OFDM工业控制总线在军用车载通信系统中的应用

苏盘社 邵继超

（北京东土军悦科技有限公司 北京市 100041）

1 引言

随着智能汽车的发展，军用车辆也迈入了智能汽车的行列，现代军用车载通信系统包括的设备种类和功能越来越多。对于军用装甲车辆，比如坦克，除了常规的动力传动、安全气囊等智能电子设备外，还包括火力控制、对抗防御和战场指挥等智能电子设备。现有军用车载通信系统大都采用CAN 总线、1553B 总线和MIC 总线。现有总线需要牺牲传输带宽和简单的布线结构以换取高实时性、传输距离远等特性[1]。本文在军用车载通信系统中应用基于OFDM体制的高速总线系统，能够适应实时性高、传输距离远等通信需求，且带宽利用率高、布线简单。

2 OFDM工业控制总线简介

OFDM 是指多载波正交频分复用，时域上最小时间粒度为一个符号，如图1所示。一个符号包括若干个子载波，各子载波相互正交，如图2所示。最小时频单元为一个符号的一个子载波[2]。

OFDM工业控制总线采用有线传输，布线简单。一种典型的拓扑结构是总线型，如图3所示。总线上有一个主节点、一个备份主节点和多个从节点。主节点负责资源分配、接入等工作，当主节点失效时，由备份主节点代替主节点。每个节点在属于自己的符号时间段内向总线发送数据，同时其他符号不发送数据[3]。

3 应用特点

3.1 适应不同的通信终端分布

根据军用车载需要装备的通信终端数量、种类和分布的不同，需要采用不同的网络拓扑结构[4]。除了典型的总线型结构，还可以采用环型结构，如图4所示。因此灵活可配的总线网络拓扑结构可以很好地适应一些不同的作战需求。

3.2 适应不同的通信需求

3.2.1 传输距离

车载通信终端之间的距离会随其数量和布局而变化，传输距离的变换会影响信道的分布，最终会影响信噪比。在其他参数不变的情况下，信噪比过低会导致通信间断或终止[5]。

OFDM工业控制总线可以通过调整一些参数弥补甚至完全补偿因为传输距离的变化导致的信噪比降低。

通过调整调制方式。在传输距离远、信道差、信噪比低的恶劣条件下，可以选择低阶调制使得具有较低的解调门限，采用纠错数多的RS 码和低卷积速率的卷积码。比如在传输距离高于一定门限时，选择RS(239,207)、1/2 卷积率、16QAM 的组合；传输距离低于一定门限时，选择RS(119,103)、3/4 卷积率、256QAM 的组合。

图1：时间粒度示意图

图2：一个符号的频域结构

图3：总线型结构

图4：环型结构

通过调整符号长度。传输距离越远，多径延时越大，长符号的循环冗余更长，能够对抗更大的多径延时。因此传输距离较远、对实时性要求不高时可以选择长符号模式。如图5所示，模式0 的符号长度是模式1 的两倍。传输距离远时选择模式0，传输距离近时选择模式1。

图5：不同符号长度示意图

图6：时频资源分配示意图

图7：混合导频结构示例

3.2.2 实时性

当车载通信终端通信频率高且需要快速响应时，需要通信总线系统能够具有足够的实时性。OFDM工业控制总线结合自身的通信体制特点和调整参数可以满足一定的实时性要求。

OFDM工业控制总线采用OFDM 通信体制，可以以最小时频资源为粒度分配资源给各终端。给一次传输数据量大的终端分配更多的时频资源，给一次传输数据量小的终端分配更少的时频资源。如图6所示，用户A 需要传输的数据量小，仅分配一个资源块，用户C 需要传输的数据量大，分配多个资源块。

通过调整符号长度。其他条件不变时，短符号使得每个用户占用总线的时间更短，在实时性要求高时可以采用短符号。可以灵活配置不同的符号长度适应不同的实时性需求。

3.3 高频带利用率高

3.3.1 导频图案

当军用车载通信终端需要传输的数据量不同或实时性需求不同时，若按照固定模式分配时频资源将导致资源的利用率低[6]。

OFDM工业控制总线可以采用频域离散导频结构、频域连续导频结构以及频域离散和频域连续混合导频结构。

频域离散和频域连续混合导频结构如图7所示，一个符号包括8 个子载波，一个分配周期包括4 个组，一组包括4 个符号，将每个符号划分成2 个子带，每个子带包括4 个子载波。子带的划分和导频结构的分布如图7所示，每组包括8 个子带，将2 个子带配置为2 个频域离散导频结构，6 个子带配置为2 个频域连续导频结构，频域连续导频结构的最小分配单元为同频段连续符号的3 个子带。

可以根据需要灵活地分配时频资源给用户。当某个用户在短时间内需要传输的数据量大时，可以将一个分配周期里的多个频域连续导频结构子带分配给该用户。当多个用户需要传输数据且每个用户对实时性要求较高时，可以将一个分配周期里的频域离散导频结构子带分配给这些用户。

3.3.2 子带的分配

当两个终端的传输距离远时，信道在高频带衰减严重。因此可以将低频子带分配给传输距离较远的终端，将高频子带分配给传输距离较近的终端，提高频带利用率。

4 结语

本文在军用车载通信系统中应用基于OFDM 体制的高速总线系统。本系统能够适应不同的通信终端分布，能够支持总线型和环型拓扑结构。本系统能够适应不同的通信需求，通过调整符号长度、调制方式等参数可以适应不同的传输距离、实时性要求和传输数据量的不同。本系统通过设置不同的导频图案和灵活分配时频资源使得频带利用率高。因此，本系统能够适应实时性高、传输距离远等通信需求，且带宽利用率高、布线简单。