基于4G通信的嵌入式数据通信系统设计

　　 引言

　　4G-Ready 作为未来4G 移动通信关键预备技术的一个领域，在构建无线通信网络和无线数据通信系统中具有重要应用前景。其中，将4G-Ready 与Wi-Fi 技术、Blutooth 蓝牙技术、GPS 全球定位系统以及基于ARM 核的嵌入式技术进行集成，以Linux-C、Java 编程语言开发应用软件系统，能够构成一个具有多种功能、技术性能优越和先进实用的嵌入式Wi-Fi 无线通信网络终端系统，以满足构建城市智能交通管理、市政环境保护监控和风景区信息管理等领域的无线数据通信应用需求。

　　1 主要技术分析

　　下面对基于4G-Ready 与Wi-Fi 架构的嵌入式系统中应用的主要技术予以分析。

　　1.1 无线通信技术

　　1.1.1 4G-Ready 简介

　　4G-Ready 是针对目前正在发展中的4G 通信技术的描述，目前国际上认为4G 提供的数据传输速率一般为10~20Mb/s,最大数据传输速率超过100 Mbit/s,每个4G 信道会占有100 MHz 的频谱，具有宽网络频谱性能。

　　4G 应具有多样化通信功能，包括访问Internet、语音与数据通信、流媒体传输、集成不同模式的无线通信网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，实现移动用户可以在多种标准间的自由漫游服务等。

　　1.1.2 Wi-Fi 技术与联网

　　Wi-Fi 的技术标准是美国电气和电子工程师协会（ IEEE, InsTItute of Electrical and ElectronicsEngineers）发布的IEEE 802.11,包括IEEE 802.11a、IEEE 802.11b 和IEEE 802.11g,其中常用的是IEEE 802.11g.

　　Wi-Fi 是一种短程无线传输技术，能够在数百米范围内支持互联网无线接入方式。

　　1.1.3 蓝牙技术简介

　　蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线通信技术，工作频段为2.4 GHz,属于工业、科学和医学频段（ ISM ,Industrial ScienTIfic Medical），其数据传输速率为1Mb/s,采用时分双工传输方案，使用IEEE802.15 协议。本文所述的嵌入式系统配置了Bluetooth 2.0 蓝牙接口，采集实时图形、图像和位置信息。

　　1.1.4 GPS 无线定位技术

　　GPS 由空间部分、地面控制系统和用户设备构成，其中空间部分由均匀分布在地球上空的24 颗卫星组成。地面控制系统由监测站、主控制站和地面天线组成。用户设备一般指GPS 信号接收机。这里设计与分析的嵌入式系统采用分离结构GPS 接收机。

　　1.2 嵌入式（Embedded Technology）技术

　　嵌入式系统由32 位字长的微处理器、ROM 存储器、RAM存储器和信息I/O 接口等模块和部件组成，嵌入式Linux 操作系统存放在ROM 中。

　　1.2.1 ARM 技术

　　ARM 核嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，由英国ARM 公司设计（IP,Intellectual Property core）内核，由各半导体公司设计为芯片产品，再由OEM 厂商形成嵌入式系统产品。在当前项目中采用的EP9302 系统是一个以ARM9内核处理器为核心技术的嵌入式系统。

　　1.2.2 嵌入式Linux 操作系统

　　Linux 是一个自由免费、开放源代码的操作系统软件，其软件功能齐全，具有完备的网络功能，继承了UNIX 的多用户、多任务、支持多线程和多CPU 的技术。

　　当前嵌入式系统中使用的版本是嵌入式Linux 2.6.21,支持内核态抢占式调度，调度周期为1 ms.

　　2 构建技术开发平台

　　图1 所示为基于局域网的嵌入式Linux 开发平台示意。

图1 基于局域网的嵌入式Linux 开发平台

　　图1 中的Linux 服务器作为嵌入式Linux 内核编译和应用程序编译的公共平台，工作站（PC,Personal Computer）为局域网内一台或多台终端计算机，实现在Windows 和Linux 之间的文件传输。

　　嵌入式目标系统通过串行接口与工作站连接，应用Windows 提供的"超级终端"功能；也可以通过以太网RJ45接口连接到局域网中，实现与网络的FTP/NFS 服务器连接。

　　3 系统集成与软件编制

　　3.1 系统目标

　　系统目标是在4G-Ready 的框架上，构建一个高速Wi-Fi无线数据通信网络，采集目标对象的GPS 卫星定位信息和现场视频图像信息，由所开发的《Wi-Fi 无线数据通信网络管理系统》予以分析和处理。

　　3.2 系统构成

　　系统设计包括搭建Wi-Fi 无线通信网络平台、多层架构软件和嵌入式Linux-C 程序运行平台。

　　项目的系统网络拓扑如图2 所示，Wi-Fi 为采用CSMA/CA的访问机制的网络协议；AP 为无线LAN 接入端点设备；Bridge是工作在数据链路层的网桥，功能是连接2 个局域网（LAN）。

　　Switch 为网络交换机，功能是构建网络平台的网络交换。

图2 项目系统网络拓扑示意

项目系统包括ARM9 内核的嵌入式系统模板、GPS 卫星定位信息接收设备和Bluetooth 适配器，完成GPS 与ARM 嵌入式系统的