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    GE MDS電臺在鐵路無線調度通信系統的應用

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    概述

    鐵路機車遙控系統 (Remote Control Locomotive)是指機車司機通過無線電遙控操作機車的系統。司機不在機車駕駛室內就可以完成操作,它大大提高了操作的安全和生產率。美國鐵路在2002年開始在調車場推廣機車遙控( RCL)系統的應用,雖然這項推廣比加拿大鐵路晚了十年,但是由於采用了數字電臺技術,參考加拿大鐵路的實踐經驗,美國鐵路的鐵路機車遙控系統(鐵路機車站場調度)的推廣,獲得了各個方面的支持和認可。GE GE MDS entraNET網絡電臺是美國機車遙控電臺的首選產品。它為用戶提供了一個專業級的無線網絡數據系統解決方案,該產品使用802.11協議和 BSP簡單串口通信協議,可以很容易的構成一個跨越幾十公里,上百臺控制器和機車組成的多點對多點網絡系統。本文對這一系統和應用進行詳細介紹。

    GE MDS公司介紹

    美國GE MDS公司是世界公認的提供無線數據采集系統的先鋒,七十多萬臺MDS數字電臺在世界各地安裝使用。GE MDS數字電臺的性能樹立了無線數據通信行業的標準。
    MDS公司成立于1985年,位于紐約州北部羅徹斯特市,專門研制生產專業無線數據通信設備。26年來,MDS公司一直在工業專網通信領域的前沿獨領風騷,成為這一行業最大生產廠商。 MDS公司現有員工280人,占有美國70%同類 產品市場。
    MDS擁有世界級的廠房和自動化生產設施。它的生產管理系統采用柔性制造生產。它有兩條表面焊接技術生產線,所有的部件、半成品及成品的試驗和檢測都是自動控制完成的。工廠依據客戶的訂單進行生產,每天可以生產多種不同的機型,日產可達1,000臺。 56,000平方英尺的廠房,ISO-9001質量認證體系,先進的管理系統,造就了一流的產品,一流的企業。
    MDS一方面不斷創新,加強技術儲備,另一方面下大力量保持產品的兼容性,使已安裝的產品與新產品可以兼容并升級換代。MDS為了無線數傳電臺的安裝調試和使用維護方便,開發了許多專用工具和軟件,深受用戶喜愛。MDS數傳電臺已成為了行業的標準。

    20073美國通用電器公司(GE)收購了MDS公司,更名為GE MDS公司。

    GE MDS entraNET網絡電臺系統的結構

    GE MDS entraNET電臺網絡系統由中心接入點和遠端電臺構成。接入點就是一個系統的主站電臺,用于控制調整整個無線網絡的數據傳輸,該設備有兩個串口和一個以太網口,能夠實現IP到串口數據轉發的功能,實現兩個不同網絡之間網關的功能。使得應用數據可以從以太網口入,從串口出,反之亦然。接入點也為所有的相關子站提供中心管理和配置功能,整個系統的IP到串口,接入點到子站,串口到串口的配置信息都存儲在接入點。接入點最多可以支持1024個子站。

    子站電臺有一個RJ-45端口,可通過軟件設置為:EIA-232標準串口或者以太網口,還有一個RJ-12本地串口,用于配置管理,也可用來傳輸數據。子站的以太網口只缺省情況下只能支持一個MAC地址,可以連接一臺PCPLC設備。如果需要連接多個以太網設備,則需要MDS的授權。

    GE MDS entraNET通過接入點的串口,與遠端的串口電臺實現串口對串口連接,也可以通過接入點的以太網口,與遠端的串口電臺實現以太網對串口連接,支持TCPUDP傳輸。

    GE MDS還提供OEM串口子站模塊。是一個專門設計的模塊,與串口子站基本一樣。

    子站電臺與子站電臺通過接入點建立通信聯系的系統是集中控制系統。子站電臺與子站電臺不通過接入點建立聯系的系統是直通系統。直通系統可以實現兩個子站電臺之間的串口對串口通訊,不需要接入點的參與,特別適合子站電臺脫網時使用。GE MDS entraNET 電臺在上述兩種方式下都可以工作,而且可以切換。直通系統模式在機車遙控應用中經常用到。

    GE MDS entraNET網絡電臺的特點

    跳頻擴頻電臺

    調制方式為CPFSK調制,空中速率106kbps,發射功率100毫瓦至1瓦可調,接收靈敏度-108dBm,工作使用溫度-40度,+70度。堅固耐用的工業級包裝,支持省電和休眠模式。頻率是900兆或2.4Ghz,也計劃提供340兆的產品。跳頻時間可設為7ms, 14ms, 28ms。

    媒體接入控制功能(MAC)

    這是它有別于常規數傳電臺主要特點??梢灾С种鲃由蠄?,電臺信道的竟爭管理,有限度的支持以太網。每個子站只有一個以太網端口,IP地址,MAC地址與子站無關。

    簡單的以太網橋功能

    由於帶寬低,不適合做局域網間的橋接設備。支持802.1d協議,支持以太網數據流,支持標準的EtherNET 2 802.2,802.3幀結構。內置以太網數據幀過濾和轉發功能,減少了不必要的數據傳輸。支持的橋接模式可以設置,有四種選擇:

    l 關閉:不傳輸以太網數據

    l 沒有廣播和組播

    l 只有IPARP

    l 全開放:所有的以太網數據流遵從802..3協議

    GE MDS entraNET網絡的帶寬有限,建議通過交換機或路由器將此無線網絡隔離出來,構成一個獨立的網段,以防止由於大量的廣播數據流涌入,造成系統運行困難。對於網絡規模不大、廣播數據量很小的網絡,則無此必要。如果有可能,應使用GE MDS entraNETMAC過濾功能。

    BSP簡單串口協議

    BSP是子站之間點對點串口通信協議。BSP數據的路由處理由接入點實現。支持QOS優質服務,數據流可分為不同的優先級,有高,中,低三級。每個BSP數據包有源地址和目標地址(子站電臺的編號) ,連接電臺的數據終端必須支持BSP協議,數據終端必須識別電臺編碼,BSP啟始標識,BSP幀結構。運用IAPP接入點協議,BSP數據可以在多個接入點的系統中,不同子站之間傳輸,子站可以屬於不同的接入點。BSP通過接入點實現數據幀透明傳輸,在直通模式中也透明傳輸。不論是否有接入點介入,數據幀的格式是一樣的。BSP通信協議的內容和定義見附錄一。

    QOS優質服務

    優質服務保證數據的實時性,保證關鍵的命令,如:“man down下人”, “鳴笛等命令優先傳輸。優質服務的方式是建立在每一個數據包的基礎上的,根據數據包的種類來提供服務。有高,中,低3種不同優先級可選,它使系統的表現,反應達到最佳狀態。。

    接入點協議IAPP

    GE MDS entraNET接入點和其它接入點可以通過另外的有線或無線以太網連接,實現接入點間的數據通信。使用TCP/IP協議,通過路由設備轉發,靈活性好。用戶可設置組播IP地址和協議端口功能。實現多個接入點共享它們所相關的子站信息和路由表。

    漫游切換功能

    支持移動服務,子站可以在接入點與接入點之間切換漫游。當信號強度低于接收門限,或著與接入點失去聯系時,會進行漫游切換。目前的接入點接會關閉一段時間,時間可設,缺省值是5秒。這期間子站可以和新的接入點建立聯系。一旦建立了聯系,新的接入點會更新它的子站表,并把新的信息用UDP包,通過以太網組播方式發送出去。每個接入點有相同的網絡地址,不同的延伸地址(0-31) ,在一個網絡中最多有32個接入點。

    網絡管理

    所有的電臺的本地管理都通過串口COM1進行,接入點和子站可以通過多種方式遠程管理。所有的配置參數存儲在接入點,存儲配置參數的文件可以編輯修改,修改完的文件可以再下載到接入點,管理控制方便。

    網絡安全

    MDS eantraNET 采用了下列措施來保證網絡的安全。

    加密,設定接入點清單,設定子站清單,設定網絡地址,設定跳頻模式。

     

    如果打開加密功能,所有的串口數據,所有以太網數據幀的內容在空中的傳輸中都會加密。加密使用128位對稱密匙算法。在接入點打開加密匙功能時,可以輸入長達40個字母數字字符串。同樣的加密匙必須輸入到相關的每個子站中。

     

                                  

                                                                                 GE MDS entraNET鐵路機車遙控系統

    鐵路機車遙控系統(鐵路機車站場調度)利用entraNET網絡電臺的上述特點,根據鐵路系統的應用要求構成了一個多點對多點的專業無線數據系統。它有兩種運行模式。

    集中控制系統模式

    場站集中控制模式可以將40多臺機車構成一個場站內跨越多個交叉口的集中控制通信系統。機車遙控器(OCU)和機車控制器(LCU)的數據包通過多個接入點組成的集中控制系統來傳輸。每一個接入點為系統提供大約100kbps的帶寬。系統有一個配置服務器,如果QOS優質服務啟用, 可以保證遙控機車的數據包比配置數據包優先發送。

    集中控制模式能使分布在場站的多個接入點構成覆蓋大面積區域的系統,機車遙控主要的系統要求如下:

    l 0.5秒漫游切換時間

    l 兩個子站電臺之間的連接可通過不同的接入點

    l 數據時延小于100毫秒

    子站電臺實時監測每一數據包的RSSI指標和重發次數及成功率。在場站內安裝足夠的接入點保證信號強度達到-80dBm 以上,無陰影區。接入點的覆蓋半徑5公里,允許10dB的障礙衰減,接入點天線高度30米。根據RSSI指標和數據包傳輸成功率,子站能夠決定是否切換到新的接入點,子站漫游切換的平均時間是420毫秒。子站經過權鑒被納入網絡的路由表中,它使數據包可以找到正確的路徑。

    為了讓每個接入點傳輸數據,并交換路由信息,接入點之間需要建立一個單獨的基于IP的局域網。這些接入點都在高處,相互之間無障礙,建立局域網容易。電臺的地址位是16比特,系統內有40臺機車,每個機車有兩個遙控器,共120個子站,系統的路由表數據大約是240字節。每0.5秒更新數據,即至少需要4800bps速率的鏈路。此路由表指配所有數據包的合適路徑。小于1秒的漫游切換時間對鐵路機車遙控系統(鐵路機車站場調度)已經足夠了。

    除了路由表以外,局域網需要傳送約100kbps的機車遙控數據流,包括網絡開銷和IP包頭,平均子站的上行和下行接入時間是15毫秒。如果局域網絡的鏈路速率達到256kbps, 數據時延會小于20毫秒??偠灾?,GE MDS entraNET系統可以很容易達到1秒的數據時延要求。

    直接通信模式

    在沒有接入點時,子站之間可以直接通信。直接通信模式啟動要通過外接端口,發給電臺一個命令。在直通模式,一個子站起著接入點的作用,稱為基站(ROOT)。一個或多個子站(設為NODES)和基站建立聯系。所有電臺必須設為同樣的網絡地址,每個子站需要一個獨立的直接通信模式網絡地址。設直接通信類型,啟動直接通信模式,檢查直接通信模式狀態。

    機車的遙控控制器(OCU)數據流通過entraNET子站電臺直接傳到一臺機車上的機車控制器(LCU) 進行控制就是直通模式。這個模式在機車遠離場站集中控制系統時需要使用。例如:

    在接送現場遙控:在用戶的接送現場需要遙控機車,此地遠離場站的集中控制系統,是單獨運作的系統。它要求能可靠地傳輸覆蓋3公里范圍。

    在機車信號室遙控:允許機車司機在機車從場站到場站運行時,在機車信號室遙控機車。在機車從場站到場站運行時,司機用遙控控制器(OCU)和機車控制器(LCU)建立連接。在機車信號室可以遙控機車行駛不超過160公里。

     

     

    美國GE公司,美國CATTRON 公司,加拿大CANAC 公司都采用了GE MDS entraNET 電臺作鐵路機車遙控系統(鐵路機車站場調度),美國CSX鐵路公司,太平洋鐵路公司(Union Pacific),加拿大鐵路公司都實驗了基于GE MDS entraNET電臺的鐵路機車遙控系統(鐵路機車站場調度),現場實驗效果非常好,目前正推廣應用。

    MDS公司為美國太平洋鐵路開發了一套常規無線電臺的鐵路機車遙控系統(鐵路機車站場調度),GE MDS entraNET 220,為改造現有的鐵路常規無線電系統提供了新的解決方案。GE MDS entraNET 220系統的介紹另文再述。

     

     
    2019年4月28日 14:58
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