無線組網技術在接觸網振動試驗系統中的應用

摘 要：接觸網振動試驗系統的實際應用環境和條件，限制了完全以有線方式來組網的應用。分析了IEEE 802．11網絡的協議體系及其存在的問題和相應對策，論述了其應用，然后針對接觸網振動試驗系統的實際應用環境和條件限制，以方便和實用為原則，設計并提出了兩種基于IEEE 802．1l的應用于接觸網振動試驗系統的組網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。文中的創新之處在于，它是第一次成功地將無線的組網方式應用于電力系統鐵路上的接觸網振動試驗系統。
關鍵詞：無線局域網；無線組網；接觸網；振動

O 引 言
研究接觸網的振動規律，是更好地研究弓網關系，提高機車受流質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。而接觸網振動試驗的特殊環境，有線的組網方式難以較好滿足。
而無線網絡具有通信范圍不受環境條件的限制，易于實現網絡規劃和調整、無線局域網的組建、配置和維護比較容易等優點。通常應用于不宜或不便布線的場所、頻繁變更辦公場所的人員、建筑物之間的局域連接等。目前，IEEE 802．11所規范的WLAN技術，定義了物理層和媒體訪問控制MAC協議的規范，允許無線局域網及無線設備制造商在一定范圍內建立互操作網絡設備，可以為移動用戶提供以太網的網絡性能(包括吞吐量和可用性)，并可與以太網幾乎無障礙地連接和融合。
在此背景下結合接觸網振動試驗系統的實際應用環境和條件，設計并提出了兩種應用于接觸網振動試驗系統的組網方案及安全解決措施，試驗結果證明是可行的。

1 IEEE 802．1l網絡的協議體系及其存在問題
1．1 IEEE 802．11網絡的拓撲結構
IEEE 802．1l網絡的拓撲結構分為兩種：點對點模式和基本模式。其中，點對點模式(peer to peer模式)又稱Ad Hoc模式，是指無線網卡之間的通信方式，一般應用于小型網絡，理論上最多連接256臺PC；基本模式又稱infrastructure模式，指無線網絡規模擴充或無線和有線網絡并存時的通信方式，這是IEEE 802．11最常用的方式。在基本模式中，接入點負責頻段管理及漫游等指揮工作，一個接入點理論上最多可連接1 024臺PC(無線網卡)，當無線網絡節點擴增時，網絡訪問速度會隨著范圍擴大和接點的增加而變慢，此時添加接入點可以有效控制和管理頻寬與頻段，并可以作為無線網和有線網之間連接的橋梁。
1．2 IEEE 802．11協議標準物理層及相應規范
1．2．1 物理子層
IEEE 802．11對WLAN物理層進行了分層，它們是PLCP(物理層會聚協議)、PMD(物理介質相關協議)和物理層管理子層。PLCP子層主要進行載波偵聽的分析和針對不同的物理層形成相應格式的分組。PMD子層用于識別相關介質傳輸的信號所使用的調制和編碼技術。物理層管理子層進行信道選擇和調諧，如圖l所示。

用于PMD的傳輸有：FHSS(調頻擴頻技術)，DSSS(直接序列擴頻技術)和DFIR(擴散紅外線)。MAC層協議數據單元(MPDU)到達PLCP層時，在MPDU前加上幀頭，用來明確傳輸要使用的PMD層，3種方式的幀頭格式不盡相同。然后，PLCP進行分組，并根據這3種信號傳送技術的規范要求由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個跳頻信道，這些跳頻信道被分成3組，每組有26個，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個相互覆蓋的信道，每2個信道之間的中心頻率間隔是5 MHz。使用長度為11 b的Barker編碼。采用DBPSK(差分二進制相移鍵控)和DQPSK(四相差分相移鍵控)分別實現速率1 Mb／s和2 Mb／s。
(3)DFIR
IEEE 802．11標準中規定的波長范圍為850～950 nm。采用4PPM(位置脈沖調制)和16 PPM分別實現速率1 Mb／s，2 Mb／s。
1．3 IEEE 802.11協議存在的問題及解決辦法
1．3．1 存在“Near／Far”現象及解決辦法
這是由于在802．11無線局域網協議中要檢測沖突，設備必須能夠一邊接收數據信號一邊傳送數據信號，而這在無線系統中是無法辦到的。鑒于這個問題，在802．11中的MAC中，對CDMA／CD進行了一些調整，采用了CDMA／CA(Carrier Sense Multiple Accesswith CoIlision Avoidance)或者DCF(Distributed Coor―dination Function)。CDMA／CA利用ACK信號來避免沖突的發生，即只有當客戶端收到網絡上往返的ACK信號后才確認送出的數據已經正確達到目的。CSMA／CA通過這種方式來提供無線的共享訪問，這種顯式的ACK機制在處理無線問題時非常有效，不過這種方式顯然增加了額外的負擔，所以802．11網絡在性能上和類似的Ethernet網相比較在性能上總是稍遜一籌。
1．3．2存在“hidden node”問題及解決辦法
當兩個相反的工作站利用一個中心接入點進行連接，這兩個工作站都能“聽”到中心接入點的存在，而相互之間則可能由于障礙或者距離原因無法感知對方的存在。為了解決這個問題，802．11在MAC層引入了一個新的ReqtLest to Send／Clear to Send(RTS／CTS)選項，當這個選項打開后，一個發送工作站發送一個RTS信號，隨后等待接入點回送RTS信號，由于所有的網絡中的工作站都能“聽”到接入點發出的信號，所以CTS能夠讓它們停止傳送數據，這樣發送端就可以發送數據和接收ACK信號而不會造成數據的沖突，這就解決了“hidden node”問題。由于RTS／CTS需要占用網絡資源而增加了額外的網絡負擔，一般只用于那些大數據報上(重傳大數據報會耗費較大)。

2 IEEE 802．11局域網在接觸網振動試驗系統中的應用
2．1 接觸網振動試驗系統的應用環境和條件限制
在鐵路沿線不能拉扯很多線路，不能改變機車既定運行條件、高頻電磁環境、封閉線路(不經允許不能擅人)等。以上條件，決定了以無線方式進行組網是明智之舉。
2．2 網絡設計
目前，802．11無線組網技術已經相當成熟，相應無線組網設備型號齊全，功能日益完善，因此，在接觸網振動試驗系統中采用“有線+無線”的組網方案是較好和可行的。