基于頻率和波長關(guān)系對列尾數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌方⒎治?/h1>
2016-12-26 11:09:36于博洋
電子技術(shù)與軟件工程 2016年22期
于博洋
摘 要
列尾是列車尾部安全防護裝置的簡稱，在我國鐵路貨物列車運輸中運用已十余年，對貨物列車運輸安全起到了非常重要的作用，列尾數(shù)據(jù)傳輸是列尾設(shè)備的主要功能部分，一旦列尾數(shù)據(jù)傳輸鏈路出現(xiàn)問題，整個列尾設(shè)備都會受到極大的影響，本文在既有列尾裝置的基礎(chǔ)上對列尾數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌方⑦M行了分析。
【關(guān)鍵詞】頻率和波長關(guān)系 列尾數(shù)據(jù)傳輸 鏈路建立
1 列尾系統(tǒng)的構(gòu)成及通信方式
列尾系統(tǒng)是貨物列車取消守車后，在尾部無人職守情況下為提高鐵路運輸?shù)陌踩远兄频膶Ｓ眠\輸安全裝置，其通信鏈路為無線通信方式，是重要的鐵路行車設(shè)備。
1.1 列尾系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)
內(nèi)容包括：列車尾部風壓查詢；低風壓告警；排風制動；電池電量不足告警；尾部標識；黑匣子記錄功能。
其工作原理：乘務員操作控制盒功能鍵，首尾以無線數(shù)據(jù)傳輸方式傳遞信令（編碼信息），其信令通過專用的機車電臺發(fā)送出去，列尾主機接收到司機控制盒發(fā)送的信令后，其響應信息再以同樣的方式返回司機控制盒，司機通過司機控制盒合成的語音信息來了解列車尾部風壓及列尾主機的工作狀態(tài)等情況。
1.2 列尾系統(tǒng)的通信方式
目前，列尾系統(tǒng)分別采用了450MHz和800MHz兩個頻段，獨立運行。由于列尾主機安裝于列車尾部車鉤上，且車體均為金屬，對無線電波發(fā)送、接收造成了非常嚴重的影響。
無線電波傳輸通常選擇常數(shù)光速，用字母c來表示。c=3×10^8m/s。波長和頻率滿足一個關(guān)系式：v=λf。公式中的v就是常數(shù)c。直接輸入頻率就可以計算出波長，或者輸入波長就可以計算出頻率。根據(jù)波的傳播理論，頻率越低，波長越長，其繞射能力越強；頻率越高，波長越短，越接近直線傳播，這樣在同樣編組列車使用基礎(chǔ)上，800MHz頻率的波長較450MHz頻率的波長短，對于列尾裝置的安裝位置特殊性來說，40MHz的繞射能力會好，所以采用450MHz的列尾裝置通信鏈路建立要穩(wěn)定些，而對于800MHz列尾裝置來說，一般使用在具有GSM-R鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)的線路上，通過GSM-R基站建立列尾系統(tǒng)傳輸通道，解決了800Mhz頻率波長短且繞射能力差的列尾無線電波傳輸?shù)膯栴}。
2 列尾系統(tǒng)無線電波傳播分析
天線發(fā)射的電波不僅僅局限于一條線上，它的空間分布是由天線方向圖來描述的。為了實現(xiàn)直觀起見，常常用極坐標來描述，向徑的長度表示相對電場強度的大小，如圖1所示：a表示向水平方向發(fā)射的電場強度，b表示向水平線下100方向發(fā)射的電場強度。在實用中，a正對接收天線，接收信號最強，天線向水平方向以下所發(fā)射的電磁波，碰到遮擋物，經(jīng)反射后，到達接收天線，這是反射波，反射波不是一個，而是多個。因此，接收天線接收的有直達波和多路反射波，多路反射波對直達波產(chǎn)生影響，影響通信的可靠性。由于列車編組的多少，造成了列車長度的變化，且在列車運行過程中，線路環(huán)境，如山區(qū)、隧道、彎道等均對列尾電波傳輸造成不同程度的影響，隨反射波的大小和相位不斷變化，因此情況很復雜，很難分析。
對一個特定環(huán)境，可以去掉一些次要因素或影響小的因素，使問題清晰，得到較好的解決辦法。列尾系統(tǒng)的機車到列尾主機間有多條空中無線鏈路，對于450MHz列尾系統(tǒng)，設(shè)計鏈路最長500米（一個單元編組），超過這個長度時，則采用了增加無線中繼的方式實現(xiàn)首尾通信信息的轉(zhuǎn)發(fā)。而對于采用800MHz的列尾系統(tǒng)就只能采用基于GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)地面基站通信轉(zhuǎn)發(fā)的方式實現(xiàn)。
如圖2所示，機車天線位于機車頂部，列尾主機天線位于列車尾部的中部或偏下，可想而知，無論機車天線作為發(fā)射天線還是列尾主機天線作為發(fā)射天線，接收天線永遠都不會接收到直達波信號，所接收到的只能是多徑反射信號。有多路信號經(jīng)反射后，到達接收天線（也有一些電磁波經(jīng)反射區(qū)外的其他反射面到達接收天線，這些反射波小，忽略不計），信號的強弱決定了反射波的強弱。通過控制天線的方向圖就可以控制信號的強弱。一般地，列尾天線是經(jīng)過多方面的理論與經(jīng)驗測試后，進行特殊設(shè)計與定制才可以達到預期效果。對于常規(guī)天線，只能通過理論和加裝中繼等方式實現(xiàn)可靠傳輸。
從發(fā)射天線到接收天線的電波實際不是沿一條直線傳播，而是沿以二天線之間的連線為軸線的圓柱體中傳播的，即菲涅爾區(qū)，如圖2所示。夫涅爾區(qū)的直徑d與天線距離和工作頻率有關(guān)。
對于列尾系統(tǒng)來說，無線電波的傳播，依系統(tǒng)容量（系統(tǒng)余量=[發(fā)射功率]+[發(fā)射天線增益]+[接收天線增益]-[接收靈敏度]-[空間衰減]）的計算，以及菲涅耳區(qū)理論等的計算是完全不可行的，尤其是使用的頻率越高，在同樣條件下，傳輸效果越差。
參考文獻
[1]張偉.數(shù)據(jù)鏈平臺仿真與鏈路測試系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)[J].現(xiàn)代導航，2011（01）.
[2]韓倩，程友清.單向鏈路故障檢測的研究[J].計算機科學，2011（10）.
[3]楊永東.列尾裝置運用中存在的問題及解決對策[J].鐵道通信信號，2011（04）.
[4]謝浩海.800MHz列尾設(shè)備無線干擾故障的處理[J].廣西鐵道，2010（02）.
[5]王紅林.長隧道列尾裝置弱場強通信問題解決措施研究[J].科技交流，2009（04）.
作者單位
石家莊二中實驗學校 河北省石家莊市 050000
于博洋
摘 要
列尾是列車尾部安全防護裝置的簡稱，在我國鐵路貨物列車運輸中運用已十余年，對貨物列車運輸安全起到了非常重要的作用，列尾數(shù)據(jù)傳輸是列尾設(shè)備的主要功能部分，一旦列尾數(shù)據(jù)傳輸鏈路出現(xiàn)問題，整個列尾設(shè)備都會受到極大的影響，本文在既有列尾裝置的基礎(chǔ)上對列尾數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌方⑦M行了分析。
【關(guān)鍵詞】頻率和波長關(guān)系 列尾數(shù)據(jù)傳輸 鏈路建立
1 列尾系統(tǒng)的構(gòu)成及通信方式
列尾系統(tǒng)是貨物列車取消守車后，在尾部無人職守情況下為提高鐵路運輸?shù)陌踩远兄频膶Ｓ眠\輸安全裝置，其通信鏈路為無線通信方式，是重要的鐵路行車設(shè)備。
1.1 列尾系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)
內(nèi)容包括：列車尾部風壓查詢；低風壓告警；排風制動；電池電量不足告警；尾部標識；黑匣子記錄功能。
其工作原理：乘務員操作控制盒功能鍵，首尾以無線數(shù)據(jù)傳輸方式傳遞信令（編碼信息），其信令通過專用的機車電臺發(fā)送出去，列尾主機接收到司機控制盒發(fā)送的信令后，其響應信息再以同樣的方式返回司機控制盒，司機通過司機控制盒合成的語音信息來了解列車尾部風壓及列尾主機的工作狀態(tài)等情況。
1.2 列尾系統(tǒng)的通信方式
目前，列尾系統(tǒng)分別采用了450MHz和800MHz兩個頻段，獨立運行。由于列尾主機安裝于列車尾部車鉤上，且車體均為金屬，對無線電波發(fā)送、接收造成了非常嚴重的影響。
無線電波傳輸通常選擇常數(shù)光速，用字母c來表示。c=3×10^8m/s。波長和頻率滿足一個關(guān)系式：v=λf。公式中的v就是常數(shù)c。直接輸入頻率就可以計算出波長，或者輸入波長就可以計算出頻率。根據(jù)波的傳播理論，頻率越低，波長越長，其繞射能力越強；頻率越高，波長越短，越接近直線傳播，這樣在同樣編組列車使用基礎(chǔ)上，800MHz頻率的波長較450MHz頻率的波長短，對于列尾裝置的安裝位置特殊性來說，40MHz的繞射能力會好，所以采用450MHz的列尾裝置通信鏈路建立要穩(wěn)定些，而對于800MHz列尾裝置來說，一般使用在具有GSM-R鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)的線路上，通過GSM-R基站建立列尾系統(tǒng)傳輸通道，解決了800Mhz頻率波長短且繞射能力差的列尾無線電波傳輸?shù)膯栴}。
2 列尾系統(tǒng)無線電波傳播分析
天線發(fā)射的電波不僅僅局限于一條線上，它的空間分布是由天線方向圖來描述的。為了實現(xiàn)直觀起見，常常用極坐標來描述，向徑的長度表示相對電場強度的大小，如圖1所示：a表示向水平方向發(fā)射的電場強度，b表示向水平線下100方向發(fā)射的電場強度。在實用中，a正對接收天線，接收信號最強，天線向水平方向以下所發(fā)射的電磁波，碰到遮擋物，經(jīng)反射后，到達接收天線，這是反射波，反射波不是一個，而是多個。因此，接收天線接收的有直達波和多路反射波，多路反射波對直達波產(chǎn)生影響，影響通信的可靠性。由于列車編組的多少，造成了列車長度的變化，且在列車運行過程中，線路環(huán)境，如山區(qū)、隧道、彎道等均對列尾電波傳輸造成不同程度的影響，隨反射波的大小和相位不斷變化，因此情況很復雜，很難分析。
對一個特定環(huán)境，可以去掉一些次要因素或影響小的因素，使問題清晰，得到較好的解決辦法。列尾系統(tǒng)的機車到列尾主機間有多條空中無線鏈路，對于450MHz列尾系統(tǒng)，設(shè)計鏈路最長500米（一個單元編組），超過這個長度時，則采用了增加無線中繼的方式實現(xiàn)首尾通信信息的轉(zhuǎn)發(fā)。而對于采用800MHz的列尾系統(tǒng)就只能采用基于GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)地面基站通信轉(zhuǎn)發(fā)的方式實現(xiàn)。
如圖2所示，機車天線位于機車頂部，列尾主機天線位于列車尾部的中部或偏下，可想而知，無論機車天線作為發(fā)射天線還是列尾主機天線作為發(fā)射天線，接收天線永遠都不會接收到直達波信號，所接收到的只能是多徑反射信號。有多路信號經(jīng)反射后，到達接收天線（也有一些電磁波經(jīng)反射區(qū)外的其他反射面到達接收天線，這些反射波小，忽略不計），信號的強弱決定了反射波的強弱。通過控制天線的方向圖就可以控制信號的強弱。一般地，列尾天線是經(jīng)過多方面的理論與經(jīng)驗測試后，進行特殊設(shè)計與定制才可以達到預期效果。對于常規(guī)天線，只能通過理論和加裝中繼等方式實現(xiàn)可靠傳輸。
從發(fā)射天線到接收天線的電波實際不是沿一條直線傳播，而是沿以二天線之間的連線為軸線的圓柱體中傳播的，即菲涅爾區(qū)，如圖2所示。夫涅爾區(qū)的直徑d與天線距離和工作頻率有關(guān)。
對于列尾系統(tǒng)來說，無線電波的傳播，依系統(tǒng)容量（系統(tǒng)余量=[發(fā)射功率]+[發(fā)射天線增益]+[接收天線增益]-[接收靈敏度]-[空間衰減]）的計算，以及菲涅耳區(qū)理論等的計算是完全不可行的，尤其是使用的頻率越高，在同樣條件下，傳輸效果越差。
參考文獻
[1]張偉.數(shù)據(jù)鏈平臺仿真與鏈路測試系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)[J].現(xiàn)代導航，2011（01）.
[2]韓倩，程友清.單向鏈路故障檢測的研究[J].計算機科學，2011（10）.
[3]楊永東.列尾裝置運用中存在的問題及解決對策[J].鐵道通信信號，2011（04）.
[4]謝浩海.800MHz列尾設(shè)備無線干擾故障的處理[J].廣西鐵道，2010（02）.
[5]王紅林.長隧道列尾裝置弱場強通信問題解決措施研究[J].科技交流，2009（04）.
作者單位
石家莊二中實驗學校 河北省石家莊市 050000
