無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)在接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

喬立升　吳積欽　徐可佳

摘 要：接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和條件,限制了完全以有線方式來(lái)組網(wǎng)的應(yīng)用。分析了IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系及其存在的問(wèn)題和相應(yīng)對(duì)策,論述了其應(yīng)用,然后針對(duì)接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和條件限制,以方便和實(shí)用為原則,設(shè)計(jì)并提出了兩種基于IEEE 802.11的應(yīng)用于接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案及相應(yīng)的安全解決措施,試驗(yàn)結(jié)果證明方案和措施是可行的。文中的創(chuàng)新之處在于,它是第一次成功地將無(wú)線的組網(wǎng)方式應(yīng)用于電力系統(tǒng)鐵路上的接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線局域網(wǎng)；無(wú)線組網(wǎng)；接觸網(wǎng)；振動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP339 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-033-03

Application of WLAN Technology in the Test System of Contact Wire′s Vibration

QIAO Lisheng,WU Jiqin,XU Kejia

(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract：The actual application condition and environment of contact wire′s vibration test system,which limits the use of complete wire network.Firstly,the protocol hierarchy of IEEE 802.11 network,the problems,the relating resoved measures and application are proposed.Then,considering the limits of fact application condition and environment of contact wire′s vibration test system,with the principle of practicality and convenience,two network schemes applicated in the test system of contact wire′s vibration and the associated measures of security assurance are designed and brought foward.And their feasibility is demonstrated by the result of test.It′s the first time of wireless network is applied into the contact wire′s vibration test system successfully.

Keywords：WLAN;wireless network;contact wire;vibration

0 引 言

研究接觸網(wǎng)的振動(dòng)規(guī)律,是更好地研究弓網(wǎng)關(guān)系,提高機(jī)車(chē)受流質(zhì)量和壽命的重要途徑,在電氣化鐵道,特別是在高速電氣化鐵道中具有很重要的意義［1］。而接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)的特殊環(huán)境,有線的組網(wǎng)方式難以較好滿足。

而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有通信范圍不受環(huán)境條件的限制,易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和調(diào)整、無(wú)線局域網(wǎng)的組建、配置和維護(hù)比較容易等優(yōu)點(diǎn)。通常應(yīng)用于不宜或不便布線的場(chǎng)所、頻繁變更辦公場(chǎng)所的人員、建筑物之間的局域連接等［2-4］。目前,IEEE 802.11所規(guī)范的WLAN技術(shù),定義了物理層和媒體訪問(wèn)控制MAC協(xié)議的規(guī)范,允許無(wú)線局域網(wǎng)及無(wú)線設(shè)備制造商在一定范圍內(nèi)建立互操作網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,可以為移動(dòng)用戶提供以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能(包括吞吐量和可用性),并可與以太網(wǎng)幾乎無(wú)障礙地連接和融合［2-4］。

在此背景下結(jié)合接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和條件,設(shè)計(jì)并提出了兩種應(yīng)用于接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案及安全解決措施,試驗(yàn)結(jié)果證明是可行的。

1 IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系及其存在問(wèn)題

1.1 IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和基本模式。其中,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式(peer to peer模式)又稱(chēng)Ad Hoc模式,是指無(wú)線網(wǎng)卡之間的通信方式,一般應(yīng)用于小型網(wǎng)絡(luò),理論上最多連接256臺(tái)PC；基本模式又稱(chēng)infrastructure模式,指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)充或無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)并存時(shí)的通信方式,這是IEEE 802.11最常用的方式。在基本模式中,接入點(diǎn)負(fù)責(zé)頻段管理及漫游等指揮工作,一個(gè)接入點(diǎn)理論上最多可連接 1 024臺(tái)PC(無(wú)線網(wǎng)卡),當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)增時(shí),網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)速度會(huì)隨著范圍擴(kuò)大和接點(diǎn)的增加而變慢,此時(shí)添加接入點(diǎn)可以有效控制和管理頻寬與頻段,并可以作為無(wú)線網(wǎng)和有線網(wǎng)之間連接的橋梁［2,3］。

1.2 IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)物理層及相應(yīng)規(guī)范［4-6］

1.2.1 物理子層

IEEE 802.11對(duì)WLAN物理層進(jìn)行了分層,它們是PLCP(物理層會(huì)聚協(xié)議)、PMD(物理介質(zhì)相關(guān)協(xié)議)和物理層管理子層。PLCP子層主要進(jìn)行載波偵聽(tīng)的分析和針對(duì)不同的物理層形成相應(yīng)格式的分組。PMD子層用于識(shí)別相關(guān)介質(zhì)傳輸?shù)男盘?hào)所使用的調(diào)制和編碼技術(shù)。物理層管理子層進(jìn)行信道選擇和調(diào)諧,如 圖1所示。

用于PMD的傳輸有FHSS(調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)),DSSS(直接序列擴(kuò)頻技術(shù))和DFIR(擴(kuò)散紅外線)。MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)到達(dá)PLCP層時(shí),在MPDU前加上幀頭,用來(lái)明確傳輸要使用的PMD層,3種方式的幀頭格式不盡相同。然后,PLCP進(jìn)行分組,并根據(jù)這 3種信號(hào)傳送技術(shù)的規(guī)范要求由PMD層傳送。如圖2所示。

1.2.2 FHSS,DSSS,DFIR的規(guī)范

(1) FHSS

IEEE 802.11 FHSS WLAN規(guī)定了以2．44 GHz為中心,間隔為1 MHz的78個(gè)跳頻信道,這些跳頻信道被分成3組,每組有26個(gè),分別對(duì)應(yīng)的信道編號(hào)為(0,3,6,9,…,75),(1,4,7,10,…,76)和(2,5,8,11,…,77)。具體選擇哪一組由物理層管理子層決定。最大跳躍速率為2．5跳/s。采用兩級(jí)和四級(jí)GFSK(高斯頻移鍵控)分別實(shí)現(xiàn)速率1 Mb/s和2 Mb/s。

(2) DSSS

IEEE 802.11 DSSS WLAN將2．4 GHz頻段分成11個(gè)相互覆蓋的信道,每2個(gè)信道之間的中心頻率間隔是5 MHz。使用長(zhǎng)度為11 b的Barker編碼。采用DBPSK(差分二進(jìn)制相移鍵控)和DQPSK(四相差分相移鍵控)分別實(shí)現(xiàn)速率1 Mb/s和2 Mb/s。

(3) DFIR

IEEE 802．11標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的波長(zhǎng)范圍為850～ 950 nm。采用4PPM(位置脈沖調(diào)制)和16 PPM分別實(shí)現(xiàn)速率1 Mb/s,2 Mb/s。

1.3 IEEE 802.11協(xié)議存在的問(wèn)題及解決辦法［4-6］

1.3.1 存在“Near/Far”現(xiàn)象及解決辦法

這是由于在802.11無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議中要檢測(cè)沖突,設(shè)備必須能夠一邊接收數(shù)據(jù)信號(hào)一邊傳送數(shù)據(jù)信號(hào),而這在無(wú)線系統(tǒng)中是無(wú)法辦到的。鑒于這個(gè)問(wèn)題,在802.11中的 MAC中,對(duì)CDMA/CD進(jìn)行了一些調(diào)整,采用了 CDMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coordination Function)。CDMA/CA利用ACK信號(hào)來(lái)避免沖突的發(fā)生,即只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上往返的ACK信號(hào)后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確達(dá)到目的。CSMA/CA通過(guò)這種方式來(lái)提供無(wú)線的共享訪問(wèn),這種顯式的ACK機(jī)制在處理無(wú)線問(wèn)題時(shí)非常有效,不過(guò)這種方式顯然增加了額外的負(fù)擔(dān),所以802.11網(wǎng)絡(luò)在性能上和類(lèi)似的Ethernet網(wǎng)相比較在性能上總是稍遜一籌。

1.3.2 存在“hidden node”問(wèn)題及解決辦法

當(dāng)兩個(gè)相反的工作站利用一個(gè)中心接入點(diǎn)進(jìn)行連接,這兩個(gè)工作站都能“聽(tīng)”到中心接入點(diǎn)的存在,而相互之間則可能由于障礙或者距離原因無(wú)法感知對(duì)方的存在。為了解決這個(gè)問(wèn)題,802.11在MAC層引入了一個(gè)新的Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS)選項(xiàng),當(dāng)這個(gè)選項(xiàng)打開(kāi)后,一個(gè)發(fā)送工作站發(fā)送一個(gè)RTS信號(hào),隨后等待接入點(diǎn)回送RTS信號(hào),由于所有的網(wǎng)絡(luò)中的工作站都能“聽(tīng)”到接入點(diǎn)發(fā)出的信號(hào),所以CTS能夠讓它們停止傳送數(shù)據(jù),這樣發(fā)送端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)和接收ACK信號(hào)而不會(huì)造成數(shù)據(jù)的沖突,這就解決了“hidden node”問(wèn)題。由于RTS/CTS需要占用網(wǎng)絡(luò)資源而增加了額外的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān),一般只用于那些大數(shù)據(jù)報(bào)上(重傳大數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)耗費(fèi)較大)。

2 IEEE 802.11局域網(wǎng)在接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和條件限制

在鐵路沿線不能拉扯很多線路,不能改變機(jī)車(chē)既定運(yùn)行條件、高頻電磁環(huán)境、封閉線路(不經(jīng)允許不能擅入)等［7］。以上條件,決定了以無(wú)線方式進(jìn)行組網(wǎng)是明智之舉。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

目前,802.11無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,相應(yīng)無(wú)線組網(wǎng)設(shè)備型號(hào)齊全,功能日益完善,因此,在接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中采用“有線+無(wú)線”的組網(wǎng)方案是較好和可行的。

2.3 組網(wǎng)方案及分析

鑒于試驗(yàn)線路環(huán)境及安裝條件限制,各臺(tái)主機(jī)和無(wú)線路由器之間采用無(wú)線方式進(jìn)行連接,同時(shí)考慮無(wú)線連接的不穩(wěn)定性和易干擾性,攝像機(jī)和主機(jī)之間采用有線方式進(jìn)行連接,數(shù)據(jù)采集也采用有線的方式。具體方案如圖3所示。

(1) 所用機(jī)子數(shù)量較少時(shí),具體方案如圖3所示。

這一種方案,關(guān)鍵是攝像機(jī)和PC機(jī)是采用有線方式連接的,因?yàn)楫?dāng)弓網(wǎng)分離時(shí),所造成的干擾本質(zhì)上是一種高壓脈沖干擾(離散型),其特點(diǎn)是瞬間的能量過(guò)大,足以擾亂敷設(shè)在鐵路沿線的通信信息系統(tǒng)中的編碼信號(hào)脈沖(3 V左右),對(duì)本屬于開(kāi)放電磁場(chǎng)的無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)更是不利,同時(shí)也足以干擾掉攝像機(jī)和PC機(jī)之間的無(wú)線連接,致使采集的數(shù)據(jù)有可能丟失和出錯(cuò)。另外,為了增大相互連接的信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,最好將無(wú)線AP上的全向天線換成發(fā)射功率更大的全向或定向天線［1］。另外考慮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件,每臺(tái)PC機(jī)上的無(wú)線網(wǎng)卡應(yīng)事先設(shè)置好自動(dòng)固定接入指定的SSID,這樣可避免不必要的干擾和錯(cuò)誤。

(2) 所用機(jī)子較多時(shí),具體方案如圖4所示。

采用這種方案時(shí),在第一種方案的基礎(chǔ)上,需另外考慮各無(wú)線AP覆蓋區(qū)之間的干擾問(wèn)題。因?yàn)猷徑嗤l道間不能相互覆蓋,否則會(huì)造成相互之間的干擾。而無(wú)線AP的可用信道一般為11個(gè),分別為1~11號(hào)頻道。所以,具體解決辦法可以是：各無(wú)線AP之間相互設(shè)置為橋接,各AP各選一個(gè)互不相同的頻道,比如,方案中的Test WR 1選擇1號(hào)頻道；Test WR 2選擇 6號(hào)頻道；Test WR 3選擇11號(hào)頻道；并且,務(wù)必保證自動(dòng)固定接入相應(yīng)無(wú)線AP的SSID的PC機(jī)的無(wú)線網(wǎng)卡所用的頻道和所接入的無(wú)線AP的頻道一致。

2.4 安全機(jī)制

現(xiàn)在,大多無(wú)線產(chǎn)品的加密安全認(rèn)證機(jī)制都相當(dāng)成熟和完善,具有智能防護(hù)功能,采用128 b WEP加密、MAC地址過(guò)濾、支援VPN透?jìng)鞯取?/p>

該試驗(yàn)用的是128 b WEP加密。用此加密算法,請(qǐng)務(wù)必確保WEP加密設(shè)置,否則,無(wú)法從無(wú)線終端ping到無(wú)線AP。不同廠商的無(wú)線網(wǎng)卡和AP需要指定不同的 WEP密鑰。要讓W(xué)EP正常工作,所有的無(wú)線客戶端和接入點(diǎn)都必須正確匹配。很多時(shí)候,雖然無(wú)線客戶端看上去已經(jīng)正確地配置了WEP,但是依然無(wú)法與無(wú)線AP通信。在面對(duì)這種情況時(shí),一般可以將無(wú)線AP恢復(fù)到出廠狀態(tài),然后重新輸入WEP 配置信息,并啟動(dòng)WEP功能。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

第一種方案,即機(jī)子較少時(shí)的方案,通過(guò)作為服務(wù)器的機(jī)子,可以訪問(wèn)到連接的所有PC,信號(hào)強(qiáng)度兩格或兩格以上,SNR在30 dB左右,且連接速率達(dá)到實(shí)用要求,服務(wù)器與離無(wú)線AP最遠(yuǎn)的PC之間的無(wú)線連接速率可達(dá)24 Mb/s及其以上(當(dāng)時(shí)用的是300 Mb/s的無(wú)線網(wǎng)卡和無(wú)線路由器,無(wú)線路由器用的是大發(fā)射功率的外置式全向天線,各無(wú)線網(wǎng)卡用的是外置式定向天線,服務(wù)器和路由器之間的網(wǎng)線是千兆網(wǎng)線,用作服務(wù)器的機(jī)子的網(wǎng)卡是千兆網(wǎng)卡)。

第二種方案,通過(guò)作為服務(wù)器的機(jī)子,可以訪問(wèn)到連接的所有PC,但連接速率變化及相差較大,在連接速度沒(méi)有嚴(yán)格要求的條件下,是可行的。

3 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)以其靈活、方便,適應(yīng)性更強(qiáng),覆蓋面廣,操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),正在日益成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要組成部分和人們應(yīng)用的熱寵。強(qiáng)大的應(yīng)用需求作為動(dòng)力,無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)及其組網(wǎng)產(chǎn)品也正飛速發(fā)展、日趨成熟和完善。這里結(jié)合接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和條件限制,以現(xiàn)有無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品為基礎(chǔ),提出了兩種情況下的試驗(yàn)方案,并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,兩種方案都具有較好的可行性。

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作者簡(jiǎn)介

喬立升 男,1982年出生,助理工程師,碩士研究生。研究方向?yàn)榻佑|網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及軟件設(shè)計(jì)。

吳積欽 男,1966年出生,高工,博士。研究方向?yàn)殡姎饣F路弓網(wǎng)關(guān)系及其評(píng)價(jià)。

徐可佳 男,1979年出生,博士。研究方向?yàn)閳D像處理理論和軟件設(shè)計(jì)。