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。
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]。
LTE(LongTermEvolution)技术采用的是多种技术、多点协作、自组织网络等方式，达到高峰值速率，是这一种高效的信道编译码技术。并注重保证系统的安全性，具有极强的环境适应能力，并支持大量的业务类型。例如，随着城市轨道交通快速发展，现有车地无线通信技术已经不能满足轨道交通业务发展的需求。与此同时，LTE已经成为移动通信发展趋势，在经过轨道交通行业的行业匹配后，LTE无线专网无论是抗干扰性、高速移动状态下大带宽以及多业务QoS的保障上，都能够满足轨道交通业务需求。因此，河南郑州地铁1号线即利用LTE技术的端到端解决方案提供能力，精心设计了乘客信息系统+车载视频监控一网承载方案，为改善郑州地铁一号线乘车环境、提升运营安全与效率提供了有利保障。
1．2PDT技术数字集群标准
PDT(专业数字集群标准，Pifv~eDigitalTrunking)是一种专网通信标准，它吸收了其他数字集群的优点，同时根据是集应用环境进行开发，更为注重安全保密性。支持端到端话音、数据加密，网络安全性强。新疆八个地州即实施PDT警用数字集群网改造项目，建设PDT数字集群通信网络，成为全国第一个实现超大区域覆盖、多中心联网的PDT数字集群网络。在处理应急突发事件时，该PDT数字集群网可满足各部门协同作战、统一指挥的需要，提高了一线作战部队的执行能力，节约了客户重复建网的成本，使得北疆在应对应急处突、反恐救援、重大活动安保等任务时做到科技化、信息化，助力整个北疆的指挥调度能力迈上一个新台阶。
1．3McWill技术
McWill技术兼具SCDMA和OFDMA的双重优点，具有较强的对抗相邻小区干扰的能力，可以有效提高系统同频组网能力。McWiLL技术由于系统本身的先进性，可用带宽更高，用户能够体验到更多的新业务，同时McWiLL系统支持深度定制，能够根据市场需求快速定制业务模式和产品形态，这些都是其他运营商所无法比拟的显著优势。例如，中国移动通信集团公司即利用McWiLL技术自身覆盖范围广、非视距效果好、建网成本低、建设周期短、施工维护难度小、抗高低温等优势，实现了对多个农村地区的无线信号覆盖。为有关党政部门行政办公、远程党员教育、维稳处突、应急指挥以及重点行业、企业信息化建设提供了高效的信息通信保障，很好地促进了农村地区信息化的全面快速发展。
2专网无线通信综合能力将得到不断提高
除了越来越高的技术水平，在综合能力方面，专网无线通信也将实现不断的提高。例如，在应用需求方面，今后的发展中，专网需要不断提高自身按照实际需求合理进行资源分配的能力，以及及时进行系统反响，更好地解决各种突发问题的应变能力。还有高效的指挥控制能力，以及灵活机动的重组能力等。而在技术能力方面，专网无线通信也有很长的路要走。例如不断提高自身的安全防护水平，以更好地保证广大用户的安全性；实现高效合理的模块化配置，并不断拓展业务范围，为用户提供更加人性化和多样化的服务，满足不断发展变化的用户需求的能力，以及多体制互通能力和现架构扩展能力等。
3专网功能将积极的渗透到公网之中
长期以来，在无线通信方面，公网始终处于较为领先的地位，相形之下，专网的无线通信发展存在明显的差距。以往，公网和专网总是各司其职，具有各自特定的覆盖面。随着专网无线通信的发展，公网将会逐渐的增加部分专网的功能，实现专网功能对公网的积极渗透。二者将会之间进行合作与交流，相互影响，相互融合，实现共同发展。例如，在发展3G无线网络的过程中，我国三甲通信运营商即尝试将固定电话和公共移动移动电话进行邮寄的结合，为广大用户提供“一个电话”(One—Phone)~务。从而实现了固话网络和移动网络之间的快速无缝转换，为广大用户提供了更加方便快捷的通话服务。因此，随着专网无线通信的发展，专网和公网之间的界限将会之间模糊起来，实现深层次的交流和影响。
2基于ZigBee技术的电梯安全监控系统设计的规划
2.1系统的硬件规划
在硬件规划方面，文章以ZigBee无线微控器与电梯的管理做结合，依此建构低成本的电梯信息管理与监控系统，通过无线模块，管理者可以有效取得电梯运行的信息，其中实体的硬件架构规划上，无线控制器采用TI的ZigBee-CC2430模块。CC2430微控器，它是由TI公司收购无线单片机公司CHIPCON后推出的ZigBee无线单晶片，而CC2430也是一个真正符合IEEE802.15.4标准的晶片系统，ZigBee-CC2430除了包括RF收发器外，还内建加强型8051MCU、32／64／128KB的Flash、8KB的RAM以及ADC、DMA等。CC2430可工作在2.4GHz频段，2.4G频段为所谓的ISM频段，为专门提供给工业、科学与医学使用的免费频段，此外，CC2430采用低电压（2.0～3.6V）供电，且功耗很低（接收数据时为27mA，发送数据时为25mA），最大传送速率为250kbps。本系统通过无线模块CC2430的结合，可减少电路元件的使用，对于开发低功耗的无线相关产品有很大的帮助。系统的Master端与Client端之间使用2.4GHz无线通讯模块ZigBee-CC2430作为彼此连线的传输界面，Master端的无线微控器模块一方面以无线通讯的方式接收来自Client端的信息；另一方面则通过RS-232与电脑串列通讯埠连接，再经由程序的设计，PC端便可取得输出入的信息。至于Client端则以无线传输的方式周期性发送电梯运行信息给Master端。对于用户端而言，主要是要通过浏览器，经因特网取得电梯信息或进行电梯系统的管理（系统管理者）。
2.2系统软件设计规划
首先，用户端（可以是驾驶人员，也可以是系统管理者）可以使用任何可上网的装置（如智能型手机、PDA或电脑）连上服务器，电梯乘客可以通过网页查看目前电梯是否安全运行，而管理者则可经用户端浏览页面里的验证身份（帐号密码）登入至服务器管理者页面监控目前电梯状况、设定、查看资料等。因此，软件设计分成三个部分：无线通讯部分、伺服端的PC监控系统及伺服端的网络浏览程序。
以下针对各部分的软件设计的功能与内容分别加以说明：一是在无线通讯设计方面。Master无线模块的主要功能为收集各个Client端（电梯运行端）的电梯运行信息，由于每个Client端的无线模块均设定了唯一的ID，因此，Master端的无线模块可以将具备ID的Client端信息送至PC加以处理。至于Client端无线模块的功能则是周期性的将电梯运行的即时电梯运行状态送至Master端。Master端也可以看成是一个无线的服务器，它能与多个Client端连线。Master端在启动后会进入待机状态，若Client端发送信息时，便会将所收到的数值传回PC端作监控。二是在服务器端监控设计方面。PC端的功能为电梯的资料汇整处理与监控，无论是电梯是否安全运行，都通过PC端进行监控，并将所取得的信息存入资料库中。此外，监控端还设计了其他实用功能。各功能简单说明如下：（1）趋势图：该功能让管理者查询到在一日、一周、一年所进出的电梯运行状况。（2）安全隐患明细表：该功能可以让管理者查询电梯安全隐患出现的时间与对应的原因。（3）故障查询：该功能是让管理者得知是否存在故障。三是在伺服端的网页浏览程序设计方面。该部分设计是要使管理者通过浏览页面呈现目前电梯的即时状况，网页的基本信息包括：Master端CC2430目前连线PC端状况、电梯安全状况、乘客数量显示。使用者通过服务器上的网页浏览程序直接读取资料库的内容，以呈现电梯的即时状况，其中呈现的页面以每秒扫描的方式进行资料的更新。浏览程序设计也结合AJAX控制项，该控制项的主要功能为在扫描更新电梯信息时，不会产生因刷新整个网页画面造成的闪烁情况，提供较舒适的网页阅读环境。另一方面，为区分网页提供的功能，另增设身份验证登入，除一般用户可获得电梯信息外，管理者则可直接在网页上进行日期方式读取资料库档案及搜寻范围等。
2可见光链路技术
光的传播具有很强的方向性，因此可见光通信在传播的过程中，其链路会受到路径中物体的阻挡。无线光链路主要分为视距链路和非视距链路两种方式。视距链路方式下光线在传播的过程中遇到障碍物，不能像射频电磁波一样进行绕射或者衍射，其鲁棒性较差。在非视距链路的方式下，反射镜的应用可以使反射后的光功率具有较大程度的衰减值，从而其链路也更加可靠。但是也需要提高相应的信号处理技术和接收机的灵敏度。这两种链路技术在室内的通信中都得到了很好的应用，其中视距链路占据大部分的接收信号功率，而非视距链路主要是用来对信道进行时延扩展。可见光通信需要的是双向的交互信息，因此在进行可见光通信的设计过程中要充分考虑反向链路的问题。可以利用光线传播的可逆特性，在发射机和接收机之间形成反向的链路。这种方式虽然理论可行，但在具体的应用中还要考虑其实用性，可见光通信的信源端和接收端在复杂程度和体积规模上具有很大的不同，因此需要将反向链路设计成不对称的方式，这样的设计方法会增大下行信道的容量，实现高速的数据传输，还可以传递反馈和链路的控制信息。
3可见光通信与传统无线通信结合技术
相比于传统的SISO系统，MIMO采用多天线传输，具有了更多的空间自由度。可以根据不同的应用情况采取不同的增益，其存在的主要增益有阵列增益、分集增益、空分复用增益和干扰增益。不同的增益之间存在着权衡。其主要的缺点是在数据流之间存在一定的干扰，需要在接收端采用最大的似然检测，只有这样才能获得最佳的性能，也提高了相应的计算复杂度。主要的接收算法有ZF接收算法和MMSE接收算法，其中MMSE接收算法可以通过预编码技术完全消除数据流之间的干扰，很好地权衡了噪声抑制和计算的复杂度方面。同时接收端在进行后处理矩阵的处理后，各个子数据流不会受到其他数据流的干扰。OFDM技术是一种多载波调制技术，可以有效地实现数据流的并行传输。这种技术使得每个频点占用的带宽比较小，其信道响应也较为平坦，因此可以对抗频率的选择性衰落。OFDM技术利用的是傅里叶变换技术，结构比较简单，降低了OFDM的实现复杂度。另外，OFDM技术可以和其他多址的接入方法相结合，在配置方面具有较大的灵活性。但是由于OFDM技术是一种多载波调制技术，其发射的信号是由多个独立的子信道叠加而成的，因此当各个子信道的相位一致时，就会出现较大的峰值，导致较高的峰值平均功率比。而且该系统中各个子载波是相互正交的，频率的偏差会引起子载波间的干扰。可见光通信技术可以应用OFDM提高通信链路的电学频谱利用率，在可见光通信系统中应用MIMO技术可以增加其信道的容量。然而，相比于传统的通信技术，光通信具有其独特的方面，因此在进行技术设计时还要充分考虑光链路的特点，比如光通信中的空间复用技术，发射和接收机中的光学原理，成像和非成像分集的使用等等。
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。
