杜昆祥

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

在通信业务中，卫星移动通信已经成为目前一个重要发展方向，用户可以通过发射人造卫星信号与地面用户进行通信，能够在卫星波束覆盖内进行自由移动。与其他通信手段相比，卫星移动通信技术具有通信距离远、覆盖范围广以及通信灵活的优点，它能为民用或军用通信提供话音、电报和数据，因此发展前景十分广阔。但在实际应用中，水利卫星移动通信系统还存在时滞问题，需要对该系统进行优化设计。

5G技术指的是第五代移动通信技术，蜂窝移动通信技术，中国三大运营商在2019年11月1日推出5 G商业套餐。以5 G技术为核心，将手机中表现声音和图像的模拟信号数字化，通过 ADC转换并以比特流形式传输，可以满足高清视频、虚拟现实等大容量传输。基于5G网络这一优点，设计一个基于5G网络的水利卫星移动通信系统，以解决目前存在的问题。

1 水利卫星移动通信系统硬件设计

1.1 微处理器设计

AT89S52是一款8 K可编程闪存的 CMOS 8位高性能微处理器。采用高密度、非易失性存储技术，与ATMEL公司生产的80C51工业晶体产品指令和引脚完全兼容。

其特点如下：①兼容MCS-51单片机产品[1]；②系统可编程 Flash内存中 SK字节；③1000个擦写周期；④1000次擦写循环；⑤三级加密程序存储器；⑥32个可编程I/O口线；⑦三个16位定时器/计数器；⑧8个中断源；⑨全双工IIART串行通道；⑩小功率空闲及放电模式，放电后中断可唤醒，看门狗定时，双数据指针。

1.2 A/D转换芯片

取样速率取决于模拟信号的带宽，为此需要选取相应的A/D转换器实现这一需求，此次研究选择MAX197芯片，该芯片是Maxim公司推出的具有12位的转换器，无须外部电路与时钟的支持，就能够实现Am转换功能。

它的主要性能特点如下：12 b分辨率；1/2 LSB线性；输入范围有四个：±10、±5、0～10、O～5V;8模拟输入通道；内外采样控制[3]。

MCU响应中断，从MAXl97的FO接口读取转换结果。CS和RE在读取数据时都处于低位。低HBEN时，读低8位；高HBEN时，读高4位，在整个采样周期结束后，通过PC机运行程序读取数据块，为后续数据处理提供依据。

1.3 传感器设计

该传感器为KYC09系列液位传感器[4]，属于隔绝式扩散硅压敏元件，采用精密温度补偿，全焊接装配。该产品为一体结构[5]，介质有电缆型和铠装型两种类型，本品可广泛应用于各类液位的检测与控制，可直接将其置于液体中进行测量，具有体积小、性价比高、精度高、稳定可靠等优点。其主要技术指标见表1。

表1 KYC09传感器技术指标

1.4 存储电路设计

因为水文资料的数据是定期采集的，而本设计所要测量的水文资料包括水位、降雨量、流量、温度、湿度等，所以储存的是5个数据资料。该系统每10min定期收集水文资料，即每10min储存一份记录。每个记录占用9个字节[6-9]，每年有366×24×6个记录，每月有39K字节的数据存储容量，需要64K存储芯片。通过这种方式，每个记录存储少于20K，一个64K存储芯片可以存储两个月的水文信息。利用基于地址的存储，第二个月会覆盖上个月的数据，用户需要每月发送2次。

其工作原理：这一24 LC系列遵循二线传输协议，只允许在总线空闲的情况下传输数据，但所有操作都以启动条件开始，以停止条件结束。①所传送的控制字节、地址及资料均为8位串行格式，由 SCL定时信号激发，前高后低，串行数据传输具有指定的总线时间。②在总线空闲时，SDA线路从高到低的过程被称为操作的初始条件。③当 SCL线处于高位时，在数据传输完成后停止相应操作。④DataWrite过程：当 SCL很低时，可以改变线上数据，即写入的数据只能够存放到SDA中。

数据读出过程：读指令会把这些数据读进 SDA。但无论是读或写操作，每8个数据传输完成后，都需要添加一个 SCL线上的时钟信号，以完成芯片的内部操作。当额外时钟信号下降时，芯片会自动将 SDA线拉低到低水平，作为响应信号。该设计选择了24 LC的串行电擦除只读存储器。连接电路如图1所示。

图1 存储电路

1.5 液晶显示模块

在显示水文资料上，选择型号为HD44780型号的模块，该模块可实现字符型液晶和点阵式液晶两种显示方式，以及字符、数字、符号等的显示[10-12]。

在HD44780控制部分中，有一个可以用来表示 DDRAM和 CGRAM当前地址的地址指针计数器 AC。因此，HD44780控制部分的时钟频率范围为125～350kHz。文字生成器包括 CGRAM固化文字库(包括208种58点阵列和511点阵列文字字体数据)和随时可以定义的文字库。

其主要通过DB0～DB7发送数据指令，就可以显示指定的数据或指令。远程监测站将显示水位、降雨量和其他数据。LCD显示模块DB0～DB7与大 D转换器共享一个 PO接口，LCD显示模块DB0～DB7由于具有自身的控制接口，因此不会互相干扰。单片机的 PO端口直接与液晶显示模块的数据端口相连[13]。在 RhampW中，P1.1用来控制 RS寄存器选择，P1.2用来控制读写选择，P1.3 El用来控制 E使能信号。

利用上述液晶显示模块实时显示通信内容，以此完成通信系统硬件部分的设计。

2 水利卫星移动通信系统软件设计

在上述系统硬件设计完成的基础上，对系统软件进行设计。在系统软件设计上，主要通过5G网络提供支持，这样，高速可靠的系统就可以与顶层管理系统进行通信。由于传感器节点通信能力有限，因此需要5 G网络技术对数据进行有效的实时监测。软件的工作流程如图2所示。

图2 软件工作流程

其中，在5 G传感网络中，传感节点和中继节点的能量损失主要来自监测信息的传递和接收。为了避免消耗能量高、成本高的问题，采用人工免疫算法对网络节点布局处理。当两个节点的距离为d时，发送n个比特数据的能量损耗可以表示为

式中，Em—信号处理消耗的能量；nξp1、nξp2—每个功放所消耗的能量[14]；DT—网络质量。

利用上述技术为系统中数据传输提供支持，然后，为提高数据传输效率，加权平均滤波系统中的数据。权重均值滤波同样采用采样值的均值，但与算术均值滤波和移动均值滤波不同，采样值对结果的影响也不同，即不同的权值对新样本的影响不同[15]，越接近当前数据，权值越大。权重均值滤波的算法为

(2)

式中，n—未经滤波的第n次采样值；yn-1—滤波后的样值输出结果；Ci—滤波时间常数。

3 实验

在 VMware虚拟工作站虚拟机上进行了仿真实验，以验证此次研究的基于5G网络的水利卫星移动通信系统的有效性，并将传统系统与此次研究的系统做对比，对比两个系统的应用效果。先将 Linux操作系统 Ubuntu安装在虚拟机上，然后将 NS-3.29安装在 Ubuntu环境中作为网络模拟工具。表2显示了具体的模拟环境参数。

表2 实验环境参数

通过设置合理的卫星通信链路参数和 LTE网络参数，在仿真程序中，用控制变量法改变模拟模型中数据包的传输间隔、终端数目以及终端到基站的距离。统计分析了仿真程序生成的跟踪文件，并根据仿真结果评价了所设计的通信系统的性能。对系统的延迟性能、吞吐量和丢包率进行了比较。不同终端个数下的仿真参数见表3。

表3 不同终端个数下的仿真参数

3.1 数据接收延时性对比

在上述实验环境下，对传统系统与此次研究的基于5G网络的水利卫星移动通信系统的延时性进行对比，其对比结果如图3所示。

图3 数据接收延时性对比

此次研究系统的数据接收延时性明显较传统系统延时性低，在数据传输过来后，在较短的时间就能够对数据进行接收并传输，而传统的系统则需要耗费更多的通信时间，实际应用效果较差。

3.2 吞吐量对比

对上行链路的吞吐量和端子数量进行了一系列研究。图4为此次研究的系统与传统系统的吞吐量，对比可知，随着终端的增加，此次研究系统的吞吐量也在增加，证明此次研究系统在单位时间内具有较好的数据成功传输能力，较传统系统吞吐量高，在没有帧丢失的情况下，具备较好的吞吐能力。

图4 系统吞吐量对比

3.3 丢包率对比

对比此次研究系统与传统系统的丢包率，如图5所示。在传输数据增多的情况下，传统系统丢包率也随之增加。而此次研究系统的吞吐量受到传输数据多少的影响较小，具有较少的丢包率。

图5 丢包率对比

4 结语

设计了一个基于5G网络的水利卫星移动通信系统，并通过实验验证了所设计系统的有效性，通过此次研究系统有效提高了系统的吞吐能力、减少了丢包率，实际应用意义较强，能够为相关领域应用提供一定的帮助。

但是由于研究时间的限制，所设计的系统还存在一定的不足，还需要进一步的优化研究，在后续的研究中，将重点研究通信系统通信成本问题，从而进一步提高应用效果。