無線組網(wǎng)技術(shù)在接觸網(wǎng)振動試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：接觸網(wǎng)振動試驗(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題和相應(yīng)對策，論述了其應(yīng)用，然后針對接觸網(wǎng)振動試驗(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)計并提出了兩種基于IEEE 802．1l的應(yīng)用于接觸網(wǎng)振動試驗(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)振動試驗(yàn)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；無線組網(wǎng)；接觸網(wǎng)；振動

O 引 言
    研究接觸網(wǎng)的振動規(guī)律，是更好地研究弓網(wǎng)關(guān)系，提高機(jī)車受流質(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(guī)范的WLAN技術(shù)，定義了物理層和媒體訪問控制MAC協(xié)議的規(guī)范，允許無線局域網(wǎng)及無線設(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)幾乎無障礙地連接和融合。
    在此背景下結(jié)合接觸網(wǎng)振動試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和條件，設(shè)計并提出了兩種應(yīng)用于接觸網(wǎng)振動試驗(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 802．1l網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系及其存在問題
1．1 IEEE 802．11網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    IEEE 802．1l網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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Ad Hoc模式，是指無線網(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PC；基本模式又稱infrastructure模式，指無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)充或無線和有線網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)負(fù)責(zé)頻段管理及漫游等指揮工作，一個接入點(diǎn)理論上最多可連接1 024臺PC(無線網(wǎng)卡)，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)增時，網(wǎng)絡(luò)訪問速度會隨著范圍擴(kuò)大和接點(diǎn)的增加而變慢，此時添加接入點(diǎn)可以有效控制和管理頻寬與頻段，并可以作為無線網(wǎng)和有線網(wǎng)之間連接的橋梁。
1．2 IEEE 802．11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)物理層及相應(yīng)規(guī)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)行載波偵聽的分析和針對不同的物理層形成相應(yīng)格式的分組。PMD子層用于識別相關(guān)介質(zhì)傳輸?shù)男盘査褂玫恼{(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l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，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(jìn)行分組，并根據(jù)這3種信號傳送技術(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個跳頻信道，這些跳頻信道被分成3組，每組有26個，分別對應(yīng)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(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(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)議存在的問題及解決辦法
1．3．1 存在“Near／Far”現(xiàn)象及解決辦法
    這是由于在802．11無線局域網(wǎng)協(xié)議中要檢測沖突，設(shè)備必須能夠一邊接收數(shù)據(jù)信號一邊傳送數(shù)據(jù)信號，而這在無線系統(tǒng)中是無法辦到的。鑒于這個問題，在802．11中的MAC中，對CDMA／CD進(jìn)行了一些調(diào)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(fā)生，即只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上往返的ACK信號后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確達(dá)到目的。CSMA／CA通過這種方式來提供無線的共享訪問，這種顯式的ACK機(jī)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(fù)擔(dān)，所以802．11網(wǎng)絡(luò)在性能上和類似的Ethernet網(wǎng)相比較在性能上總是稍遜一籌。
1．3．2存在“hidden node”問題及解決辦法
    當(dāng)兩個相反的工作站利用一個中心接入點(diǎn)進(jìn)行連接，這兩個工作站都能“聽”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(xiàng)，當(dāng)這個選項(xiàng)打開后，一個發(fā)送工作站發(fā)送一個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”到接入點(diǎn)發(fā)出的信號，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信號而不會造成數(shù)據(jù)的沖突，這就解決了“hidden node”問題。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)報上(重傳大數(shù)據(jù)報會耗費(fèi)較大)。

2 IEEE 802．11局域網(wǎng)在接觸網(wǎng)振動試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用
2．1 接觸網(wǎng)振動試驗(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)允許不能擅人)等。以上條件，決定了以無線方式進(jìn)行組網(wǎng)是明智之舉。
2．2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
    目前，802．11無線組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，相應(yīng)無線組網(wǎng)設(shè)備型號齊全，功能日益完善，因此，在接觸網(wǎng)振動試驗(yàn)系統(tǒng)中采用“有線+無線”的組網(wǎng)方案是較好和可行的。[!--empirenews.page--]
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，各臺主機(jī)和無線路由器之間采用無線方式進(jìn)行連接，同時考慮無線連接的不穩(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，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，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)中的編碼信號脈沖(3 V左右)，對本屬于開放電磁場的無線列調(diào)系統(tǒng)更是不利，同時也足以干擾掉攝像機(jī)和PC機(jī)之間的無線連接，致使采集的數(shù)據(jù)有可能丟失和出錯。另外，為了增大相互連接的信號強(qiáng)度和穩(wěn)定性，最好將無線AP上的全向天線換成發(fā)射功率更大的全向或定向天線。另外考慮現(xiàn)場試驗(yàn)條件，每臺PC機(jī)上的無線網(wǎng)卡應(yīng)事先設(shè)置好自動固定接入指定的SSID，這樣可避免不必要的干擾和錯誤。
    (2)所用機(jī)子較多時，具體方案如圖4所示。采用這種方案時，在第一種方案的基礎(chǔ)上，需另外考慮各無線AP覆蓋區(qū)之間的干擾問題。因?yàn)猷徑嗤l道間不能相互覆蓋，否則會造成相互之間的干擾。而無線AP的可用信道一般為11個，分別為1～11號頻道。所以，具體解決辦法可以是：各無線AP之間相互設(shè)置為橋接，各AP各選一個互不相同的頻道，比如，方案中的Test，WR 1選擇1號頻道；Test WR 2選擇6號頻道；Test WR 3選擇11號頻道；并且，務(wù)必保證自動固定接入相應(yīng)無線AP的SSID的PC機(jī)的無線網(wǎng)卡所用的頻道和所接入的無線AP的頻道一致。

2．4 安全機(jī)制
    現(xiàn)在，大多無線產(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地址過濾、支援VPN透傳等。
    該試驗(yàn)用的是128 b WEP加密。用此加密算法，請務(wù)必確保WEP加密設(shè)置，否則，無法從無線終端ping到無線AP。不同廠商的無線網(wǎng)卡和AP需要指定不同的WEP密鑰。要讓W(xué)EP正常工作，所有的無線客戶端和接入點(diǎn)都必須正確匹配。很多時候，雖然無線客戶端看上去已經(jīng)正確地配置了WEP，但是依然無法與無線AP通信。在面對這種情況時，一般可以將無線AP恢復(fù)到出廠狀態(tài)，然后重新輸入WEP配置信息，并啟動WEP功能。
2．5 試驗(yàn)結(jié)果
    第一種方案，即機(jī)子較少時的方案，通過作為服務(wù)器的機(jī)子，可以訪問到連接的所有PC，信號強(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)器與離無線AP最遠(yuǎn)的PC之間的無線連接速率可達(dá)24 Mb／s及其以上(當(dāng)時用的是300 Mb／s的無線網(wǎng)卡和無線路由器，無線路由器用的是大發(fā)射功率的外置式全向天線，各無線網(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，通過作為服務(wù)器的機(jī)子，可以訪問到連接的所有PC，但連接速率變化及相差較大，在連接速度沒有嚴(yán)格要求的條件下，是可行的。

3 結(jié) 語
    無線組網(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)用需求作為動力，無線組網(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)振動試驗(yàn)的現(xiàn)場環(huán)境和條件限制，以現(xiàn)有無線組網(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，并通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，兩種方案都具有較好的可行性。