鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)無線通訊網(wǎng)設計

中心站通信控制器通過AirLink擴頻通信機發(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 中繼站與移動車輛

中繼站的通信控制器通過中繼站的WIT915擴頻通信機和車載設備WINT915擴頻通信機進行數(shù)據(jù)交換。若中繼站通信控制器和移動車載設備通信控制器之間采用查詢的方式進行車輛位置數(shù)據(jù)的交換，由于鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(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)耗時較長。其次，在鐵水運輸過程中，同一時刻移動的車輛較少，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)車輛運行速度動態(tài)控制車輛信息報告時間間隔的通信方式，即根據(jù)車輛的動動狀態(tài)來調(diào)整車輛信息的發(fā)送頻度。當車輛在停止狀態(tài)時，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。當車輛在移動狀態(tài)時，車輛信息報告頻度隨著速度的增加而提高，及時向中繼站發(fā)送最新的車輛信息。車輛信息的傳送時刻完全由車載通信控制器根據(jù)車輛的運行情況來確定，省去了查詢方式下的下行數(shù)據(jù)鏈路占用的傳送時間，可以提高車輛有效信息的傳送效率和信息的實時性。

為了保證在車輛信息自主發(fā)送時，不生數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐鲎玻肳IT915擴頻通信機在半雙工模式下的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，廣泛應用于計算機局域網(wǎng)中，在數(shù)據(jù)傳輸中進行載波偵聽和多重訪問。當需要發(fā)送車輛的位置數(shù)據(jù)時，車載通信控制器首先讀取WIT915擴頻通信機送出的載波檢測DCD電平指示。當載波檢測DCD電平為高時，表示目前信道中有別的通信機正發(fā)送數(shù)據(jù)。此時車載通信控制器隨機延時等待數(shù)毫秒，再次讀取通信機的載波檢測DCD電平。若此時載波檢測DCD電平為低，表示此時信道中沒有WIT915擴頻通信機發(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擴頻通信機的RTS電平抬高。此時，WIT915擴頻通信機切換到發(fā)送狀態(tài)，同時發(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擴頻通信機發(fā)出。當車輛的位置數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，車載通信控制器將WIT915擴頻通信機的RTS電平置低，使通信機停止發(fā)送載波和數(shù)據(jù)，讓出信道，供其它WIT915擴頻通信機發(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)，可以使每一時刻只有一臺WIT915擴頻通信機處于發(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擴頻通信機的收發(fā)切換時間很短，最大不超過400μs,且WIT915擴頻通信機的數(shù)據(jù)傳輸率可高達38400bps，經(jīng)過壓縮后的車輛信息又很短（約40bit），因而每個車載通過控制器發(fā)送車輛位置數(shù)據(jù)時占用信道的時間很短，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。當然，在極端情況下，有可能兩臺WIT915擴頻通信機同時檢測信道空、同時發(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，在擴頻通信中，通信機仍有可能解調(diào)出正確的數(shù)據(jù)。若擴頻通信機解調(diào)出錯，通過CRC校驗進行剔除，通過下一次車輛信息發(fā)送對車輛信息進行更新。

中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的中心站DGPS差分數(shù)據(jù)，也由中繼站的通信控制器通過中繼站的WIT915擴頻通信機以CSMA的通信方式向各個車載設備廣播發(fā)送。CSMA通信協(xié)議中采用CRC校驗，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，檢測信道。若信道忙，則隨機延時一段時間，并將計數(shù)器加1，再檢測信道。如此循環(huán)，當計數(shù)器累加到M次后，則退出信道檢測循環(huán)。此時，認為信道忙，并置信道忙標志，此次數(shù)據(jù)發(fā)送放棄。在信道忙標志置位后，將車輛在停止時發(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間最長不超過10秒鐘。

3.3 中轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)傳輸

在鐵水運輸過程中，車輛有時會進入鋼結(jié)構(gòu)的廠房內(nèi)。為了使車輛在進入廠房內(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)設置了中轉(zhuǎn)臺。通信轉(zhuǎn)發(fā)如圖5所示。

中轉(zhuǎn)臺設有兩臺WIT915擴頻通信機，一臺通信機置于廠房內(nèi)，另一臺通信機置于廠房外。轉(zhuǎn)發(fā)通信控制器通過廠房內(nèi)的WIT915擴頻通信機，接收廠房內(nèi)的車輛發(fā)送的信息，然后通過廠房外的WIT915擴頻通信機以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，要使廠房內(nèi)的WIT915擴頻通信機處于禁止接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，以防止廠房外WIT915擴頻通信機轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)被廠房內(nèi)WIT915擴頻通信機收到，形成循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

4 性能分析

在鐵水動輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，車輛的運行速度最高不超過每小時15公里，即最快每秒運動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)連同同步碼和校驗碼在內(nèi)一共為10個字符（每字符為八位二進制數(shù)）。若車載通信控制器以19200bps速率異步方式（一個起始位，一個停止位，八位數(shù)據(jù)）向中繼站發(fā)送數(shù)據(jù)，所需時間為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。若考慮延時等各種不利怦，按耗時增加一倍考慮，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。因為中繼站和中心站的數(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，所設計的無線通信網(wǎng)具有每秒實時傳送更新96輛車信息的能力，達到了鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠管理85輛車的要求。由于采用CRC校驗，整個系統(tǒng)的誤碼率達到10 -6以下，滿足了車輛信息傳輸所需的誤碼率要求。

在鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實際運行中，所有車載WIT915擴頻通信機和中繼站的WIT915擴頻通信機都工作在同一信道中，車輛的位置能夠及時得到更新，沒有出現(xiàn)信道擁堵、車輛位置無法實時傳送的現(xiàn)象，達到了設計目的。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擴頻通信機設置到不同的信道，車載通信控制器則根據(jù)車輛的位置在不運動區(qū)域自動將車載WIT915擴頻通信機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。