魏俊超，張新有

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031)

1 概述

目前應(yīng)用比較廣泛的2種類型的列車通信網(wǎng)絡(luò):基于WTB和MVB的TCN(T型)列車數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和Echelon公司推出LonWorks(L型)列車控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它們具有抗干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、響應(yīng)實時性強、數(shù)據(jù)傳輸安全等特點。此外，ARCNET協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)等通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在列車通信網(wǎng)絡(luò)中有一定的應(yīng)用［1～2］。

ARCNET(Attached Resource Computer Network)是一種基于令牌傳遞(Token Passing)協(xié)議、優(yōu)化過的令牌總線網(wǎng)絡(luò)，該總線具有確定性、快速性、可擴展性、錯誤自檢測和支持長距離傳輸?shù)忍攸c［3－4］，非常適合工業(yè)過程實時控制，近年來在各種自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是一種理想的現(xiàn)場總線技術(shù)。

ARCNET網(wǎng)絡(luò)除了具有一般列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點之外，還具有以下幾個顯著特點。

(1)幀傳輸確定性。由于ARCNET網(wǎng)絡(luò)采用優(yōu)化了的令牌傳遞技術(shù)，只有持有令牌的節(jié)點才能有權(quán)發(fā)送消息，因此任何節(jié)點都不能獨自占有網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點都公平地享有對總線的使用權(quán)，不存在競爭，使得網(wǎng)絡(luò)在時間性能上具有確定性和可預(yù)測性。與使用沖突檢測機制的CAN總線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)有顯著不同［5～6］的是，ARCNET 網(wǎng)絡(luò)能夠計算出在最壞情況下節(jié)點之間傳遞信息所需的時間。ARCNET網(wǎng)絡(luò)即使在網(wǎng)絡(luò)流量大、負(fù)載很重的情況下，也不會給網(wǎng)絡(luò)造成擁塞。

(2)網(wǎng)絡(luò)配置自動化。ARCNET協(xié)議的另一個優(yōu)點是可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。不管何時網(wǎng)絡(luò)中刪除或加入一個節(jié)點，ARCNET網(wǎng)絡(luò)將自動重新配置。當(dāng)有節(jié)點要加入到網(wǎng)絡(luò)中時，通過發(fā)送一個阻塞信息從而造成網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，完成節(jié)點的加入。而節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)時，通過不響應(yīng)邏輯鄰居節(jié)點的消息，造成超時，直到后繼節(jié)點響應(yīng)為止，節(jié)點退網(wǎng)完成。由于節(jié)點退網(wǎng)時不需要整個網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，所以不會造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，網(wǎng)絡(luò)故障的恢復(fù)時間是比較快的。

(3)節(jié)點間可發(fā)送廣播報文。ARCNET網(wǎng)絡(luò)還支持對所有節(jié)點發(fā)廣播報文。與同一消息依次傳送到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點不同的是，廣播報文會一次性傳送到所有的節(jié)點。允許接收廣播報文的節(jié)點會收到一個目的地址為0的消息，同時接收到廣播報文的節(jié)點不需要返回NAK幀或ACK幀。

(4)支持多種布線方式。ARCNET網(wǎng)絡(luò)可支持星型、總線型以及分布式星型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常用的傳輸介質(zhì)有同軸電纜、雙絞線、光纖等，同時3種介質(zhì)在網(wǎng)絡(luò)中也可以交叉使用。ARCNET網(wǎng)絡(luò)布線方案，可根據(jù)節(jié)點間的距離、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)通信量、網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備的性價比等靈活地選擇合適的傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。事實上，CRH2型高速動車組的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)就是使用雙重環(huán)網(wǎng)的ARCNET網(wǎng)絡(luò)。

以上的這些特點使得ARCNET網(wǎng)絡(luò)能夠適用于列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，特別是對于可變編組的列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。文章利用OPNET仿真軟件對ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)仿真，通過仿真對該ARCNET網(wǎng)絡(luò)的鏈路吞吐量和實時性進(jìn)行分析，得出影響網(wǎng)絡(luò)端到端時延的主要因素和保證ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)正常運行的最大誤碼率，對ARCNET協(xié)議在列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的應(yīng)用具有一定的借鑒價值。

2 ARCNET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模

列車通信網(wǎng)絡(luò)是針對鐵路環(huán)境惡劣、列車流動性大、實時性強、數(shù)據(jù)可靠性要求高等特點的控制網(wǎng)絡(luò)，所以列車中的ARCNET網(wǎng)絡(luò)和普通的ARCNET網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別，應(yīng)具有特殊性［7～8］:(1)網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點保存有邏輯鄰居的節(jié)點地址，從而可構(gòu)成活動節(jié)點地址表;(2)設(shè)置空閑區(qū)查詢幀，避免目的節(jié)點沒有足夠的空閑緩沖區(qū)而引起的數(shù)據(jù)丟失，減少了不必要的消息重傳。

由于列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)長期在惡劣的環(huán)境下工作，受電磁干擾強烈，而且對通信網(wǎng)絡(luò)的實時性要求高，所以本模型中的ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)使用光纖作為傳輸介質(zhì)，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定為2.5 Mb/s［9］。

列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)大致分為2種:(1)監(jiān)視和檢測信息，如列車檢測和自我診斷信息等。監(jiān)視信息優(yōu)先級別低，對實時性要求相對較低，可以根據(jù)需要選擇性發(fā)送;(2)控制指令信息，如牽引、制動，以及對輔助電源和設(shè)備的控制指令等，控制指令優(yōu)先級別高，對實時性要求較高，周期性發(fā)送。ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定發(fā)送控制指令的周期為10 ms［10］，所以令牌在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的循環(huán)時間就不能超過10 ms。

為進(jìn)一步提高ARCNET網(wǎng)絡(luò)的安全性、實時性和可靠性，在列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中使用雙重環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。對于列車控制指令采用雙向傳輸;當(dāng)要傳輸列車監(jiān)視信息時，采用單向傳輸，當(dāng)原方向鏈路傳輸失敗時再向反方向傳輸。

在該ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型［11］中(圖1)，列車模型由8節(jié)車廂組成，列車編組為4M4T，由2個動力單元組成。每個動力單元由2個動車和2個拖車(T－M－M－T)組成。T1c(包括節(jié)點1、2)、T2c(包括節(jié)點 6、7)為車頭，T1k、T2 為拖車車體，M1s、M2、M1為動車車體。拓?fù)淠Ｐ椭幸还灿?0個數(shù)據(jù)處理節(jié)點，節(jié)點1和節(jié)點6作為中央處理節(jié)點，其他節(jié)點為終端處理節(jié)點，中央處理節(jié)點主要負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)出，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)以及處理終端節(jié)點的信息等。

圖1 ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

車廂T1c和T2c中節(jié)點之間的距離設(shè)定為20 m，其余每個終端節(jié)點之間的距離設(shè)定為50 m。

正常運行的情況下，在該雙重環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型中，其中一個作為主環(huán)，另一個作為熱備及起輔助作用的備用環(huán)。當(dāng)主環(huán)出現(xiàn)故障情況下，可由備用環(huán)接替主環(huán)的工作，從而避開故障部位。

3 基于OPNET的ARCNET網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建模

在ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型中，由于網(wǎng)絡(luò)為雙重環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所以節(jié)點模型中需要2對收發(fā)器。xmt_1、rcv_1對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的主環(huán)以及xmt_2、rcv_2對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中備用環(huán)。App_In_Out模塊主要完成網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議的功能，Proc處理模塊主要完成ARCNET網(wǎng)絡(luò)的鏈路層協(xié)議的功能，是整個節(jié)點仿真模塊的核心功能部分。如圖2所示。

3.1 基于OPNET的應(yīng)用層建模

節(jié)點模型中的App_In_Out作為應(yīng)用層模塊主要完成接收從鏈路層到來的數(shù)據(jù)包和負(fù)責(zé)節(jié)點數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生的功能。

仿真模型首先進(jìn)入數(shù)據(jù)初始化狀態(tài)，依次讀入節(jié)點地址、節(jié)點的類型等參數(shù)，并轉(zhuǎn)到等待數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)RCV_ARRVL條件成立時，表示有數(shù)據(jù)從鏈路層到來，即轉(zhuǎn)到節(jié)點數(shù)據(jù)接收狀態(tài);當(dāng)XMT_ARRVL條件成立時，表示應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送，即轉(zhuǎn)到節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，等到應(yīng)用層數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完成后轉(zhuǎn)到等待狀態(tài)。

3.2 基于OPNET的鏈路層建模

節(jié)點模型中的Proc處理模塊作為鏈路層進(jìn)程模型，主要完成數(shù)據(jù)的組幀，數(shù)據(jù)格式的分析和錯誤檢測，網(wǎng)絡(luò)故障處理，網(wǎng)絡(luò)通訊管理等功能。

圖3為節(jié)點鏈路層進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型。模型首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，依次對每個節(jié)點的統(tǒng)計量和中斷等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并轉(zhuǎn)到等待數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。在等待狀態(tài)下，若有數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锢韺?，則進(jìn)入lo_frame低層數(shù)據(jù)處理狀態(tài);若有數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，進(jìn)入up_frame高層數(shù)據(jù)處理狀態(tài)。在up_frame高層數(shù)據(jù)處理狀態(tài)下，若當(dāng)前節(jié)點為終端數(shù)據(jù)節(jié)點并且持有令牌，那么該節(jié)點首先向中央節(jié)點發(fā)送請求幀，在收到應(yīng)答幀之后，向中央處理節(jié)點發(fā)送消息數(shù)據(jù)。在發(fā)送消息數(shù)據(jù)完畢后，將令牌傳遞到邏輯鄰居節(jié)點，然后轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)。若當(dāng)前節(jié)點為中央處理節(jié)點并且持有令牌，則從節(jié)點兩端同時向終端數(shù)據(jù)節(jié)點發(fā)送消息數(shù)據(jù);若終端數(shù)據(jù)節(jié)點沒有持有令牌，則將到來的數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊，等待令牌的到來。在lo_frame低層數(shù)據(jù)處理狀態(tài)下，主要是對到達(dá)物理層的消息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對非當(dāng)前節(jié)點的數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)發(fā)到邏輯鄰居節(jié)點，等消息處理完畢之后，轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)。

圖3 節(jié)點鏈路層進(jìn)程狀態(tài)模型

4 網(wǎng)絡(luò)仿真

文章在對列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求以及ARCNET網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行思考、分析的基礎(chǔ)上，通過建立ARCNET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，主要對?jié)點間鏈路吞吐量和網(wǎng)絡(luò)的實時性進(jìn)行仿真分析。

4.1 ARCNET網(wǎng)絡(luò)實時性仿真

網(wǎng)絡(luò)實時性的仿真主要是對令牌的循環(huán)時間和端到端(ETE)時延進(jìn)行仿真。ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)要求控制指令的循環(huán)時間不能超過10 ms，否則，控制指令信息將不能按時傳輸?shù)礁鱾€終端數(shù)據(jù)節(jié)點，會對列車的安全運行造成嚴(yán)重影響。

首先網(wǎng)絡(luò)場景初始化，網(wǎng)絡(luò)范圍的大小設(shè)置為125 m×125 m;網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋蜑镽ing雙環(huán)類型，節(jié)點模型為圖2自定義的節(jié)點類型，數(shù)量為8個;鏈路模型為自定義的鏈路類型，其數(shù)據(jù)傳輸率默認(rèn)值為2.5 Mbps，數(shù)據(jù)傳送方式為半雙工;根據(jù)實際應(yīng)用，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的中心坐標(biāo)為(60，60)，工作半徑為45 m。同時為了仿真網(wǎng)絡(luò)的實時性和鏈路的吞吐量，需要收集網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的Load統(tǒng)計量以及網(wǎng)絡(luò)令牌的Delay統(tǒng)計量。運行仿真，采用DES仿真，仿真時間設(shè)置為500 s，在數(shù)據(jù)為2.5 Mb/s傳輸速率下，分別進(jìn)行2次仿真試驗。仿真試驗1，誤碼率為0，仿真結(jié)果分別如圖4、圖6所示;仿真試驗2，誤碼率為1×10－7情況，仿真結(jié)果分別如圖5、圖7和圖8所示。

對應(yīng)用層端到端(ETE)時延的仿真結(jié)果如圖4所示，由仿真結(jié)果可以看出ARCNET網(wǎng)絡(luò)端到端的平均時延在0.5 ms以下。由于ARCNET協(xié)議是基于令牌傳遞技術(shù)的，因此網(wǎng)絡(luò)中端到端平均時延相對穩(wěn)定。

圖4 誤碼率為0時端到端時延仿真

圖5為數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率為l×10－7時的令牌循環(huán)時間。此時由于數(shù)據(jù)誤碼率超出了系統(tǒng)的承受范圍，數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生了頻繁的重傳，造成了令牌循環(huán)時間增大，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

圖5 誤碼率為1×10－7時令牌循環(huán)時間

4.2 網(wǎng)絡(luò)鏈路吞吐量仿真

圖6是在數(shù)據(jù)傳輸誤碼率為0時，各節(jié)點間鏈路吞吐量的仿真結(jié)果。由于ARCNET令牌環(huán)是單向傳輸，導(dǎo)致各節(jié)點間的鏈路吞吐量不盡相同。

圖6 節(jié)點間鏈路吞吐量仿真

圖7 主鏈路環(huán)吞吐量的仿真

圖7與圖8分別是在誤碼率為1×10－7時，主鏈路環(huán)以及備用環(huán)的鏈路吞吐量仿真結(jié)果。可以看出當(dāng)主鏈路環(huán)意外發(fā)生故障時，備用環(huán)接替主環(huán)繼續(xù)工作，造成備用環(huán)的鏈路吞吐量突然增大，與此同時主環(huán)的鏈路吞吐量減小，同時也保證了系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作。

圖8 備用鏈路環(huán)吞吐量的仿真

5 仿真結(jié)果分析

式中，Ts為端到端時延;Tf為節(jié)點發(fā)送時延;Tb為介質(zhì)傳播時延;Tc為節(jié)點處理時延。

由公式(1)可知，源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送處理時延、鏈路傳輸時延和目的節(jié)點數(shù)據(jù)處理時延是造成數(shù)據(jù)傳輸時延的主要因素。其中，影響鏈路傳輸時延主要因素為數(shù)據(jù)傳輸速率和介質(zhì)的傳輸距離。在ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中采用光纖作為傳輸介質(zhì)，以及節(jié)點之間的距離較小，因此鏈路傳輸消耗的時延非常小，基本上可忽略掉。依據(jù)仿真結(jié)果可以得出，源節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時延是影響端到端時延主要因素。

同時在仿真的過程中，通過設(shè)置不同的誤碼率發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率高于1×10－7時，令牌循環(huán)時間將會超過10 ms，同時網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量也會嚴(yán)重下降，滿足不了系統(tǒng)的要求。所以在數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率不超過1×10－7的情況下才能保證ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的安全運行。

由圖6的鏈路吞吐量仿真結(jié)果可以看出，由于ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是單向傳輸，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點間的鏈路吞吐量并不盡相同。因此在主環(huán)正常工作的情況下，如果4號終端節(jié)點要向1號中央節(jié)點發(fā)送消息數(shù)據(jù)，則要通過其后繼終端節(jié)點5號、6號…傳輸，而10號終端節(jié)點則要向中央節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)前面所有節(jié)點傳輸?shù)南?。仿真結(jié)果表明，節(jié)點之間鏈路負(fù)載量將會隨著節(jié)點地址的增加而增大。

6 結(jié)語

ARCNET網(wǎng)絡(luò)的端到端時延以及令牌的平均循環(huán)時間反映了網(wǎng)絡(luò)的性能，從整體上描述了系統(tǒng)的時延;各個節(jié)點的鏈路吞吐量描述了網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況。仿真結(jié)果表明:當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率超過1×10－7時，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量嚴(yán)重下降，網(wǎng)絡(luò)擁塞情況嚴(yán)重，令牌循環(huán)時間超過10 ms，滿足不了高速列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求。

通過網(wǎng)絡(luò)建模和仿真，對ARCNET列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈路吞吐量和網(wǎng)絡(luò)實時性仿真，得到不同誤碼率環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)整體性能情況。結(jié)果表明，影響端到端時延的主要因素是源節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時延，建議使用高性能的節(jié)點處理器以減少端到端時延。

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