無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)在接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統中的應用

摘 要：接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統的實(shí)際應用環(huán)境和條件，限制了完全以有線(xiàn)方式來(lái)組網(wǎng)的應用。分析了IEEE 802．11網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議體系及其存在的問(wèn)題和相應對策，論述了其應用，然后針對接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統的實(shí)際應用環(huán)境和條件限制，以方便和實(shí)用為原則，設計并提出了兩種基于IEEE 802．1l的應用于接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統的組網(wǎng)方案及相應的安全解決措施，試驗結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(xiàn)的組網(wǎng)方式應用于電力系統鐵路上的接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)；無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)；接觸網(wǎng)；振動(dòng)

O 引 言
研究接觸網(wǎng)的振動(dòng)規律，是更好地研究弓網(wǎng)關(guān)系，提高機車(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。而接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗的特殊環(huán)境，有線(xiàn)的組網(wǎng)方式難以較好滿(mǎn)足。
而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有通信范圍不受環(huán)境條件的限制，易于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )規劃和調整、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的組建、配置和維護比較容易等優(yōu)點(diǎn)。通常應用于不宜或不便布線(xiàn)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。目前，IEEE 802．11所規范的WLAN技術(shù)，定義了物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制MAC協(xié)議的規范，允許無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)及無(wú)線(xiàn)設備制造商在一定范圍內建立互操作網(wǎng)絡(luò )設備，可以為移動(dòng)用戶(hù)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。
在此背景下結合接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統的實(shí)際應用環(huán)境和條件，設計并提出了兩種應用于接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統的組網(wǎng)方案及安全解決措施，試驗結果證明是可行的。

1 IEEE 802．1l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 )的拓撲結構
IEEE 802．1l網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構分為兩種：點(diǎn)對點(diǎn)模式和基本模式。其中，點(diǎn)對點(diǎn)模式(peer to peer模式)又稱(chēng)Ad Hoc模式，是指無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡之間的通信方式，一般應用于小型網(wǎng)絡(luò )，理論上最多連接256臺PC；基本模式又稱(chēng)infrastructure模式，指無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規模擴充或無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)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)負責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PC(無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡)，當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)擴增時(shí)，網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)速度會(huì )隨著(zhù)范圍擴大和接點(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(xiàn)網(wǎng)和有線(xiàn)網(wǎng)之間連接的橋梁。
1．2 IEEE 802．11協(xié)議標準物理層及相應規范
1．2．1 物理子層
IEEE 802．11對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)的分析和針對不同的物理層形成相應格式的分組。PMD子層用于識別相關(guān)介質(zhì)傳輸的信號所使用的調制和編碼技術(shù)。物理層管理子層進(jìn)行信道選擇和調諧，如圖l所示。

用于PMD的傳輸有：FHSS(調頻擴頻技術(shù))，DSSS(直接序列擴頻技術(shù))和DFIR(擴散紅外線(xiàn))。MAC層協(xié)議數據單元(MPDU)到達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，并根據這3種信號傳送技術(shù)的規范要求由PMD層傳送。如圖2所示。

1．2．2 FHSS，DSSS，DFIR的規范
(1)FHSS
IEEE 802．11 FHSS WLAN規定了以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)，分別對應的信道編號為(O，3，6，9，…，75)，(1，4，7，lO，…，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。采用兩級和四級GFSK(高斯頻移鍵控)分別實(shí)現速率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(cháng)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)現速率1 Mb／s和2 Mb／s。
(3)DFIR
IEEE 802．11標準中規定的波長(cháng)范圍為850～950 nm。采用4PPM(位置脈沖調制)和16 PPM分別實(shí)現速率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
1．3．1 存在“Near／Far”現象及解決辦法
這是由于在802．11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議中要檢測沖突，設備必須能夠一邊接收數據信號一邊傳送數據信號，而這在無(wú)線(xiàn)系統中是無(wú)法辦到的。鑒于這個(gè)問(wèn)題，在802．11中的MAC中，對CDMA／CD進(jìn)行了一些調整，采用了CDMA／CA(Carrier Sense Multiple Accesswith CoIlision Avoidance)或者DCF(Distributed Coor―dination Function)。CDMA／CA利用ACK信號來(lái)避免沖突的發(fā)生，即只有當客戶(hù)端收到網(wǎng)絡(luò )上往返的ACK信號后才確認送出的數據已經(jīng)正確達到目的。CSMA／CA通過(guò)這種方式來(lái)提供無(wú)線(xiàn)的共享訪(fǎng)問(wèn)，這種顯式的ACK機制在處理無(wú)線(xiàn)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擔，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ReqtLest to Send／Clear to Send(RTS／CTS)選項，當這個(gè)選項打開(kāi)后，一個(gè)發(fā)送工作站發(fā)送一個(gè)RTS信號，隨后等待接入點(diǎn)回送RTS信號，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，所以CTS能夠讓它們停止傳送數據，這樣發(fā)送端就可以發(fā)送數據和接收ACK信號而不會(huì )造成數據的沖突，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 )負擔，一般只用于那些大數據報上(重傳大數據報會(huì )耗費較大)。

2 IEEE 802．11局域網(wǎng)在接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統中的應用
2．1 接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統的應用環(huán)境和條件限制
在鐵路沿線(xiàn)不能拉扯很多線(xiàn)路，不能改變機車(chē)既定運行條件、高頻電磁環(huán)境、封閉線(xiàn)路(不經(jīng)允許不能擅人)等。以上條件，決定了以無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行組網(wǎng)是明智之舉。
2．2 網(wǎng)絡(luò )設計
目前，802．11無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)相當成熟，相應無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)設備型號齊全，功能日益完善，因此，在接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗系統中采用“有線(xiàn)+無(wú)線(xiàn)”的組網(wǎng)方案是較好和可行的。