專利名稱：一種可用于鐵路作業等場景的無線信道接入方法
技術領域：
本發明一種鐵路作業安全警示方法和系統，尤其是一種用于向參與作業的鐵路列車駕駛員和正在駛入作業區域的列車駕駛員警示非司機作業人員和作業裝置位置和作業狀態、向非司機作業人員警示列車運行狀態，從而確保作業安全的方法和系統，屬于鐵路信息化技術領域。
背景技術：
在鐵路編組作業中，一部分貨物到站或者空列車車廂要脫離列車，而另外一部分已經裝滿貨物的列車車廂要掛接到列車上去。整個過程完成后列車完成編組駛離作業區域。在整個作業過程中，一方面作業是在軌道上進行的，會與作業期間通行作業區域的列車相互影響，作業列車應該避讓通行列車；另一方面，在作業過程中，要保證作業安全人員安全，也要保證已經裝滿貨物的列車車廂順利掛接到整個列車上去。在我國鐵路系統中，目前廣泛使用的方法是在參與作業的列車駕駛員和參與作業的非駕駛員之間采用對講機喊話、旗語方式進行溝通，整個過程容易發生錯誤。當在作業期間有通行作業區域的列車通過時，由調度室的調度員喊話通知。這樣不僅耗費多于的人力，而且由于種種不確定的人為因素，如調度員偶爾疏忽大意，或者作業人員相互之間信息交流發生障礙、延誤、誤解等，都對相關作業人員人身安全以及列車運行安全構成了威脅。對于通行列車，在已有文獻中，專利申請書(申請號200910302532.X)公開了一種鐵路作業安全警示方法和系統，該申請書的公開的方法是周期性地測量列車與作業現場的距離，當列車與作業現場之間的距離達到警戒值時、或根據列車的速度計算出列車到達作業現場所需的時間達到警戒值時，在作業現場發出警戒信號。利用該方法和系統，鐵路作業人員能夠及時了解列車接近的情況，及時做好相應準備并離開鐵道。
實際上，更關鍵是解決參與作業人員的信息交流問題，方法一種就是讓列車駕駛員和調度員甚至更高級的管理人員能夠實時的感知作業情況，其中最基本的需求是采集所有節點的實時位置信息。本發明的目的，是為采集所有節點實時位置信息設計一種適合的通信協議，本發明公開的是該協議中節點的信道接入方法。
發明內容
為解決鐵路編組作業中參與作業人員的信息交流問題，讓列車駕駛員和調度員甚至更高級的管理人員能夠實時的感知作業情況，需采集所有節點的實時位置信息。本發明的的目的，是為采集所有節點實時位置信息設計一種適合的通信協議，本發明公開的是該協議中節點的信道接入方法。根據本發明的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，包括以下步驟:步驟11)將全部可用信道時間劃分為連續的超幀，每一個超幀分為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劃分為若干連續的時隙，固定分配信道接入期的時隙稱作固定分配時隙，按需分配信道接入期的時隙稱作按需接入時隙；步驟12)為每一個節點固定分配一個固定分配時隙；各節點在自身固定分配時隙使用信道；當節點固定分配時隙不夠使用時，節點在自身固定時隙申請按需信道接入期的按需接入時隙，并在成功申請的按需接入時隙訪問信道；一個節點的自身可用時隙包括自身固定分配時隙和成功申請的按需接入時隙；步驟13)為所有節點分配一個固定的唯一識別符，按照該識別符確定節點固定分配時隙之間的先后順序；步驟14)固定一天之內超幀的起始時刻與世界協調時的關系，使網絡中每一個節點可以根據當前世界協調時確切知道每一個超幀的起始時刻；所有能夠接收衛星定位系統信號并能夠解算獲得當前世界協調時的節點在自身固定分配時隙使用信道；所有不能夠獲得當前世界協調時的節點根據當前正在發送數據的周圍節點的唯一識別符來確定自身固定分配時隙的起始時刻,并根據該起始時刻來訪問信道；所述的無線節點的使用信道的方法為:步驟21)將需要獲得其他節點位置的節點定義為位置消費者節點，其他節點為位置生產者節點；位置消費者節點廣播類型I數據包請求收集網絡中所有位置生產者節點的位置；步驟22)接收到類型I數據包的位置生產者節點在自身可用時隙發送類型2數據包，類型2數據包用于向路由前級節點發送該數據包的生產者節點的位置信息、轉發的其他位置生產者節點的位置信息，同時向其他位置生產者通知位置消費者節點的識別符和發送該數據包生產者節點到位置消費者節點的路由信息；
步驟23)接收到類型2數據包的位置生產者節點根據接收到的所有類型2數據包中的到位置消費者節點的路由信息選擇一個路由前級節點，生成一個類型2數據包，并在自身可用時隙向所選擇的位置生產者節點發送生成的類型2數據包；所述的類型2數據包包括發送該數據包的生產者節點的位置信息、發送該數據包的生產者節點所轉發的其他位置生產者節點的位置信息、位置消費者節點的識別符和發送該數據包的位置生產者節點到位置消費者節點的路由信息。所述的位置生產者節點到位置消費者節點的路由信息，包括所述位置消費者節點的唯一識別符和所述到位置消費者節點的跳數。所述的位置信息包括該位置信息所屬節點可視衛星數、該位置信息所屬節點標識ID、該位置信息所屬節點的具體位置、該位置信息所屬節點在該具體位置時的時刻。所述的位置信息包括位置參考節點的差分修正信息；所述的節點在自身固定時隙申請按需信道接入期的按需接入時隙的方法為:步驟71)擬申請按需接入時隙的節點在自身固定分配時隙發送按需接入時隙使用請求；步驟72)接收到上述按需接入時隙使用請求的鄰居節點若發現接收到的使用請求與自身所了解的正在使用按需接入時隙的其他節點存在使用沖突，則所述鄰居節點在自身固定分配時隙中將沖突信息發送給所述擬申請按需接入時隙的節點；
步驟73)擬申請按需接入時隙的節點在緊接下來的自身固定分配的時隙進行如下操作:步騾731)若沒有收到所述沖突信息，則發送按需接入時隙使用確認信息，申請使用按需分配信道接入期信道時間完成；步騾732)否則，若收到所述沖突信息，則根據接收到的所有沖突信息計算出一個新的按需接入時隙使用請求，并回到步驟I。所述的按需接入時隙使用請求是一個獨立的數據包，包含請求的按需接入時隙的編號。所述的按需接入時隙使用確認信息是一個獨立的數據包，包含請求的按需接入時隙的編號。本發明的有益之處是最大程度上了消除了節點間的發送沖突，有利于降低功耗和提高帶寬效率，適合鐵路 作業等場景的態勢感知。
圖1是根據本發明的鐵路編組作業典型場景。圖2根據本發明的無線節點的信道接入方法的超幀劃分。圖3根據本發明的類型I數據包的一個典型格式。圖4根據本發明的類型2數據包的一個典型格式。圖5根據本發明的普通位置信息的一個典型格式。圖6根據本發明的差分位置信息的一個典型格式。圖7根據本發明的類型3數據包的一般格式。圖8根據本發明的類型4數據包的一般格式。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。圖1是根據本發明的無線網絡的典型場景。如圖1所示，本發明要解決的問題為:作為網絡中的任意一個普通節點Al，在無線網絡的拓撲任意變化、網絡中節點鏈路帶寬有限的情況下，希望以最簡單高效的方式獲得所有其它節點A2-A6的位置。該需求的一個應用背景為:在我國鐵路編組作業中，一部分貨物到站或者空列車車廂要脫離列車，而另外一部分已經裝滿貨物的列車車廂要掛接到列車上去。整個過程完成后列車完成編組駛離作業區域。目前廣泛使用的方法是在參與作業的列車駕駛員和參與作業的非駕駛員之間采用對講機喊話、旗語方式進行溝通，整個過程容易發生錯誤。當在作業期間有通行作業區域的列車通過時，由調度室的調度員喊話通知。這樣不僅耗費多于的人力，而且由于種種不確定的人為因素，如調度員偶爾疏忽大意，或者作業人員相互之間信息交流發生障礙、延誤、誤解等，都對相關作業人員人身安全以及列車運行安全構成了威脅。圖1所示的無線節點為參與作業的每一個人員攜帶的無線設備(即圖1的無線節點)。任意一個參與作業的人，比如列車駕駛員，可以通過攜帶的無線設備了解其他參與作業的人員和設備的情況，從而做出正確的操作。上述無線網絡還可以在很多其他應用領域找到，在一些文獻中也叫態勢感知。
根據本發明的無線節點的信道接入方法為:步驟11)將全部可用信道時間劃分為連續的超幀，每一個超幀分為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劃分為若干連續的時隙，固定分配信道接入期的時隙稱作固定分配時隙，按需分配信道接入期的時隙稱作按需接入時隙；步驟12)為每一個節點固定分配一個固定分配時隙Sfix ;各節點在自身固定分配時隙使用信道；當節點固定分配時隙不夠使用時，節點在自身固定時隙申請按需信道接入期的按需接入時隙，并在成功申請的按需接入時隙訪問信道；一個節點的自身可用時隙包括自身固定分配時隙和成功申請的按需接入時隙；步驟13)為所有節點分配一個固定的唯一識別符，按照該識別符確定節點固定分配時隙之間的先后順序；假設節點數為M，節點的唯一識別符可以設計為O到M ;時隙的個數為K，編號是從O到K (K不小于M)，一種簡單的辦法是時隙m對應ID為m的節點。當然，也可以有另外的對應方式，比如讓個別節點占用多于I個時隙。在確定了分配給一個節點的固定時隙后，進一步要解決的問題，是讓節點確定分配給它的固定時隙的起始時刻。步驟14)固定一天之內超幀的起始時刻與世界協調時的關系，使網絡中每一個節點可以根據當前世界協調時確切知道每一個超幀的起始時刻；一種簡單方法是讓超幀的周期可以整除60秒，比如設定超幀周期為10秒，那么每當世界協調時的秒數可以被10整除時，就是超幀的起始時刻；所有能夠接收衛星定位系統信號并能夠解算獲得當前世界協調時的節點在自身固定分配時隙使用信道；所有不能夠獲得當前世界協調時的節點根據當前正在發送數據的周圍節點的唯一識別符來確定自身固定分配時隙的起始時刻，并根據該起始時刻來訪問信道；比如當節點m無法獲得當前世界協調時時，它如果收到節點m-2發送的第一個數據包，它就知道分配給自身的固定分配時隙將在Sfix(m-2)+Sfix(m-1)之后開始，Sfix(m-2)是分配給m-2節點的固定分配時隙長度,而Sfix(m_l)是分配給m_l節點的固定分配時隙長度；
根據本發明的無線節點的使用信道的方法為:步驟21)將需要獲得其他節點位置的節點定義為位置消費者節點，其他節點為位置生產者節點；位置消費者節點廣播類型I數據包請求收集網絡中所有位置生產者節點的位置；步驟22)接收到類型I數據包的位置生產者節點在自身可用時隙發送類型2數據包，類型2數據包用于向路由前級節點發送該數據包的生產者節點的位置信息、轉發的其他位置生產者節點的位置信息，同時向其他位置生產者通知位置消費者節點的識別符和發送該數據包生產者節點到位置消費者節點的路由信息；步驟23)接收到類型2數據包的位置生產者節點根據接收到的所有類型2數據包中的到位置消費者節點的路由信息選擇一個路由前級節點，生成一個類型2數據包，并在自身可用時隙向所選擇的位置生產者節點發送生成的類型2數據包；根據本發明的無線節點的使用信道的方法的具體說明如下:圖3是類型I數據包的一個典型格式。其中同步字節Cl是可以是多個字節，用于識別一個新包的開始，類型字節C2標識類型I數據包，接收者地址C3為廣播地址，在本例中，接收者地址就是接收數據包的節點的識別符，地址即廣播識別符是一個不同于其他識別符的一個專用識別符。發送者地址即廣播類型I數據包的位置消費者節點的識別符，包序號C5是一個遞增數字，專門用于識別一個數據包，這在通信協議里是常用字節，校驗字節C6是前面所有字節的根據某種校驗方式如16位循環冗余校驗(CRC16)、8位循環冗余校驗(CRC16)等。圖4給出了類型2數據包的格式。與類型I數據包不同的是:類型D2改為類型2數據包標識，并增加了數據部分D1。數據部分Dl又具體包括位置消費者節點地址D10、發送本數據包的節點到位置消費者節點的跳數D11，位置信息個數D12，以及D12個位置信息，其中位置信息通常O為發送本數據包的節點的位置信息。在本例中我們的使用的路由方式是最短路徑路由，因此，位置生產者節點到位置消費者節點的路由信息，包括所述位置消費者節點的唯一識別符和所述到位置消費者節點的跳數。因此路由信息就是類型2數據包中的{位置消費者節點地址D10、發送本數據包的節點到位置消費者節點的跳數D11}這兩部分。路由是數據包從源節點到目的節點的傳播
路徑，路由由{源節點、中間節點O、中間節點1、中間節點2........目的節點}構成。在
路由上與一個節點相鄰但比該節點更靠近目的節點的節點稱作該節點的路由前級，路由前級可以是目的節點。在路由上與一個節點相鄰但比該節點更靠近源節點的節點稱作該節點的路由后級。在本例中，目的節點一定是位置消費者節點。按照最短路徑路由方法，接收到類型2數據包的位置生產者節點選擇位置生產者節點的方法為:選擇在過去一段時間中接收到的類型2數據包的發送節點中到位置消費者節點的路由最近的節點。到位置消費者節點的路由最近的節點的一種計算方法:將到位置消費者節點跳數最小的節點作為路由最近的節點。位置信息又具體分為兩種，一種是普通位置信息，其格式如圖5所示，包括長度字節D136、可視衛星數D130、節點地址D131、經度D132、緯度D133、高度D134、時間D135。長度字節D136標識后續D130 D135的總字節數；可視衛星數D130表示該位置信息所屬節點的可見導航衛星的個數；節點地址D131表示該位置信息所屬節點；時間D135表示經度D132、緯度D133、高度D134具體位置所確定的具體位置是該位置信息所屬節點在時間D135時刻的具體位置。另外一種位置信息是差分位置信息。為了提高導航定位精度，在實際應用中，通常引入一個不移動的定位參考節點，定位參考節點經過單點精確定位確定自身的位置，然后生成將差分位置信息，并將該信息在無線網絡中廣播，所有接收到該差分信息的節點根據該差分信息修正自身位置，從而得到更加精確的位置；另外一種方法是:定位參考節點只將差分位置信息送給位置消費者節點，位置消費者節點根據接收到的差分信息和來自“位置生產者節點的普通位置信息進行差分修正。進行單點精確定位、生成差分信息、進行差分修正是導航領域的成熟技術。差分位置信息的格式如圖6所示，長度字節D136標識差分修正信息D7的總字節數。差分修正信息的具體內容在導航領域是已知的和成熟的技術。當節點固定時隙不夠使用時，節點在固定時隙請求申請按需接入時隙。節點在自身固定時隙申請按需信道接入期的按需接入時隙的方法為:步驟71)擬申請按需接入時隙的節點在自身固定分配時隙發送按需接入時隙使用請求；
步驟72)接收到上述按需接入時隙使用請求的鄰居節點若發現接收到的使用請求與自身所了解的正在使用按需接入時隙的其他節點存在使用沖突，則所述鄰居節點在自身固定分配時隙中將沖突信息發送給所述擬申請按需接入時隙的節點；步騾73)擬申請按需接入時隙的節點在緊接下來的自身固定分配的時隙進行如下操作:步驟731)若沒有收到所述沖突信息，則發送按需接入時隙使用確認信息，申請使用按需分配信道接入期信道時間完成；步驟732)否則，若收到所述沖突信息，則根據接收到的所有沖突信息計算出一個新的按需接入時隙使用請求，并回到步驟I。我們假設在圖1中，節點A2和A7的固定分配時隙不夠使用，需要請求接入時隙。這里假設按需接入時隙的編號為O到A (A 一般不等于O)。A2在自身固定分配時隙中發送按需接入時隙使用請求，方法之一將按需接入時隙使用請求設計為一個獨立的數據包，定義為類型3數據包，其中至少包含請求的按需接入時隙的編號。具體地，節點A2廣播一個類型3數據包，類型3數據包的含義是請求按需接入時隙，包含請求的按需接入時隙的編號，這里假設為O。圖7是類型3數據包的一個典型格式。與類型I數據包相比，類型字節E2標識類型3數據包，申請的時隙號被放入字節E6。接收到該類型3數據包的節點沒有發現任何的使用沖突，不發送任何數據包。對于A2來說，在接下來的超幀中，當分配給A2固定時隙的到來，而A2沒有收到任何沖突信息，因此A2將發送按需接入時隙使用確認信息。按需接入時隙使用確認信息一般以一個獨立的數據包的形式發送，按需接入時隙使用確認信息至少包含請求的按需接入時隙的編號。這里將按需接入時隙使用確認信息包設為類型4數據包，A2在其自身固定分配時隙發送一個類型4數據包確認使用按需接入時隙O。類似的，節點A7在其固定時隙中發送按需接入時隙請求，即廣播一個類型3數據包。類型3數據包包含按需接入時隙的具體編號，因為A7的時隙在A2之后，A7接收到A2發送了類型3數據包，因此知道A2申請了按需接入時隙0，A7將申請按需接入時隙I。接收到該類型3數據包的節點沒有發現任何的使`用沖突，不發送任何數據包。所以A7在接下來的超幀中，當分配給A7固定時隙的到來，而A7沒有收到任何沖突信息，因此A7將發送類型4數據包，確認使用按需接入時隙I。另外一種情況是，A7沒有接收到A2發送了類型3數據包，因此不知道A2申請了按需接入時隙0，A7將也申請按需接入時隙O。接收到該類型3數據包的節點發現與A2申請沖突，因此在它們的固定分配時隙發送類型4數據包，由于A2的編號小于A7，這些節點按照先到先得的原則將按需接入時隙O分配給A2。所以A7在接下來的超幀中，當分配給A7固定時隙的到來，因為A7收到與A2的沖突信息，因此A7根據接收到的沖突信息計算出一個新的按需接入時隙使用請求，即請求時隙1，并再次發送類型3數據包。圖8是類型4數據包的一般格式。類型4數據包與類型3數據包的格式相同，只是其類型字節F2標識類似4。本發明的有益之處是最大程度上了消除了節點間的發送沖突，有利于降低功耗和提高帶寬效率，適合鐵路作業等場景的態勢感知。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，包括以下步驟: 步驟11)將全部可用信道時間劃分為連續的超幀，每一個超幀分為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劃分為若干連續的時隙，固定分配信道接入期的時隙稱作固定分配時隙，按需分配信道接入期的時隙稱作按需接入時隙； 步驟12)為每一個節點固定分配一個固定分配時隙；各節點在自身固定分配時隙使用信道；當節點固定分配時隙不夠使用時，節點在自身固定時隙申請按需信道接入期的按需接入時隙，并在成功申請的按需接入時隙訪問信道；一個節點的自身可用時隙包括自身固定分配時隙和成功申請的按需接入時隙； 步驟13)為所有節點分配一個固定的唯一識別符，按照該識別符確定節點固定分配時隙之間的先后順序； 步驟14)固定一天之內超巾貞的起始時刻與世界協調時的關系，使網絡中每一個節點可以根據當前世界協調時確切知道每一個超幀的起始時刻；所有能夠接收衛星定位系統信號并能夠解算獲得當前世界協調時的節點在自身固定分配時隙使用信道；所有不能夠獲得當前世界協調時的節點根據當前正在發送數據的周圍節點的唯一識別符來確定自身固定分配時隙的起始時刻，并根據該起始時刻來訪問信道。
2.如權I的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，所述的無線節點的使用信道的方法為: 步驟21)將需要獲得其他節點位置的節點定義為位置消費者節點，其他節點為位置生產者節點；位置消費者節點廣播類型I數據包請求收集網絡中所有位置生產者節點的位置； 步驟22)接收到類型I數據包的位置生產者節點在自身可用時隙發送類型2數據包，類型2數據包用于向路由前級節點發送該數據包的生產者節點的位置信息、轉發的其他位置生產者節點的位置信息，同時向其他位置生產者通知位置消費者節點的識別符和發送該數據包生產者節點到位置消費者節點的路由信息； 步驟23)接收到類型2數據包的位置生產者節點根據接收到的所有類型2數據包中的到位置消費者節點的路由信息選擇一個路由前級節點，生成一個類型2數據包，并在自身可用時隙向所選擇的位置生產者節點發送生成的類型2數據包。
3.如權2的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，所述的類型2數據包包括發送該數據包的生產者節點的位置信息、發送該數據包的生產者節點所轉發的其他位置生產者節點的位置信息、位置消費者節點的識別符和發送該數據包的位置生產者節點到位置消費者節點的路由信息。
4.如權3所述的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，所述的位置生產者節點到位置消費者節點的路由信息，包括所述位置消費者節點的唯一識別符和所述到位置消費者節點的跳數。
5.如權2所述的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，所述的位置信息包括該位置信息所屬節點可視衛星數、該位置信息所屬節點標識ID、該位置信息所屬節點的具體位置、該位置信息所屬節點在該具體位置時的時刻。
6.如權2所述的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，所述的位置信息包括位置參考節點的差分修正信息。
7.如權I所述的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，所述的節點在自身固定時隙申請按需信道接入期的按需接入時隙的方法為: 步驟71)擬申請按需接入時隙的節點在自身固定分配時隙發送按需接入時隙使用請求； 步驟72)接收到上述按需接入時隙使用請求的鄰居節點若發現接收到的使用請求與自身所了解的正在使用按需接入時隙的其他節點存在使用沖突，則所述鄰居節點在自身固定分配時隙中將沖突信息發送給所述擬申請按需接入時隙的節點； 步驟73)擬申請按需接入時隙的節點在緊接下來的自身固定分配的時隙進行如下操作: 步驟731)若沒有收到所述沖突信息，則發送按需接入時隙使用確認信息，申請使用按需分配信道接入期信道時間完成； 步驟732)否則，若收到所述沖突信息，則根據接收到的所有沖突信息計算出一個新的按需接入時隙使 用請求，并回到步驟I。
8.如5所述的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，所述的按需接入時隙使用請求是一個獨立的數據包，包含請求的按需接入時隙的編號。
9.如5所述的一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法，所述的按需接入時隙使用確認信息是一個獨立的數據包，包含請求的按需接入時隙的編號。
全文摘要
本發明公開了一種鐵路作業等場景的感知跟蹤型無線節點的信道接入方法。所述方法為將全部可用信道時間劃分為連續的超幀，每一個超幀分為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為每一個節點固定分配一個時隙；各節點通過固定分配時隙使用信道，并按需申請按需分配信道接入期的信道時間；按照一天內的世界協調時和超幀周期確定每一個超幀的起始時刻，網絡中每一個節點確切知道每一個超幀的起始時刻；為所有節點分配一個固定的唯一的識別符，按照該識別符確定節點固定分配時隙之間的先后順序。本發明的有益之處是最大程度上了消除了節點間的發送沖突，有利于降低功耗和提高帶寬效率，適合鐵路作業等場景的態勢感知。
文檔編號B61L23/06GK103228019SQ201210308269
公開日2013年7月31日 申請日期2012年8月28日 優先權日2012年8月28日
發明者陳晨, 陳曦, 陳波 申請人:陳波