基于混合ARQ技術(shù)實(shí)現(xiàn)多機(jī)牽引無線同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

采用基于無線通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有效的運(yùn)輸指揮及安全監(jiān)控，是國(guó)際重載運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展方向。中國(guó)大部分地區(qū)特別是山區(qū)鐵路沒有條件建立GSM—R（Global Standard for Mobile Communications—Railway）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。為了提高GSM—R網(wǎng)無法覆蓋地區(qū)的運(yùn)輸能力，必須研制一種可靠、安全的列車無線同步控制的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。混合ARQ技術(shù)是無線通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)，兼顧了信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?，適用于信道惡劣條件下的無線數(shù)據(jù)傳輸，能保證機(jī)車信號(hào)傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。

2 多機(jī)牽引無線同步控制系統(tǒng)

圖1給出多機(jī)牽引無線同步控制系統(tǒng)框圖。

各個(gè)模塊的具體功能闡述如下。

（1）控制信號(hào)檢測(cè)模塊 當(dāng)整套系統(tǒng)作為本務(wù)機(jī)車控制系統(tǒng)時(shí)，用于檢測(cè)本務(wù)機(jī)車控制信號(hào)，并把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過CAN（Controller Area Network）總線發(fā)送給“主控組”和“備份組”無線傳輸模塊。

（2）狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)模塊 不論系統(tǒng)處于本務(wù)還是補(bǔ)機(jī)控制，該模塊均用于檢測(cè)機(jī)車狀態(tài)信號(hào)，并把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給“主控組”和“備份組”無線傳輸及信息顯示模塊。

（3）無線傳輸模塊采用混合ARQ數(shù)據(jù)系統(tǒng)。作為本務(wù)控制系統(tǒng)時(shí)，將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)向下發(fā)送。作為補(bǔ)機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，接收來自本務(wù)機(jī)車無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，CAN總線將檢錯(cuò)通過的數(shù)據(jù)發(fā)送給“主控組”和“備份組”機(jī)車控制信號(hào)執(zhí)行模塊。

（4）機(jī)車控制信號(hào)執(zhí)行模塊該模塊只在系統(tǒng)作為補(bǔ)機(jī)控制時(shí)工作。通過CAN總線接收來自“主控組”和“備份組”無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并比較這兩組數(shù)據(jù)，若結(jié)果一致則控制啟動(dòng)相應(yīng)的繼電器、D/A轉(zhuǎn)換器工作；若結(jié)果不一致則暫不動(dòng)作，啟動(dòng)執(zhí)行模塊數(shù)據(jù)接收異常處理。

（5）信息顯示模塊 通過CAN總線接收來自無線傳輸模塊、機(jī)車控制信號(hào)執(zhí)行模塊的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示。

3 混合ARQ

3．1 混合ARQ系統(tǒng)模型

圖2給出系統(tǒng)框圖，主要由信道編解碼、收發(fā)緩沖區(qū)和發(fā)送應(yīng)答控制模塊組成。發(fā)送端先對(duì)信源信息檢錯(cuò)和糾錯(cuò)編碼，存入發(fā)送緩沖區(qū)，通過信道將全部或部分緩沖信息以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送。接收端接到數(shù)據(jù)包后，先緩存再進(jìn)行信道譯碼、檢錯(cuò)。若正確，則向發(fā)送端發(fā)送ACK應(yīng)答，表明發(fā)送成功，開始發(fā)送新的數(shù)據(jù)包；否則發(fā)送NAK應(yīng)答，請(qǐng)求重發(fā)。發(fā)送端收到重發(fā)請(qǐng)求，根據(jù)一定策略重發(fā)有關(guān)信息。如此往復(fù)直到解碼成功或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大重傳次數(shù)。通常，混合ARQ系統(tǒng)傳輸?shù)男畔ㄏ到y(tǒng)信息（信源原始信息）、糾錯(cuò)信息和校驗(yàn)信息。

3．2 混合ARQ系統(tǒng)分類

由于混合ARQ系統(tǒng)是ARQ和FEC（forward error contro1）的結(jié)合，因此，采用不同的ARQ方案（停止_等待，Go-back—N，選擇重傳等）和不同的FEC（Turbo碼，卷積碼，線性分組碼等）相結(jié)合，便可組成不同混合ARQ系統(tǒng)?；旌螦RQ系統(tǒng)分類非常多，但是，如何有效地將重傳策略與前向糾錯(cuò)碼的特性相結(jié)合才是最值得關(guān)心的問題。因此，在研究混合ARQ技術(shù)時(shí)，通常按照重傳策略以及相應(yīng)的對(duì)于前向糾錯(cuò)碼字的不同處理方式對(duì)其分類。一般來說，混合ARQ可分為：I型混合ARQ；II型混合ARQ；III型混合ARQ；基于可信度的混合ARQ。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1 硬件設(shè)計(jì)

圖3為該系統(tǒng)連接圖。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊和無線發(fā)射接收控制模塊組成，這兩模塊通過接口電路連接。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用STR一35工業(yè)級(jí)低功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。STR一35無線數(shù)據(jù)傳輸模塊信道中心頻率為900 MHz，具有高抗干擾能力和低誤碼率；采用基于GFSK的調(diào)制方式，高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力。該模塊能自動(dòng)過濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)（所收即所發(fā)）；接口波特率為19 200 b／s。編程靈活，用戶無需編寫多余程序，只要從接口收發(fā)數(shù)據(jù)即可。

無線發(fā)射接收控制模塊采用P89C5l作為CPU，CAN總線連接系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)單元模塊。P87C59l自帶CAN控制器，所以只需設(shè)計(jì)CAN接口電路，如圖4所示。設(shè)計(jì)中采用CAN總線收發(fā)器P82C250。通過不同的連接方式將P82C250的RS接地或接高電平，可使P82C250在高速、待機(jī)、斜率控制3種模式下工作。為增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)抗干擾能力，單片機(jī)的RXDC和TXDC并不是直接與P82C250的TXD和RXD相連，而是先通過高速光耦6N137后再與P82C250相連，這樣很好地實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

4．2 軟件設(shè)計(jì)

無線傳輸模塊采用半雙工工作模式，采用查詢式發(fā)送，中斷式接收。波特率為19 200 b／s。圖5為無線發(fā)射接收控制模塊軟件流程圖。

4．2．1 選擇混合ARQ系統(tǒng)類型

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸需滿足要求：①高傳輸可靠性；②低誤碼率；③滿足列車運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)信息吞吐量和實(shí)時(shí)性需求。I型混合ARQ系統(tǒng)、II型混合ARQ系統(tǒng)、III型混合ARQ系統(tǒng)、基于可信度的混合ARQ系統(tǒng)均滿足以上3種要求。但在信道變化慢的場(chǎng)合中，III型混合ARQ系統(tǒng)的效率低于II型混合ARQ系統(tǒng)；I型混合ARQ系統(tǒng)復(fù)雜度低，可采用各種糾錯(cuò)編碼，但效率很低，在信道條件不理想時(shí)，很難適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?；另外，基于可信度的混合ARQ系統(tǒng)對(duì)反饋信道的帶寬要求高。因此，綜合考慮列車信號(hào)無線傳輸?shù)男枨蠹跋到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，多機(jī)牽引無線同步控制系統(tǒng)選擇II型混合ARQ作為其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

4．2．2 系統(tǒng)增量冗余方案

研究II型混合ARQ技術(shù)主要是尋找合適的增量冗余方案。增量冗余的基本思想是糾錯(cuò)碼校驗(yàn)比特只在需要重傳時(shí)才發(fā)送。重傳時(shí)是重傳信息比特還是校驗(yàn)比特取決于具體采用的重傳合并方案。主要的重傳方案有交叉重傳II混合ARQ系統(tǒng)、多編碼速率II型混合ARQ系統(tǒng)等。在交叉重傳的II型混合ARQ系統(tǒng)方案中，重傳過程是信息比特和校驗(yàn)比特的交叉重傳。多編碼速率II型混合ARQ系統(tǒng)的典型代表是基于碼率兼容刪除卷積碼（Rate一Compatible Punctured Convolutional codes，RCPC codes）和碼率兼容刪除Turbo碼（Rate一Compatible Punctured Turbo Codes，RCPT codes），通過改變刪余周期，可以獲得各種所需編碼速率，速率兼容的刪余矩陣，一般都是通過計(jì)算機(jī)搜索得到。

多機(jī)牽引無線同步控制的混合ARQ系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可按需要選擇不同的增量冗余方案。RCPC碼和RCPT碼是應(yīng)用廣泛的速率兼容碼，卷積碼和Turbo碼是較成熟的編解碼算法，建議多采用RCPC_ARQ或RCPT_ARQ方案。

4．2．3 重傳次數(shù)的設(shè)定

機(jī)車信號(hào)的傳輸要求具有時(shí)效性，重傳次數(shù)的增多必然增加時(shí)延，對(duì)機(jī)車的同步操作帶來不良后果。因此，必須對(duì)重傳次數(shù)加以嚴(yán)格控制。一般重載列車的運(yùn)行速度為40～80km／h，為了滿足對(duì)運(yùn)行的列車控制，通常選擇控制周期為200～600 ms，在200 ms內(nèi)所造成的距離誤差分別是2．22 m和4．44 m，在控制允許范圍之內(nèi)。重傳次數(shù)應(yīng)根據(jù)所需傳遞的信息量設(shè)定，并通過多次試驗(yàn)確定。

4．2．4 存在的問題

由于鐵路沿線無線傳輸信道條件十分惡劣，且信號(hào)的重傳次數(shù)有嚴(yán)格限制，可能在達(dá)到重傳次數(shù)的上限時(shí)，接收端的信號(hào)仍然未能檢錯(cuò)通過。其次，混合ARQ系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端都需要較大的緩沖區(qū)，增加硬件成本。其接收端信號(hào)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)及合并延時(shí)較多。因此，要尋找并綜合運(yùn)用其他無線電抗干擾措施，減少誤碼率，提高檢錯(cuò)通過率，在多次重傳仍未通過時(shí)，要啟動(dòng)異常處理措施。同時(shí)需要改進(jìn)編碼技術(shù)，簡(jiǎn)化算法，減少延時(shí)。

5 結(jié)語

隨著無線通訊技術(shù)和編碼技術(shù)的發(fā)展，混合ARQ技術(shù)將不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，混合ARQ數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性與安全性得到進(jìn)一步提高，為多機(jī)牽引無線同步控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供有力保障，從而實(shí)現(xiàn)從機(jī)的安全無人駕駛。

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