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列车 通信 网络 应用

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摘 要 现代列车朝高速化、自动化、舒适化方向发展已经成为必然趋势。列车通信网络已成为高速列车控制系统的关键技术。它能够通过对列车运行及车载设备动作的相关信息进行集中管理,从而保障列车安全高速运行。介绍了列车通信网络的两条总线,即绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB),并分析了两层网络拓扑结构。根据现场总线技术在我国高速列车上的应用情况,比较了WTB、MVB、LonWorks、CAN等几种总线的特点,根据其特点可选取不同的应用领域。 关键词 ： 列车通信网络；列车总线；拓扑结构 ABSTRACT Modern train towards fast pace, automation, comfortable change direction development has become an inevitable trend. Train communication network has become a high-speed train control system key technology. It can through to train operation and automotive equipment action related information for centralized management, thus safeguarding train operation safety high-speed operation. Introduces the train communication network, namely, the two bus winding type WTB) and train bus (multi-function vehicle bus (MVB), and analyzes the two layers of network topology. According to the fieldbus technology in our countrys high-speed train applications, compares the WTB, MVB, LonWorks, CAN wait for a few kinds bus characteristics, according to its characteristic CAN select different applications. Abstract： Keywords train communication network, Train bus, The topological structure of 目 录 第一章 CRH2的基本知识概括..............................................................................1 第一节 CRH2基本概要................................................................................1 第二节 CRH2国产化和生产模式....................................................................1 第三节CRH2型动车组特性...........................................................................1 第四节关于CRH2型列车空调吸收问题及编组模式指标.......................................1 第二章 列车通信网络的发展历程及结构...............................................................2 第一节 列车通信网络的基本内容.................................................................2 第二节 TNC及LonWorks技术分析.................................................................2 第三节 TNC网络拓扑的结构及绞线式列车总线WTB概括....................................2 第四节 列车通信网络选用及应用.................................................................2 第三章 列车通信网络的访问控制方式 ..............................................................3 第一节 几种总线通信介质访问控制方式........................................................3 第二节 无线自组织应急通信网络的多信道介质访问控制...................................3 第三节 访问控制列表................................................................................3 第四节 列车通信网络访问控制协议的合理选择...............................................3 第四章 列车通信网络的具体应用........................................................................4 第一节 列车通信网络意义.........................................................................4 第二节 列车运行控制系统.........................................................................4 第三节 LonWorks的应用...........................................................................4 第四节 列车通信网络应用比较和CRH2车型的应用.........................................4 第五章 结论..................................................................................................5 第一章 CRH2的基本知识概括 第一节 CRH2基本概要 基本概要，这款车型是以日本新干线的E2-1000型电力动车组为基础，也是继台湾高铁的700T型后，第二款出口国外的新干线列车。供中国使用的CRH2型均使用与E2-1000型相同的牵引电动机。列车共分为两批，第一批为数60辆，其编组方式是4节动车配4节拖车（4M4T），在速度级别属A型，最高营运时速为250公里，用于经改造的既有路线上；而第二批列车为数60辆，属加强版本，编组方式6M2T，速度级别属C型，最高营运时速为300公里，将用于新建的高速客运专线上。 另外，所有CRH2型的座椅均可以回转。 第二节 CRH2国产化和生产模式 1.1 CRH2的国产化 关于CRH2型动车组国产化制动控制单元介绍： CRH2型动车组中的制动控制指令即通过列车通信网络来传送,其中列车信息终端与制动控制单元(BCU)通信的传输介质为光纤,采用HDLC协议。由于国外企业不公开列车信息终端与BCU通信的数据含义,这就给动车组上制动设备的替换更新带来一定的困难,所以需要对CRH2型动车组列车控制网络进行分析,解决国产化BCU的联网问题。 1.2 CRH2的生产模式 中国方面订购的首批列车数量为数60列，乃CRH车系中数量最多。当中为数3列在日本完成，并完整地运往中国；另有6列以散件形式付运，由中方负责组装；其余51组将透过日本的技术转移，由南车四方机车车辆股份有限公司建造，但一些高技术部件，包括IGBT VVVF牵引逆变器等，在中国有能力国产化以前，仍会使用日本原装产品。首辆列车已于2006年3月8日运抵中国。 按照政府的指示，所有CRH系列均会被命名为“和谐号”。 这些中国版本的E2系，也按照中国国情及铁路标准而作出适当的改动，包括安装采用德国斯特曼公司（Stemmann-Technik）技术的DSA250型受电弓，以适应高变化的沿线架空电缆接触网。在驾拖车顶部均装有多种信号天线，这也是日本本土的同型车所没有的。 第三节 CRH2型动车组特性 关于CRH2型动车组制动系统特性。一、制动模式针对性强,趋于智能化CRH2型动车组的制动系统具有多种制动控制方式,可以满足不同运行条件下对列车制动的需求。行车中,动车组制动控制装置能接受列车信息网络或司机操纵动作等指令,进行常用制动、快速制动、紧急制动、耐雪制动等相应的制动动作。1.常用制动特性。常用制动的制动力共分为7级,行车操纵中使用机会最多。系统在制动时自动进行延迟充气控制,M车(动车)上产生的电气再生制动除满足本车制动力要求外,多余制动力用来代替T车(拖车)的一部分制动力,T车制动力不足时则由其空气制动力补充,从而维持本制动单元(一个动车和一个拖车构成一个制动单元)所需要的制动力,并实现和保持规定减速度。另外制动系统还具有空、重车载荷适应功能,制动力能够自动按需变化,维持一定的减速度。2.快速制动特性。动车组的快速制动功能,具有比常用制动高1.5倍的制动力。 2007年4月18日中国铁路第6次大提速以来，由中国南车四方股份有限公司生产的CRH2型200km／h动车组以其高可靠性运行得到了用户和社会的普遍认可。CRH2型200km／h动车组网络控制系统在动车组的运行过程中充分发挥了其设备状态监控、重大故障引导处理的功能，极大地提高了司乘人员对动车组的操作性和对故障的处理能力。 第四节 关于CRH2型列车空调吸收问题及编组模式指标 1.1空调吸收问题 由于中国尚未有与新干线类似的高速客运专线，现时所有以CRH2行走的路线均与其它客车及货车共享。中国铁路除动车组及较新款的25T型客车外，其余大部份旅客列车的洗手间均缺乏集便装置，一般列车在行驶时会把污物直接排放在路轨上。而CRH2空调设备的进风口是置于车下，因此列车在行走时，进风口会把路轨沿线上的污物及垃圾等也一并吸入，造成部份车厢充斥异味，而空调过滤网也需频频清洗，平均每两天清洗一次，每四天便得要更换。日本的同型车由于路线多采用无道碴之板式轨道，且无污物排放问题，过滤网每月仅需清洗一次。 1.2 编组模式及指标 现时每组CRH2均为八卡列车，其编组方式如下: 标准编组（CRH2-001A至CRH2-042A及CRH2-044A）: 1 T ZE 20xx01 2 M ZE 20xx02 3 M ZE 20xx03 4 T ZE 20xx04 5 T ZEC 20xx05 6 M ZE 20xx06 7 M ZY 20xx07 8 T ZE 20xx00 为配合日后的新路线通车，一些CRH2列车使用了非标准编组形式，包括增加一等车厢。 CRH2-043A: 1 T ZY 2 M ZY 3 M ZE 4 T ZE 5 T ZEC 6 M ZE 7 M ZY 8 T ZY CRH2-045A至CRH2-120C: 1 T ZE 2xxx01 2 M ZE 2xxx02 3 M ZE 2xxx03 4 T ZE 2xxx04 5 T ZEC 2xxx05 6 M ZY 2xxx06 7 M ZY 2xxx07 8 T ZE 2xxx00 xxx: 列车编号 (001-120) ZY: 一等座车 ZE: 二等座车 ZEC: 二等座车/餐车 当中编号00及01的车厢拥有驾驶室，车外写有CRH2-0xxA或CRH2-xxxC；编号04及06的车厢拥有受电弓。 编组型式：22+BoBo+BoBo+22+22+BoBo+BoBo+22 (4M4T)，可两编组连挂运行 车种：一等座车、二等座车、餐车 编组定员：610人 客室布置：一等车2+2、二等车2+3 最高运营速度：250 km/h (可提升至300 km/h) 最高试验速度：260 km/h 以上 轨距：1435 mm (标准轨) 适应站台高度：1200 mm 传动方式：交直交 牵引功率：4800 kW 编组重量及长度：201.4m，345t 车体型式：大型中空型材铝合金车体 气密性：车内压力从4kPa降到1kPa时间大于50s 头车车辆长度：25700 mm 中间车辆长度：25000 mm 车辆宽度：3380 mm 车辆高度：3700 mm 空调系统：准集中式 转向架类型：DT206/TR7004B无摇枕转向架 转向架一系悬挂：单组钢弹簧单侧拉板定位+液压减振器 转向架二系悬挂：空气弹簧+橡胶堆 转向架轴重：≤14 t 转向架轮径：860/790 mm 转向架固定轴距：2500 mm 受流电压：交流 25 kV，50 Hz 牵引变流器：IGBT水冷VVVF 牵引电动机：三菱电机MT205 / 永济YJ92A (300kW) x16 启动加速度（m/s2）：0.406 制动方式：直通式电空制动 紧急制动距离（m）（制动初速度200km/h）：≤1800 补助电源：DC100V，三相AC100V AC220V、AC400V 第二章 列车通信网络的发展历程及结构 第一节 列车通信网络的基本内容 2.1 通信网络基本概要 列车通信网络是安装在客车上的计算机局域网络系统,负责对整列客车各个部分信息的采集与传递,对列车的车载设备状态进行控制、检测、诊断及记录,并为乘客提供相关信息服务。列车通信网络由列车总线网、车辆总线网级子网组成,建设列车通信网络对保证列车控制的有效性、安全性及旅客舒适性具有重大意义。 现今列车通信网络主要采用WTB/MVB与LonWork技术,这两种技术已广泛应用于列车通信网络中。但这两种总线也有其自身的缺陷,由于列车级通信数据量大于车辆级,一般情况下,当列车级通信速率高于车辆级,二级子网才能更好地匹配,MVB比WTB通信速率高,且WTB/MVB专为列车通信网络而开发,费用较高;LonWorks对传输介质和拓扑形式要求不严格,既能作为列车总线也能作为车辆总线,但其最大缺陷为传输速率较低,很难满足列车通信网络中日益增长的数据传输。工业以太网作为一种现场总线,具有传输速率高、容错性强、拓扑性好的特点,很适合应用于列车通信中。 本文针对现有列车通信网络中存在的缺点,提出将工业以太网应用于列车通信网络的方案,并对以太网在机车中的应用进行了积极有益的探索和研究。 我国铁路第六波大提速以来，时速200km/h的和谐号动车组已在京沪、京哈等主要干线上投入运营，京津、武广、郑西、京沪鞥高速客运专载已陆续开工建设。我国铁路正在逐步进入高速铁路时代。动力分散方式的采用，使得通过列车通信网路实现列车的实时控制和信息传递显得尤为重要。1999年6月，TNC标准草案IEC61375-1正式成为国际标准。IEEE于1999年制定了IEEE1473列车通信协议。该协议规定了两种网络，一种为IEEE1473-T，这种网络就是IEC61375-1规定的用多功能车辆总线和绞线式列车总线实现的列车通信网：另一种是IEEE1473-1，是用LonWorks总线实现的列车通信网。 2.2 国外发展情况简介 70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出现，开始仅仅是用于传动装置的控制。随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系统依次划分为六个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动，列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件五金|工具。 ABB公司的微机自动化系统MICAS-S2在列车层采用了FSK列车总线，波特率19.2Kbps，车辆总线采用了在RS485控制器总线基础上进一步开发的MICAS车辆总线MVB，波特率1.5Mbps，这二种总线均具有全方位的软件工具支持。 1988年，IEC第九技术委员会TC9成立了第22工作组WG22，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，并且车上的可编程电子设备能够互换。 1992年6月，TC9WG22以委员会草案CD（CommitteeDraft）的形式向各国发出列车通信网TCN的征求意见稿，该稿分成四个部分：第一部分总体结构，第二部分实时协议，第三部分多功能车辆总线MVB，第四部分绞式列车总线WTB。 总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线MVB和绞式列车总线WTB组成。其中多功能车辆总线MVB以ABB的MICAS车辆总线MVB为蓝本，WTB以西门子的DIN43322和意大利的CD450为蓝本。 MVB的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场合，其跨距为2000m，最多可联结256个智能总线站。数据划分为过程数据、消息数据和监管数据，对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是1ms或2ms。 WTB的传输介质为双绞线，最多可连接32个节点，总线跨距860m。WTB具有列车初运行和接触处防氧化功能。发送的基本周期是25ms。 1994年5月至1995年9月，欧洲铁路研究所ERRI耗资300万美元，在瑞士的Interlaken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利FS、荷兰NS的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的TCN实验。 1998年11月，在中国湖南株洲召开IEC年会。1999年6月，TCN标准草案61375-1正式成为国际标准。在61375-1中，除了以上四个部分外，还有第五部分列车网络管理，附录A列车通信网导引，附录B一致性测试导则。 第二节 TNC及LonWorks技术分析 2.1TNC 在TCN标准中，列车通信网络由列车总线和车辆总线构成，列车总线用于各个车辆之间的连接，车辆总线用于连接车辆上的车载设备。 传输：车辆总线中双绞线介质支持的最大传输距离为220m能连接2个或3个车辆，车辆总线数据传输速率为1.5Mbps也采用双冗余结构。 车辆总线由一个专用的主节点控制，它可以被冗余的主节点支持以增加可靠性。车辆总线由一个集成的总线控制器支持，它能构成简单的设备而无需处理器。车辆总线控制器在物理层提供冗余；一个设备在两个互为冗余的线路上发送，但又从一条线路上接受，同时监视另一条线路，MVB具有高度完整性，以防止数据错误，可采用曼彻斯特编码以及其校验的方式。 2.3 LonWorks技术 列车通信网络也可以使用LonWorks技术,LonWorks技术是目前几种有影响的现场总线技术之一。支持双绞线、电力线、无线电、红外线和光纤等多种介质，支持总线型、环型。自由拓扑型多种拓扑，传输信号采用分曼彻斯特编码；是现有各种现场总线中唯一提供了OSI参考模型中所定义的全部7层服务的网络，它有配套的节点，路由器或网关开发，网络调试、安装设备，可以在较高层次上实施网络工程。 LonWorks是一个开放的控制网络平台技术，它的特点是具有公平性，对等性。网络中的每一个设备都可以独立接受，传送和处理网络信息。与其他设备无关‘传输速率78kbps。LonWorks可以有域子网和节点3层结构，每个域可以最多255个子网。每个子网可以有127个节点。 表1LvonWorks网络各层作用和所提供的服务 第三节 TNC网络拓扑的结构及绞线式列车总线WTB概括 2.1 TCN网络拓扑的结构 1988年，ICE第9技术委员会TC9成立了第22工作组WG22.，其任务是制定一个开放的通信系统，从而使得各道机车车辆能够互相连挂，车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月，TC9WG22以委员会草案的形式向各国发出列车通信网络TCN的征求意见稿。该稿分成4个部分：第一部分总体结构，第二部分实时协议，第三部分多功能车辆总线，第四部分绞线式列车总线WTB。列车通信网络寻址各铁路车辆中所有相关的拓扑结构，它包含两级：连接各车辆的列车总线和连接一节车辆内或车辆组阁设备的车辆总线。一节车辆可以有1条或几条车辆总线，也可以没有，车辆总线可以跨越几节车辆。 图2 TCN网络拓扑结构示意图 2.2 绞线式列车总线WTB 绞线式列车总线通过手插式跨线电缆或自动连接器来实现车辆之间的互换。WTB使用12线UTC电缆再加上一条能以1Mbit/s传送数据的专用屏蔽线。中缆的布置采用冗余原则。装车电缆每一侧各有一根电缆。WTB无需中继器传送距离库到860米。WTB最显著的特色，是它的以连续顺序给节点自动编号和让所有的节点识别何处是列车的左侧或右侧的能力。每当列车组长改变时，列车总线各节点执行初运行，初运行后所有车辆获得的结构信息包括以下几点： 1、相对于主节点，它们各自的地址、方向和位置 2、列车中其他车辆的书库量和位置。 3、其他车辆的型号和种类及支持功能。 4、各车辆的动力学性能，该信息可以帮助制动计算机列车长度和重量。为实现初运行，每个节点包含两个HDLC通道，每个通道对应一个方向。 4、多功能车辆总线MVB WG22规定多功能车辆总线MVB作为连接车辆内设备，以及弧顶编组的列车组中连接各车辆间设备的车辆总线。MVB可通过3种介质工作至105Mbit/s (1)、短距离用RS485。 （2）、距离达200m的变压器耦合的双绞线。 （3）、距离达200m的光纤。 不同的介质可以直接通过中继器互相连接。MVB由一个专用的主节点控制，它可以被冗余的主节点支持以增加可靠性。MVB出一个集成的总线执行控制器支持，该控制器在物理提供冗余，一个设备在两个互为冗余的线路上发送，但仅从一条线路上接受，同时监视另一条线路。 1999年6月，TCN标准草案正式成为国际标准。列车通信网络的标准化对目前和将来的开发提供了一个良好的基础，现已交付或投入运营的采用TCN的车辆达600辆以上，装备TCN的车辆数量正在迅速增长。 第四节 列车通信网络选用原则及应用 1.1 列车通信网络选用原则 参照2个国际标准并结合国情，推荐使用T型网络，但也保留L型网络一定的使用空间。推荐使用T型网络，主要是下面3种场合（1）非固定编组列车；（2）实时性要求高、传送时间要求确定、时限紧迫的场合；（3）有列车互操作性要求的场合。 对于节点数较少，传送数据量不大，时限不大紧迫的固定编组列车可以采用L型网络，但要保证其性能及互操作性应，同以列车中宜采用一种网络。或是T型或是L型。因为目前还没有在这两种不同且各自独立的通信网络间搭建桥梁，所以列车中相同的设备不可能挂在两种不同的通信网络上。另外，列车只采用一张网络看使通信网络简化，减少协议间的转换，从而提高网络通信的可靠性。 1.2 列车通信网络的应用 列出通信网络能实现对各类车载设备进行状态监测和故障诊断，获得的各种信息通过无线通信技术传送到地面，地面通过一套信息化管理系统对这些信息进行帅选，分类和存储，形成信息数据库。地面的客户端可以直接对列车运行状态进行实时访问，在此数据库基础上，运用各种信息化管理软件，实现信息化生产。 通过列车通信网络实现列车的实时控制和各类信息的传递是今后技术的发展趋势。在参照国外列车通信网络方面的标准并结合国内实际情况下，已制定网络技术时要充分吸收和消化国外的先进技术和经验、努力实现国产化。 第三章 列车通信网络的访问控制方式 第一节 几种总线通信介质访问控制方式 3.1 LON(LocalE Operation Networks) 现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。自80年代以来，有几种现场总线技术已逐渐形成，在一些特定的应用领域显示了各自的优势。 　　 对用户而言，如何选择适合自己需要的现场总线，来满足工业控制中的实时要求。这需要了解每种现场总线的特点，尤其是数据链路层的通信介质访问控制方式。 按照对时间确定性的支持，现场总线通信介质访问控制方式主要分为两大类：一类采用事件触发方式，它不直接支持时间确定性，多数采用随机载波监听方式(CSMA)，具有代表性的有CAN和LON等；另一类采用时间触发方式，它直接支持时间确定性， 　　 通常采用令牌方式，它又可以进一步分为：(1)集中式令牌，具有代表性的有WorldFIP和FF等；(2)分布式令牌，具有代表性的有PROFFBUS等；(3)虚拟令牌，具有代表性的有P-NET等。 　　 为此，本文针对目前比较流行的，且通信介质访问控制方式具有代表性的4种现场总线——LON、CAN、PBOFIBUS和FF进行简单的介绍，特别是对其通信介质访问控制方式进行了较详细的描述。 美国Echelon公司于1991年推出的局部操作网络，在组建分布式监控网络方面具有优越性。LON技术适合于低层次工业网络，在住宅、楼宇管理、暖通、水处理、食品加工、机器控制与监视等领域被广泛接受。 　　 LONWORKS采用的LonTalk通信协议遵循ISO／OSI的全部7层模型。LonTalk协议被封装在称之为Neuron神经芯片中得以实现。Neuron神经芯片是IONWORKS的核心，内含3个8位CPC，分别为介质访问控制处理器，网络处理器和应用处理器。可见，Neuon神经芯片不仅作为LON总线的通信处理器，也作为采集和控制的通用处理器。 　　 LON支持多种拓扑结构，如总线型、星型、环型、混合型等，和多种传输介质，如双绞线、电力线、无线电波、红外线、光纤、同轴电缆和电源线等。可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。采用双绞线时，通信速率为78kbps／2700m/每段以节点，1．25Mbps／130m/每段64个节点。Motomla已开发出IS-78本安物理通道，使LON网络可以延伸到危险区域。 LON的通信介质访问控制方式为带预测P-坚持CSMA。当节点有信息要发送而试图占用通道时，首先在一个固定的周期Beta 1检测通道是否处于网络空闲。为了支持优先级，还要增加优先级时间片，优先级越高的所加的时间片越少。随后再根据网络积压参数BL产生一个随机等待时间片W’，W’为0到W之间的随机数，W＝BL*16。当延时结束时，网络仍空闻，节点以概率p=1／W发送报文。此种方式在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突最小化，但不能消除冲突。图2-1为LON的优先级带预测P-坚持CSMA概念示意图。 　　 LON有完整的7层协议，具备了局域网的基本功能，与异型网的兼容性比现存的任何现场总线都好。它还提供了与LAN的接口，从而实现二者的有机结合。同时，LON属于网络型系统，不适合于有大量数据需要采集，进行频繁处理的快速工业控制系统。 LON通过具有通信与控制功能的Neuron神经芯片、收发器、电源、传感器和控制设备构成的网络节点，采用专用的编程工具Neuron C，利用所提供的开发工具：LonBuilder、NodeBuilder和LVS技术，可以快速、方便地开发节点和联网。 　 总之，当有大量的短消息需要通信应用时，LON是一个普及、低成本的总线系统。 3.2 CAN( Controller Area Network) 德国 BOSCH公司于1991年推出，用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。主要应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的低层监控，解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换。 　　 CAN采用了ISO／OSI的3层模型：物理层、数据链路层和应用层。 　　 CAN支持的拓扑结构为总线型。传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双绞线通信时，速率为1Mbps／40m，50kbps／10km，节点数可达110个。 　　 CAN的通信介质访问方式为带优先级的 CS-MA／CA。采用多主竞争式结构：网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送信息时，运用逐位仲裁规则，借助帧中开始部分的标识符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。例如，规定0的优先级高，在节点发送信息时，CAH总线做与运算。每个节点都是边发送信息边检测网络状态，当某一个节点发送1而检测到0时，此节点知道有更高优先级的信息在发送，它就停止发送信息，直到再一次检测到网络空闲。图3-1为A、B、C、D4个节点同时发送信息，最后优先级高的节点D有权发送信息，其它节点主动停止发送数据。　　CAN的传输信号采用短帧结构(有效数据最多为8个字节)，和带优先级的CSMA/CA的通信介质访问方式，对高优先级的通信请求来说，在1Mbps的通信速率时，最长的等待时间为0．15ms，完全可以满足现场控制的实时性要求。 　　 CAN突出的差错检验机理，如5种错误检测、出错标定和故障界定；CAN传输信号为短帧结构，因而传输时间短，受干扰概率低。这些保证了出错率极低，剩余错误概率为报文出错率的4．7x10-11。另外，CAN节点在严重错误的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受其影响。可见，CAN具有高可靠性。 　　 CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线通信协议部分和微控制器接口部分电路组成。通过简单的连接即可完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。CAN总线上的节点既可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有CAN接口的I／O器件。　　 总之，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN作为现场设备级的通信总线，同其它总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。 3.3 PROFIBUS(Process Fieldbus) 1986年，德国开始制定。它由3部分组成：Profibus-DP (Decentralized Periphery，分布式外设)，Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification，现场总线信息规范)和Profibus-PA(Process Automation，过程自动化)。不同的部分针对不同的应用场合，因此和Profibus应用领域十分广泛。 　　 Profibus以ISO／OSI模型为基础，取其物理层和数据链路层。FMS还采用了应用层。DP和FMS使用同样的传输技术和统一的总线访问协议，因此二系统可在同一根总线上混合互操作。通过段锅台器或链接器，使PA系统很方便地集成到皿网络。 　　 DP和FMS有两种传输技术：一种是RS-485，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型，通信速率为9．6kbps／1200m，12Mbps／100m，每段最多节点数为32，不支持总线供电和本安；另一种是采用光纤，用于电磁兼容性要求高和长距离要求的场合。 PA采用IEC1158-2传输技术，用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型或树型，通信速率为31．25kbps/1900m，每段最多节点数为32，支持总线供电和本安。 　　 Profibus的通信介质访问控制方式为分布式令牌方式(混合介质存取)。主节点之间为令牌环传递方式，主节点与从节点之间为主从轮询方式。当主节点得到令牌后，允许它在一定的时间内与从节点和／或其它主节点通信。令牌在所有主节点中循环一周的最长时间TTR(设定周期)是事先预定的，决定了各主节点的令牌具体保持时间的长短。主节点之间传输数据必须保证在事先定义的时间间隔内主节点有充足的时间完成通信任务，主节点与从节点之间的数据交换要尽可能快且简单，地完成数据的实时传输。按这种方式，完成周期性与非周期性的数据交换。 　 为此，profibus的介质访问控制MAC协议设置了两类时钟计时器：一类是令牌运行周期计时器，用于令牌的实际运行周期TRR计时；另一类是持牌计时器，用于主节点令牌保持时间TTH计时。当令牌到达某个主节点时，此节点的周期计时器开始计时。 　　 当令牌又一次到达此主节点时，MAC从把周期计时器的TRR值与设定周期值TTR的差值赋给持牌计时器，即TTH＝TTR-TRR，持牌计时器根据该值控制信息的传送。 　　 在持牌计时器控制信息发送时，如果令牌到达超时，即TTH<0，则此节点只可以发送一个高优先级信息；如果令牌及时到达，则此节点可以连续发送多个等待发送的高优先级信息后，直到高优先级信息全部发送完毕，或者持牌时间超时。如果在发送完所有待发送的高优先级信息，仍然有持牌时间，则可以用同样的方式发送低优先级信息。无论发送高优先级信息，还是低高优先级信息，都只在发送前检测持牌时间是否超时，而不是预先检测发送完此信息是否超时，此种检测方法意味着信息发送不可避免地造成持牌时间超时，影响了周期性实时通讯的实现。 　　 Profibus-DP主要用于对时间要求苛刻的分散外围间的高速数据传输，解决分散I／O问的通信，适合于加工自动化领域，具有高效低成本。Profibus-PA，队主要用于流程工业自动化，对安全性要求高和由总线供电的场合。Profibus-FMS主要用于解决车间级通用性的通信任务，完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，提供了大量的通信服务(主要是针对主节点之间的通信)。 Profibus协议的苛刻时间部分由协议芯片实现， 熟应用广泛的现场总线。Profibus的一些特点，又增加了自己的一些功能。主其余部分由微控制器的软件实现，针对不同的应用，采用3种不同的传输技术。 第二节 无线自组织应急通信网络的多信道介质访问控制 3.1 多信道控制模式 在无线数据通信中，信道复用技术用于控制如何分配或使用信道。典型的复用技术包括：载波感知多址接入(CSMA)、竞争方式和时分复用访问(TDMA)、码分复用(CDMA)。在已知的网络中，卫星通信的ALOHA系统和无线以太网的CSMA/CA为竞争方式的代表；GSM、TD-SCDMA和WiMAX为时分复用方式的代表。基于Wi-Fi的多信道研究有两种方式：其一是两个或多个同样的竞争信道；其二是指定一个信道为控制信道，其他信道为数据通信信道。既有的关于多信道的研究表明：对于存在多信道的通信系统，当信道数到达某个临界值时，系统的吞吐率不再随信道数量的增加而增加。如何最合理最有效地利用多信道的通信能力，使网络和应用呈现更好的可扩展性成为重要的课题。 在过去的20多年中，人们多从系统的角度设计无线通信系统。为提高无线通信系统传输能力，多信道技术，特别是多个无线载波方式，受到极大重视。在现在比较流行的IEEE标802.11标准体系中[2-3]，出现了BAPU、DBTMA和DCMA等双信道和Multiple Channel CSMA和DCA-PC等多信道技术[4-6]。 在一般的商用通信系统中，一般包括一个公共控制信道和一群业务信道，例如：ISDN/SS7、GSM/GPRS/HSDPA。无论在核心网络中，还是在无线环路中都有相同的控制模式。为了提高通信系统的效能，一个重要的研究课题就是：在无线数据通信系统中，公共控制信道和业务信道的关系和控制模型如何确定才能够满足特定的组网要求。 本文研究一种多信道控制模型。该模型的控制模式是为了满足应急通信的信息快速融合的需要而建立的。该模型提出多信道控制算法。在同时4路接收的多信道并行传输的机制中，一个节点在一个时隙内既能够占用一个信道发送数据，又能够同时接收来自其他4个节点在不同信道上的4路数据。多信道手法是一种特定的多信道通信模式。确定这种多信道控制模式，对建立信息汇聚、融合的无线数据通信有很明显的帮助。 3.2多信道资源分配算法 自组织应急通信网络媒体访问控制(MAC)技术重点在于动态分配资源和区分优先级的服务质量。动态分配资源主要包括：动态地分配时隙，使得空闲的时隙能够被发送请求数较多的节点充分利用；动态地分配信道，使得节点能够灵活使用多信道机制，实现快速信息融合所需要的多路接收一路发送的通信能力。区分优先级的服务质量主要包括：对分组区分优先级，始终保障最高优先级的服务质量；其他优先级按比例分配带宽，该分配比例能够灵活调整；高负载时性能下降相对平缓。 本文的多信道资源分配算法参考IEEE 802.16中Mesh网络的MAC层机制。该控制机制采用TDMA的组网方式，节点通过请求/响应的方式来接入媒体，其中集中控制方式同样支持Ad hoc网络的集中式MAC资源调度和管理。IEEE 802.16协议支持不同的服务水平，从企业级的高质量服务到家用型的尽力而为服务都有定义。协议通过集中调度来支持时延敏感业务，如话音和视像等。由于确保了无碰撞数据接入，IEEE 802.16的MAC层改善了系统总吞吐量和带宽效率，并确保数据时延受到控制。TDMA接入技术还使支持多播和广播业务变得更容易。IEEE 802.16系统的QoS机制可以根据业务的实际需要来动态分配带宽，具有较大的灵活性。Mesh模式的QoS机制还需要进一步研究和完善，可以借鉴其他模式下较成熟的QoS机制对Mesh模式进行补充和改进。 本文提出的资源分配算法处理流程包括了5个重要过程： (1)获取节点请求列表过程 (2)请求分类缓冲过程 (3)请求队列截取过程 (4)资源分配过程 (5)节点使用分配结果过程 5个过程的顺序处理关系如图1所示。 其中的(1)和(5)这两个过程不属于资源分配算法的核心内容，但在资源分配总过程的数据流处理中担当了重要角色。资源分配总过程数据流如图2所示。即(1)过程产生算法输入数据，(5)过程使用算法输出数据。 3.3获取节点请求列表过程 获取节点请求列表过程可以划分为几个时隙(数量通常等于节点数量)，每个节点查看自己的MAC优先级队列中各个优先级是否有分组要发送，有的话就生成一定数量的请求状态信息(每一个请求状态信息对应于MAC优先级队列中的一个分组，包含了该对应分组的一些特征信息摘要，网控中心进行资源分配时需要用到这些信息)。节点生成的所有请求状态信息会在某个小时隙中发送给网控中心节点，作为资源分配算法的输入。请求状态信息所包含的内容如表1所示。 MAC优先级队列是由各个节点独立维护的一个区分优先级的分组缓冲区，可以认为是一个按优先级索引的多链表结构，用于缓冲上层协议实体传输下来的分组。该队列能够在每帧开始的请求前导阶段按照MAC的要求，查看缓冲区的内容并生成一定数量的请求状态信息返回给MAC；然后在数据时隙阶段，根据MAC得到的分配结果从缓冲区里取出正确的分组返回给MAC并发送。 获取节点请求列表：每个节点的MAC协议实体查看优先级队列里的缓冲分组。MAC指定一个数值作为优先级队列能够生成的请求状态信息个数的上限，队列据此数值控制发给网控中心的请求信息的总大小。另外，由于每个请求对应一个待发送分组，提交多个请求就意味着节点可能根据网络忙闲状况在一个时帧里获得多次发送机会，从而具备实现动态时隙使用的基础。优先级队列将这些请求状态信息返回给MAC，MAC获得此信息后，在请求前导阶段某个时间将它们封装成为一个请求分组，发送给网控中心节点。 3.4 请求分类缓冲过程用 请求分类缓冲过程用于对获取节点请求列表过程中接收到的所有节点的请求状态信息进行区分优先级的缓冲，并统计各个优先级的请求数以及总的请求数。此过程的关键内容是网控中心具有一个总请求状态信息缓冲区，其为每个优先级准备一个独立的请求状态信息队列，包含不同优先级信息的请求将缓存到对应优先级的队列中。请求分类缓冲过程如图3所示。 图上的n表示节点总数，优先级数目示例为3个，NULL表示该节点的请求已经分类完或者该节点没有任何请求。从该图可以看出请求分类缓冲过程是将各节点的请求状态信息列表依次拆解为数个请求状态信息，并按照它们的优先级分别缓存到对应的优先级队列中。 请求分类缓冲过程：在网控中心获得所有节点请求状态信息后，算法按照一定的顺序依次处理每个节点的所有请求状态信息。判断是否有节点的请求还未处理完毕，是的话取得一个未处理的节点的所有请求状态信息，根据该请求状态信息的优先级序号将其缓存对应的优先级队列中适当位置，对应优先级的请求计数器和总请求计数器分别加1。当所有节点的请求均分类缓冲完成，整个过程结束。 3.5 请求队列截取过程 请求队列截取过程使用请求分类缓冲过程生成的总请求状态信息缓冲区和请求计数器值，在缓冲区中的请求总数大于数据时隙能够提供的最大发送机会时执行。 发送机会是指能够满足节点进行一次完整发送过程的时机，在多信道环境下为某一信道上的某一数据时隙，可用二元组<时隙，信道>表示。最大发送机会是指多信道环境下所有数据时隙能够提供的发送机会的总和，即最大发送机会=数据时隙数信道数，它代表了当前时帧结构下全网络一帧能够提供给节点的最大发送次数。当总请求数超过最大发送机会时，当前的请求中将会有一部分得不到满足。请求队列截取过程即是用来决定哪些请求能够被满足，哪些需要被丢弃。采取优先级比例预留进行请求队列的截取。算法事先配置并存储好优先级预留比例数据，用于计算预留给对应优先级的发送机会数。 例如，3个优先级算法，优先级从高到底(优先级号从0到2)的预留比例配置为：1.0、0.6、0.3。其中最高优先级0的比例是1.0，表示该优先级为强制满足的优先级，属于该优先级的请求应该在截取过程中尽量保留而不被丢弃；优先级1和优先级2的比例都小于1，表示它们需要进行正常的按比例截取。 通过上述优先级比例预留策略，可以限制各个优先级在网络繁忙时占用的带宽上限，以此实现了优先级带宽按比例预留的要求。 请求队列截取过程：请求分类缓冲过程执行完毕后，所有节点请求已经缓存到对应优先级队列中。判断请求总数是否大于最大发送机会数，如果是则使用优先级预留比例，计算出各个优先级超出预留发送机会的个数。依次截取(丢弃)各个优先级中超出预留发送机会数的那一部分请求。当各个优先级的实际请求数的超额部分已经全部截取完毕，但此时如果总数仍然大于发送机会数，则需要进一步截取。当各个优先级能够满足的请求个数之和已经等于或小于最大发送机会数，无需再截取。记录截取结束，结果供资源分配过程使用，过程结束。 3.6 资源分配过程 资源分配过程使用请求队列截取过程截取后的各个优先级的实际发送机会数，从最高优先级开始依次为每个优先级分配数量等于该优先级的剩余请求个数的二元组<时隙，信道>资源，并在分配过程中进行收发控制。 资源分配策略是指为各个优先级的剩余请求分配MAC资源时所采取的策略。从区分优先级的服务角度来看大体可分为两种策略：间隔分配策略和连续分配策略。由于间隔分配策略是同一优先级的请求间隔发送，可以在一定程度上减少突发信道干扰对某一优先级数据的影响，因此我们采用间隔分配策略。间隔分配策略即将各个优先级的请求以间隔的方式依次分配到各个时隙中。分配后各个优先级的请求比较“均匀”地分布在时帧中，高优先级和低优先级请求的发送顺序没有明显地被区别对待。 节点收发控制用于限制节点在同一个时隙中接收和发送的数据流数。多信道环境下，节点可以在一个时隙内使用不同的信道同时进行数个收发过程。假设网络具有5个不同子频率所对应的信道，则理论上一个节点可以在同一时隙接收或发送5路数据流。这违背了节点的物理设备的“四收一发”限制，即一个节点在同一时隙内最多只能接收4路同时发送1路数据。所以需要在资源分配的时候在每个时隙上控制节点的收发次数。为此，资源分配过程通过网控中心维护一个记录节点收发状态信息的数据结构，称为“节点收发状态表”。网控中心在进行资源分配的时候便可以根据其中内容判断是否将当前请求分配到某个时隙上。 资源分配过程：请求队列截取过程执行完毕后，网控中心已经知道了为各个优先级实际提供的发送机会数。初始化“节点收发状态信息表”，之后，按照各个优先级实际提供的发送机会数请求分配<时隙，信道>二维资源。如果当前缓冲区中还有请求没有被分配，且还有可用数据时隙，则按照从高优先级到低优先级的顺序，循环取到某个优先级的请求队列。若该优先级已经被分配的请求个数达到了实际提供的发送机会数，该优先级仍有未被分配的请求且当前还有空闲信道，则获取该优先级请求队列的一个未被分配资源的请求。判断该请求分配到当前时隙上是否满足节点收发控制的要求，如果满足就为该请求分配当前时隙上的一个空闲信道，并将请求的部分信息以及分配到的<时隙，信道>资源保存为资源分配结果；否则暂时“跳过”该请求。空闲信道标号超出信道数范围，表示当前时隙上所有信道资源已经被分配完毕，将可用时隙标号增加1以指向下一个可用时隙。当所有的请求都已经被分配资源，或者已经没有可用的数据时隙，资源分配过程结束。源分配过程如图4所示。 3.7 节点使用分配结果过程 节点在响应前导阶段接收到网控中心广播的资源分配结果后(资源分配结果所包含的内容如表2所示)，使用分配结果信息决定节点自己是否能够实际发送分组，能够发送哪个/哪些分组，以及用什么时隙/信道发送分组。 节点使用分配结果过程：响应前导阶段节点接收到网控中心的资源分配结果，数据时隙阶段开始，之后，节点使用分配结果进行分组发送和接收。每个时隙来临时，MAC根据分配结果中的时隙标识(ID)和源节点ID判断该时隙是否分配给了自己，是的话就向优先级队列确认分组。优先级队列使用分

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