无线组网技术在接触网振动试验系统中的应用

摘 要：接触网振动试验系统的实际应用环境和条件，限制了完全以有线方式来组网的应用。分析了IEEE 802．11网络的协议体系及其存在的问题和相应对策，论述了其应用，然后针对接触网振动试验系统的实际应用环境和条件限制，以方便和实用为原则，设计并提出了两种基于IEEE 802．1l的应用于接触网振动试验系统的组网方案及相应的安全解决措施，试验结果证明方案和措施是可行的。文中的创新之处在于，它是第一次成功地将无线的组网方式应用于电力系统铁路上的接触网振动试验系统。
关键词：无线局域网；无线组网；接触网；振动

O 引 言
    研究接触网的振动规律，是更好地研究弓网关系，提高机车受流质量和寿命的重要途径，在电气化铁道，特别是在高速电气化铁道中具有很重要的意义。而接触网振动试验的特殊环境，有线的组网方式难以较好满足。
    而无线网络具有通信范围不受环境条件的限制，易于实现网络规划和调整、无线局域网的组建、配置和维护比较容易等优点。通常应用于不宜或不便布线的场所、频繁变更办公场所的人员、建筑物之间的局域连接等。目前，IEEE 802．11所规范的WLAN技术，定义了物理层和媒体访问控制MAC协议的规范，允许无线局域网及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备，可以为移动用户提供以太网的网络性能(包括吞吐量和可用性)，并可与以太网几乎无障碍地连接和融合。
    在此背景下结合接触网振动试验系统的实际应用环境和条件，设计并提出了两种应用于接触网振动试验系统的组网方案及安全解决措施，试验结果证明是可行的。

1 IEEE 802．1l网络的协议体系及其存在问题
1．1 IEEE 802．11网络的拓扑结构
    IEEE 802．1l网络的拓扑结构分为两种：点对点模式和基本模式。其中，点对点模式(peer to peer模式)又称Ad Hoc模式，是指无线网卡之间的通信方式，一般应用于小型网络，理论上最多连接256台PC；基本模式又称infrastructure模式，指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，这是IEEE 802．11最常用的方式。在基本模式中，接入点负责频段管理及漫游等指挥工作，一个接入点理论上最多可连接1 024台PC(无线网卡)，当无线网络节点扩增时，网络访问速度会随着范围扩大和接点的增加而变慢，此时添加接入点可以有效控制和管理频宽与频段，并可以作为无线网和有线网之间连接的桥梁。
1．2 IEEE 802．11协议标准物理层及相应规范
1．2．1 物理子层
    IEEE 802．11对WLAN物理层进行了分层，它们是PLCP(物理层会聚协议)、PMD(物理介质相关协议)和物理层管理子层。PLCP子层主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组。PMD子层用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技术。物理层管理子层进行信道选择和调谐，如图l所示。

    用于PMD的传输有：FHSS(调频扩频技术)，DSSS(直接序列扩频技术)和DFIR(扩散红外线)。MAC层协议数据单元(MPDU)到达PLCP层时，在MPDU前加上帧头，用来明确传输要使用的PMD层，3种方式的帧头格式不尽相同。然后，PLCP进行分组，并根据这3种信号传送技术的规范要求由PMD层传送。如图2所示。

1．2．2 FHSS，DSSS，DFIR的规范
    (1)FHSS
    IEEE 802．11 FHSS WLAN规定了以2．44 GHz为中心，间隔为1 MHz的78个跳频信道，这些跳频信道被分成3组，每组有26个，分别对应的信道编号为(O，3，6，9，…，75)，(1，4，7，lO，…，76)和(2，5，8，11，…，77)。具体选择哪一组由物理层管理子层决定。最大跳跃速率为2．5跳／s。采用两级和四级GFSK(高斯频移键控)分别实现速率1 Mb／s和2 Mb／s。
    (2)DSSS
    IEEE 802．11 DSSS WLAN将2．4 GHz频段分成11个相互覆盖的信道，每2个信道之间的中心频率间隔是5 MHz。使用长度为11 b的Barker编码。采用DBPSK(差分二进制相移键控)和DQPSK(四相差分相移键控)分别实现速率1 Mb／s和2 Mb／s。
    (3)DFIR
    IEEE 802．11标准中规定的波长范围为850～950 nm。采用4PPM(位置脉冲调制)和16 PPM分别实现速率1 Mb／s，2 Mb／s。
1．3 IEEE 802.11协议存在的问题及解决办法
1．3．1 存在“Near／Far”现象及解决办法
    这是由于在802．11无线局域网协议中要检测冲突，设备必须能够一边接收数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。鉴于这个问题，在802．11中的MAC中，对CDMA／CD进行了一些调整，采用了CDMA／CA(Carrier Sense Multiple Accesswith CoIlision Avoidance)或者DCF(Distributed Coor—dination Function)。CDMA／CA利用ACK信号来避免冲突的发生，即只有当客户端收到网络上往返的ACK信号后才确认送出的数据已经正确达到目的。CSMA／CA通过这种方式来提供无线的共享访问，这种显式的ACK机制在处理无线问题时非常有效，不过这种方式显然增加了额外的负担，所以802．11网络在性能上和类似的Ethernet网相比较在性能上总是稍逊一筹。
1．3．2存在“hidden node”问题及解决办法
    当两个相反的工作站利用一个中心接入点进行连接，这两个工作站都能“听”到中心接入点的存在，而相互之间则可能由于障碍或者距离原因无法感知对方的存在。为了解决这个问题，802．11在MAC层引入了一个新的ReqtLest to Send／Clear to Send(RTS／CTS)选项，当这个选项打开后，一个发送工作站发送一个RTS信号，随后等待接入点回送RTS信号，由于所有的网络中的工作站都能“听”到接入点发出的信号，所以CTS能够让它们停止传送数据，这样发送端就可以发送数据和接收ACK信号而不会造成数据的冲突，这就解决了“hidden node”问题。由于RTS／CTS需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，一般只用于那些大数据报上(重传大数据报会耗费较大)。

2 IEEE 802．11局域网在接触网振动试验系统中的应用
2．1 接触网振动试验系统的应用环境和条件限制
    在铁路沿线不能拉扯很多线路，不能改变机车既定运行条件、高频电磁环境、封闭线路(不经允许不能擅人)等。以上条件，决定了以无线方式进行组网是明智之举。
2．2 网络设计
    目前，802．11无线组网技术已经相当成熟，相应无线组网设备型号齐全，功能日益完善，因此，在接触网振动试验系统中采用“有线+无线”的组网方案是较好和可行的。
2．3 组网方案及分析
    鉴于试验线路环境及安装条件限制，各台主机和无线路由器之间采用无线方式进行连接，同时考虑无线连接的不稳定性和易干扰性，摄像机和主机之间采用有线方式进行连接，数据采集也采用有线的方式。具体方案如图3所示。

    (1)所用机子数量较少时，具体方案如图3所示。这一种方案，关键是摄像机和PC机是采用有线方式连接的，因为当弓网分离时，所造成的干扰本质上是一种高压脉冲干扰(离散型)，其特点是瞬间的能量过大，足以扰乱敷设在铁路沿线的通信信息系统中的编码信号脉冲(3 V左右)，对本属于开放电磁场的无线列调系统更是不利，同时也足以干扰掉摄像机和PC机之间的无线连接，致使采集的数据有可能丢失和出错。另外，为了增大相互连接的信号强度和稳定性，最好将无线AP上的全向天线换成发射功率更大的全向或定向天线。另外考虑现场试验条件，每台PC机上的无线网卡应事先设置好自动固定接入指定的SSID，这样可避免不必要的干扰和错误。
    (2)所用机子较多时，具体方案如图4所示。采用这种方案时，在第一种方案的基础上，需另外考虑各无线AP覆盖区之间的干扰问题。因为邻近相同频道间不能相互覆盖，否则会造成相互之间的干扰。而无线AP的可用信道一般为11个，分别为1～11号频道。所以，具体解决办法可以是：各无线AP之间相互设置为桥接，各AP各选一个互不相同的频道，比如，方案中的Test，WR 1选择1号频道；Test WR 2选择6号频道；Test WR 3选择11号频道；并且，务必保证自动固定接入相应无线AP的SSID的PC机的无线网卡所用的频道和所接入的无线AP的频道一致。

2．4 安全机制
    现在，大多无线产品的加密安全认证机制都相当成熟和完善，具有智能防护功能，采用128 b WEP加密、MAC地址过滤、支援VPN透传等。
    该试验用的是128 b WEP加密。用此加密算法，请务必确保WEP加密设置，否则，无法从无线终端ping到无线AP。不同厂商的无线网卡和AP需要指定不同的WEP密钥。要让WEP正常工作，所有的无线客户端和接入点都必须正确匹配。很多时候，虽然无线客户端看上去已经正确地配置了WEP，但是依然无法与无线AP通信。在面对这种情况时，一般可以将无线AP恢复到出厂状态，然后重新输入WEP配置信息，并启动WEP功能。
2．5 试验结果
    第一种方案，即机子较少时的方案，通过作为服务器的机子，可以访问到连接的所有PC，信号强度两格或两格以上，SNR在30 dB左右，且连接速率达到实用要求，服务器与离无线AP最远的PC之间的无线连接速率可达24 Mb／s及其以上(当时用的是300 Mb／s的无线网卡和无线路由器，无线路由器用的是大发射功率的外置式全向天线，各无线网卡用的是外置式定向天线，服务器和路由器之间的网线是千兆网线，用作服务器的机子的网卡是千兆网卡)。
    第二种方案，通过作为服务器的机子，可以访问到连接的所有PC，但连接速率变化及相差较大，在连接速度没有严格要求的条件下，是可行的。

3 结 语
    无线组网技术以其灵活、方便，适应性更强，覆盖面广，操作简单等特点，正在日益成为网络技术的重要组成部分和人们应用的热宠。强大的应用需求作为动力，无线组网技术及其组网产品也正飞速发展、日趋成熟和完善。这里结合接触网振动试验的现场环境和条件限制，以现有无线组网技术和产品为基础，提出了两种情况下的试验方案，并通过试验结果验证，两种方案都具有较好的可行性。