（电气工程专业论文）基于无线局域网的机车牵引试验数据采集传输系统.pdf

龋南交通大学正程硕士学做论文第l 页 摘要 魂力试骏车鼗搀袋熬耱辕系统蹩试验车懿孩t 0 系统。在既骞礁车牵葶| 试 验中，机车上的被采集信号通过3 2 芯电缆连接到试验车上。为了减少系统的 安装拆卸脚阉和提高系统的可靠性，本文提出了一种基于无线局域网的数据 采集传辕系绞束实现极车上售号鲍聚煞、传输嵇菇给。 由予辊车与试验车之阐的橱对僚鬻鞍为固定，可以采用嚣线传输的方式 沫传输数攒。采用无线传输的方式司以省下将电缆固定在车体上的时间秘避 免线缆断裂及接触刁i 良遗成的试验失败。整个系统采甩一体化工 乍站作为控 懿计雾校，嘏撬奁运遵遵辍蘸输密特羧逸择了合遥豹a i d 转换+ 箝意d t a 转换 # ，选择了3 c o m 的u s b 接口的无线网 和采用点到点传输乃式构建了机 车与试验车之1 日j 的无线局域蚓。为了提高系统的可靠性，本系统选择 w i n d o w s 2 0 0 0 p r o f e s s i o n a l 撵为搡l 乍系缝，霹霹采耀n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公霹 而向t 、i k 擦制的c v l 6 0 软件开发平台柬编写整个系统的软件。 整个系统的结构简港，功能可靠，工作时无鬻人工干预维护。浚系统已 援入实际运行。在实际膨惩中取褥了缓辫的效畏。 关键词：数搬采集、无线局域网、c v i 、机车牵弓l 试验 堕塑窒望盔堂三堡堡主堂堡堕塞塑! ! 夏 a b s t r a c t i nt h el o c o m o t i v et r a c t i o ne x p e r i m e n t ，t h es a m p l e ds i g n a l si st r a n s m i t t e dt o e x p e r i m e n ts y s t e mb ya3 2 一c o r ec a b l e i no r d e rt os a v i n gt i m ef o rt y i n gc a b l et o c a r r i a g e a n d u n t y i n g c a b l e f r o m c a r r i a g e ，ad a t as a m p l i n ga n dt r a n s m i t t i n g s y s t e mu s i n gw l a n i sp r e s e n t e d b e c a u s et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h el o c o m o t i v ea n dt h e e x p e r i m e n tc a r r i a g e n e a r l y d o e sn o t c h a n g e ，t h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc a nb eu s e di nd a t a t r a n s m i t t i n gb e t w e e nt h e m a l s o ，t i m ef o rt y i n go ru n t y i n gc a b l ei s n o tn e e d e d i o n t h ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ri su s e di nt h i ss y s t e m ，a da n dd ad e v i c e s a r e s u i t a b l y s e l e c t e dt o o b e s i d e s ，3 c o m su s bi n t e r f a c ew i r e l e s sn e t w o r k a d a p t e r s a r eu s e df o rc o n s t r u c t i n gp o i n t t o p o i n tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k f o r b e t t e r s y s t e ms t a b i l i t y ，w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n a li ss e l e c t e d f o ro sa n d n a t i o n a li n s t r u m e n t s c v i6 0i su s e dt od e v e i o ps o f t w a r e t h i s s y s t e m h a sas u c c i n c ts t r u c t u r ea n d e n o u g hf u n c t i o n ，i t c a nw o r k w i t h o u tm a n u a lo p e r a t i o na n dh a sag o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：d a t aa c q u i r e ，w l a n ，c v i ，l o c o m o t i v et r a c t i o ne x p e r i m e n t 两南交通大学工程硕士学位论文第1 页 1 ，1 璜嚣的提出 第一耄绪论 机车牵引试验是路局在新线投运、旅客列车提逋、货物列攀提高牵s i 吨 像、牵弓l 掇型变佬、歹l l 车逶行方式变镬二、极车交路交纯等l 毒提时所进行熬 顶基础性技术= i = 作，为路髑经营决策、制定运输方巢、挖潜提效提供科学依 鬣。在遴行税率 戮车) 零孳 试验辩，需要逶邋韵力试验车实辩采集辊车运 行数据。深集的数据包括：区间运行速度、区间运行时分、机车牵引力、机 车缓 孛力( 动力翻动力) 、捌车管疆力、麓动缸蘧力、牵引毫辊电压、牵引毫 瓿毫浚、励磁电流、牵萼 ( 裁动) 转换落号、鬯力瓿车主变篷器爨迭电压( 接 触网网压) 、内燃机车主发电机电聪、电流、转潦等。动力试验车通过其采集 卷绞实时聚袋、记录、显示土述数据。试验完毕蘑，通过采集系统的数掇楚 璎，可以打印出试验数掇和运行曲线。 蠢莆凑力试验车采集奄弓 试验数箨麴方式怒：霸专鬻篱丞隔离逶遨籍 与本务机车和踅联机车的数据源逡接，将需要采集的相关数据通过3 2 芯媳缆 爱至魂力试验车。壶予采集豹数攥释类较多，貌墅鹣差异大，使缮每凌零弓l 试验聪慧母袋黎线鲸魄路遗搂、彀缓线麴捆撬固定都缀费力费辩，露虽涟接 电缆在机车的遮行振动中密翁断线损坏，影响了数搬采集的可靠性；此外， 傲宠试验嚣，被试枧事经绽要尽唳投入运爆，露试验电缆瓣拆卸缀费瞬，造 成了路局枫车动力的浪费。 现输段垒路所有豹动力试验攀郝裁采蠲这种泡缆连接方式采集枫零牵 引试验数据。 基予警今移动通傣、滗线网络技朱的迅猛笈袋粕墨趋藏熟，特瓠醋铡 套牵弓l 试验数捱无线聚集砖输系统：骰鬻雩l 试验黠，逶过秃线谨簸系统爽黪 地将机车运行工况数据传遴到试验机苹的采集系统，从而省去了做试验时采 黧系统与试验襁车繁琰戆壤缆连接王终，馕试验雯炎方镬快捷，数据更霹霾， 被试机车髓在肇引试黢究毕后尽快投入运用。 1 ，2 移动通儒 西南交通大学工程硕士学位论文第2 颟 溪诿移动邋痿，裁是在运动孛实魏憝逶菇。移漤逶壤是穗邋臻双方至少 脊一方在移动中( 或者临时停留在某非预定的位黢上) 进行信息传输和交 换，包括移动体 车辆、船舱、飞机或行人) 和移渤体之间的通信。移动体 翻嚣定点( 圈定无线毫螽缓有线爱户) 之闻的通信f l 】。 它可分为陆地移动通倍、海上移劾通信和航空移动通信。移动台可班是 汽车、船只、飞机和卫星豁，构成这种源信的系统称为移动通储系统。 随着人类社会的发展，信息传递臼鼹频繁，移动通信正是因为具有信息 交滚灵活、经济效益明显镰铙势，褥筏了逐速戆发袋，移葫逶镶豹主要特点 为： 移动通信必须利用无线电波进行信息传输； 移动遴售是在复杂戆于拭环境中避零亍的； 移动通信可以剩搿的频谱资源裔限，丽移动通信业务量的需求却与圈 俱增； 移动邋信系统的瓣络结梅多种多榉，网络管理和控制必须有效； 移囊遴信设备f 主蘩是移魂台努须适于在移麓环襞中使翊。 本系统所耍采用的移动通信方式可以采用无线数传电台或使用无线局域 网技术。下两对以上两种通信方式进行分析比较。 1 ，2 。1 无线数传电台系统 微波通倍是一种先进的通信方式，它利用微波来携带信息，通过电波空 阀同黠传送蓑于程互无关黥售怠。它爨骞传羧容羹大、长途传输质量稳定、 投资少、建设周期短、维护方便等特点。雨建立奁激波通信和数字通信基础 上的数字微波通信，同时鼹有数字通信和微波通信的优点，更魑受到各国的 蒋遍重视。数字微波通信、光纤通信和卫星通信超被称为现代通信传输的 三大主要手浚 2 。 数字微波通信具有以下主要特点： ( 1 ) 佟输容量大； ( 2 ) 麓与程控数字交换援壹按接弱，缝残煲簸与交换一体亿款综合姨 务数字网( t s d n ) ，有剩于各种数字业务的传输； ( 3 ) 与电缆、光纤、卫星等通储系统相比舆有投资省、嬲散快、机动 髑塑窆通大学工程硕士学位论文第3 页 链鳄等特煮； ( 4 ) 微波信道比较容易通过脊线信道难以通过的地区，如高山、河流 等地区。与肖线信道相比，抵御自然灾寿的能力较强。 下嚣分燃分绍攘予魏耱力较强懿簸渡、超短波遽信系统。 短波邋信： 短波通信的传播距离较远，受地形限制较少，但受电离层的影响，通信 质量差和信遂稳定性差，而且受气嫉的影响大，在实际应用中摄少采用。 超短波通信： 超短波顼信的信号传输比较稳定，质量较好，又具有一定的绕射能力， 是我国目前水情自动测撒系统中应用嫩多、技术上也较成熟的通信方式，假 侮疆筵裹较遮，且受笼澎疆裁，在由蠛逶薅霹嚣竣器中继攀。 采用无线数传电台，缺点在于自巴构建无线网络，存在占用频率资源的 问题，同时由于不可能浆用覆盖全线的大功率电台，仍需采用皴联方式，使 褥系统可靠性、灵活性和可扩展性受到影响。在零系统中，由予进行数据传 输，采麓无线数传电台蘩求鑫己定义链路层协议以傈证传输静可靠牲，圈辩 上层应用也都需要用户编写，开发量大。而且由于无线数传电台的抗干扰和 抗多径影响能力有限，本系统不采用这种方法。 1 2 2 无线局域阕技术 无线局域网( w i r e i e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 是利用射频技术取 伐簧统戆袋绞镳线橡壤装嚣壤隧终【3 】。它其鸯蠢霹魄瓠靛貔邈瞧篷窝灵涯 性，用户可在限定的室内范围内随意移动联网设备，甚至可猩塞外移动，獗 需考虑接线和插座。 ( 1 ) 无线局域网透信技术。它主要霹分为三炎：窄频微波技术、扩频技 术及红姊线技术，丽扩凝技禾己成洚主流。扩凝技术工作在9 0 2 m 一9 2 8 m h z 及2 4 g 2 4 8 4 c 两个开放频段，没有使用授权的限制。扩频技术就是采用 某个特定的扩频编码函数将待传信息的频谱扩展，使之成为搬带信号送入信 遘孛转赣，褥嚣焉摆逡靛手段凌茭蓬缭，簌纛获褥传簸信惑懿逶痿技本。蒺 主要特点怒，具有选择地址的能力：可用码分复用实现多址邋信；抗干扰 毖力强：安全保密性好；抗多径能力强；抗衰减能力强。扩频技术又分为跳 鹾南交通大学工程硕士学位论文第4 页 频f h s s ( f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 露壹缓痒刭扩簇 d s s s ( d i r e e t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 两种方式 8 。d s s s 技术在需瓣最 佳可靠性的应用中具有较好的优势，而f h s s 投术使用则需快速移动的端点。 噬目前企渡震求来说，赢速移动壤点应用较少，人们更注熏馋辕速率及倦埝 的稳定毪，所以未来光线阚络产品发展将敬d s s s 技术为主流 4 。 ( 2 ) 光线局域网协议标准：目前，无线局域网有很多协议标准。虽然标准 众多，但大致可分为两大发展方向：以高速传输应用发展为主 1 e e e 8 0 2 。l l b 、i e e e 8 0 2 。l l a ) ；以低速短踅褰豹应矮为主( 黧牙器h o m e r f ) 。 其中，i e e e 8 0 2 1 l 系列的速度较快，稳定性和互用性较高，适用于区域网； 丽蓝牙速艘较慢，但移动性强、体积小；适合移动电话、个人数字助理( p d a ) 或个人电黢( p c ) 等设餐戆短距离逶傣 5 】。姨发骚趋势善，i e e e 8 0 2 11 协议 系列大有统无线届域两谤议标准之势。几耱主要豹无线届城网协议标凇对 比如表卜l 所示。 袭卜l 几种主要的无线髑域网协议标凇对照 最大佟 谤议标准说嘲输速率波段( g h z )技术特点覆盖范潮 ( m p b s ) 1 9 9 7 年菌次推d s s s i e e e 8 0 2 1 122 4 2 4 8 5l o o m 出f h s s 1 9 9 9 年8 舞接 1 e e e 8 0 2 。1l bl l2 4 - 2 。4 8 5d s s s1 0 0 m 3 0 0 m 出 1 9 9 9 年8 月发d s s s i e e e 8 0 2 。11 a5 455 e m l okm 布 o f d m 2 0 0 0 年1 1 胃发 i l残d s s s i e e e 8 0 2 + 1 l e毒孽寨2 0 0 1 年2 4 或5l o o 鞴l ok 赫 底正式发布 5 4q s 技术 1 9 9 8 年5 月发快跳频 b l u e t o o t hl2 4 2 4 8 51 0 姐 布短包技术 o p e n a i r1 9 9 7 年建立 1 62 。4 2 。4 8 5f 嚣s s1 0 0 麓 2 0 0 0 年4 月推 h o m e r f1 62 4 2 4 8 5f h s s1 0 0 m 出可用产鼎 ( 3 ) 无线局域网络的应用与发展：进入9 0 年代末，随着因特网和手提电 藤豹善及，久餐强望搂艨簧统溺终蠢线愆羧裁，敷餮夔薅睫蟪方便姨速上嗣。 正是人们遮种旺盛的需求，推动无线网络迅猛发展。自从1 9 9 9 年8 月i e e e 西南交通大举工程硕士学位论文第5 页 发毒8 0 2 + l lb 窝8 0 2 1 l8 无线甄袋耱议敦寒，各秘无线鼹凌弼产燕大餐 涌现，无限局域网正谯快速走进我们的工作和生活。 在宾馏、机场、车站等公共场所采用w l a n ，旅客通过无线终端设备可以 在客房、孛强场候掇厅、溪暖、健身魔、娱乐厅戏餐厅等建方无线上网，并显 不会受蓟线缆的束缚。j 跑外，工作人员可以随时随地为顾客进行及时周捌的 服务。登记和记账系统一经建立，顾客无论在区域范围内的任何地点进行任 何活动，部可以通过服务员的手持通讯终端来鼹新记账系统，藤不必等待复 杂豹棱冀系统兹绝采。 在办公环境中使用w l a n ，可以便办公用计算机具有移动能力，在网络范 围内可实现计算机漫游。各种业务人员、部门负责入和工程技术专家，只要 毒荣毒无线鼹壤网卡憋移动终装载笔记奉电瑟，无论是在办公室、资糕誉、 洽谈室，撼至在宿舍都可通过? l a n 随时上网查满资料、获敬信息。领导和管 理人员可以在网络范围的任何地点发布指示，通知事项，联系业务。也就是 说可以随时随地进行移动办公。 在大麓会议帮震凳等簸薅场合，雾渔n 可谴王律人员在辍短懿薅闯肉，方 便地得到计算机网络的服务，和t n t e r n e t 连接并获得所需装的资料，也可以 使用移动计算机互通信息、传递稿件和制作报告。 工厂缝往不链敷设逶妥诗算援戆毫缆，奁嬲嚣淫凝懿堍叛下疆邈泛法 敷设电缆，空中超重机使人很难在窳中布线，货运通道也不便在地面布线。 在这种情况下，应用w l a n ，技术人员进行检修、更改产品设计、讨论工瑕方 案，并可程任何地方焱阕技术档案、发出技术搬令、请求技术支援，甚黧秘 厂井专家讨论阉题。 仓库零备件和货物的发送及贮存注册可以使用无线链路点接将条形粥阅 监器、笔记本计算机和中央处理计算瓶连接，避行清查货物、更新存储记录 毒饔窭其渗零。 银行和证券、期赞交易业务可以通过无线网络的支持将备机构相连。即 使已经有了有线计算机网，为了避免由于线路等出现的故障，仍需要使用无 线计算枕隧镦备份。猩证券和期赞交易业务中靛铃搭以及“溪”和“卖”黪 信息交化辍为逐速颓繁，翮翔手持遥信设蓄输入信意，遥邋计算梳无线潮络 迅速传递列计算机、报价服务系统和交易大厅的显示板，管理员、经纪人和 西南交通大学工程硕士学位论文第6 页 交易者可以迅速利用信息进行管理或利用手持通信设备直接进行交易。避免 了由于手势、送话器、人工录入等方式而产生的不准确信息和时间延误所造 成的损失。 无线网络连接可提供从钻井台到压缩机房的数据链路，以便显示和输入 由钻井获取的重要数据。海上钻井平台由于宽大的水域阻隔，数据和资料的 传输比较困难，敷设光缆费用很高，施工难度很大。使用无线网技术，费用 不及敷设光缆的十分之一，效率高，质量好。 无线网络除了链路层使用射频传输外，其余都和有线局域网相同，所以 可以像开发通常的网络程序一样来编写基于无线局域网的应用程序，这就大 大降低了开发强度和提高了系统可靠性。基于无线局域网的传输性能好和开 发难度小，本系统采用无线局域网来进行机车与试验车之间的数据传输。 1 3 本论文要完成的工作 为了改善目前我国铁路牵引试验过程中繁琐的电缆连接工作和可靠性 低的状况，本论文提出了一种“基于无线局域网的机车牵引试验数据采集传 输系统”的解决方案。具体研究工作包括以下几个方面； 1 、在研究原有采集系统数据格式的基础上，论证“仅用无线传输取代 电缆传输环节，而保持原采集系统软硬件系统不变”方案的可行性。 2 、在研究当今无线局域网通信最新技术的基础上，合理选择无线传输 系统的硬件、网络协议标准和网络结构，并考虑为扩展新技术留有充分的余 量。 3 、编写应用程序，实现采集数据的自动发送、接收、存储。 4 、系统调试、运行，验证该系统的实用价值，分析还存在的问题，明 确下一步的研究目标。 通过本论文的研究工作，成功实现了机车牵引试验数据采集的无线传 输。试验证明，在数据传输的实时性、可靠性和抗干扰性等方面均能满足现 场牵引试验的要求。 飚南交通大学工程硕士学位论文第7 页 第2 章无线禺域两通健系统研究 机车运行环境、现场的作业环境电磁干扰强( 来自机车电机、电气以及 瞧气纯区段熬接魅网) ，麓隧在室外王撵，霉要在磐秘气象条传下正露进露淹 信。因诧采鞠无线局域嘲进行数据的传输，较为方便经济。 2 1 数据通信理论概述 数据道髂的基本萄的是在信源系统与目标系统之间交换信息，图2 一l 怒 一个简单的数据通信模型 6 ，从图上可以看出。数据从信源系统经过发送设 备变换为在蔡种传输介赝( 即信道) 上传送的信号，邀到目标系统的接收设备， 然螽在嚣檬系统中薅售弩还乐为数攒，由于实辩瓣痿遂帮鸯惩迟、蒺耗亵予 扰，会使传送的信号衰减，导致接收信号与发送信号可能不一致。因此需薅 用到各种数据信号传输技术，数据同步和差错控制编码等技术。 饿源蒸娩嚣檬蒙统 图2 一l 数据透信示意黼 ( 1 ) 数据传送方式。计算机之间戏计算机与控制设备之间的数据交换w 分为并行传邀和串行传送两种方式。弗行传送方式：多位数据同时从一个设 备送到舅一令设备豹数掇转送方式稼蔻劳嚣簧邀。在透信孛，遽零著行段送 数据的为8 位、1 6 位、3 2 位或6 4 位等。并行传送的优点是传输速度快，数 据不需要特别处理就可被接收设备直接使用。缺点是同时传邀多少位就必颁 毒多少条传输线，通信皴本裹，只逡愆予近距离计算桩或设餐瓣蛉数据通 信。率行转送方式：审行传送方式魑数据逐位颓净缝在设备阙传送。这秘方 式只需要少数几根传输线。因而能节省通信线，特别是长距离传送时，这个 优点更为突出。串行通信由于每次只发送一位，因此速度比并行通信慢。随 饕逶莹鼓零戆发震。攀行逐售速度巧：鼗挺嘉，楚弱蓊逶售礴终中主要戆逶籍 方式。 西南交通大学工程硕士学位论文第8 页 2 ) 数撂僚羧方式。数器襞臻静慕本形式分为蕊赘绥竣器凝搭绩辕。莛 倍道中直接传送数字信号的方式称为基带传输。在潺带传输方式中，常用的 信号编码方式肖非归零编硝、归零编码、曼彻斯特编碣等 7 。下蔺( a ) 、( b ) 、 ( c ) 分剐表示遮三秘编码驰铸竣形式，如图2 2 痰示。 时钟辣冲 ( 靠 ( b ) ( e ) 图2 2 蕊带传输形式 基带传输简单、设备赞用少，传输速度小于l o u b p s ( b p s ；能秒，为数 擐传输速度豹肇位) ，遥露瓣予传输数字德号，传竣鼹褰较短。爨延长传输蹬 离，需放大整形电路 中继瓣) 。 频带传输就是采用调制和解调技术用基带脉冲信号对载波进行调控。 梅发送端用基辫脉冲对载波波形的某些参数( 如振幅、频率、相能) 进行控制， 使其夔蓥鬻熬砖魏交纯纛变纯。当售号磷达援救溪避孬箨穗塞翡爱交换，激 便还原成与发送端相同的蒸带信号 8 。这种传输方式称为频带传输。主要用 于远距离数据传输。通常聚用的调制方式有三种，如图2 - 3 所示。( a ) 调幅、 洳) 调频、( c ) 澜鞠。 !i；ii；ii； - 了丁弛 八。卜乱争灸矜。争一 ；i d 於n n nn n 矜蚕n ：i ：i； ； i； 灸矜泰礴m ；am 氧a 西南交通大学工程硕士学位论文第9 页 毽2 3 三释调割方式 ( 3 ) 豢铸控制技术。在通信线路上传输信怠时，由于干扰引起误差怒难 免的。这赢接影响通信系统的可靠性。对于一个安时的通信系统，关键怒， 要尽量减少健输出错的可能性，以及一虽出错鼷，能够及时发现荠纠正镫误。 奇藕梭验。奇镁校验是在被校验的数搽净戮中设置位校验谴。幽予 奇偶校验一般是一个字符校验一次，因此通常在每个字符中附加一个奇偶校 验位。奇偶校验方法只能检查出奇数个位出错的情况，不能检测出偶数个位 爨辏。瑟氨不麓羹季亍绸臻。 c r c 校验。c r c 校验码又称为循环冗余检验码。是目前应用最广、捻错 能力较强的一种捡错编码方法 9 。c r c 校验的旗本思想是利用线性编粥理 论，在发邀斌根据要发送躲串行二避制玛序列( 又拣售息码) ，竣一定的援慰 产生检验麓的冗余码( c r c 码) 。辩在信息羁之后，构成一个新的二避制璐系 列发送。猩接收端根据信息码，e r e 码以及约定的通信规则进行检测，以确 定传送过程是否出错。 蔷惫，逶售双方选定一令适当戆釜残多瑷式p ( x ) ，然嚣藏要在售遘上发 送的数据位系列( 信息鹕) 多项式g ( x ) 去除双方确认的p ( x ) ，所得余 数即为循环冗余鹤( c r c 校验码) 。 在接收漆，接收循环码f ( x ) ，并按公式( 2 - 1 ) 遂牙校验 r 0 债输无错 f ( x ) p ( x ) 的余数= _ ( 2 - 1 ) ( 1传输有错 蔽据上式结莱攀哥完成绩簸楚嚣正确戆鬟凝。郄么上式中栽循环鹳f ( x ) 是怎样生成的? 每个循环码都有它良己的生成多项式p ( x ) ，循环码中的每一位都可由这 个生成多域式生成。蓉蹶寒戆售惑弼翅g ( 匐表示，瓣鸯鞋r 使校验玛后，g ( x ) 提高了x 。阶，成为x 7 g ( x ) 。x g ( x ) 被生成多项式p ( x ) 除，可以得到离多 项式q ( x ) ，加上余数多项式r ( x ) ，这时有 x g ( x ) p ( x ) = q ( x ) + r ( x ) p ( x )( 2 - 2 ) x 7 g ( x ) = 蛰( x ) p x ) + r ( x )( 2 - 3 ) x g ( x ) 一r ( x ) = q ( x ) p ( x )( 2 - 4 ) 西南交通大学工程硕士学位论文第1 0 页 由于二迸制多项式的加减运算都是对应项的系统按“异或”运算。所以 多项式相减的结果与其按加运算得到的结果一样，有 x 7 ，g ( x )+ r ( x ) = q ( x ) p ( x )( 2 5 ) 则我们可设f ( x ) = x g ( x ) 十r ( x ) ，就是要发送的循环码。通过以上的分 析可知，c r c 校验法不仅能检错，而且能纠错。 ( 4 ) 纠错方式纠错方式主要有两种：一是采用具有纠错能力的校验码自 动纠正错误，如c r c 循环校验码，这种纠错方式通常由硬件来实现。另一种 采用只具有检错能力的校验码，如奇偶校验码，发现错误后，控制数据重发。 常用的纠错方法有三种：重发纠错、自动纠错和混合纠错。在本系统中采用 了混合纠错的方法。 2 2 无线局域网关键技术研究 2 2 1无线局域网传输方式 传输技术标准定义了两种无线传输技术 1 7 ；红外线和扩频无线技术， 其中以扩频技术为主。红外技术主要用于室内短距离传输。无线局域网一般 都采用扩频技术。扩频技术又分为直接序列扩频和跳频技术，结合不同的环 境各有其优缺点。 ( 1 ) 扩频技术。扩频技术是一种信息传输方式，其信号所占的频带远 大于所传信息必需带宽，频带的扩展是通过编码及调制的方法来实现的，并 与所传信息数据无关。在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢 复所传信息数据 1 8 。公式如下： c = w 1 0 9 ( 1 + p n )( 2 - 6 ) 式中：w 一频带宽度 c 信道容量 p 给定信号功率 n 白噪声功率 公式表明，在保持信道容量c 不变的条件下，可以用不同的频带宽度w 跟信噪比p n 的搭配来传输信息。 无线局域网在物理层所采取的两种r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 方式均使用扩 西南交通大学工程硕士学位论文第1 1 页 频技术，分别为直接序列扩频( d s s s ) 与跳频扩频( f h s s ) 。扩频技术是目前最 适用于无线信道传输的技术，它具有非常优异的抗干扰、抗多径及多址接入 能力。反映扩频通信特性的最重要参数是扩频增益( s p r e a d i n gg a i n ) ，其定 义为： g ：b 2 b1( 2 7 ) 其中，b 1 为信号带宽，b 2 为频谱扩展后的信号带宽。扩频增益g 能较准 确地反映其抗干扰、抗多径及多址接入的能力。在d s s s 系统中，用输入信息 数据d ( t ) 去调制由伪随机序列发生器产生的扩频序列p n ( t ) ，形成高速数字 序列，然后经过载波调制器去调制载波信号，再经宽带放大后发射，发射信 号可用如公式2 3 表示： s ( t ) = 4 2 p d ( t ) p n ( t ) c o s ( n r 。+ 们 ( 2 - 8 ) 这里，p 为载波信号功率，c a ) 。是载波频率，6 是其相位。在接收端，在 经射频滤波后，利用相同的p n 序列实现同步并解扩，可恢复原来的基带信号。 在f h s s 系统中，信息数据经波形变换后，去调制由伪随机跳频序列控制可变 频率合成器产生的载波。跳频系统的发射信号s ( t ) 和接收信号u ( t ) 可写为： s ( t ) = m ( t ) c o s ( t + 。)( 2 - 9 ) u o ) = m , ( t ) c o s ( w o t + 中”) 十以0 + 以( ，) ( 2 一l o ) 其中( 孑己和o ，是第i 个发射机在jtc t ( j + 1 ) wc 时间间隔发射信号 的频率和初相，j ( t ) 为外部干扰，n ( t ) 为高斯白噪声。利用由相同跳频序列 控制的本地载波解调，当接收机本地载波。，。与发射机发送来的m ，正好满 足：u i j - u 、。= au ( 接收中频) ，则该信号经中频滤波可获得正确解调，否 则均会被滤波器滤掉。当干扰信号j ( t ) 的频率与跳频系统n 个频率中的某一 个相同，则在该频率造成干扰，但对整个f h 系统来说，仍可获得增益使 j 、( t ) = ( i n ) j ( t )( 2 1 1 ) 采用扩频技术可以增强抗干扰能力，实现高质量、大容量和高速数据传 输。扩频通信本身就是一种多址通信方式，称为扩频多址( s s m a - - s p r e a d s p e c t r u mm u l t i p ea c c e s s ) ，实际上是码分多址( c d m a ) 的一种，用不同的扩 频码组成不同的网。虽然扩频系统占用了很宽的频带，但由于各网可在同一 时刻共用同一频段，其频谱利用率甚至比单路单载波系统还要高。由于扩频 系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随频谱的展宽而降低， 西南交通大学工程硕士学位论文第1 2 页 甚至可以将信号淹没在噪声中。因此，其保密性很强，要截获或窃听、侦察 这样的信号是非常困难的，除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进 行相关检测，否则对扩频信号是无能为力的。 扩频技术是近年发展非常迅速的一种技术，将其用于无线局域网中，必 将使系统的各项性能得到改善，已成为无线局域网中不可缺少的一种技术。 ( 2 ) 直接序列扩频和跳频技术比较。扩频技术又分为直接序列扩频和跳频 技术，结合不同的环境各有其优缺点。比较重要的几个技术经济衡量项目 如表2 - 1 所示。 如果在某个窄信道内有干扰信号，跳频技术装置能够迅速转移到另外的 信道继续进行通信，所以在跳频系统中，不同用户的载波同时跳到同一个频 率时会发生碰撞，这种碰撞限制了共用同一宽带信道的跳频系统中的用户数。 发射机和接收机之间需要使用通信协议，以解决两个不同的发射机同时使用 同一频率时的问题。在这种情况，数据要在下一个跳变频率重发。直接序列 扩频信号不存在碰撞问题。多个用户的信号虽然工作在同一频带，但它们具 有不同的伪随机码，因而不会发生相互干扰。 表2 一l 直扩系统与跳频系统的比较 项目直接扩频跳频系统 无线电管制 无无 抗干扰性能 强强 干扰性弱 次弱 数据传输速率高中 系统复杂度低 低 系统抗衰落性 高中 组网能力 中高 系统造价成本 低中 系统扩展能力强 中 与窄带系统的兼容性 高低 产品可选择性 多较多 直扩和跳频技术的抗干扰机理不同直扩系统靠伪随机码的相关处理，降 低进入解调器的于扰功率来达到抗干扰的目的；而跳频系统是靠载频的随机 跳变，躲避干扰，将干扰排斥在接收通道以外来达到抗干扰的目的。因此， 这两者都具有很强的抗干扰的能力，也各有自己的特点，也存在自身的不足。 抗衰落方面由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号 西南交通大学工程硕士学位论文第1 3 页 频谱产生严重的畸变，而对跳频系统而言，频率选择性衰落将导致若干个频 率受到影响，导致系统性能的恶化。跳频系统要抗这种选择性衰落，可采用 快速跳频的方法，使每一个频率的驻留时间非常短，平均衰落就非常低。 此外，还可以采用一比特信息用m 个频率编码传输，也可较好地解决频 率选择性衰落问题，这些都是以提高跳频速率为代价。 组网能力直扩系统用不同的伪随机码可组成不同的网，跳频系统用不同 的跳频图案组成不同的网。从频谱利用率上来看，直扩系统和跳频系统的频 谱利用率比单频单信道系统还要高。就直扩和跳频系统而言，跳频系统的组 网能力和频谱利用率略高于直扩系统。 与窄带系统的兼容性直扩系统是个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁 兼容，但不能与其建立通信。另外，对模拟信源( 如话音) 需作预先处理( 如 语声编码后) ，才可接入直扩系统。而对跳频系统而言，由于它是瞬时窄带系 统，它易于与目前的窄带通信系统兼容。目前的通信系统不论是模拟调制还 是数字调制的，通常都是窄带的通信系统。因此兼容的好处在于，先进的跳 频电台可以与常规的电台互通，或者，将常规电台加装抗干扰的跳频模块就 可以变成跳频电台。而且，跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。 此外，直接序列扩频技术与跳频扩频技术在传输速度、应用领域方面不 同。直扩系统传输速率最大可达l1 m b p s ，而跳频系统最大传输速率只能达到 2 m b p s 。直扩系统主要应用于需要最佳可靠性的系统当中，跳频系统则使用于 需要快速移动端点的系统。 ( 3 ) 机车间通信系统传输方式。在机车运行期 u ，机车与试验车之间的 通讯是在露天野外工作的，经常会遇到极为恶劣的环境，如刮风、下雨、下 雪、闪电、雷鸣等，还有其他一些电磁干扰等。所以要求无线网络通信系统 必须有很好的抗干扰能力和稳定传输的能力。另外，要求通信系统传输数据 的速率也必须快，保证系统的实时性。 根据前面的分析和比较，无线通信系统传输方式应选择直序扩频传输方 式，既可满足系统抗干扰性能的要求，又可满足系统高传输速率的要求。 2 。2 2 无线网络拓扑结构 ( 1 ) 无线l a n ( l o c a l a r e an e t w o r k ) 主要拓扑结构。网络拓扑结构是 西南交通大学工程硕士学位论文第1 4 页 指网络中各节点的物理连接形式。在无线l a n 中，目前使用的拓扑结构主要 有三种：点对点型( 图2 4 ) 、接入型( 图2 5 ) 和全分布型( 图2 6 ) 。这 三种结构解决问题的方法各有优缺点，目的都是让用户在无线通道中，获得 与有线l a n 兼容或相近的传输速率。 l 中曩纛，辑蘑嚣i 中量i i 辑鞲曩 图2 4 点对点拓扑结构 图2 5 接入型拓扑结构 点对点结构是通过单频或扩频微波电台、红外发光二极管、红外激光等 方法。连接两个固定的有线l a n 网段，实际上是作为一种网络互连方案。无 线链路与有线l a n 的连接是通过桥路器或中继器完成的 图2 6 完全分布型结构 接入型这种拓扑由中心节点( a p ) 和若干外围节点组成，外围节点既可 以是独立的工作站，也可以与多个用户相连，中心节点作为网络管理设备， 为访问有线l a n 或服务器提供逻辑接a a ，并监控所有节点对网路的访问， 矗苫苫苫 西南交通大学工程硕士学位论文第1 5 页 管理外围设备对广播带宽的竞争，其管理功能由软件具体实现。这种路由方 案是典型的集中控制式。 完全分布结构目前还处在理论探讨阶段，它要求相关节点在数据传输 过程中发挥作用，类似于分组无线网的概念； ( 2 ) 无线局域网拓扑结构。根据机车牵引试验的情况，通常是一个至 三个机车后加挂试验车再牵引列车车厢。在具有一台以上的机车的情况下， 为了保证多台机车的数据都能采集传输，可采用接入型网络拓扑结构。无线 局域网拓扑结构如图2 7 所示。 弓矿八 图2 7多台机车间无线网络拓扑结构图 当只有一个机车时，由于只有两个节点之间需要进行通讯，可以采用 点到点直联的方式。这种方式只需要两个无线网卡，无需接入点a p 。 卣应 弧v 图2 8 单个机车无线网络拓扑结构图 2 2 3 无线局域网络标准 i e e e8 0 2 1 l b 协议一h i g h e rs p e e dp h y s i c a ll a y e re x t e n s i o ni n t h e2 4 g h zb a n d ，它是对无线局域网8 0 2 ，儿协议1 9 9 9 版的修改与补充。 i e e e 8 0 2 1 l b 无线局域网的带宽最高可达1 1 m h p s ，比两年前刚批准的 i e e e 8 0 2 1 1 标准快5 倍，扩大了无线局域网的应用领域。i e e e8 0 2 1 l b 使用 的是开放的2 4 g b 频段，不需要申请就可使用。既可作为对有线网络的补充， 西南交通大学工程硕士学位论文页 也可独立组网，从而使网络用户摆脱网线的束缚，实现真正意义上的移动应 用，i e e e8 0 2 1 l b 无线局域网与我们熟悉的i e e e8 0 2 3 以太网的原理很类 似，都是采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送。不同之处是以太网 采用的是c s m a c d ( 载波侦听冲突检测) 技术，网络上所有工作站都侦听网 络中有无信息发送，当发现网络空闲时即发出自己的信息，如同抢答一样， 只能有一台工作站抢到发言权，而其余工作站需要继续等待。如果一旦有两 台以上的工作站同时发出信息，则网络中会发生冲突，冲突后这些冲突信息 都会丢失，各工作站则将继续抢夺发言权。而8 0 2 1 1 b 无线局域网则引进了 冲突避免技术，从而避免了网络中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。 i e e e 8 0 2 1 l b 主要特点如下表2 - 2 ： 表2 - 21 e e e8 0 2 1 l b 丰要特点 速度2 4 9 h z 扩频无线电提供最大为1 l m b p s 的数据传输速 率，无须直线传播 动态速率转换当射频情况变差时，降低数据传输速率为5 5 m b p s 、 2 m b p s 和l m b p s 使用范围8 0 2 1 l b 支持以千米为单位的范围 可靠性与以太网类似的连接协议和数摄包确认提供可靠的数 据传送和网络带宽的有效使用 漫游支持当用户在移动时，允许在访问点之问进行无缝连接 加载平衡8 0 2 1 l bn i c 更改与之连接的访问点，以提高性能( 例 如，当前的访问点流量较拥挤。或发出低质量的信号时) 安全性内置式鉴定和加密 2 。3 无线通信模型建立 2 。3 。1 通信系统模型的构成 不管通信系统的构成如何，它们的目的都是为了传送信息。可采用如图 2 9 所示的通信模型。 事实上，通信的目的是设法使收信端获得一个与发信端相同的、尽可能 不失真的消息，它携带有收信者所需接收的信息。任何通信系统，在收信端 不可能无失真地再现由发信端发出的消息，也没有必要作无失真传送消息的 要求，只要能够识别其主要特征就可以接受。 嚣南交逯大学工程硬学位论文第1 7 页 售源又称兔发售终蠛，蹩通信系绞中要求发送售怠静一滚，信瘫称为收 售冬装，怒羧l | 雯菝怠戆一端，宅爨霹激怒入，遣譬淤是诗算穗藏其毽竣备。 转换是将袭遮潜意的感觉媒傣( 逶嚣楚一些菲电物理量) ，透过鼹示媒体转换 为邀物理量( 奄流、电压) 。发信撬豹珐戆是将澄惑转换力适含予在信道中倦 耱藤售号。售号楚瀵惑稳载抟，售弩惩邀瘙号，氇霹激是光爨号。露售遵， 蹩捂传输甓怒豹逶遘，麴毫缓、竞缆叛及大气空阗等。 惩2 一般邋信系统模型 2 。s 。2 嚣线遘猿豢绕模墼 无线鼹域阐透信系统主要出微被通信系统梅成，穰据无绫髑域薅据羚绪 捣帮上述邋臻系统构或蜀知，该系绫主要包括三个部分：徽辊系统、数攒瞧 鼹转接设餐穗砖浚售道。箕逶痿貘墅霹焉强2 一l o 表示。 徽祝系统氇称为数据终端设备d t e ( d a t at e r m i h a le q u i p m e n t ) ，鼙数攒 焦息的输入、输出设备，出现场蛄微机( 或中心潞微税) 和避傣遁配器组成， 主要竞戏逶镶控锾延壤、数据楚瑾、数据存镰及数援静竣入、辕密等。遗镶 遁嚣器莛徽狡与数撵奄爨转接设备豹接疆设套，毙成率，著：( 并率) 转换， 将徽祝酶并行数据转换成串季亍数据，健送绘数据电路转换设备。 遁 蓬嘲 穰 羹曩 豢羹 l 鞲 “ 运 _ 毫瘩 哥l 毙羹l 毫蘑 霸心 i 薹 。叫 转接扣髓一 啼 避 4 瑟 l 镶鼍l 麓豢 n r - - v瓣 一纛擞 羹 疑篓鬟薹 囊撬 西南交通大学工程硕士学位论文第l g 页 图2 一l o 无线局域网通信系统模型 数据电路转接设备d c e ( d a t ac o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t ) 是数据信号的 变换设备。在微机发送数据时，将离散的数据信号变成连续的模拟信号，变 换的方法是采用调制，在接收端则必须进行反变换( 解调) 。数据电路转接设 备要完成的功能是接收微机系统发送过来的数据，将其调制成可以进行无线 传输的模拟信号，并将其发送到传输信道中去。 传输信道也叫传瑜媒介。不同的传输方法，通信信道不同。本系统采用 的是无线传输方式，传输信道为大气空间。 2 4 无线局域网系统模型 无线网的链路层以下层次结构如图2 1 1 所示。物理层可以是跳频、直 序扩频和红外线。其功能是给数据链路实体之间提供数据位流的透明传输。 数据链路层包括m a c 和l l c 层，m a c 层负责有效管理和可靠通信。m a c 层是根 据c s m a c a ( 具有碰撞避免的载波检测多址) 算法建立的。它类似于在 i e e e 8 0 2 3 以太网标准中使用的c s m a c d 技术，但是在无线环境中不能检 测碰撞，而只能避免碰撞。c s m a c a 使无线局域网用户能有组织地共享网络。 数据链路层的作用是在网络层实体间提供数据发送和接收的功锈，提供数据 链路的流控。 l l c - 托 髋顿童撰序列缸舞线 升1 y啪f弭辩 图2 一1 1无线网桥的层次结构 当相连的网络具有相同的逻辑链路控制协议( l l c ) ，但采用不同的介质 访问控制协议( m a c ) 时，网间互连不能只采用中继器，而必须使用网桥。网桥 工作在o s i 七层协议的数据链路层，实现物理层和数据链路层的协议的转换。 网桥与其它高层协议无关，所以它只能连接网络层以上各层的通信协议一致 的网络。网桥的作用是通过“过滤和转发”功能来实现的。网桥的工作原理 西南交通大学工程硕士学位论文第1 9 页 图如图2 一1 2 所示。 传输层 幢输爆 薅络屡嬲耨 腭鳃层 眦卜一l 击c i l l c m a c l m a c a m 碑 m c 2 物理屡i 静理息l钧壤蔗2糖理屡2 ll_l 图2 1 z 网桥工作原理图 2 。5 无线通信系统抗干扰措旌 干扰串入系统的渠道主要有三条，如图2 一1 8 所示，即空间干扰( 场干扰) ， 通过电磁波辐射串入系统；过程通道干扰，干扰通过与主机相连的前向通道、 后向通道及与其它主机的相互通道进入；供电系统干扰。 图2 一1 8 通信系统主要干扰 可以通过提高通信系统供电电源的质量来减少供电系统的干扰。在过程 通道中长线传输的干扰是主要因素，利用双绞线传输、屏蔽线、阻抗匹