机载无线2G3G通信与WIFI通信方案

机载无线模块 研制 （v1.0） Xxxx公司 2013-05-02 1. 研制目的 机载无线模块（WCM）是某民用机载设备中的空地通信模块。该模块采用PMC结构，以PMC板卡形式安装于机载设备箱体内部。WCM支持WiFi、3G、2G通信方式，并且支持智能通信链路选择功能（优先选择WiFi）。 2. 研制需求 WCM的天线安装于飞机的机壳上。天线通过同轴电缆连接到WCM模块上。 （1）自动选路 当飞机处于空中飞行状态时，WCM禁止开启。当飞机落地后，WCM自动开启并开始自动连接机场的地面支持设备。启闭控制信号来自外部离散量。 （2）部署与设备连接 WCM通过以太网接口连接至机载设备上。WCM与地面支持设备（GSE）的交联关系如图1所示。 图1 WCM与机载网络和地面网络的交联关系 （3）硬件指标 ·结构尺寸：PMC背板结构，PMC连接器信号可自定义。 ·板卡高度：≤10mm。 ·重量：≤200g（仅板卡，不含天线与馈缆）。 ·供电：5V或3.3V。 ·峰值功耗：10W（暂定）。 ·接口： RF：WiFi/2G/3G； 数据：100M以太网（可直接通过PMC连接器引出）； 离散量：5路输入（启闭控制、其他信号待定义）； 天线：WiFi、2G/3G共用天线（允许WiFi和2G/3G使用独立天线，但需共存于同一天线外壳中）。 注1：天线安装在飞机机壳外部；重量≤500g；RF接口使用BNC/SMA，要求连接可靠；尺寸：和飞机蒙皮直接接触面积小于150平方厘米）；固定孔位可协商；天线形态不限，但需要相关认证，建议尽量选择国外成熟产品。 注2：天线可能安装于机舱内，建议提供其他的型号作为选择项。 ·环境 工作温度：-40~+70摄氏度 存储温度：-55~+85摄氏度 振动量级：2.2G ·性能 无线传输距离应不小于400m（机场空旷区域）。 ·无线协议要求 支持WPA、WPA2（IEEE 802.11 i）。 WiFi链路：IEEE 802.11bg。 蜂窝链路：GPRS/3G。 3. 研制方案 根据研制需求制定以下研制方案。 3.1 WCM硬件设计 根据WCM工作环境特点和技术指标要求，采用高效低功耗工业级嵌入式网络处理平台定制。 3.1.1 WCM硬件框图 如图2所示，WCM由网络处理器、WiFi、3G和相应接口与电源转换等逻辑模块组成。 图2 WCM硬件逻辑框图 3.1.2 WCM硬件设计说明 （1）网络处理器方案：根据WCM功能、功耗和PCB体积要求，选用工业档嵌入式网络处理器，型号为Qualcomm AR9344工业档型号（B版本），主频可达600MHz，MIPS74Kc SoC（片上系统），处理器内置WCM所需的全部接口功能（wifi、以太、USB2.0、PCI-e x1（RC&EP）、UART、GPIO等），具有64K/32K的指令和数据Cache，运行效率较高，32位存储总线，多功能接口，适合网络处理应用，满足工业应用环境工作，量产供货稳定。处理器逻辑框图见图3。 图3 AR93xx系列硬件逻辑框图 （2）3G功能：采用产品级工业档3G模块实现。综合考虑功能（3G/2G自动切换）、功耗（小于5W）、PCB安装高度、机载振动冲击要求和联通性高要求，选用工业档PCI-e MiniCard/USB2.0 Combo面贴装式模块，3G制式选用WCDMA，外置SIM卡插槽，便于更换SIM卡。3G模块选用Gemalto M2M 3G无线模块，型号为EHS5，基于德国西门子无线模块技术，支持WCM工作温度要求，功能体积功耗振动均满足要求，该模块支持HSxPA（WCDMA）/GPRS/EDGE双频段数据通信，可实现7.62Mbps（DL）/5.76Mbps（UL）的通信速率，USB2.0接口，全表面贴装焊接，可完美支持WCM 3G数据通信功能需求，此外，该模块为德国公司中国国内生产，型号较新，供货与技术支持良好。Gemalto M2M 3G模块示意如图4。 图4 Gemalto M2M 3G模块示意 （3）SIM卡外置方案：SIM卡8线信号通过3G模块引脚PCB引出至板载FPC连接器插座，通过柔性扁平电缆延长引出至机箱前面板。考虑到SIM卡信号最大10mA的驱动能力，建议最大引线长度控制在100mm以内（极限可至150mm，视引线损耗确定）。SIM卡引线示意如图5所示。 图5 SIM卡延长引线示意 （4）WiFi功能：考虑PCB高度、机载安装振动冲击和通信距离要求，采用On Board方案实现WiFi功能，外置独立PA，实现500mW（27dBm）峰值Tx Power输出。WiFi基于AR9344自带802.11n功能模块实现，只需实现2.4GHz频段的射频前端处理电路，包括PA/LNA、RF Switch和微带匹配电路等主要电路，2.4GHz射频前端设计示例如图6所示。 图6 2.4GHz射频前端设计示例 （5）PMC载板接口：除SIM卡插槽外，所有外部接口（以太、离散量、电源等）均通过PMC连接器与PMC载板联接，接口定义与PMC载板设计协商确定，其中以太接口实现IEEE802.3u 100Mbps模拟信号接口，无需PMC载板实现PHY功能。 （6）天线：按照机体外部安装提出解决方案。总体设计思想：WiFi和3G链路采用内部独立、同壳体物理集成的Blade天线，以避免强信号串扰对后端电路的干扰，尤其是防止强信号冲击造成接收电路烧毁。 设计采用成熟的国外商用双模双频机载Blade天线（推荐采用美国Sensor Systems公司的宽带机载刀型多模天线（型号：S65-5366-715），天线采用同壳体、双天线模式，频率响应覆盖中国2G/3G和2.4GHz ISM频段（800~2650MHz），刀型壳体设计，1路N-F RF接口，驻波小于2.0，功率容忍度大于100W，尺寸重量与试航要求满足本方案需求。安装应选择机体顶部，避免安装机腹等机身遮挡严重区域。 ·备份天线选择方案：国内定制双模双频机载刀型天线（国内多家研究所和企业可提供该业务），天线采用同壳体、双天线模式，频率响应覆盖中国2G/3G和2.4GHz ISM频段。天线采用刀型壳体，2路N-F或SMA型RF接口，天线增益可做到2~3dBi，安装应选择机体顶部，避免安装机腹等机身遮挡严重区域。 ·关于舱内安装：可分为2G/3G和WiFi双天线独立安装，也可采用方案1和2直接舱内安装。但不推荐此类安装方式，主要考量问是WiFi和3G信号的舱体遮挡问题，尤其是WiFi 2.4GHz微波频段衰减尤为突出。射频信号经舱体（基本为金属屏蔽壳体）屏蔽，衰减一般在30~50dB，甚至更高，单靠增加射频功率改善效果并不明显，且民航飞机舱内部署发射功率将存在限制，导致400m WiFi通信距离要求难于满足。 （7）温度控制：在全部选用工业档器件的前提下，为确保整板温度特性，尤其是低温启动性能，在处理器/晶振等关键部位设计增加低功率PTC热敏电阻，可便捷实现自动温度控制能力，并保证可靠温度下的零功耗损耗，对整机功耗影响可控制在允许参数范围之内。 3.2 WCM软件设计 根据WCM功能指标要求，WCM软件系统架构如图3所示。 图3 WCM软件架构 WCM软件系统基于嵌入式Linux Kernel 2.6平台，整体采用高聚低偶模块化设计，针对WiFi、3G模块、以太接口和离散量采用独立驱动，统一上层处理。 3.2.1 WiFi软件 WiFi设计采用改进的IC原厂产品级驱动（基于Aquila_9.2.x Release WLAN-LSDK版本），支持IEEE802.11bg（可扩展为IEEE802.11nbg）和IEEE802.11e/11i等相关国际标准。WiFi模块设计工作于Client（Station或Station-WDS）模式，支持自动信道扫描与自动关联，以便与第三方机场部署AP关联接入。 3.2.2 3G模块软件 3G模块由于已集成蜂窝系统协议处理栈，因此WCM只需进行设备驱动与相关AT命令设置。 3.2.3 以太接口 采用处理器自带以太MAC，直接移植相关驱动程序即可。 3.2.4 离散量接口 离散量设计通过处理器GPIO（通用IO）实现。可实现输出或输入的任意配置。离散量可根据需要增加光耦或数字隔离，以提高抗干扰能力。 3.2.5 链路自动选择 通过在MAC协议栈上层增加一层路由（即链路）通断和质量探测处理机制，通过路由选择（即数据转发规则），即可实现链路的自动探测与选择。 3.2.6 配置管理 设计支持基于浏览器的设备配置管理接口，保留增加支持SNMP网管的扩展能力。 4. 研制计划 按照本研制方案（采购商用天线产品），产品定型约需2.5个月工期，采用国内定制天线增加1个月工期。 PAGE 7 _1429036997.vsd 硬件抽象层 TCP/IP协议栈 WiFi设备驱动 以太驱动 3G模块驱动 路由（链路）调度 MAC协议栈 应用与管理组件 设备管理 配置管理UI 路由选择调度 数据转发桥接 OS 抽象层 配置管理控制 路由质量探查 速率管理 数据封装处理 GPIO（离散量）驱动 安全接入控制 MAC状态机（MLME） _1431853671.vsd � 3G模块 8线扁平电缆 （长度小于100mm） 插座 PMC载板连接器 （PA/LNA/RF Switch） IEEE 1386 PMC connector (LNA、Power、离散量IO) 网络处理器 （MIPS） 3G/WLAN合路器 RAM 电源（DC-DC） 离散量x5 802.11gn WLAN 2.4GHz 射频前端 以太接口 （RMII） SIM PCI-e x1 USB2.0 Flash WiFi+3G 机载天线 射频馈缆 SMA2 SMA1 射频馈缆 射频馈缆 BPF1 BPF2 前面板SIM插座 802.3 MAC 802.3 PHY _1427635172.vsd � � � � �