混合ARO無線傳輸系統(tǒng)在多機牽引中的應(yīng)用
采用基于無線通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)有效的運輸指揮及安全監(jiān)控，是國際重載運輸技術(shù)的發(fā)展方向。中國大部分地區(qū)特別是山區(qū)鐵路沒有條件建立GSM—R(Global Standard for Mobile Communications—Railway)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。為了提高GSM—R網(wǎng)無法覆蓋地區(qū)的運輸能力，必須研制一種可靠、安全的列車無線同步控制的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。混合ARQ技術(shù)是無線通信技術(shù)的研究熱點，兼顧了信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?，適用于信道惡劣條件下的無線數(shù)據(jù)傳輸，能保證機車信號傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。
2 多機牽引無線同步控制系統(tǒng)
圖1給出多機牽引無線同步控制系統(tǒng)框圖。
各個模塊的具體功能闡述如下。
(1)控制信號檢測模塊 當(dāng)整套系統(tǒng)作為本務(wù)機車控制系統(tǒng)時，用于檢測本務(wù)機車控制信號，并把檢測到的數(shù)據(jù)通過CAN(Controller Area Network)總線發(fā)送給“主控組”和“備份組”無線傳輸模塊。
(2)狀態(tài)信號檢測模塊 不論系統(tǒng)處于本務(wù)還是補機控制，該模塊均用于檢測機車狀態(tài)信號，并把檢測到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給“主控組”和“備份組”無線傳輸及信息顯示模塊。
(3)無線傳輸模塊采用混合ARQ數(shù)據(jù)系統(tǒng)。作為本務(wù)控制系統(tǒng)時，將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)向下發(fā)送。作為補機控制系統(tǒng)時，接收來自本務(wù)機車無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，CAN總線將檢錯通過的數(shù)據(jù)發(fā)送給“主控組”和“備份組”機車控制信號執(zhí)行模塊。
(4)機車控制信號執(zhí)行模塊該模塊只在系統(tǒng)作為補機控制時工作。通過CAN總線接收來自“主控組”和“備份組”無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并比較這兩組數(shù)據(jù)，若結(jié)果一致則控制啟動相應(yīng)的繼電器、D/A轉(zhuǎn)換器工作；若結(jié)果不一致則暫不動作，啟動執(zhí)行模塊數(shù)據(jù)接收異常處理。
(5)信息顯示模塊 通過CAN總線接收來自無線傳輸模塊、機車控制信號執(zhí)行模塊的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)進行分析和顯示。
3 混合ARQ
3．1 混合ARQ系統(tǒng)模型
圖2給出系統(tǒng)框圖，主要由信道編解碼、收發(fā)緩沖區(qū)和發(fā)送應(yīng)答控制模塊組成。發(fā)送端先對信源信息檢錯和糾錯編碼，存入發(fā)送緩沖區(qū)，通過信道將全部或部分緩沖信息以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送。接收端接到數(shù)據(jù)包后，先緩存再進行信道譯碼、檢錯。若正確，則向發(fā)送端發(fā)送ACK應(yīng)答，表明發(fā)送成功，開始發(fā)送新的數(shù)據(jù)包；否則發(fā)送NAK應(yīng)答，請求重發(fā)。發(fā)送端收到重發(fā)請求，根據(jù)一定策略重發(fā)有關(guān)信息。如此往復(fù)直到解碼成功或達到預(yù)先設(shè)定的最大重傳次數(shù)。通常，混合ARQ系統(tǒng)傳輸?shù)男畔ㄏ到y(tǒng)信息(信源原始信息)、糾錯信息和校驗信息。
3．2 混合ARQ系統(tǒng)分類
由于混合ARQ系統(tǒng)是ARQ和FEC(forward error contro1)的結(jié)合，因此，采用不同的ARQ方案(停止_等待，Go-back—N，選擇重傳等)和不同的FEC(Turbo碼，卷積碼，線性分組碼等)相結(jié)合，便可組成不同混合ARQ系統(tǒng)。混合ARQ系統(tǒng)分類非常多，但是，如何有效地將重傳策略與前向糾錯碼的特性相結(jié)合才是最值得關(guān)心的問題。因此，在研究混合ARQ技術(shù)時，通常按照重傳策略以及相應(yīng)的對于前向糾錯碼字的不同處理方式對其分類。一般來說，混合ARQ可分為：I型混合ARQ；II型混合ARQ；III型混合ARQ；基于可信度的混合ARQ。
4 系統(tǒng)設(shè)計
4．1 硬件設(shè)計
圖3為該系統(tǒng)連接圖。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊和無線發(fā)射接收控制模塊組成，這兩模塊通過接口電路連接。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用STR一35工業(yè)級低功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。STR一35無線數(shù)據(jù)傳輸模塊信道中心頻率為900 MHz，具有高抗干擾能力和低誤碼率；采用基于GFSK的調(diào)制方式，高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力。該模塊能自動過濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)(所收即所發(fā))；接口波特率為19 200 b／s。編程靈活，用戶無需編寫多余程序，只要從接口收發(fā)數(shù)據(jù)即可。
無線發(fā)射接收控制模塊采用P89C5l作為CPU，CAN總線連接系統(tǒng)內(nèi)部各個單元模塊。P87C59l自帶CAN控制器，所以只需設(shè)計CAN接口電路，如圖4所示。設(shè)計中采用CAN總線收發(fā)器P82C250。通過不同的連接方式將P82C250的RS接地或接高電平，可使P82C250在高速、待機、斜率控制3種模式下工作。為增強CAN總線節(jié)點抗干擾能力，單片機的RXDC和TXDC并不是直接與P82C250的TXD和RXD相連，而是先通過高速光耦6N137后再與P82C250相連，這樣很好地實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離，提高節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。
4．2 軟件設(shè)計
無線傳輸模塊采用半雙工工作模式，采用查詢式發(fā)送，中斷式接收。波特率為19 200 b／s。圖5為無線發(fā)射接收控制模塊軟件流程圖。
4．2．1 選擇混合ARQ系統(tǒng)類型
該系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸需滿足要求：①高傳輸可靠性；②低誤碼率；③滿足列車運行系統(tǒng)對信息吞吐量和實時性需求。I型混合ARQ系統(tǒng)、II型混合ARQ系統(tǒng)、III型混合ARQ系統(tǒng)、基于可信度的混合ARQ系統(tǒng)均滿足以上3種要求。但在信道變化慢的場合中，III型混合ARQ系統(tǒng)的效率低于II型混合ARQ系統(tǒng)；I型混合ARQ系統(tǒng)復(fù)雜度低，可采用各種糾錯編碼，但效率很低，在信道條件不理想時，很難適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?；另外，基于可信度的混合ARQ系統(tǒng)對反饋信道的帶寬要求高。因此，綜合考慮列車信號無線傳輸?shù)男枨蠹跋到y(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜程度，多機牽引無線同步控制系統(tǒng)選擇II型混合ARQ作為其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
4．2．2 系統(tǒng)增量冗余方案
研究II型混合ARQ技術(shù)主要是尋找合適的增量冗余方案。增量冗余的基本思想是糾錯碼校驗比特只在需要重傳時才發(fā)送。重傳時是重傳信息比特還是校驗比特取決于具體采用的重傳合并方案。主要的重傳方案有交叉重傳II混合ARQ系統(tǒng)、多編碼速率II型混合ARQ系統(tǒng)等。在交叉重傳的II型混合ARQ系統(tǒng)方案中，重傳過程是信息比特和校驗比特的交叉重傳。多編碼速率II型混合ARQ系統(tǒng)的典型代表是基于碼率兼容刪除卷積碼(Rate一Compatible Punctured Convolutional codes，RCPC codes)和碼率兼容刪除Turbo碼(Rate一Compatible Punctured Turbo Codes，RCPT codes)，通過改變刪余周期，可以獲得各種所需編碼速率，速率兼容的刪余矩陣，一般都是通過計算機搜索得到。
多機牽引無線同步控制的混合ARQ系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可按需要選擇不同的增量冗余方案。RCPC碼和RCPT碼是應(yīng)用廣泛的速率兼容碼，卷積碼和Turbo碼是較成熟的編解碼算法，建議多采用RCPC_ARQ或RCPT_ARQ方案。
4．2．3 重傳次數(shù)的設(shè)定
機車信號的傳輸要求具有時效性，重傳次數(shù)的增多必然增加時延，對機車的同步操作帶來不良后果。因此，必須對重傳次數(shù)加以嚴(yán)格控制。一般重載列車的運行速度為40～80km／h，為了滿足對運行的列車控制，通常選擇控制周期為200～600 ms，在200 ms內(nèi)所造成的距離誤差分別是2．22 m和4．44 m，在控制允許范圍之內(nèi)。重傳次數(shù)應(yīng)根據(jù)所需傳遞的信息量設(shè)定，并通過多次試驗確定。
4．2．4 存在的問題
由于鐵路沿線無線傳輸信道條件十分惡劣，且信號的重傳次數(shù)有嚴(yán)格限制，可能在達到重傳次數(shù)的上限時，接收端的信號仍然未能檢錯通過。其次，混合ARQ系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端都需要較大的緩沖區(qū)，增加硬件成本。其接收端信號的檢錯、糾錯及合并延時較多。因此，要尋找并綜合運用其他無線電抗干擾措施，減少誤碼率，提高檢錯通過率，在多次重傳仍未通過時，要啟動異常處理措施。同時需要改進編碼技術(shù)，簡化算法，減少延時。
5 結(jié)語
隨著無線通訊技術(shù)和編碼技術(shù)的發(fā)展，混合ARQ技術(shù)將不斷改進與創(chuàng)新，混合ARQ數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性與安全性得到進一步提高，為多機牽引無線同步控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供有力保障，從而實現(xiàn)從機的安全無人駕駛。
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