鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線通訊網(wǎng)設(shè)計(jì)

中心站通信控制器通過AirLink擴(kuò)頻通信機(jī)發(fā)到中繼站的數(shù)據(jù)格式如下：

查詢信息格式：

廣播DGPS差分信息格式：

中繼站應(yīng)答信息格式：

中心站和中繼站的數(shù)據(jù)傳輸率為19200bps。

3.2 中繼站與移動(dòng)車輛

中繼站的通信控制器通過中繼站的WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)和車載設(shè)備WINT915擴(kuò)頻通信機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。若中繼站通信控制器和移動(dòng)車載設(shè)備通信控制器之間采用查詢的方式進(jìn)行車輛位置數(shù)據(jù)的交換，由于鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控車輛較多（約85輛），查詢一遍所有車輛位置數(shù)據(jù)耗時(shí)較長。其次，在鐵水運(yùn)輸過程中，同一時(shí)刻移動(dòng)的車輛較少，停止的車輛較多，而停止車輛的位置沒有變化，控制中心只需保留上次傳過來的車輛位置數(shù)據(jù)即可，無需進(jìn)行車輛位置更新。為了在有限的信道內(nèi)傳送有效的位置數(shù)據(jù)，采用了根據(jù)車輛運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制車輛信息報(bào)告時(shí)間間隔的通信方式，即根據(jù)車輛的動(dòng)動(dòng)狀態(tài)來調(diào)整車輛信息的發(fā)送頻度。當(dāng)車輛在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，車輛的信息每隔一分鐘發(fā)送一次，以保持和控制中心的數(shù)據(jù)聯(lián)系。當(dāng)車輛在移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，車輛信息報(bào)告頻度隨著速度的增加而提高，及時(shí)向中繼站發(fā)送最新的車輛信息。車輛信息的傳送時(shí)刻完全由車載通信控制器根據(jù)車輛的運(yùn)行情況來確定，省去了查詢方式下的下行數(shù)據(jù)鏈路占用的傳送時(shí)間，可以提高車輛有效信息的傳送效率和信息的實(shí)時(shí)性。

為了保證在車輛信息自主發(fā)送時(shí)，不生數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐鲎?，利用WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)在半雙工模式下的CSMA通信協(xié)議來傳送數(shù)據(jù)。CSMA通信協(xié)議是IEEE802.3協(xié)議中的一種數(shù)據(jù)傳送方式，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中，在數(shù)據(jù)傳輸中進(jìn)行載波偵聽和多重訪問。當(dāng)需要發(fā)送車輛的位置數(shù)據(jù)時(shí)，車載通信控制器首先讀取WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)送出的載波檢測(cè)DCD電平指示。當(dāng)載波檢測(cè)DCD電平為高時(shí)，表示目前信道中有別的通信機(jī)正發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)車載通信控制器隨機(jī)延時(shí)等待數(shù)毫秒，再次讀取通信機(jī)的載波檢測(cè)DCD電平。若此時(shí)載波檢測(cè)DCD電平為低，表示此時(shí)信道中沒有WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，信道空閑，可以發(fā)送數(shù)據(jù)，則車載通信控制器將WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)的RTS電平抬高。此時(shí)，WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)切換到發(fā)送狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出載波信息占據(jù)信道，車載通信控制器隨后將數(shù)據(jù)通過WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)發(fā)出。當(dāng)車輛的位置數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，車載通信控制器將WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)的RTS電平置低，使通信機(jī)停止發(fā)送載波和數(shù)據(jù)，讓出信道，供其它WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

采用CSMA通信協(xié)議發(fā)送車輛位置數(shù)據(jù)，可以使每一時(shí)刻只有一臺(tái)WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)處于發(fā)射狀態(tài)，從而可以盡量避免碰撞干擾，使車輛的信息傳送可靠。WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)的收發(fā)切換時(shí)間很短，最大不超過400μs,且WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)38400bps，經(jīng)過壓縮后的車輛信息又很短（約40bit），因而每個(gè)車載通過控制器發(fā)送車輛位置數(shù)據(jù)時(shí)占用信道的時(shí)間很短，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。當(dāng)然，在極端情況下，有可能兩臺(tái)WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)同時(shí)檢測(cè)信道空、同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)生碰撞。但因所發(fā)送的車輛信息量較小，數(shù)據(jù)傳輸率很高，發(fā)生碰撞的概率很低。即使發(fā)生碰撞，在擴(kuò)頻通信中，通信機(jī)仍有可能解調(diào)出正確的數(shù)據(jù)。若擴(kuò)頻通信機(jī)解調(diào)出錯(cuò)，通過CRC校驗(yàn)進(jìn)行剔除，通過下一次車輛信息發(fā)送對(duì)車輛信息進(jìn)行更新。

中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的中心站DGPS差分?jǐn)?shù)據(jù)，也由中繼站的通信控制器通過中繼站的WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)以CSMA的通信方式向各個(gè)車載設(shè)備廣播發(fā)送。CSMA通信協(xié)議中采用CRC校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

通信控制器以CSMA方式發(fā)送數(shù)據(jù)的程序框圖如圖4所示。

在有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，檢測(cè)信道。若信道忙，則隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間，并將計(jì)數(shù)器加1，再檢測(cè)信道。如此循環(huán)，當(dāng)計(jì)數(shù)器累加到M次后，則退出信道檢測(cè)循環(huán)。此時(shí)，認(rèn)為信道忙，并置信道忙標(biāo)志，此次數(shù)據(jù)發(fā)送放棄。在信道忙標(biāo)志置位后，將車輛在停止時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔由1分鐘提高到10秒鐘。這樣做是為了保證在信道阻塞干擾消失后，使所有車輛位置的更新時(shí)間最長不超過10秒鐘。

3.3 中轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸

在鐵水運(yùn)輸過程中，車輛有時(shí)會(huì)進(jìn)入鋼結(jié)構(gòu)的廠房內(nèi)。為了使車輛在進(jìn)入廠房內(nèi)也能夠?qū)④囕v的信息發(fā)送到中繼站，因此，在廠房內(nèi)設(shè)置了中轉(zhuǎn)臺(tái)。通信轉(zhuǎn)發(fā)如圖5所示。

中轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)有兩臺(tái)WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)，一臺(tái)通信機(jī)置于廠房內(nèi)，另一臺(tái)通信機(jī)置于廠房外。轉(zhuǎn)發(fā)通信控制器通過廠房內(nèi)的WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)，接收廠房內(nèi)的車輛發(fā)送的信息，然后通過廠房外的WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)以CSMA的方式轉(zhuǎn)發(fā)出去。通信控制器在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，要使廠房內(nèi)的WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)處于禁止接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，以防止廠房外WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)被廠房內(nèi)WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)收到，形成循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

4 性能分析

在鐵水動(dòng)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，車輛的運(yùn)行速度最高不超過每小時(shí)15公里，即最快每秒運(yùn)動(dòng)4.1米（可按5米來估算）。車輛的位置每變化5米，發(fā)送一次更新的位置數(shù)據(jù)，則車輛的位置更新速率最快為每秒一次。車輛位置數(shù)據(jù)連同同步碼和校驗(yàn)碼在內(nèi)一共為10個(gè)字符（每字符為八位二進(jìn)制數(shù)）。若車載通信控制器以19200bps速率異步方式（一個(gè)起始位，一個(gè)停止位，八位數(shù)據(jù)）向中繼站發(fā)送數(shù)據(jù)，所需時(shí)間為100/19200=5.2ms；若采用CSMA通信協(xié)議在同一信道中通信，在理想情況（不考慮眨時(shí)等待和碰撞）下，在一秒鐘內(nèi)可傳送不同位置數(shù)據(jù)的車輛數(shù)為1000/5.2=192輛。若考慮延時(shí)等各種不利怦，按耗時(shí)增加一倍考慮，則在一秒鐘內(nèi)可傳送不同位置數(shù)據(jù)的車輛數(shù)為192/2=96輛。因?yàn)橹欣^站和中心站的數(shù)據(jù)交換速率為異步19200bps，因此，可以保證所有車輛的位置數(shù)據(jù)能夠在一秒鐘內(nèi)傳送到中心站。所以，所設(shè)計(jì)的無線通信網(wǎng)具有每秒實(shí)時(shí)傳送更新96輛車信息的能力，達(dá)到了鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠管理85輛車的要求。由于采用CRC校驗(yàn)，整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率達(dá)到10 -6以下，滿足了車輛信息傳輸所需的誤碼率要求。

在鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，所有車載WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)和中繼站的WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)都工作在同一信道中，車輛的位置能夠及時(shí)得到更新，沒有出現(xiàn)信道擁堵、車輛位置無法實(shí)時(shí)傳送的現(xiàn)象，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。若管理的車輛數(shù)目增加，只需按中繼站的通信范圍，將中繼站的WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)設(shè)置到不同的信道，車載通信控制器則根據(jù)車輛的位置在不運(yùn)動(dòng)區(qū)域自動(dòng)將車載WIT915擴(kuò)頻通信機(jī)的信道切換到與此區(qū)域中繼站一致的信道上，即可使所管理車輛的數(shù)目成倍增加。