防數據碰撞的無線呼叫系統結構與功能詳解

隨著科技的進步以及對生活質量要求的不斷提高，人們要求在消費中得到的服務更加快捷、方便、舒適；同時處于激烈競爭環境中的服務性企業也需要吸引顧客，提高企業自身的服務檔次和形象。無線呼叫系統能夠為顧客創造良好的消費環境，使其得到方便及時的服務；企業也能隨時掌握顧客需要的服務，提高服務效率。它可以廣泛應用于酒店、銀行、醫院、娛樂場所等服務性行業中。因此，研究出一種簡單可靠、高效率的無線呼叫系統，對于提高我服務行業的服務水平，改進人們的生活方式，促進社會生活的信息化，具有重要的理論、實用和商用價值。

圖1所示給出了由一臺中央服務器CSS（Central Sever System）和多臺終端呼叫器MTCU（Multiple Terminal Call Unit）構成的多點對單點無線通信系統。中央服務器CSS與每一臺呼叫器CU（Call Unit）之間以雙向方式傳遞數據，傳輸數據量大，實時性要求高。同傳統的線呼叫系統相比，無線呼叫系統的使用更加靈活，無需在工作環境中鋪設有線物理網絡，極大降低了投資成本。

系統工作在ISM頻段433MHz附近，該頻段無需申請許可證。呼叫器作為數據載體通常由用戶即服務的申請方來控制，每個呼叫器有一個唯一的識別碼。當用戶按其上的發射鍵后，識別碼被發射出去，等待中央接收器的響應；中央服務器接收到服務申請后，根據識別碼鑒定出是由哪一臺呼叫器發出的申請，并給出聲音提示和顯示呼叫器的識別號。

在酬、醫院、娛樂業等經營場所中，中央服務器置于服務臺或值班室中，呼叫器安放在客戶里、病床邊或顧客身邊。顧客隨時可以發出服務申請，中央服務器接收到申請后，發出提示音和顯示識別號碼，通知服務員向提出服務申請的顧客提供服務。

2 防碰撞技術

2.1 防碰撞問題的提出

在服務行業的營業場所中，顧客需要服務人員能夠提供準確、及時的服務，因此要求所設計的系統有很好的實時性和可靠性。一方面，顧客提出的申請能夠很快地得到響應，使顧客感覺不到時間的浪費；另一方面，中央服務器不能由于接收到的是錯誤信息，使服務員打擾并未提出服務申請的顧客。

針對系統的要求，可以得出導致服務中出現錯誤的原因有二：一是由于無線信道的復雜性，信息在無線信道的傳輸過程極易受到干擾而產生錯誤，接收端不能接收到正確的信息；其二是由于多個呼叫器同時競爭通信信道向中央服務器發出呼叫，各個呼叫器發出的數據相互干擾，使中央服務器不能正確地辨別是哪一臺呼叫器發出的申請。這兩種錯誤可能使沒有發出呼叫申請的顧客得到了不需要的服務，而有服務要求的顧客又得不到滿足，反而降低了服務的效率和準確度，起不到服務行業中需要的無線呼叫系統的作用。對于前一種情況可以采用適當的校糾錯方式，降低中央服務器向服務員提供錯誤呼叫信息的概率，無需本文詳細討論。而對后一種情況，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 無線呼叫系統的防碰撞技術

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

對無線呼叫系統來說，中央服務器與呼叫器之間只存在很短的動作周期，這種周期被較長的不等非工作間歇所中斷。呼叫器發出的數據在數十ms的時間內被鑒別，讀出和寫入；接著，中央服務器在較長的時間內不會上到呼叫器發出的信號。但這并不意味我們不需要考慮多個呼叫器同時向服務器傳輸數據的可能性。我們需要的是一種高效的多路存取法，使用戶感覺不到時間的損失就完成了數據的區分、顯示及對用戶的響應。見圖2，許多呼叫器試圖“圖時”將數據傳輸給服務器。

現在比較常用的多路存取方法有頻分復用和時分復用法。頻分復用法（FDM，Frequency-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。但這種方法實現上過于復雜，硬件上需要增加濾波器組；并且由于信道的非線性會產生交調失真和高次諧波，引起信號的串路，因而不適合所設計的無線呼叫系統在本系統使用的是時分復用法（TDM，Time-Division Multiplexing）。TMD同FDM相比較具有電路實現簡單可靠，對系統的非線性失真要求不高。

2.3 中央服務器與呼叫器之間的通信過程

時分復用的主要特點是利用不同時隙來傳送各路不同的信號，每路信號在時域上是分割開的。我們為每臺呼叫器分配的，可與中央服務器通信的時間段是不同的。因此，要求我們所設計的系統具有良好的同步機制，解決中央服務器與所有呼叫器之間時鐘的步問題。在同步信號的指揮下，每個呼叫器都能在分配給自己的時間段內發送信息。

系統由中央服務器產生的步信號作為整個系統同步的基準信號，這就為所有呼叫器建立了一個能夠計算出各自可以發出呼叫申請時間的起點。這里的同步信號是使整個系統協調工作的同步信號，而并不要求單個呼叫器與中央服務器采用同步通信方式的幀同步信號，呼叫器與央服務器之間的通信仍然可以采用異步通信的方式。呼叫器從收到系統同步信號后，開始計算可以發送信號的延遲時間。延遲時間的長度是在系統設計時就已經約定的，每臺呼叫器對應不同的延遲時間，使各個呼叫器與服務器通信的時間是錯開的，不會產生重疊，也就防止了中央服務器時收到多臺呼叫器的服務申請，避免了數據之間的碰撞。中央服務器產生的系統同步信號是周期性的，這個周期的大小與系統中呼叫器的個數、呼叫器與服務器之間完成一次通信所需要的時間有關，也與硬件設計的系統時鐘大小和數據傳輸的波特率有關。圖3給出了中央服務器與呼叫器之間通信的時序圖。

從圖3中，我們按照時分復用的原則，得出系統能夠正常工作的條件：

系統處于工作狀態后，中央服務器先發出同步信號SYN。該信號是周期信號，在兩個同步信號之間，服務器處于接收狀態。呼叫器CUi接收到同步脈沖后等待Ti時間，并在這臺呼叫器有顧客發出服務申請的情況下才能向服務器傳輸信息。呼叫器CUi與中央服務器通信一次的時間片的長度為ti，在時間片內呼叫器可向服務器重復傳送n次信息，時間片內數據的傳輸仍然采用異步通信的方式。由于所有呼叫器在兩個SYN之間均有一次機會可與中央服務器通信，所以劃分的時間片越長，同步信號的周期也截止大。但若同步信號的周期時間太長，超過顧客對服務等待時間的滿意程度，也就不能滿足系統的實時性要求。所以在保證通信質量的前提下，應提高數據傳輸的波特率，縮短通信時間片的長度，確定系統中呼叫器的適當的數量。