防數(shù)據(jù)碰撞的無線呼叫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能詳解

隨著科技的進(jìn)步以及對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們要求在消費(fèi)中得到的服務(wù)更加快捷、方便、舒適；同時(shí)處于激烈競爭環(huán)境中的服務(wù)性企業(yè)也需要吸引顧客，提高企業(yè)自身的服務(wù)檔次和形象。無線呼叫系統(tǒng)能夠?yàn)轭櫩蛣?chuàng)造良好的消費(fèi)環(huán)境，使其得到方便及時(shí)的服務(wù)；企業(yè)也能隨時(shí)掌握顧客需要的服務(wù)，提高服務(wù)效率。它可以廣泛應(yīng)用于酒店、銀行、醫(yī)院、娛樂場所等服務(wù)性行業(yè)中。因此，研究出一種簡單可靠、高效率的無線呼叫系統(tǒng)，對(duì)于提高我服務(wù)行業(yè)的服務(wù)水平，改進(jìn)人們的生活方式，促進(jìn)社會(huì)生活的信息化，具有重要的理論、實(shí)用和商用價(jià)值。

圖1所示給出了由一臺(tái)中央服務(wù)器CSS（Central Sever System）和多臺(tái)終端呼叫器MTCU（Multiple Terminal Call Unit）構(gòu)成的多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)無線通信系統(tǒng)。中央服務(wù)器CSS與每一臺(tái)呼叫器CU（Call Unit）之間以雙向方式傳遞數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高。同傳統(tǒng)的線呼叫系統(tǒng)相比，無線呼叫系統(tǒng)的使用更加靈活，無需在工作環(huán)境中鋪設(shè)有線物理網(wǎng)絡(luò)，極大降低了投資成本。

系統(tǒng)工作在ISM頻段433MHz附近，該頻段無需申請(qǐng)?jiān)S可證。呼叫器作為數(shù)據(jù)載體通常由用戶即服務(wù)的申請(qǐng)方來控制，每個(gè)呼叫器有一個(gè)唯一的識(shí)別碼。當(dāng)用戶按其上的發(fā)射鍵后，識(shí)別碼被發(fā)射出去，等待中央接收器的響應(yīng)；中央服務(wù)器接收到服務(wù)申請(qǐng)后，根據(jù)識(shí)別碼鑒定出是由哪一臺(tái)呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)，并給出聲音提示和顯示呼叫器的識(shí)別號(hào)。

在酬、醫(yī)院、娛樂業(yè)等經(jīng)營場所中，中央服務(wù)器置于服務(wù)臺(tái)或值班室中，呼叫器安放在客戶里、病床邊或顧客身邊。顧客隨時(shí)可以發(fā)出服務(wù)申請(qǐng)，中央服務(wù)器接收到申請(qǐng)后，發(fā)出提示音和顯示識(shí)別號(hào)碼，通知服務(wù)員向提出服務(wù)申請(qǐng)的顧客提供服務(wù)。

2 防碰撞技術(shù)

2.1 防碰撞問題的提出

在服務(wù)行業(yè)的營業(yè)場所中，顧客需要服務(wù)人員能夠提供準(zhǔn)確、及時(shí)的服務(wù)，因此要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有很好的實(shí)時(shí)性和可靠性。一方面，顧客提出的申請(qǐng)能夠很快地得到響應(yīng)，使顧客感覺不到時(shí)間的浪費(fèi)；另一方面，中央服務(wù)器不能由于接收到的是錯(cuò)誤信息，使服務(wù)員打擾并未提出服務(wù)申請(qǐng)的顧客。

針對(duì)系統(tǒng)的要求，可以得出導(dǎo)致服務(wù)中出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因有二：一是由于無線信道的復(fù)雜性，信息在無線信道的傳輸過程極易受到干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤，接收端不能接收到正確的信息；其二是由于多個(gè)呼叫器同時(shí)競爭通信信道向中央服務(wù)器發(fā)出呼叫，各個(gè)呼叫器發(fā)出的數(shù)據(jù)相互干擾，使中央服務(wù)器不能正確地辨別是哪一臺(tái)呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)。這兩種錯(cuò)誤可能使沒有發(fā)出呼叫申請(qǐng)的顧客得到了不需要的服務(wù)，而有服務(wù)要求的顧客又得不到滿足，反而降低了服務(wù)的效率和準(zhǔn)確度，起不到服務(wù)行業(yè)中需要的無線呼叫系統(tǒng)的作用。對(duì)于前一種情況可以采用適當(dāng)?shù)男＜m錯(cuò)方式，降低中央服務(wù)器向服務(wù)員提供錯(cuò)誤呼叫信息的概率，無需本文詳細(xì)討論。而對(duì)后一種情況，需要找到一種合適的反碰撞方法，這正是本文要解決的問題。

2.2 無線呼叫系統(tǒng)的防碰撞技術(shù)

數(shù)據(jù)的碰撞問題即無線通信中的多路存取問題。我們把多個(gè)通信通路競爭一個(gè)通信信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率以及供它使用的時(shí)間片確定的，故分配給每個(gè)用戶的通路容量必須滿足：當(dāng)有多個(gè)發(fā)射器同時(shí)把數(shù)據(jù)傳輸給同一個(gè)接收器時(shí)，不能出現(xiàn)互相干擾（碰撞）。在無線電技術(shù)中，多路存取問題的存在由來已久。因此，出現(xiàn)了許多方法，可以把不同的用戶信號(hào)分開。比較典型的方法有四種：空分多路法、頻分多路法、時(shí)分多路法以及碼分多路法。這些經(jīng)典的多路存取問題解決方法用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中時(shí)，可以將不間斷的數(shù)據(jù)流傳輸給用戶，并且保證一次分配的通信容量能夠保持足夠長的時(shí)間，如同話音通信所需要的那樣（例如在一次通話的整個(gè)交談過程）。

對(duì)無線呼叫系統(tǒng)來說，中央服務(wù)器與呼叫器之間只存在很短的動(dòng)作周期，這種周期被較長的不等非工作間歇所中斷。呼叫器發(fā)出的數(shù)據(jù)在數(shù)十ms的時(shí)間內(nèi)被鑒別，讀出和寫入；接著，中央服務(wù)器在較長的時(shí)間內(nèi)不會(huì)上到呼叫器發(fā)出的信號(hào)。但這并不意味我們不需要考慮多個(gè)呼叫器同時(shí)向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)的可能性。我們需要的是一種高效的多路存取法，使用戶感覺不到時(shí)間的損失就完成了數(shù)據(jù)的區(qū)分、顯示及對(duì)用戶的響應(yīng)。見圖2，許多呼叫器試圖“圖時(shí)”將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器。

現(xiàn)在比較常用的多路存取方法有頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用法。頻分復(fù)用法（FDM，F(xiàn)requency-Division Multiplexing）是在呼叫器與接收器之間建立多條不同帶的通信信道。但這種方法實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜，硬件上需要增加濾波器組；并且由于信道的非線性會(huì)產(chǎn)生交調(diào)失真和高次諧波，引起信號(hào)的串路，因而不適合所設(shè)計(jì)的無線呼叫系統(tǒng)在本系統(tǒng)使用的是時(shí)分復(fù)用法（TDM，Time-Division Multiplexing）。TMD同F(xiàn)DM相比較具有電路實(shí)現(xiàn)簡單可靠，對(duì)系統(tǒng)的非線性失真要求不高。

2.3 中央服務(wù)器與呼叫器之間的通信過程

時(shí)分復(fù)用的主要特點(diǎn)是利用不同時(shí)隙來傳送各路不同的信號(hào)，每路信號(hào)在時(shí)域上是分割開的。我們?yōu)槊颗_(tái)呼叫器分配的，可與中央服務(wù)器通信的時(shí)間段是不同的。因此，要求我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的同步機(jī)制，解決中央服務(wù)器與所有呼叫器之間時(shí)鐘的步問題。在同步信號(hào)的指揮下，每個(gè)呼叫器都能在分配給自己的時(shí)間段內(nèi)發(fā)送信息。

系統(tǒng)由中央服務(wù)器產(chǎn)生的步信號(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)同步的基準(zhǔn)信號(hào)，這就為所有呼叫器建立了一個(gè)能夠計(jì)算出各自可以發(fā)出呼叫申請(qǐng)時(shí)間的起點(diǎn)。這里的同步信號(hào)是使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的同步信號(hào)，而并不要求單個(gè)呼叫器與中央服務(wù)器采用同步通信方式的幀同步信號(hào)，呼叫器與央服務(wù)器之間的通信仍然可以采用異步通信的方式。呼叫器從收到系統(tǒng)同步信號(hào)后，開始計(jì)算可以發(fā)送信號(hào)的延遲時(shí)間。延遲時(shí)間的長度是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)約定的，每臺(tái)呼叫器對(duì)應(yīng)不同的延遲時(shí)間，使各個(gè)呼叫器與服務(wù)器通信的時(shí)間是錯(cuò)開的，不會(huì)產(chǎn)生重疊，也就防止了中央服務(wù)器時(shí)收到多臺(tái)呼叫器的服務(wù)申請(qǐng)，避免了數(shù)據(jù)之間的碰撞。中央服務(wù)器產(chǎn)生的系統(tǒng)同步信號(hào)是周期性的，這個(gè)周期的大小與系統(tǒng)中呼叫器的個(gè)數(shù)、呼叫器與服務(wù)器之間完成一次通信所需要的時(shí)間有關(guān)，也與硬件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)鐘大小和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈视嘘P(guān)。圖3給出了中央服務(wù)器與呼叫器之間通信的時(shí)序圖。

從圖3中，我們按照時(shí)分復(fù)用的原則，得出系統(tǒng)能夠正常工作的條件：

系統(tǒng)處于工作狀態(tài)后，中央服務(wù)器先發(fā)出同步信號(hào)SYN。該信號(hào)是周期信號(hào)，在兩個(gè)同步信號(hào)之間，服務(wù)器處于接收狀態(tài)。呼叫器CUi接收到同步脈沖后等待Ti時(shí)間，并在這臺(tái)呼叫器有顧客發(fā)出服務(wù)申請(qǐng)的情況下才能向服務(wù)器傳輸信息。呼叫器CUi與中央服務(wù)器通信一次的時(shí)間片的長度為ti，在時(shí)間片內(nèi)呼叫器可向服務(wù)器重復(fù)傳送n次信息，時(shí)間片內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸仍然采用異步通信的方式。由于所有呼叫器在兩個(gè)SYN之間均有一次機(jī)會(huì)可與中央服務(wù)器通信，所以劃分的時(shí)間片越長，同步信號(hào)的周期也截止大。但若同步信號(hào)的周期時(shí)間太長，超過顧客對(duì)服務(wù)等待時(shí)間的滿意程度，也就不能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。所以在保證通信質(zhì)量的前提下，應(yīng)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩s短通信時(shí)間片的長度，確定系統(tǒng)中呼叫器的適當(dāng)?shù)臄?shù)量。