CN103228019B - 一种可用于铁路作业场景的无线信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路作业等场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法。所述方法为：将全部可用信道时间划分为连续的超帧，每一个超帧分为固定分配信道接入期和按需分配信道接入期；在固定分配信道接入期为每一个节点固定分配一个时隙；各节点通过固定分配时隙使用信道，并按需申请按需分配信道接入期的信道时间；按照一天内的世界协调时和超帧周期确定每一个超帧的起始时刻，网络中每一个节点确切知道每一个超帧的起始时刻；为所有节点分配一个固定的唯一的识别符，按照该识别符确定节点固定分配时隙之间的先后顺序。本发明的有益之处是最大程度上了消除了节点间的发送冲突，有利于降低功耗和提高带宽效率，适合铁路作业等场景的态势感知。

Description

一种可用于铁路作业场景的无线信道接入方法

技术领域

本发明一种铁路作业安全警示方法和系统，尤其是一种用于向参与作业的铁路列车驾驶员和正在驶入作业区域的列车驾驶员警示非司机作业人员和作业装置位置和作业状态、向非司机作业人员警示列车运行状态，从而确保作业安全的方法和系统，属于铁路信息化技术领域。

背景技术

在铁路编组作业中，一部分货物到站或者空列车车厢要脱离列车，而另外一部分已经装满货物的列车车厢要挂接到列车上去。整个过程完成后列车完成编组驶离作业区域。

在整个作业过程中，一方面作业是在轨道上进行的，会与作业期间通行作业区域的列车相互影响，作业列车应该避让通行列车；另一方面，在作业过程中，要保证作业安全人员安全，也要保证已经装满货物的列车车厢顺利挂接到整个列车上去。

在我国铁路系统中，目前广泛使用的方法是在参与作业的列车驾驶员和参与作业的非驾驶员之间采用对讲机喊话、旗语方式进行沟通，整个过程容易发生错误。当在作业期间有通行作业区域的列车通过时，由调度室的调度员喊话通知。这样不仅耗费多于的人力，而且由于种种不确定的人为因素，如调度员偶尔疏忽大意，或者作业人员相互之间信息交流发生障碍、延误、误解等，都对相关作业人员人身安全以及列车运行安全构成了威胁。

对于通行列车，在已有文献中，专利申请书(申请号200910302532.X)公开了一种铁路作业安全警示方法和系统，该申请书的公开的方法是周期性地测量列车与作业现场的距离，当列车与作业现场之间的距离达到警戒值时、或根据列车的速度计算出列车到达作业现场所需的时间达到警戒值时，在作业现场发出警戒信号。利用该方法和系统，铁路作业人员能够及时了解列车接近的情况，及时做好相应准备并离开铁道。

实际上，更关键是解决参与作业人员的信息交流问题，方法一种就是让列车驾驶员和调度员甚至更高级的管理人员能够实时的感知作业情况，其中最基本的需求是采集所有节点的实时位置信息。本发明的目的，是为采集所有节点实时位置信息设计一种适合的通信协议，本发明公开的是该协议中节点的信道接入方法。

发明内容

为解决铁路编组作业中参与作业人员的信息交流问题，让列车驾驶员和调度员甚至更高级的管理人员能够实时的感知作业情况，需采集所有节点的实时位置信息。本发明的的目的，是为采集所有节点实时位置信息设计一种适合的通信协议，本发明公开的是该协议中节点的信道接入方法。

根据本发明的一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，包括以下步骤：

步骤11)将全部可用信道时间划分为连续的超帧，每一个超帧分为固定分配信道接入期和按需分配信道接入期；固定分配信道接入期和按需分配信道接入期又都划分为若干连续的时隙，固定分配信道接入期的时隙称作固定分配时隙，按需分配信道接入期的时隙称作按需接入时隙；

步骤12)为每一个节点固定分配一个固定分配时隙；各节点在自身固定分配时隙使用信道；当节点固定分配时隙不够使用时，节点在自身固定时隙申请按需信道接入期的按需接入时隙，并在成功申请的按需接入时隙访问信道；一个节点的自身可用时隙包括自身固定分配时隙和成功申请的按需接入时隙；

步骤13)为所有节点分配一个固定的唯一识别符，按照该识别符确定节点固定分配时隙之间的先后顺序；

步骤14)固定一天之内超帧的起始时刻与世界协调时的关系，使网络中每一个节点可以根据当前世界协调时确切知道每一个超帧的起始时刻；所有能够接收卫星定位系统信号并能够解算获得当前世界协调时的节点在自身固定分配时隙使用信道；所有不能够获得当前世界协调时的节点根据当前正在发送数据的周围节点的唯一识别符来确定自身固定分配时隙的起始时刻，并根据该起始时刻来访问信道；

所述的无线节点的使用信道的方法为：

步骤21)将需要获得其他节点位置的节点定义为位置消费者节点，其他节点为位置生产者节点；位置消费者节点广播类型1数据包请求收集网络中所有位置生产者节点的位置；

步骤22)接收到类型1数据包的位置生产者节点在自身可用时隙发送类型2数据包，类型2数据包用于向路由前级节点发送该数据包的生产者节点的位置信息、转发的其他位置生产者节点的位置信息，同时向其他位置生产者通知位置消费者节点的识别符和发送该数据包生产者节点到位置消费者节点的路由信息；

步骤23)接收到类型2数据包的位置生产者节点根据接收到的所有类型2数据包中的到位置消费者节点的路由信息选择一个路由前级节点，生成一个类型2数据包，并在自身可用时隙向所选择的位置生产者节点发送生成的类型2数据包；

所述的类型2数据包包括发送该数据包的生产者节点的位置信息、发送该数据包的生产者节点所转发的其他位置生产者节点的位置信息、位置消费者节点的识别符和发送该数据包的位置生产者节点到位置消费者节点的路由信息。

所述的位置生产者节点到位置消费者节点的路由信息，包括所述位置消费者节点的唯一识别符和所述到位置消费者节点的跳数。

所述的位置信息包括该位置信息所属节点可视卫星数、该位置信息所属节点标识ID、该位置信息所属节点的具体位置、该位置信息所属节点在该具体位置时的时刻。

所述的位置信息包括位置参考节点的差分修正信息；

所述的节点在自身固定时隙申请按需信道接入期的按需接入时隙的方法为：

步骤71)拟申请按需接入时隙的节点在自身固定分配时隙发送按需接入时隙使用请求；

步骤72)接收到上述按需接入时隙使用请求的邻居节点若发现接收到的使用请求与自身所了解的正在使用按需接入时隙的其他节点存在使用冲突，则所述邻居节点在自身固定分配时隙中将冲突信息发送给所述拟申请按需接入时隙的节点；

步骤73)拟申请按需接入时隙的节点在紧接下来的自身固定分配的时隙进行如下操作：

步骤731)若没有收到所述冲突信息，则发送按需接入时隙使用确认信息，申请使用按需分配信道接入期信道时间完成；

步骤732)否则，若收到所述冲突信息，则根据接收到的所有冲突信息计算出一个新的按需接入时隙使用请求，并回到步骤1。

所述的按需接入时隙使用请求是一个独立的数据包，包含请求的按需接入时隙的编号。

所述的按需接入时隙使用确认信息是一个独立的数据包，包含请求的按需接入时隙的编号。

本发明的有益之处是最大程度上了消除了节点间的发送冲突，有利于降低功耗和提高带宽效率，适合铁路作业场景的态势感知。

附图说明

图1是根据本发明的铁路编组作业典型场景。

图2根据本发明的无线节点的信道接入方法的超帧划分。

图3根据本发明的类型1数据包的一个典型格式。

图4根据本发明的类型2数据包的一个典型格式。

图5根据本发明的普通位置信息的一个典型格式。

图6根据本发明的差分位置信息的一个典型格式。

图7根据本发明的类型3数据包的一般格式。

图8根据本发明的类型4数据包的一般格式。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1是根据本发明的无线网络的典型场景。如图1所示，本发明要解决的问题为：作为网络中的任意一个普通节点A1，在无线网络的拓扑任意变化、网络中节点链路带宽有限的情况下，希望以最简单高效的方式获得所有其它节点A2-A6的位置。该需求的一个应用背景为：在我国铁路编组作业中，一部分货物到站或者空列车车厢要脱离列车，而另外一部分已经装满货物的列车车厢要挂接到列车上去。整个过程完成后列车完成编组驶离作业区域。目前广泛使用的方法是在参与作业的列车驾驶员和参与作业的非驾驶员之间采用对讲机喊话、旗语方式进行沟通，整个过程容易发生错误。当在作业期间有通行作业区域的列车通过时，由调度室的调度员喊话通知。这样不仅耗费多于的人力，而且由于种种不确定的人为因素，如调度员偶尔疏忽大意，或者作业人员相互之间信息交流发生障碍、延误、误解等，都对相关作业人员人身安全以及列车运行安全构成了威胁。图1所示的无线节点为参与作业的每一个人员携带的无线设备(即图1的无线节点)。任意一个参与作业的人，比如列车驾驶员，可以通过携带的无线设备了解其他参与作业的人员和设备的情况，从而做出正确的操作。上述无线网络还可以在很多其他应用领域找到，在一些文献中也叫态势感知。

根据本发明的无线节点的信道接入方法为：

步骤11)将全部可用信道时间划分为连续的超帧，每一个超帧分为固定分配信道接入期和按需分配信道接入期；固定分配信道接入期和按需分配信道接入期又都划分为若干连续的时隙，固定分配信道接入期的时隙称作固定分配时隙，按需分配信道接入期的时隙称作按需接入时隙；

步骤12)为每一个节点固定分配一个固定分配时隙S_fix；各节点在自身固定分配时隙使用信道；当节点固定分配时隙不够使用时，节点在自身固定时隙申请按需信道接入期的按需接入时隙，并在成功申请的按需接入时隙访问信道；一个节点的自身可用时隙包括自身固定分配时隙和成功申请的按需接入时隙；

步骤13)为所有节点分配一个固定的唯一识别符，按照该识别符确定节点固定分配时隙之间的先后顺序；假设节点数为M，节点的唯一识别符可以设计为0到M；时隙的个数为K，编号是从0到K(K不小于M)，一种简单的办法是时隙m对应ID为m的节点。当然，也可以有另外的对应方式，比如让个别节点占用多于1个时隙。在确定了分配给一个节点的固定时隙后，进一步要解决的问题，是让节点确定分配给它的固定时隙的起始时刻。

步骤14)固定一天之内超帧的起始时刻与世界协调时的关系，使网络中每一个节点可以根据当前世界协调时确切知道每一个超帧的起始时刻；一种简单方法是让超帧的周期可以整除60秒，比如设定超帧周期为10秒，那么每当世界协调时的秒数可以被10整除时，就是超帧的起始时刻；所有能够接收卫星定位系统信号并能够解算获得当前世界协调时的节点在自身固定分配时隙使用信道；所有不能够获得当前世界协调时的节点根据当前正在发送数据的周围节点的唯一识别符来确定自身固定分配时隙的起始时刻，并根据该起始时刻来访问信道；比如当节点m无法获得当前世界协调时时，它如果收到节点m-2发送的第一个数据包，它就知道分配给自身的固定分配时隙将在S_fix(m-2)+S_fix(m-1)之后开始，S_fix(m-2)是分配给m-2节点的固定分配时隙长度，而S_fix(m-1)是分配给m-1节点的固定分配时隙长度；

根据本发明的无线节点的使用信道的方法为：

步骤21)将需要获得其他节点位置的节点定义为位置消费者节点，其他节点为位置生产者节点；位置消费者节点广播类型1数据包请求收集网络中所有位置生产者节点的位置；

步骤22)接收到类型1数据包的位置生产者节点在自身可用时隙发送类型2数据包，类型2数据包用于向路由前级节点发送该数据包的生产者节点的位置信息、转发的其他位置生产者节点的位置信息，同时向其他位置生产者通知位置消费者节点的识别符和发送该数据包生产者节点到位置消费者节点的路由信息；

步骤23)接收到类型2数据包的位置生产者节点根据接收到的所有类型2数据包中的到位置消费者节点的路由信息选择一个路由前级节点，生成一个类型2数据包，并在自身可用时隙向所选择的位置生产者节点发送生成的类型2数据包；

根据本发明的无线节点的使用信道的方法的具体说明如下：

图3是类型1数据包的一个典型格式。其中同步字节C1是可以是多个字节，用于识别一个新包的开始，类型字节C2标识类型1数据包，接收者地址C3为广播地址，在本例中，接收者地址就是接收数据包的节点的识别符，地址即广播识别符是一个不同于其他识别符的一个专用识别符。发送者地址即广播类型1数据包的位置消费者节点的识别符，包序号C5是一个递增数字，专门用于识别一个数据包，这在通信协议里是常用字节，校验字节C6是前面所有字节的根据某种校验方式如16位循环冗余校验(CRC16)、8位循环冗余校验(CRC16)等。

图4给出了类型2数据包的格式。与类型1数据包不同的是：类型D2改为类型2数据包标识，并增加了数据部分D1。数据部分D1又具体包括位置消费者节点地址D10、发送本数据包的节点到位置消费者节点的跳数D11，位置信息个数D12，以及D12个位置信息，其中位置信息通常0为发送本数据包的节点的位置信息。

在本例中我们的使用的路由方式是最短路径路由，因此，位置生产者节点到位置消费者节点的路由信息，包括所述位置消费者节点的唯一识别符和所述到位置消费者节点的跳数。因此路由信息就是类型2数据包中的{位置消费者节点地址D10、发送本数据包的节点到位置消费者节点的跳数D11}这两部分。路由是数据包从源节点到目的节点的传播路径，路由由{源节点、中间节点0、中间节点1、中间节点2、……、目的节点}构成。在路由上与一个节点相邻但比该节点更靠近目的节点的节点称作该节点的路由前级，路由前级可以是目的节点。在路由上与一个节点相邻但比该节点更靠近源节点的节点称作该节点的路由后级。在本例中，目的节点一定是位置消费者节点。按照最短路径路由方法，接收到类型2数据包的位置生产者节点选择位置生产者节点的方法为：选择在过去一段时间中接收到的类型2数据包的发送节点中到位置消费者节点的路由最近的节点。到位置消费者节点的路由最近的节点的一种计算方法：将到位置消费者节点跳数最小的节点作为路由最近的节点。

位置信息又具体分为两种，一种是普通位置信息，其格式如图5所示，包括长度字节D136、可视卫星数D130、节点地址D131、经度D132、纬度D133、高度D134、时间D135。长度字节D136标识后续D130～D135的总字节数；可视卫星数D130表示该位置信息所属节点的可见导航卫星的个数；节点地址D131表示该位置信息所属节点；时间D135表示经度D132、纬度D133、高度D134具体位置所确定的具体位置是该位置信息所属节点在时间D135时刻的具体位置。

另外一种位置信息是差分位置信息。为了提高导航定位精度，在实际应用中，通常引入一个不移动的定位参考节点，定位参考节点经过单点精确定位确定自身的位置，然后生成将差分位置信息，并将该信息在无线网络中广播，所有接收到该差分信息的节点根据该差分信息修正自身位置，从而得到更加精确的位置；另外一种方法是：定位参考节点只将差分位置信息送给位置消费者节点，位置消费者节点根据接收到的差分信息和来自“位置生产者节点的普通位置信息进行差分修正。进行单点精确定位、生成差分信息、进行差分修正是导航领域的成熟技术。差分位置信息的格式如图6所示，长度字节D136标识差分修正信息D7的总字节数。差分修正信息的具体内容在导航领域是已知的和成熟的技术。

当节点固定时隙不够使用时，节点在固定时隙请求申请按需接入时隙。节点在自身固定时隙申请按需信道接入期的按需接入时隙的方法为：

步骤71)拟申请按需接入时隙的节点在自身固定分配时隙发送按需接入时隙使用请求；

步骤72)接收到上述按需接入时隙使用请求的邻居节点若发现接收到的使用请求与自身所了解的正在使用按需接入时隙的其他节点存在使用冲突，则所述邻居节点在自身固定分配时隙中将冲突信息发送给所述拟申请按需接入时隙的节点；

步骤73)拟申请按需接入时隙的节点在紧接下来的自身固定分配的时隙进行如下操作：

步骤731)若没有收到所述冲突信息，则发送按需接入时隙使用确认信息，申请使用按需分配信道接入期信道时间完成；

步骤732)否则，若收到所述冲突信息，则根据接收到的所有冲突信息计算出一个新的按需接入时隙使用请求，并回到步骤1。

我们假设在图1中，节点A2和A7的固定分配时隙不够使用，需要请求接入时隙。这里假设按需接入时隙的编号为0到A(A一般不等于0)。A2在自身固定分配时隙中发送按需接入时隙使用请求，方法之一将按需接入时隙使用请求设计为一个独立的数据包，定义为类型3数据包，其中至少包含请求的按需接入时隙的编号。具体地，节点A2广播一个类型3数据包，类型3数据包的含义是请求按需接入时隙，包含请求的按需接入时隙的编号，这里假设为0。图7是类型3数据包的一个典型格式。与类型1数据包相比，类型字节E2标识类型3数据包，申请的时隙号被放入字节E6。接收到该类型3数据包的节点没有发现任何的使用冲突，不发送任何数据包。对于A2来说，在接下来的超帧中，当分配给A2固定时隙的到来，而A2没有收到任何冲突信息，因此A2将发送按需接入时隙使用确认信息。按需接入时隙使用确认信息一般以一个独立的数据包的形式发送，按需接入时隙使用确认信息至少包含请求的按需接入时隙的编号。这里将按需接入时隙使用确认信息包设为类型4数据包，A2在其自身固定分配时隙发送一个类型4数据包确认使用按需接入时隙0。

类似的，节点A7在其固定时隙中发送按需接入时隙请求，即广播一个类型3数据包。类型3数据包包含按需接入时隙的具体编号，因为A7的时隙在A2之后，A7接收到A2发送了类型3数据包，因此知道A2申请了按需接入时隙0，A7将申请按需接入时隙1。接收到该类型3数据包的节点没有发现任何的使用冲突，不发送任何数据包。所以A7在接下来的超帧中，当分配给A7固定时隙的到来，而A7没有收到任何冲突信息，因此A7将发送类型4数据包，确认使用按需接入时隙1。另外一种情况是，A7没有接收到A2发送了类型3数据包，因此不知道A2申请了按需接入时隙0，A7将也申请按需接入时隙0。接收到该类型3数据包的节点发现与A2申请冲突，因此在它们的固定分配时隙发送类型4数据包，由于A2的编号小于A7，这些节点按照先到先得的原则将按需接入时隙0分配给A2。所以A7在接下来的超帧中，当分配给A7固定时隙的到来，因为A7收到与A2的冲突信息，因此A7根据接收到的冲突信息计算出一个新的按需接入时隙使用请求，即请求时隙1，并再次发送类型3数据包。

图8是类型4数据包的一般格式。类型4数据包与类型3数据包的格式相同，只是其类型字节F2标识类似4。

本发明的有益之处是最大程度上了消除了节点间的发送冲突，有利于降低功耗和提高带宽效率，适合铁路作业场景的态势感知。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，包括以下步骤：

步骤11)将全部可用信道时间划分为连续的超帧，每一个超帧分为固定分配信道接入期和按需分配信道接入期；固定分配信道接入期和按需分配信道接入期又都划分为若干连续的时隙，固定分配信道接入期的时隙称作固定分配时隙，按需分配信道接入期的时隙称作按需接入时隙；

步骤12)为每一个节点固定分配一个固定分配时隙；各节点在自身固定分配时隙使用信道；当节点固定分配时隙不够使用时，节点在自身固定分配时隙申请按需分配信道接入期的按需接入时隙，并在成功申请的按需接入时隙访问信道；一个节点的自身可用时隙包括自身固定分配时隙和成功申请的按需接入时隙；

步骤13)为所有节点分配一个固定的唯一识别符，按照该识别符确定节点固定分配时隙之间的先后顺序；

步骤14)固定一天之内超帧的起始时刻与世界协调时的关系，使网络中每一个节点可以根据当前世界协调时确切知道每一个超帧的起始时刻；所有能够接收卫星定位系统信号并能够解算获得当前世界协调时的节点在自身固定分配时隙使用信道；所有不能够获得当前世界协调时的节点根据当前正在发送数据的周围节点的唯一识别符来确定自身固定分配时隙的起始时刻，并根据该起始时刻来访问信道；

其中，所述的无线节点的使用信道的方法为：

步骤21)将需要获得其他节点位置的节点定义为位置消费者节点，其他节点为位置生产者节点；位置消费者节点广播类型1数据包请求收集网络中所有位置生产者节点的位置；

步骤22)接收到类型1数据包的位置生产者节点在自身可用时隙发送类型2数据包，类型2数据包用于向路由前级节点发送该数据包的生产者节点的位置信息、转发的其他位置生产者节点的位置信息，同时向其他位置生产者通知位置消费者节点的识别符和发送该数据包生产者节点到位置消费者节点的路由信息；

步骤23)接收到类型2数据包的位置生产者节点根据接收到的所有类型2数据包中的到位置消费者节点的路由信息选择一个路由前级节点，生成一个类型2数据包，并在自身可用时隙向所选择的位置生产者节点发送生成的类型2数据包。

2.如权利要求1所述的一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，所述的类型2数据包包括发送该数据包的生产者节点的位置信息、发送该数据包的生产者节点所转发的其他位置生产者节点的位置信息、位置消费者节点的识别符和发送该数据包的位置生产者节点到位置消费者节点的路由信息。

3.如权利要求2所述的一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，所述的位置生产者节点到位置消费者节点的路由信息，包括所述位置消费者节点的唯一识别符和所述到位置消费者节点的跳数。

4.如权利要求1所述的一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，所述的位置信息包括该位置信息所属节点可视卫星数、该位置信息所属节点的唯一识别符、该位置信息所属节点的具体位置、该位置信息所属节点在该具体位置时的时刻。

5.如权利要求1所述的一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，所述的位置信息包括位置参考节点的差分修正信息。

6.如权利要求1所述的一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，所述的节点在自身固定分配时隙申请按需信道接入期的按需接入时隙的方法为：

步骤61)拟申请按需接入时隙的节点在自身固定分配时隙发送按需接入时隙使用请求；

步骤62)接收到上述按需接入时隙使用请求的邻居节点若发现接收到的使用请求与自身所了解的正在使用按需接入时隙的其他节点存在使用冲突，则所述邻居节点在自身固定分配时隙中将冲突信息发送给所述拟申请按需接入时隙的节点；

步骤63)拟申请按需接入时隙的节点在紧接下来的自身固定分配的时隙进行如下操作：

步骤631)若没有收到所述冲突信息，则发送按需接入时隙使用确认信息，申请使用按需分配信道接入期信道时间完成；

步骤632)否则，若收到所述冲突信息，则根据接收到的所有冲突信息计算出一个新的按需接入时隙使用请求，并回到步骤61)。

7.如权利要求6所述的一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，所述的按需接入时隙使用请求是一个独立的数据包，包含请求的按需接入时隙的编号。

8.如权利要求6所述的一种铁路作业场景的感知跟踪型无线节点的信道接入方法，所述的按需接入时隙使用确认信息是一个独立的数据包，包含请求的按需接入时隙的编号。