一種礦用本安型自組網基站設計

李文峰 ，常會麗 ，李 博 ，丁書浩 ，庹璐璐

（1.西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西陜煤黃陵礦業有限公司 救護消防大隊，陜西 黃陵 727307）

煤礦井下空間狹窄、環境復雜，易發生自然災害與事故災難[1]。災后斷網、斷電、通信系統癱瘓，導致救援隊無法統一指揮，影響了救援效率和反應速度。目前礦井下應急通信設備存在傳輸距離短、無后備電池或電池工作時間短、傳輸帶寬窄等問題，而井下設備必須滿足防爆要求，通常采用厚重的隔爆外殼，設備體積較大，質量較重，不夠輕量化[2]。

基于此，設計了一種礦用本安型自組網基站?；净赟DR 平臺，采用無線Mesh 網絡、COFDM、分集接收等技術設計2.4 GHz 和1.4 GHz 雙頻段無線組網，支持“有線+無線”的工作方式，能快速組建無線通信網絡，實現無線信號覆蓋，解決地面指揮部、井下災難現場以及救援人員之間信息互通的問題[3]。設備利用本質安全技術到達防爆標準，具有安全性能高、體積小、低功耗等優點，同時還自備電源，以滿足應急通信需求，但其不局限于應急救援，也可應用于礦井下臨時組網。

1 自組網基站的工作框圖

本安型自組網基站的整體工作框圖如圖1。

圖1 基站工作框圖Fig.1 Block diagram of base station work

基站通過有線方式接收到的信號，先由光電轉換單元將其轉換為電信號再進行其他操作；由天線接收到的射頻信號經過AD9361 射頻收發芯片的放大、變頻、采樣、抽取等操作后，轉變為基帶信號[4]；基帶處理單元接收信號后進行預處理、FFT 變換、COFDM 解調等處理，得到原始數據；對其進行拆包，存入不同緩存單元，由ARM 通過PCIe 接口讀取后，完成信源編碼后進行存儲或上傳等操作。

基站通過WIFI 轉串口將需要傳輸的數據解析出來傳給目標頻段的無線通信模塊，并將其轉變為目標頻段的射頻信號由WIFI 天線發射出去[5]，以實現無線覆蓋。

2 基站硬件

2.1 硬件組成

自組網基站系統框圖如圖2。

圖2 自組網基站系統框圖Fig.2 Block diagram of AD hoc network base station system

硬件采用通用SDR 平臺，包括射頻單元、基帶處理單元、光電轉換單元、主控單元、電源單元和接口單元。射頻單元負責信號的收發；基帶處理單元負責基帶信號的調制解調；主控單元負責無線資源的分配、功率控制和軟切換；光電轉換單元負責實現光信號與電信號的轉換；本安電源單元負責為自組網基站的各個單元提供本質安全的電源；接口單元負責實現對基站的參數調試以及數據的交互。

2.2 射頻單元

自組網基站的射頻單元由ADL5523 低噪聲放大器、零中頻射頻收發芯片AD9361、線性功率放大器和天線構成[6]。其中AD9361 集成度高、體積小、功耗小，相較于超外差接收機，不存在鏡像頻率干擾的問題且有利于實現單芯片集成，接收噪聲系數小于2.5 dB，誤差向量幅度EVM 小于-40 dB，比較適合礦用設備便攜化、輕量化的要求[7]。

發射頻率和接收頻率是獨立的，為優化設計頻率設置通過以下式子實現。

式中：FRFPLL為發射鎖相環頻率；FLO為發射頻率；FREF為參考時鐘頻率；VCO_Divider 為通過表格查詢得到的數值；NInteger、NFractional分別為發射頻率的整數和小數部分； Floor 為取最小整數；Round 為取小數部分。

以發射頻率為例，如FLO設置為1 400 MHz，則對應的VCO_Divider 為2，根據式（1）得FRFPLL為114 800 MHz；將FREF設置為50 MHz，通過式（2）和式（3）得到NInteger為0XE5，NFractional為0X4C_CCC4，將其分別寫入0x271、0x272 和0x273-0x275 寄存器中。

2.3 主控單元

自組網基站的主控單元由ARMCortexA9 雙核應用處理器、LPDDR 存儲芯片、片內存儲器接口、各類I/O 外設接口、時鐘等構成。其中ARMCortexA9 雙核應用處理器解決超高頻設計效率低下的問題，具有較高的功效水平；LPDDR 相較于DDR 體積小、性能穩定、功耗低，更適用于移動設備。主控單元通過AXI_GP 控制接口實現邏輯資源AXI_DMA 轉換模塊的初始化和相關配置，并調用相應的驅動程序，實現數據交互。

2.4 基帶處理單元

自組網基站的基帶處理單元由核心處理器Kintex-7 架構的可編程邏輯、高速QTE 擴展接口、調試配置接口與時鐘構成。相比于DSP 芯片，FPGA 內部RAM 資源可滿足數據緩存需求，接口和資源復用更加靈活，并行處理能力強[8]。FPGA 采用LVCMOS 電平標準與AD9361 連接，通過AXI接口與ARM 連接。主要完成以下功能：對ARM打包好的數據進行基帶處理，然后傳輸給AD9361完成基帶到射頻信號的轉換；將接收到的信號恢復出有效數據，傳輸給ARM 進行再處理操作；根據主控單元配置的通信策略，調整碼率、調制方式等參數?；鶐幚砹鞒倘鐖D3。

圖3 基帶處理流程圖Fig.3 Baseband processing flowchart

2.5 光電轉換單元

光電轉換單元整體框圖如圖4。光電轉換單元由光模塊、TF1102 網絡隔離變壓器、以太網芯片RTL-8201F、時鐘、LED 和接口組成。

圖4 光電轉換單元整體框圖Fig.4 Block diagram of photoelectric conversion unit

光模塊在接收到光信號后，經過光探測二極管和前置放大器處理進而得到相應碼率的電信號[9]，實現自組網基站有線通信中的光電轉換的功能。RJ-45 和其他接口實現與其他單元的數據交互，RTL-8201F 通過MII/RMII 接口與MCU 連接，TF1102 連接RJ-45 和RTL-8201F，使RTL-8201F與外部隔離，用于信號電平耦合，抗干擾能力得到了增強，信號傳輸距離更遠。

2.6 本安電源電路

自組網基站正常工作的最高電圧為12 V。由于本基站為本安設備，所以電源電路也要滿足GB 3 836.4 中的相關要求[10]。本安電源采用軟啟動和DC-DC 轉換的設計方案，由TPS54302 電源芯片、抗干擾電路、限流與軟啟動電路、雙重過流過壓電路組成。

根據GB 3638 標準的要求，為防止電源反接或電路總電容能量外擴，在輸入端串聯3 個SS34二極管，限流軟啟動電路可以將設備啟動時的沖擊電流限制在允許范圍內，可以提高基站的穩定性。

3 自組網基站軟件

自組網基站軟件框圖如圖5。

圖5 自組網基站軟件框圖Fig.5 Block diagram of AD hoc network base station software

內核用戶層中運行主控、組網模塊和Linux 嵌入式操作系統軟件；ARM 和FPGA 功能區運行波形控制、接口控制和網絡協議處理程序?；镜臄底植ㄐ涡盘柌捎肅OFDM 調制方式處理，通過QPSK/16QAM/64QAM/256QAM 自適應調節技術提高平均吞吐量和頻帶利用率。

設備之間組建網絡是以無線Mesh 網絡的形式，Mesh 網絡結構使用了IEEE802.11s 軟件協議，使相關的節點實現點對點的連接[11]。通過對/etc/config/wireless 配置文件的修改完成協議的設置，從而順利構建Mesh 網絡，通信鏈路構建流程如圖6。

圖6 基站建立通信鏈路流程圖Fig.6 Flow chart of establishing a communication link for a base station

基站通電后，通過默認的共享密鑰和Mesh ID 等信息與根節點關聯上AC 的基站進行Mesh Peering Open/Confirm 交互，從而建立非安全臨時的連接和MPP 節點路由；基站通過此次連接與DHCP server 交互，從而獲得AC 和自己的IP 地址；發現AC 并與其進行關聯，臨時建立CAPWAP 隧道，從AC 獲得配置信息；然后通過Mesh Peering Close 消息斷開之前的臨時連接；利用新的配置信息進行Mesh Peering Open/Confirm 交互，完成密鑰協商，進而得到基站間通信的最終密鑰，并建立起安全正式的通信鏈路；與AC 也建立起安全的CAPWAP 隧道；若兩基站間長時間無法建立連接則會恢復默認的配置，重新開始以上步驟，直到與AC 建立起安全CAPWAP 隧道。

4 系統測試

自組網基站與地面調度臺通過有線方式連接，啟動基站后，基站之間通過1.4 GHz 頻段建立無線中繼，從而形成從地面指揮部到救援現場的通信鏈路。同時自組網基站采用2.4 GHz 頻段實現無線覆蓋，為救援隊攜帶的智能終端設備提供網絡，實現礦井下數據與地面指揮部之間的信息互通。

測試表明，該自組網基站在礦井下斷電斷網的情況下能夠很好地提供網絡，完成信息地傳遞，多跳能力為視頻6～8 跳，單跳傳輸距離不少于200 m，傳輸時延單跳約7 ms，整機功耗低于15 W，可持續工作4.5 h，整機質量約3 ㎏，可以滿足煤礦井下災后斷電斷網環境的應急通信也可應用于礦井下臨時組網。

5 結 語

設計了一款礦用本安型自組網基站，基站通過無線Mesh 網絡通信技術建立了礦井下與地面之間的通信鏈路，為各種終端設備提供網絡。介紹了自組網基站的工作原理、硬件組成和基站的軟件的設計。自組網基站克服了現有產品通信距離短、傳輸帶寬窄、電池工作時間短、不方便攜帶等不足，QPSK/16QAM/64QAM/256QAM 自適應調制，支持“全無線”和“有線+無線”兩種工作模式，提高了事故救援的效率。