一、概述

鐵路機車遙控系統(tǒng)(RemoteControlLocomotive)是指機車司機通過無線電遙控操作機車的系統(tǒng)。司機不在機車駕駛室內(nèi)就可以完成操作，它大大提高了操作的安全和生產(chǎn)率。美國鐵路在2002年開始在調(diào)車場推廣機車遙控（RCL）系統(tǒng)的應用，雖然這項推廣比加拿大鐵路晚了十年，但是由於采用了數(shù)字電臺技術，參考加拿大鐵路的實踐經(jīng)驗，美國鐵路的鐵路機車遙控系統(tǒng)（鐵路機車站場調(diào)度）的推廣，獲得了各個方面的支持和認可。GEGEMDSentraNET網(wǎng)絡電臺是美國機車遙控電臺的首選產(chǎn)品。它為用戶提供了一個專業(yè)級的無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)系統(tǒng)解決方案，該產(chǎn)品使用802.11協(xié)議和BSP簡單串口通信協(xié)議，可以很容易的構成一個跨越幾十公里，上百臺控制器和機車組成的多點對多點網(wǎng)絡系統(tǒng)。本文對這一系統(tǒng)和應用進行詳細介紹。

二、美國GEMDS公司介紹

美國GEMDS公司是世界公認的提供無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的先鋒，七十多萬臺MDS數(shù)字電臺在世界各地安裝使用。GEMDS數(shù)字電臺的性能樹立了無線數(shù)據(jù)通信行業(yè)的標準。

MDS公司成立于1985年，位于紐約州北部羅徹斯特市，專門研制生產(chǎn)專業(yè)無線數(shù)據(jù)通信設備。26年來，MDS公司一直在工業(yè)專網(wǎng)通信領域的前沿獨領風騷，成為這一行業(yè)最大生產(chǎn)廠商。MDS公司現(xiàn)有員工280人，占有美國70%同類產(chǎn)品市場。

MDS擁有世界級的廠房和自動化生產(chǎn)設施。它的生產(chǎn)管理系統(tǒng)采用柔性制造生產(chǎn)。它有兩條表面焊接技術生產(chǎn)線，所有的部件、半成品及成品的試驗和檢測都是自動控制完成的。工廠依據(jù)客戶的訂單進行生產(chǎn)，每天可以生產(chǎn)多種不同的機型，日產(chǎn)可達1,000臺。56,000平方英尺的廠房，ISO-9001質(zhì)量認證體系，先進的管理系統(tǒng)，造就了一流的產(chǎn)品，一流的企業(yè)。

MDS一方面不斷創(chuàng)新，加強技術儲備，另一方面下大力量保持產(chǎn)品的兼容性，使已安裝的產(chǎn)品與新產(chǎn)品可以兼容并升級換代。MDS為了無線數(shù)傳電臺的安裝調(diào)試和使用維護方便，開發(fā)了許多專用工具和軟件，深受用戶喜愛。MDS數(shù)傳電臺已成為了行業(yè)的標準。

2007年3月美國通用電器公司（GE）收購了MDS公司，更名為GEMDS公司。

三、GEMDSentraNET網(wǎng)絡電臺系統(tǒng)的結構

GEMDSentraNET電臺網(wǎng)絡系統(tǒng)由中心接入點和遠端電臺構成。接入點就是一個系統(tǒng)的主站電臺，用于控制調(diào)整整個無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，該設備有兩個串口和一個以太網(wǎng)口，能夠?qū)崿F(xiàn)IP到串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，實現(xiàn)兩個不同網(wǎng)絡之間網(wǎng)關的功能。使得應用數(shù)據(jù)可以從以太網(wǎng)口入，從串口出，反之亦然。接入點也為所有的相關子站提供中心管理和配置功能，整個系統(tǒng)的IP到串口，接入點到子站，串口到串口的配置信息都存儲在接入點。接入點最多可以支持1024個子站。

子站電臺有一個RJ-45端口，可通過軟件設置為：EIA-232標準串口或者以太網(wǎng)口，還有一個RJ-12本地串口，用于配置管理，也可用來傳輸數(shù)據(jù)。子站的以太網(wǎng)口只缺省情況下只能支持一個MAC地址，可以連接一臺PC或PLC設備。如果需要連接多個以太網(wǎng)設備，則需要MDS的授權。

GEMDSentraNET通過接入點的串口，與遠端的串口電臺實現(xiàn)串口對串口連接，也可以通過接入點的以太網(wǎng)口，與遠端的串口電臺實現(xiàn)以太網(wǎng)對串口連接，支持TCP和UDP傳輸。

GEMDS還提供OEM串口子站模塊。是一個專門設計的模塊，與串口子站基本一樣。

子站電臺與子站電臺通過接入點建立通信聯(lián)系的系統(tǒng)是集中控制系統(tǒng)。子站電臺與子站電臺不通過接入點建立聯(lián)系的系統(tǒng)是直通系統(tǒng)。直通系統(tǒng)可以實現(xiàn)兩個子站電臺之間的串口對串口通訊，不需要接入點的參與，特別適合子站電臺脫網(wǎng)時使用。GEMDSentraNET電臺在上述兩種方式下都可以工作，而且可以切換。直通系統(tǒng)模式在機車遙控應用中經(jīng)常用到。

四、GEMDSentraNET網(wǎng)絡電臺的特點

跳頻擴頻電臺

調(diào)制方式為CPFSK調(diào)制，空中速率106kbps，發(fā)射功率100毫瓦至1瓦可調(diào)，接收靈敏度-108dBm，工作使用溫度-40度，+70度。堅固耐用的工業(yè)級包裝，支持省電和休眠模式。頻率是900兆或2.4Ghz，也計劃提供340兆的產(chǎn)品。跳頻時間可設為7ms,14ms,28ms。

媒體接入控制功能(MAC)

這是它有別于常規(guī)數(shù)傳電臺主要特點?？梢灾С种鲃由蠄?，電臺信道的竟爭管理，有限度的支持以太網(wǎng)。每個子站只有一個以太網(wǎng)端口，IP地址，MAC地址與子站無關。

簡單的以太網(wǎng)橋功能

由於帶寬低，不適合做局域網(wǎng)間的橋接設備。支持802.1d協(xié)議，支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，支持標準的EtherNET2和802.2，802.3幀結構。內(nèi)置以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀過濾和轉(zhuǎn)發(fā)功能，減少了不必要的數(shù)據(jù)傳輸。支持的橋接模式可以設置，有四種選擇：

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->關閉：不傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->沒有廣播和組播

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->只有IP和ARP

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->全開放：所有的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流遵從802..3協(xié)議

GEMDSentraNET網(wǎng)絡的帶寬有限，建議通過交換機或路由器將此無線網(wǎng)絡隔離出來，構成一個獨立的網(wǎng)段，以防止由於大量的廣播數(shù)據(jù)流涌入，造成系統(tǒng)運行困難。對於網(wǎng)絡規(guī)模不大、廣播數(shù)據(jù)量很小的網(wǎng)絡，則無此必要。如果有可能，應使用GEMDSentraNET的MAC過濾功能。

BSP簡單串口協(xié)議

BSP是子站之間點對點串口通信協(xié)議。BSP數(shù)據(jù)的路由處理由接入點實現(xiàn)。支持QOS優(yōu)質(zhì)服務，數(shù)據(jù)流可分為不同的優(yōu)先級，有高，中，低三級。每個BSP數(shù)據(jù)包有源地址和目標地址(子站電臺的編號)，連接電臺的數(shù)據(jù)終端必須支持BSP協(xié)議，數(shù)據(jù)終端必須識別電臺編碼，BSP啟始標識，BSP幀結構。運用IAPP接入點協(xié)議，BSP數(shù)據(jù)可以在多個接入點的系統(tǒng)中，不同子站之間傳輸，子站可以屬於不同的接入點。BSP通過接入點實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀透明傳輸，在直通模式中也透明傳輸。不論是否有接入點介入，數(shù)據(jù)幀的格式是一樣的。BSP通信協(xié)議的內(nèi)容和定義見附錄一。

QOS優(yōu)質(zhì)服務

優(yōu)質(zhì)服務保證數(shù)據(jù)的實時性，保證關鍵的命令，如：“mandown下人”,“鳴笛”等命令優(yōu)先傳輸。優(yōu)質(zhì)服務的方式是建立在每一個數(shù)據(jù)包的基礎上的，根據(jù)數(shù)據(jù)包的種類來提供服務。有高，中，低3種不同優(yōu)先級可選，它使系統(tǒng)的表現(xiàn)，反應達到最佳狀態(tài)。。

接入點協(xié)議IAPP

GEMDSentraNET接入點和其它接入點可以通過另外的有線或無線以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)接入點間的數(shù)據(jù)通信。使用TCP/IP協(xié)議，通過路由設備轉(zhuǎn)發(fā)，靈活性好。用戶可設置組播IP地址和協(xié)議端口功能。實現(xiàn)多個接入點共享它們所相關的子站信息和路由表。

漫游切換功能

支持移動服務，子站可以在接入點與接入點之間切換漫游。當信號強度低于接收門限，或著與接入點失去聯(lián)系時，會進行漫游切換。目前的接入點接會關閉一段時間，時間可設，缺省值是5秒。這期間子站可以和新的接入點建立聯(lián)系。一旦建立了聯(lián)系，新的接入點會更新它的子站表，并把新的信息用UDP包，通過以太網(wǎng)組播方式發(fā)送出去。每個接入點有相同的網(wǎng)絡地址，不同的延伸地址(0-31)，在一個網(wǎng)絡中最多有32個接入點。

網(wǎng)絡管理

所有的電臺的本地管理都通過串口COM1進行，接入點和子站可以通過多種方式遠程管理。所有的配置參數(shù)存儲在接入點，存儲配置參數(shù)的文件可以編輯修改，修改完的文件可以再下載到接入點，管理控制方便。

網(wǎng)絡安全

MDSeantraNET采用了下列措施來保證網(wǎng)絡的安全。

加密，設定接入點清單，設定子站清單，設定網(wǎng)絡地址，設定跳頻模式

如果打開加密功能，所有的串口數(shù)據(jù)，所有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容在空中的傳輸中都會加密。加密使用128位對稱密匙算法。在接入點打開加密匙功能時，可以輸入長達40個字母數(shù)字字符串。同樣的加密匙必須輸入到相關的每個子站中。

五、GEMDSentraNET鐵路機車遙控系統(tǒng)

鐵路機車遙控系統(tǒng)（鐵路機車站場調(diào)度）利用entraNET網(wǎng)絡電臺的上述特點，根據(jù)鐵路系統(tǒng)的應用要求構成了一個多點對多點的專業(yè)無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)。它有兩種運行模式。

5.1集中控制系統(tǒng)模式

場站集中控制模式可以將40多臺機車構成一個場站內(nèi)跨越多個交叉口的集中控制通信系統(tǒng)。機車遙控器(OCU)和機車控制器(LCU)的數(shù)據(jù)包通過多個接入點組成的集中控制系統(tǒng)來傳輸。每一個接入點為系統(tǒng)提供大約100kbps的帶寬。系統(tǒng)有一個配置服務器，如果QOS優(yōu)質(zhì)服務啟用,可以保證遙控機車的數(shù)據(jù)包比配置數(shù)據(jù)包優(yōu)先發(fā)送。

集中控制模式能使分布在場站的多個接入點構成覆蓋大面積區(qū)域的系統(tǒng)，機車遙控主要的系統(tǒng)要求如下：

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->0.5秒漫游切換時間

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->兩個子站電臺之間的連接可通過不同的接入點

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->數(shù)據(jù)時延小于100毫秒

子站電臺實時監(jiān)測每一數(shù)據(jù)包的RSSI指標和重發(fā)次數(shù)及成功率。在場站內(nèi)安裝足夠的接入點保證信號強度達到-80dBm以上，無陰影區(qū)。接入點的覆蓋半徑5公里，允許10dB的障礙衰減，接入點天線高度30米。根據(jù)RSSI指標和數(shù)據(jù)包傳輸成功率，子站能夠決定是否切換到新的接入點，子站漫游切換的平均時間是420毫秒。子站經(jīng)過權鑒被納入網(wǎng)絡的路由表中，它使數(shù)據(jù)包可以找到正確的路徑。

為了讓每個接入點傳輸數(shù)據(jù)，并交換路由信息，接入點之間需要建立一個單獨的基于IP的局域網(wǎng)。這些接入點都在高處，相互之間無障礙，建立局域網(wǎng)容易。電臺的地址位是16比特，系統(tǒng)內(nèi)有40臺機車，每個機車有兩個遙控器，共120個子站，系統(tǒng)的路由表數(shù)據(jù)大約是240字節(jié)。每0.5秒更新數(shù)據(jù)，即至少需要4800bps速率的鏈路。此路由表指配所有數(shù)據(jù)包的合適路徑。小于1秒的漫游切換時間對鐵路機車遙控系統(tǒng)（鐵路機車站場調(diào)度）已經(jīng)足夠了。

除了路由表以外，局域網(wǎng)需要傳送約100kbps的機車遙控數(shù)據(jù)流，包括網(wǎng)絡開銷和IP包頭，平均子站的上行和下行接入時間是15毫秒。如果局域網(wǎng)絡的鏈路速率達到256kbps,數(shù)據(jù)時延會小于20毫秒?？偠灾?，GEMDSentraNET系統(tǒng)可以很容易達到1秒的數(shù)據(jù)時延要求。

5.2直接通信模式

在沒有接入點時，子站之間可以直接通信。直接通信模式啟動要通過外接端口，發(fā)給電臺一個命令。在直通模式，一個子站起著接入點的作用，稱為基站(ROOT)。一個或多個子站(設為NODES)和基站建立聯(lián)系。所有電臺必須設為同樣的網(wǎng)絡地址，每個子站需要一個獨立的直接通信模式網(wǎng)絡地址。設直接通信類型，啟動直接通信模式，檢查直接通信模式狀態(tài)。

機車的遙控控制器(OCU)數(shù)據(jù)流通過entraNET子站電臺直接傳到一臺機車上的機車控制器(LCU)進行控制就是直通模式。這個模式在機車遠離場站集中控制系統(tǒng)時需要使用。例如：

在接送現(xiàn)場遙控：在用戶的接送現(xiàn)場需要遙控機車，此地遠離場站的集中控制系統(tǒng)，是單獨運作的系統(tǒng)。它要求能可靠地傳輸覆蓋3公里范圍。

在機車信號室遙控：允許機車司機在機車從場站到場站運行時，在機車信號室遙控機車。在機車從場站到場站運行時，司機用遙控控制器(OCU)和機車控制器(LCU)建立連接。在機車信號室可以遙控機車行駛不超過160公里。