GE MDS电台在铁路无线调度通信系统的应用

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概述

铁路机车遥控系统 (Remote Control Locomotive)是指机车司机通过无线电遥控操作机车的系统。司机不在机车驾驶室内就可以完成操作,它大大提高了操作的安全和生产率。美国铁路在2002年开始在调车场推广机车遥控( RCL)系统的应用,虽然这项推广比加拿大铁路晚了十年,但是由於采用了数字电台技术,参考加拿大铁路的实践经验,美国铁路的铁路机车遥控系统(铁路机车站场调度)的推广,获得了各个方面的支持和认可。GE GE MDS entraNET网络电台是美国机车遥控电台的首选产品。它为用户提供了一个专业级的无线网络数据系统解决方案,该产品使用802。11协议和 BSP简单串口通信协议,可以很容易的构成一个跨越几十公里,上百台控制器和机车组成的多点对多点网络系统。本文对这一系统和应用进行详细介绍。

GE MDS公司介绍

美国GE MDS公司是世界公认的提供无线数据采集系统的先锋,七十多万台MDS数字电台在世界各地安装使用。GE MDS数字电台的性能树立了无线数据通信行业的标准。
MDS公司成立于1985年,位于纽约州北部罗彻斯特市,专门研制生产专业无线数据通信设备。26年来,MDS公司一直在工业专网通信领域的前沿独领风骚,成为这一行业最大生产厂商。 MDS公司现有员工280人,占有美国70%同类 产品市场。
MDS拥有世界级的厂房和自动化生产设施。它的生产管理系统采用柔性制造生产。它有两条表面焊接技术生产线,所有的部件、半成品及成品的试验和检测都是自动控制完成的。工厂依据客户的订单进行生产,每天可以生产多种不同的机型,日产可达1,000台。 56,000平方英尺的厂房,ISO-9001质量认证体系,先进的管理系统,造就了一流的产品,一流的企业。
MDS一方面不断创新,加强技术储备,另一方面下大力量保持产品的兼容性,使已安装的产品与新产品可以兼容并升级换代。MDS为了无线数传电台的安装调试和使用维护方便,开发了许多专用工具和软件,深受用户喜爱。MDS数传电台已成为了行业的标准。

20073美国通用电器公司(GE)收购了MDS公司,更名为GE MDS公司。

GE MDS entraNET网络电台系统的结构

GE MDS entraNET电台网络系统由中心接入点和远端电台构成。接入点就是一个系统的主站电台,用于控制调整整个无线网络的数据传输,该设备有两个串口和一个以太网口,能够实现IP到串口数据转发的功能,实现两个不同网络之间网关的功能。使得应用数据可以从以太网口入,从串口出,反之亦然。接入点也为所有的相关子站提供中心管理和配置功能,整个系统的IP到串口,接入点到子站,串口到串口的配置信息都存储在接入点。接入点最多可以支持1024个子站。

子站电台有一个RJ-45端口,可通过软件设置为:EIA-232标准串口或者以太网口,还有一个RJ-12本地串口,用于配置管理,也可用来传输数据。子站的以太网口只缺省情况下只能支持一个MAC地址,可以连接一台PCPLC设备。如果需要连接多个以太网设备,则需要MDS的授权。

GE MDS entraNET通过接入点的串口,与远端的串口电台实现串口对串口连接,也可以通过接入点的以太网口,与远端的串口电台实现以太网对串口连接,支持TCPUDP传输。

GE MDS还提供OEM串口子站模块。是一个专门设计的模块,与串口子站基本一样。

子站电台与子站电台通过接入点建立通信联系的系统是集中控制系统。子站电台与子站电台不通过接入点建立联系的系统是直通系统。直通系统可以实现两个子站电台之间的串口对串口通讯,不需要接入点的参与,特别适合子站电台脱网时使用。GE MDS entraNET 电台在上述两种方式下都可以工作,而且可以切换。直通系统模式在机车遥控应用中经常用到。

GE MDS entraNET网络电台的特点

跳频扩频电台

调制方式为CPFSK调制,空中速率106kbps,发射功率100毫瓦至1瓦可调,接收灵敏度-108dBm,工作使用温度-40度,+70度。坚固耐用的工业级包装,支持省电和休眠模式。频率是900兆或2.4Ghz,也计划提供340兆的产品。跳频时间可设为7ms, 14ms, 28ms

媒体接入控制功能(MAC)

这是它有别于常规数传电台主要特点。可以支持主动上报,电台信道的竟争管理,有限度的支持以太网。每个子站只有一个以太网端口,IP地址,MAC地址与子站无关。

简单的以太网桥功能

由於带宽低,不适合做局域网间的桥接设备。支持802。1d协议,支持以太网数据流,支持标准的EtherNET 2 802。2,802.3帧结构。内置以太网数据帧过滤和转发功能,减少了不必要的数据传输。支持的桥接模式可以设置,有四种选择:

l 关闭:不传输以太网数据

l 没有广播和组播

l 只有IPARP

l 全开放:所有的以太网数据流遵从802..3协议

GE MDS entraNET网络的带宽有限,建议通过交换机或路由器将此无线网络隔离出来,构成一个独立的网段,以防止由於大量的广播数据流涌入,造成系统运行困难。对於网络规模不大、广播数据量很小的网络,则无此必要。如果有可能,应使用GE MDS entraNETMAC过滤功能。

BSP简单串口协议

BSP是子站之间点对点串口通信协议。BSP数据的路由处理由接入点实现。支持QOS优质服务,数据流可分为不同的优先级,有高,中,低三级。每个BSP数据包有源地址和目标地址(子站电台的编号) ,连接电台的数据终端必须支持BSP协议,数据终端必须识别电台编码,BSP启始标识,BSP帧结构。运用IAPP接入点协议,BSP数据可以在多个接入点的系统中,不同子站之间传输,子站可以属於不同的接入点。BSP通过接入点实现数据帧透明传输,在直通模式中也透明传输。不论是否有接入点介入,数据帧的格式是一样的。BSP通信协议的内容和定义见附录一。

QOS优质服务

优质服务保证数据的实时性,保证关键的命令,如:“man down下人”, “鸣笛等命令优先传输。优质服务的方式是建立在每一个数据包的基础上的,根据数据包的种类来提供服务。有高,中,低3种不同优先级可选,它使系统的表现,反应达到最佳状态。。

接入点协议IAPP

GE MDS entraNET接入点和其它接入点可以通过另外的有线或无线以太网连接,实现接入点间的数据通信。使用TCP/IP协议,通过路由设备转发,灵活性好。用户可设置组播IP地址和协议端口功能。实现多个接入点共享它们所相关的子站信息和路由表。

漫游切换功能

支持移动服务,子站可以在接入点与接入点之间切换漫游。当信号强度低于接收门限,或着与接入点失去联系时,会进行漫游切换。目前的接入点接会关闭一段时间,时间可设,缺省值是5秒。这期间子站可以和新的接入点建立联系。一旦建立了联系,新的接入点会更新它的子站表,并把新的信息用UDP包,通过以太网组播方式发送出去。每个接入点有相同的网络地址,不同的延伸地址(0-31) ,在一个网络中最多有32个接入点。

网络管理

所有的电台的本地管理都通过串口COM1进行,接入点和子站可以通过多种方式远程管理。所有的配置参数存储在接入点,存储配置参数的文件可以编辑修改,修改完的文件可以再下载到接入点,管理控制方便。

网络安全

MDS eantraNET 采用了下列措施来保证网络的安全。

加密,设定接入点清单,设定子站清单,设定网络地址,设定跳频模式。

 

如果打开加密功能,所有的串口数据,所有以太网数据帧的内容在空中的传输中都会加密。加密使用128位对称密匙算法。在接入点打开加密匙功能时,可以输入长达40个字母数字字符串。同样的加密匙必须输入到相关的每个子站中。

 

                              

                                                                             GE MDS entraNET铁路机车遥控系统

铁路机车遥控系统(铁路机车站场调度)利用entraNET网络电台的上述特点,根据铁路系统的应用要求构成了一个多点对多点的专业无线数据系统。它有两种运行模式。

集中控制系统模式

场站集中控制模式可以将40多台机车构成一个场站内跨越多个交叉口的集中控制通信系统。机车遥控器(OCU)和机车控制器(LCU)的数据包通过多个接入点组成的集中控制系统来传输。每一个接入点为系统提供大约100kbps的带宽。系统有一个配置服务器,如果QOS优质服务启用, 可以保证遥控机车的数据包比配置数据包优先发送。

集中控制模式能使分布在场站的多个接入点构成覆盖大面积区域的系统,机车遥控主要的系统要求如下:

l 0.5秒漫游切换时间

l 两个子站电台之间的连接可通过不同的接入点

l 数据时延小于100毫秒

子站电台实时监测每一数据包的RSSI指标和重发次数及成功率。在场站内安装足够的接入点保证信号强度达到-80dBm 以上,无阴影区。接入点的覆盖半径5公里,允许10dB的障碍衰减,接入点天线高度30米。根据RSSI指标和数据包传输成功率,子站能够决定是否切换到新的接入点,子站漫游切换的平均时间是420毫秒。子站经过权鉴被纳入网络的路由表中,它使数据包可以找到正确的路径。

为了让每个接入点传输数据,并交换路由信息,接入点之间需要建立一个单独的基于IP的局域网。这些接入点都在高处,相互之间无障碍,建立局域网容易。电台的地址位是16比特,系统内有40台机车,每个机车有两个遥控器,共120个子站,系统的路由表数据大约是240字节。每0.5秒更新数据,即至少需要4800bps速率的链路。此路由表指配所有数据包的合适路径。小于1秒的漫游切换时间对铁路机车遥控系统(铁路机车站场调度)已经足够了。

除了路由表以外,局域网需要传送约100kbps的机车遥控数据流,包括网络开销和IP包头,平均子站的上行和下行接入时间是15毫秒。如果局域网络的链路速率达到256kbps, 数据时延会小于20毫秒。总而言之,GE MDS entraNET系统可以很容易达到1秒的数据时延要求。

直接通信模式

在没有接入点时,子站之间可以直接通信。直接通信模式启动要通过外接端口,发给电台一个命令。在直通模式,一个子站起着接入点的作用,称为基站(ROOT)。一个或多个子站(设为NODES)和基站建立联系。所有电台必须设为同样的网络地址,每个子站需要一个独立的直接通信模式网络地址。设直接通信类型,启动直接通信模式,检查直接通信模式状态。

机车的遥控控制器(OCU)数据流通过entraNET子站电台直接传到一台机车上的机车控制器(LCU) 进行控制就是直通模式。这个模式在机车远离场站集中控制系统时需要使用。例如:

在接送现场遥控:在用户的接送现场需要遥控机车,此地远离场站的集中控制系统,是单独运作的系统。它要求能可靠地传输覆盖3公里范围。

在机车信号室遥控:允许机车司机在机车从场站到场站运行时,在机车信号室遥控机车。在机车从场站到场站运行时,司机用遥控控制器(OCU)和机车控制器(LCU)建立连接。在机车信号室可以遥控机车行驶不超过160公里。

 

 

美国GE公司,美国CATTRON 公司,加拿大CANAC 公司都采用了GE MDS entraNET 电台作铁路机车遥控系统(铁路机车站场调度),美国CSX铁路公司,太平洋铁路公司(Union Pacific),加拿大铁路公司都实验了基于GE MDS entraNET电台的铁路机车遥控系统(铁路机车站场调度),现场实验效果非常好,目前正推广应用。

MDS公司为美国太平洋铁路开发了一套常规无线电台的铁路机车遥控系统(铁路机车站场调度),GE MDS entraNET 220,为改造现有的铁路常规无线电系统提供了新的解决方案。GE MDS entraNET 220系统的介绍另文再述。

 

 

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2019年4月28日 14:58
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