基于短波电台的无线数据传输系统的设计与实现

作者：程为彬 王光明 康思民 高宏

欢迎访问e展厅 展厅 2 手机/通信/网络设备展厅 手机, 调制解调器, 网管控制器, 光传输系统, 程控交换机, ... 摘　要：针对现行石油钻井生产管理体制，提出了钻井信息无线数据传输的方案和结构。对TKM 707短波电台进行计算机技术改造，使之具有数字传输功能，对包含生产技术数据、报表和文档等内容的混合数据进行压缩和调制，通过电台的无线传输，接入到钻井公司企业网。在钻井公司及其下属钻井队的推广应用，有效提高钻井技术和现场管理水平。 关键词：无线通讯；短波电台；调制解调器；无线数据传输系统 Design and Realization of Wireless Telecommunication Sy stem Based on HF Transceiver CHENG Weibin, WANG Guangming,KANGSimin,GAO Hong,WU Yinglo ng (Electronic Engineering School, Xi′an Shiyou University,Xi′an，710065,China) Abstract：As regard to the current management system for dr illing,the project and the framework of the transmission system for drilling data is also recommen d edThe HF transceiver named TKM 707, after being technically improved with mic rocomputer, can transfer not only analog signals,but also digital signalsThe mixture data of technical parameters and report forms and documents,after being compressed and modulated, they are transmitted into the localized network by th ese improved HF transceiversWith the wireless telecommunication systems used by al l the drilling teams,the drilling technique and the level of management are impr oved effectively Keywords：wireless communication; HF transceiver; modems; wireless data systems 随着石油钻井信息资源的开发应用和生产管理的需求发展，对钻井公司与钻井队之间的信息资源共享和生产管理模式提出了新的要求。野外作业的钻井队频繁变动工作地点，而且有线通讯困难，只能采取无线频率进行信息联络和数据传输。 无线数据传输可以采用宽带固定频率的大型网络（如CDMA、TDMA）无线接入和采用公共信道的小型无线电台接入等方法。采用宽带固定频率网络对于钻井数据的信息量而言，是足够的；但部分油田的钻井井场地形复杂，位置偏僻，网络无法完全覆盖；采用卫星通讯可以覆盖所有偏僻的井场，但地面设备昂贵，全面推广的硬件投资成本高；此时采用以现有的小型无线电台为基础的数据传输系统是较经济和简捷的方案。 国内外部分石油公司采用无线超短波终端RTU进行现场工况的监控，实现现场作业的数据采集和远程监视，一般数据种类单一、数据量小、通讯距离短，不适合于远距离、复杂地形的钻井数据传输。 1系统的设计思想 结合生产管理需要、井队工作性质和无线通讯技术，钻井信息资源共享可采用以包含数据、报表、文档资料和图形等格式文件的混合数据为内容，以无线数据传输为媒介的短波数据传输系统。 1.1数据传输实现方案 以钻井公司各项目部为中心基站，以各个项目部下属的钻井队为现场子站，以现有的无线电台为基础，经过计算机技术改造，增加短波智能Modem，构筑钻井数据、文件等信息的数字传输途径。 各个基站与总公司或分公司控制室之间采用有线网络传输。总公司或分公司的调度中心、职能管理部门以管理级总线构成企业网，实现远程/异地网络生产管理和市场经营管理监控系统。在调度中心和各个职能部门的管理机上可以远程/异地浏览各个项目部/井队的生产报表和技术数据，对现场情况进行及时的统计、分析和管理，便于相关部门随时掌握现场情况，对突发事件进行及时处理，以保证钻井工作稳定、有效地进行。 具体实现包括两个部分： (1)混合数据的无线通讯 以各项目部为中心基站，以短波电台辐射半径为区域，与井队子站建成一个无线通讯网络。项目部基站与井队子站实现点对点、一点对多点的无线通讯网络，项目部基站与井队子站之间可以互相传递生产报表、文档资料和图形等文件。 (2)钻井信息数据库 钻井信息种类繁多，数据类型不一致，发送和接收需要经过一定的技术处理。网络系统必须保证钻井数据信息在各职能部门间共享，还要保持与现有的软件连接，能生成报表等文件，具有终端资料查询、显示和打印等功能。 1.2无线传输的过程通道 井队子站的信息资源经过井队计算机软件处理，再通过井队的短波Modem，与井队的无线电台TKM 707进行连接。项目部基站具有同样的硬件系统，短波Modem从电台接收各井队子站的信息，并经过计算机软件处理，变成所需要的生产数据、报表、文档资料和图形文件。 以经过计算机技术改造的TKM707电台为基础的无线通讯系统的硬件连接示意图如图1所示。 数据传送包括广播通讯和点对点通讯。广播通讯用于项目部基站同时向下属井队子站发送公文、管理等通知文件。 点对点通讯用于项目部基站向指定井队子站发送生产计划、调度通知和技术数据，或者井 队子站向项目部基站发送生产报表、生产用料、申请和技术数据等。 可实现井队之间的横向信息传输，加强井队间的信息共享和交流，加强邻近井队生产作业的协作，实现井队间的钻井技术资料等信息共享，协作攻关。 无线短波传输存在通讯条件，如传播条件、大气噪声、人为干扰、被传输信号的形式等带来的衰落、多径干扰、脉冲干扰和频率漂移等问题，使通信线路无法满足准确、快速传输的目的。现场通讯有时无法和井队建立通话联系，或者通话质量很差，此时数字传输就没有通讯的基础。 采用美国生产的RF9000系列高频自适应通信设备产品，或德国生产的HF自适应通讯系统，可使短波通讯线路始终工作于传播条件良好的弱噪声信道上。自适应通讯对组网后的所有电台有一定要求，即网络中所有电台必须具有自动扫描接受功能，且频率漂移度小。 1.3无线传输网络结构 无线传输采用星型拓扑结构组建骨干网，以短波信道链路连接入基站的C/S服务器，4个基站的服务器与钻井工程总公司的企业网连接。无线传输网络的规模为1个主控制站、4个基站和70个子站，网络结构如图2所示。具体使用时还可根据需要增减子站和基站的数目。 无线传输网络依钻井综合信息数据库的结构而构建，子站通讯模块与子站的综合信息数据库连接，负责上传所有的钻井工程技术数据和非生产数据，基站通讯模块与基站的综合信息数据库连接，同时以有线介质与钻井工程总公司的企业网连接。 由于钻井井场经常变化，井队子站的隶属关系经常发生变化，子站在网络中的节点位置也是经常变化的，如11号子站从高沟口基站子系统调动到东坪基站子系统，则11子站、高沟口基站和东坪基站均需要修改隶属/管辖关系参数；此时网络的整体结构并未发生改变，子站在网络中的编号也不变。 组网时可采用3种信道争用协议，即透明无信道争用协议、CSMA和轮询协议。透明无信道争用协议用于集群通信系统。CSMA用于无中心控制通信系统，即多个通讯设备在同一信道上进行组网时解决信道争用的一种协议，特点是参与组网的各个通道终端地位平等，不需要网络中心设备，因而网络管理简单，抗毁能力强；但在多用户、业务量大时，会因冲突重发增多导致吞吐量下降，需要一定的控制算法。轮询协议由中心基站按指定的优先级，顺序呼叫每个子站，子站识别出自己的地址后，根据不同的内容回发相应的数据。 2调制与解调 短波智能Modem采用数字信号处理（DSP）和先进的数据通信技术，全软件化实现。硬件由 高速DSP子系统、通信控制CPU子系统、数据存储及控制和输入输出电路等组成。 短波Modem以数据包（Packet）方式将计算机或数据采集设备所要传输的数据传送到无线电台。数据包长度是随机的，一般为1～2 kB。 短波Modem以标准的EIA RS232C、全透明方式与外设、通信软件连接，具有通用性和可拓展性。采用灵活的通信协议和通信方式：点对点、一点对多点（组呼和群呼）、广播、集群等。 无线通信模式和通信参数均由AT指令控制。通信软件通过向短波Modem发送AT指令来控制 短波Modem的工作参数和通信模式。借助AT指令带来的智能化，高层通信软件可以灵活地控制短波Modem，构造满足特定要求的短波数据通信系统。 在波形处理、带宽压缩与调制信号的产生中，要确保在3 kHz的电台音频带宽内传输较高速基带数据，提高调制编码增益。 采用自适应均衡技术以消除在传输中由于多径、（中继）群延时引起的波形失真、混迭，以获得更好的接收性能。抗强突发干扰的编码前向纠错（FEC）和ARQCRC技术，以确保数据100%正确接收；提高纠错编码效率。 为获得较高的信道速率，要求现场地理位置的无线电台在语音通话时必须音质良好，尽可 能地减小失真。当电台的信道带宽满足要求时，可以达到2 400 b/s的信道速率。当电台的信道带宽小于要求时，为了保证能准确无误地传输数据，需要降低信道传输速率。 短波无线Modem与改造的TKM707电台连接，使用1 200~2 400 b/s的信道传输速率，有效数据传输速率为109~218 B/s，一个20 kB的文档文件可在2~4 min内传输完毕。当文件较大，传输时间较长时，可对所有文件进行压缩。实际应用中，由于各种各样的因素，如短波信道固有的时变性、电台的带宽平坦度、窄带宽以及频率稳定度等问题，很难达到2 400 b/s的信道速率；在语音通讯良好的条件下，1 200 b/s的信道速率通讯基本正常，而使用1 200 b/s的信道速率对于较大量的钻井信息的数据传输而言太慢，因而提出1 800 b/s的非标准信道速率；使用1 800 b/s的信道传输速率，可达到有效数据传输速率为164 B/s，一个20 kB的非压缩文件可在3 min内传输完毕，这对于钻井队的数据量和现场通讯条件而言，是一种较好的传输速率选择。 3应用软件设计 通信应用软件与短波Modem通过串口以包的形式交换数据。数据分为2种类型：AT指令帧 和用户信息帧。短波Modem自动识别2种帧结构：对于AT指令帧，短波Modem执行相应的控制 命令；对于用户数据信息帧，短波Modem自动转发到信道上。 短波Modem对计算机通过串口送来的用户信息数据采用透明方式，即不需了解用户 数据的 帧结构。短波Modem将计算机串口送来的数据流封装成数据包，再发送到信道上；接收端的 短波Modem将接收到的数据包还原恢复后，将数据包从串口送出，从这个角度而言，通信应用软件可以将无线建立的通信链路看成一根串行电缆。在点对点的通信方式中，发送端的短波Modem将通过计算机串口向高层通信软件报告发送结果，该结果被封装成帧结构,如图3所示。短波Modem根据计算机串口输出的数据帧长度自动打包，最大包长与信道速率有关。高层通信软件每次发送给短波Modem的数据帧不能超过最大包长。 通信软件可以用2种方式完成点对点的通信。 （1）方式1 将短波Modem设置成广播工作模式，即一台短波Modem发送数据帧，其他所有 的短波Modem均收到该数据帧，并送给高层通信软件处理。高层通信软件应该自定义数据帧 的结构，在帧的结构中包含数据帧的目的地址。如果地址匹配，则高层通信软件处理相应的 数据帧。 在广播工作模式下，短波Modem的自动出错反馈重发ARQ功能自动被屏蔽。为了保证数据的 无错传输，要求高层通信软件完成相应的CRC校验和ARQ处理。 （2）方式2 将短波Modem设置成点对点的工作模式，即每个短波Modem都有一个内置的站址。根据该站址，短波Modem可以完成点对点的数据通信。在这种工作模式下，短波Modem自动完成CRC校验和出错反馈重发ARQ功能，以保证用户的数据帧准确无误地到达目的地址。高层通信软件不需要参与CRC校验和ARQ处理，这样软件可以大大简化，同时减轻主机软件处理的负担。在高级和低级通讯软件的配合下，数据传输的误码率小于10-11。 高层通信软件在数据帧发送前，需通过AT指令AT&Lxx（xx代表目的地址）指明该数据包的 目的地址。通信软件将数据帧送给短波Modem后，需要等待短波Modem报告该数据帧的通信结果：短波Modem如果成功地将该数据帧发送到目的站址，则通过串口向高层通信软件发送结果成功帧，帧内容为“AT& Z1”，表示数据帧成功到达目的站址；否则就通过串口向高层通信软件发送结果失败帧，帧内容为“AT&Z0”，表示该数据帧发送失败。高层通信软件的处理流程如图4所示。 为了充分利用短波Modem的处理能力，减小高层通信软件的难度，采用方式2实现点对点的通信。 当基站轮询某个子站时，如果在规定的时间内没有收到应答信号，或者收到的应答信息出错，基站继续重新以规定的次数轮询，如仍出现错误，可以降低数据传输速率，当降低到设置的最低传输速率时，还不能建立通讯链路，就认为本次通讯失败，在下一个轮询中再重新进行查询。 4现场应用 (1)系统的首要任务是建立数字通信通道，前提是语音通话质量良好；为避免无法链接和语音失真的现象，可采用先进的自适应选频的电台，或者给具有频率扫描功能的电台加装先进的自适应选频功能的短波Modem，自动选频，快速连接可用信道，免去人工选频的诸多烦恼，系统的通讯信道选择和日常维护量小，但系统总体成本会大幅度增加。 (2)也可利用专用短波信道测试设备，测定项目部基站与特定井队子站无线通讯的最佳信道。井队地点变化或通讯条件变化时，需要重新测定最佳信道。 (3) 一般的短波Modem的数据传输速率为300 b/s。采用专用DSP芯片的短波Modem的最高速 率可以达到2 400 b/s，可以适应不同的信道条件及保证正常通讯。其1 800 b/s的非标准速率是具有实际意义的，降低了对短波电台的带宽要求，更适合国内电台的要求。 (4)无线传输系统在长庆油田钻井工程总公司全面推广应用，使用单一信道在每天7:00～19:00能获得较好的通讯效果。 (5)短波数据传输也是地震、水利、气象、航运、航天和军事等部门传递信息的有效手段，可用于地质灾害检测、水库水坝检测、气象数据定时采集、航天通讯和军事通讯等。 参考文献 ［1］张有光,熊鹰,江琥.高速短波自适应数据通讯协议的设计［J］.电子技术应用,2002，(06):47-49 ［2］单德华，刘哲,韩绍欣.Web GIS技术在辽宁地震数据管理中的应用［J］.东北地震研究,2002,18(4):44-48 ［3］路效兴.碧水电厂短波、超短波水情自动测报混合系统的建设和经验［J］.水文,1995，(02):15 ［4］赵冬梅,冯锡生.短波AX.25分组无线网方案及协议实现［J］.数字通信,1997，(03):10-14 ［5］卜格鸿,刘力天,赵洪利.短波星型网组网协议设计及实现［J］.指挥技术学院学报,2001,12(4):15-18 ［6］沈琪琪,朱德生.短波通信［M］.西安:西安电子科技大学出版社,2001(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/28/2005)