escenarios de aplicación de la radio cognitiva incluyen los siguientes tres aspectos.
Comunicación cognitiva resistente a interferencias. Debido a que la radio cognitiva le da a la radio la capacidad de percibir el entorno circundante, puede extraer las características de las señales de interferencia y luego seleccionar estrategias de comunicación antiinterferente apropiadas basadas en la información de percepción del entorno electromagnético, las características de las señales de interferencia y las necesidades del servicio de comunicación, en gran medida. mejorando el rendimiento de la radio. Percepción del entorno electromagnético del campo de batalla. Una de las características de la radio cognitiva es la integración de la comunicación y la detección ambiental inductiva. Dado que cada estación de radio es a la vez una radio de comunicación y una radio de detección de entorno electromagnético, las radios se pueden utilizar para formar una red de detección de entorno electromagnético para cumplir de manera efectiva los requisitos de tiempo completo, banda completa y región completa para la detección de entorno electromagnético. Gestión del espectro electromagnético en el campo de batalla. El espectro electromagnético en los campos de batalla modernos ya no es el espectro de radiocomunicaciones tradicional, y las estrategias estáticas y centralizadas de gestión del espectro ya no pueden satisfacer los requisitos de una guerra moderna flexible y cambiante. La gestión del espectro electromagnético en el campo de batalla basada en tecnología de radio cognitiva brinda capacidades de detección del espectro a varios elementos de combate, lo que permite que el monitoreo y la gestión del espectro se realicen simultáneamente, mejorando en gran medida la cobertura de la red de monitoreo del espectro y ampliando las bandas de frecuencia cubiertas por la gestión del espectro.
Conclusión
Cómo mejorar la utilización del espectro para satisfacer las necesidades de ancho de banda de los usuarios; cómo hacer que la radio sea inteligente para que pueda descubrir de forma autónoma cuándo, dónde y cómo utilizar los servicios de información de adquisición de recursos inalámbricos; cómo obtener información del entorno de manera efectiva, aprender, tomar decisiones efectivas y hacer ajustes, todos los cuales son problemas que deben resolverse mediante la tecnología de radio cognitiva. La introducción de la tecnología de radio cognitiva proporciona un fuerte apoyo para lograr la percepción inalámbrica del entorno, la gestión dinámica de recursos, la mejora de la utilización del espectro y el logro de una comunicación confiable. La radio cognitiva tiene amplias perspectivas de aplicación y es otro hito en el desarrollo de la tecnología de radio.
Muestra dos de papel de computadora: Investigación de diseño de un sistema de control inalámbrico remoto
1 Introducción
Con el desarrollo de la industria aeroespacial de mi país, las tareas realizadas por los barcos de reconocimiento Han surgido La tendencia de alta densidad y alta intensidad ha provocado que el trabajo de preparación de tareas durante la terminal se vuelva cada vez más arduo. Frente a la realidad de múltiples proyectos de evaluación, corto tiempo de evaluación y evaluación comparativa coordinada de múltiples barcos, cómo mejorar la eficiencia. de la evaluación comparativa y garantizar una evaluación comparativa segura y confiable? Debido a requisitos de confidencialidad, el sistema de control de calibración remoto desarrollado originalmente no se puede conectar a la red existente, y establecer una red privada es costoso y rentable, por lo que no es la primera opción. En los últimos años, la comunicación inalámbrica se ha convertido en la tecnología de más rápido crecimiento y más utilizada en el campo de la información y la comunicación. Se utiliza ampliamente en el hogar, la agricultura, la industria, el sector aeroespacial y otros campos, y se ha convertido en una parte indispensable de la vida social. en la era de la información [1], esta tecnología también brinda soporte para el control remoto de equipos de calibración en barcos de reconocimiento. Este documento compara los métodos de comunicación inalámbrica de media y larga distancia comúnmente utilizados, selecciona puentes inalámbricos, adopta el modo de red de retransmisión de puente y realiza la medición de equipos de barco a remoto mediante el desarrollo de un módulo de control de red en el lado del equipo remoto y el control correspondiente. software de control eficaz y seguro.
2 Comparación de métodos de comunicación inalámbrica
La tecnología de comunicación inalámbrica es un método de comunicación que utiliza señales de ondas electromagnéticas para propagar información en el espacio libre. Se puede dividir en dos categorías según los aspectos técnicos. forma: primero, tecnologías de acceso basadas en celulares, como datos de paquetes digitales celulares, tecnología de transmisión inalámbrica de paquetes generales, EDGE, etc., en segundo lugar, tecnologías basadas en redes de área local, como WLAN, Bluetooth, IrDA, Home-RF, micro; -potencia de tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance, etc. En las comunicaciones inalámbricas de media y larga distancia se utilizan comúnmente tecnologías de comunicación de banda ISM (como ZigBee y otros módulos de transmisión de datos de banda de frecuencia, etc.) y tecnologías de redes inalámbricas (como GSM, GPRS y puentes inalámbricos, etc.). La frecuencia de comunicación del módulo de transmisión de datos basado en la banda de frecuencia ISM es la banda de frecuencia pública y no existen restricciones en el desarrollo de productos, por lo que se ha desarrollado muy rápidamente y se ha utilizado ampliamente. Especialmente la tecnología ZigBee emergente en los últimos años, debido a su bajo consumo de energía, baja complejidad y bajo costo, especialmente el método de red autoorganizado, no hay límite en la cantidad de dispositivos en el segmento de red y puede completarse de manera flexible. enlaces de red.En lo inteligente Se ha aplicado en el desarrollo de sistemas de red como el doméstico y la lectura de contadores inalámbricos [2]. Sin embargo, para el desarrollo de este sistema, los módulos de hardware del punto de control y el punto controlado deben desarrollarse por separado, y el entorno de red debe configurarse mediante software. El ciclo de desarrollo es largo y el costo de desarrollo es alto, por lo que. no es la solución óptima para el desarrollo de este sistema.
Las tecnologías de comunicación móvil inalámbrica como GSM y GPRS se han convertido en una parte indispensable de la vida diaria de las personas, sin embargo, sus aplicaciones en otros campos como el posicionamiento inalámbrico y el control remoto también son comunes [3]. confidencialidad. Factores como los costos de comunicación y los costos de desarrollo no se pueden aplicar al desarrollo de este sistema. El puente inalámbrico proporciona un apoyo favorable para la investigación y el desarrollo de este sistema de alta eficiencia y bajo costo, y es el método de comunicación inalámbrica preferido para el desarrollo de este sistema. Un puente inalámbrico es un puente de redes inalámbricas. Puede construir un puente de comunicación entre dos o más redes y también es una rama de un punto de acceso inalámbrico. Los puentes inalámbricos funcionan en las bandas de frecuencia inalámbricas sin licencia de 2,4 GHz o 5,8 GHz, por lo que son más convenientes de implementar que otros equipos de red cableados y son especialmente adecuados para comunicaciones de corta y larga distancia en ciudades.
3 Diseño del sistema
El sistema de control remoto tiene como objetivo garantizar el control efectivo de los equipos de calibración remota por parte del barco de medición, incluido el encendido y apagado de los equipos de calibración y la recolección. de parámetros de estado, etc., compuesto principalmente por un microordenador de control del barco de medición, un equipo de calibración, un módulo de control de red, un microordenador de control principal y un puente de red inalámbrica. El flujo de trabajo es el siguiente: el microordenador de control del barco de medición o el microordenador de control principal envía instrucciones de control, difunde información a través del puente inalámbrico y el módulo de control de red recibe y analiza las instrucciones y las envía a un determinado equipo de calibración a través del puerto serie de acuerdo al formato de datos especificado por el protocolo Modbus. El equipo escolar responde a las instrucciones de control y las ejecuta. El módulo de control de red envía periódicamente instrucciones de consulta, empaqueta los datos de estado recopilados y los envía a la computadora de control remoto de forma inalámbrica para facilitar al operador. escucha. El protocolo de comunicación de red adopta el modo UDP. Para el microordenador de control del barco de medición y el microordenador de control principal, solo necesita enviar o recibir paquetes UDP de acuerdo con un determinado formato de datos. El módulo de control de red es el componente central del sistema y el foco de la investigación y diseño de este artículo. En la actualidad, los chips de red de uso común incluyen principalmente ENC28J60, CP2200, etc. Aquí, se seleccionó ENC28J60 para diseñar y procesar un circuito de hardware basado en el microcontrolador STC89C52RC. Mediante el desarrollo del módulo de software de procesamiento de información de la red, se cumplen los requisitos funcionales para la interacción de la información de la red; mediante el desarrollo del módulo de software del protocolo del puerto serie Modbus, se cumple la función de monitoreo del equipo de calibración, logrando así los objetivos de diseño del sistema.
3.1 Modo de red
El puente inalámbrico tiene tres modos de funcionamiento, a saber, conexión punto a punto, punto a multipunto y retransmisión. De acuerdo con los requisitos de control del sistema y los factores ambientales, este sistema adopta el método de conexión de relé y su topología de red se muestra en la Figura 1. Se puede ver claramente en la figura que este método de conexión de relé organiza dos puentes inalámbricos en el extremo del control remoto para comunicarse con el punto de control principal y el cliente respectivamente, y completa la interacción de datos a través del módulo de control de red para completar la conexión en red.
3.2 Precauciones de seguridad
Debido a su diseño abierto, la seguridad de la red inalámbrica es un tema que se debe considerar. Las características de este sistema son arranque no programado o en cualquier condición climática, los datos confidenciales son solo parámetros de frecuencia y el equipo controlado en sí tiene medidas de protección (protección de protocolo). Por lo tanto, el sistema se centra en la prevención de puntos de acceso y de ataques al diseñar el sistema. Las medidas adoptadas incluyen instalaciones de contraseña de inicio de sesión, configuración de claves de red, IP fijas, cifrado dinámico de datos confidenciales en estructuras de datos, etc., para maximizar la prevención ". siendo hackeado". Al mismo tiempo, se utilizan pararrayos de red para proteger contra los daños causados por los rayos.
3.3 Diseño del módulo de control de red
3.3.1 Diseño de hardware
La función del módulo de control de red es recibir información de comando, enviar información de estado y comunicar con el estándar a través del puerto serie El equipo escolar realiza interacción de información. Su circuito de hardware está compuesto principalmente por MCU (unidad de micro control), ENC28J60 (chip de red), Max232 (chip de puerto serie) y circuitos periféricos. Se muestra su diagrama esquemático eléctrico. en la Figura 2. El núcleo del diseño de hardware es la selección de MCU y chips de red. El microcontrolador STC89C52RC seleccionado para el MCU de este sistema es un microcontrolador CMOS de 8 bits de bajo consumo y alto rendimiento. Se puede descargar directamente mediante el puerto serie y proporciona. Muchos sistemas de aplicaciones de control integrados. Solución altamente flexible y ultraeficaz. ENC28J60 es un chip de control Ethernet altamente integrado producido por M-icrochip. Su interfaz cumple con el protocolo IEEE802.3. Solo 28 pines pueden proporcionar las funciones correspondientes, lo que simplifica enormemente el diseño relacionado.
ENC28J60 proporciona una interfaz SPI y la comunicación con la MCU se logra a través de dos pines de interrupción y SPI, con una velocidad de transmisión de datos de 10 Mbit/s. ENC28J60 cumple con todas las especificaciones IEEE802.3 y utiliza una serie de mecanismos de filtrado de paquetes para limitar los paquetes de datos entrantes. Proporciona un módulo DMA interno para lograr un rendimiento de datos rápido y un cálculo de suma de comprobación de IP compatible con hardware[4]. La interfaz de red externa de ENC28J60 utiliza HR911102A, que tiene transformadores de red, redes de resistencias y luces de visualización de estado incorporados. Tiene las características de aislamiento de señal, adaptación de impedancia, supresión de interferencias, etc., lo que puede mejorar la capacidad antiinterferencia del sistema y. la estabilidad del envío y la recepción.
3.3.2 Diseño de software
El diseño de software del módulo de control de red incluye principalmente dos partes. Una es la escritura del controlador ENC28J60 basado en el bus SPI, incluida la definición de. la estructura de la trama de datos de Ethernet, la inicialización y el envío y recepción de datos; el segundo es la preparación del protocolo Modbus, el proceso del software se muestra en la Figura 3.
3.3.2.1 Preparación del controlador para ENC28J60
(1) La estructura de la trama de datos Ethernet se ajusta al estándar IEEE802.3. La longitud de la trama Ethernet está entre 64 y 1516 bytes. compuesto por dirección MAC de destino, dirección MAC de origen, campo de tipo/longitud, carga útil de datos, campo de relleno opcional y verificación de redundancia cíclica. Además, cuando se envía un paquete de datos a través del medio Ethernet, se añade un campo de preámbulo de 7 bytes y un delimitador de inicio de trama de 1 byte al comienzo del paquete de datos Ethernet. La estructura del paquete de datos Ethernet se muestra en la Figura 4. (2) Escritura del controlador 1) Reglas de lectura y escritura de registros ENC28J60 Dado que el chip ENC28J60 utiliza el modo de interfaz serie SPI, sus reglas para leer y escribir registros internos son enviar el código de operación primero
3.3.2.2 Proceso del protocolo ModBus
La comunicación de datos del protocolo ModBus en este sistema adopta el modo RTU [5]. El módulo de control de red sirve como nodo maestro y nodo esclavo ( equipo de calibración) a través del puerto serie Establezca una conexión, el nodo maestro envía periódicamente comandos de consulta al nodo esclavo, y el nodo esclavo correspondiente responde al comando y envía información de estado del dispositivo al nodo maestro. Cuando se detectan datos de red, el comando se analiza a partir del paquete de datos recibido ENC28J60, el código de función y los datos correspondientes se enmarcan de acuerdo con la estructura del marco de datos Modbus y se envían al nodo esclavo correspondiente, y el nodo esclavo correspondiente responde al comando de control; realiza la configuración de los parámetros del dispositivo.
4 Depuración y verificación del sistema
El entorno de depuración de prueba está organizado de acuerdo con la Figura 1, e incluye principalmente 5 puentes inalámbricos, 1 punto de control principal, 2 clientes y 1 placa de módulo de control de red. y los equipos de calibración se prueban principalmente para determinar los efectos de la comunicación de la red, las capacidades de control de la red y pruebas simples de protección de seguridad.
Conclusión de la prueba: la conexión de red es confiable, cada punto de control puede controlar de manera segura dispositivos remotos, tiene ciertas capacidades de protección de seguridad y cumple completamente con los requisitos de control de dispositivos remotos.
5 Conclusión
Basado en las necesidades reales, este artículo selecciona puentes inalámbricos para realizar redes de sistemas de control remoto mediante la comparación de tecnologías de comunicación inalámbrica actualmente populares mediante el desarrollo de módulos de control de red, como; Además de la compilación del software de control correspondiente, se desarrolló un sistema para el control remoto de equipos de medición de buques. La aplicación en varios barcos de reconocimiento muestra que el uso de puentes inalámbricos para la creación de redes cumple plenamente con los requisitos de diseño del sistema, tiene las ventajas de alta seguridad, alta confiabilidad y alta escalabilidad, y desempeña un papel importante en tareas de soporte cada vez más pesadas. El método de conexión en red inalámbrica y el diseño del circuito de hardware adoptados en este sistema tienen cierto valor de referencia para otros campos de control relacionados.