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牵引供电SCADA系统的通信与网络技术西南交通大学电气工程学院2讲座内容5通信与网络技术概述5牵引供电SCADA系统通信网络基本概念5主要通信设备及通信介质5牵引供电SCADA系统与被控站通信规约5典型应用案例5通道故障分析及测试31、通信与网络技术概述5通信系统的模型5通信系统的分类5数据通信5通信网5数据通信网5计算机网络互连5Internet及TCP/IP协议41.1通信系统的模型信源发送设备信道信宿接收设备干扰51.2通信系统的分类5模拟通信信源调制器信道信宿解调器干扰61.2通信系统的分类5数字通信干扰信源信源编码器信道编码器信道数字解调器信源译码器ng信宿信道译码器数字调制器71.3数据通信5信源本身发出的就是数字形式的消息，如电报、计算机数据及指令等5信源发出的信号为数字信号，无需经过模/数转换5只需考虑对信源进行压缩编码措施以降低信源的冗余度，提高有效性5实现数据通信的信道可以是模拟的，也可以是数字的5数字通信是数据通信的技术基础，数据通信是数字通信技术与计算机技术结合的产物。81.4通信网5通信网就是在一定范围内以通信设备和交换设备为点，以传输设备为线，按一定顺序点线相连形成的有机组合的系统，它可以完成多个对多个用户的通信。5基本要素有终端设备、传输链路和交换设备5将终端设备和交换设备看作点，将传输链路看作线。通信网就可以点线连接的系统来表示91.4通信网5终端设备示通信网中的源点和终点，其主要功能是在于将输入的信息变换成易于在信道中传输的信号，并参与控制由通信工作5传输链路是网络节点的连接媒介，也是信息传输的通道。它由传送信号的通信介质和各种通信装置组成5交换设备的实质就是交换机，它是通信网络的核心。其基本功能由交换、控制、管理及执行等。5按照运营方式分，有公用网和专用网；按业务范围分，可分为电话网、电报网、数据网、有线电视网、无线网和ISDN网等101.5数据通信网5是计算机技术和通信技术相结合的产物，亦称计算机通信网，主要是实现计算机与计算机或数据终端与计算机间的通信而建立的网络5第一阶段：面向终端的计算机网络5第二阶段：计算机－计算机的简单网5第三阶段：开放式标准化的网络5第四阶段：计算机网络的高速化发展阶段5主要特点：资源共享和信息交换5主要应用：交通运输指挥控制系统、电网控制系统、城市交通管制系统、气象预报及灾情控制系统等。111.5数据通信网5可分为：5局域网（LocalAreaNetwork－LAN）5广域网（WideAreaNetwork－WAN）5城域网（MetropolitanAreaNetwork－MAN）121.5数据通信网5局域网LAN5设备组成：计算机、网络设备及通信介质5主要特点：5传输范围较小5形成了开放系统互连网络，网络走向了产品化、标准化5互连性越来越强，各种不同介质、不同协议、不同接口的LAN均可实现互连5不仅能传输文本数据，而且可以传输和处理话音、图形、图象、视象等媒体数据131.5数据通信网5广域网WAN5覆盖范围从几公里到几千公里5由终端设备、节点交换设备和传送设备组成5终端设备：计算机或各种数据终端5节点交换设备：进行组/拆信息传送单元、进行路由选择和流量控制、以实现不同速率终端间的通信、进行网络的维护和管理等5传送设备主要包括：集中器、复用器、调制解调器和线路5典型的广域网：X.25,PDH,SDH,ATM141.5数据通信网5城域网MAN5覆盖范围从几公里至几百公里5数据传输率可以从几kb/s到Gb/s5MAN能够向各分散的LAN提供服务151.6计算机网络互连5根源：5通信网络和通信设备间需要互连互通5计算机网络所涉及的硬件、软件种类繁多5计算机设备又出自不同的厂商，用于不同的目的5需求：5灵活、标准化的通信接口及协议5能适应不同应用环境、不同用户的需要5结果5国际化标准组织ISO(InternationalStandardsOrganization)制定了开放系统互连OSI(OpenSystemInterconnect)的七层参考模型161.7Internet及TCP/IP协议5Internet是世界是最大的计算机网络5网上的用户可以方便地交换信息，共享资源5使用TCP/IP协议5所着Internet的普及，TCP/IP协议也成了计算机网络互连的标准协议5TCP/IP参考模型仅包括四层，更加简洁5基于TCP/IP协议的数据在实际传输时，每通过一层要在数据上加上一个报头，其中的数据供接收端的同一层协议使用。到达接收端时，每经过一层要把用过的一个报头去掉。172、牵引供电SCADA系统通信网络基本概念5牵引供电SCADA系统通信网络概述5网络拓扑结构5数据通信及传输方式5数据的差错控制方式5通信信道的常用实现方式5通信系统的质量指标182.1牵引供电SCADA系统通信网络概述调度端局域网LAN被控站1被控站2被控站n铁路专用通信网络192.1牵引供电SCADA系统通信网络概述5使用铁路专用通信网络作为传输网络5在相应的通信站或通信机械室汇接入铁路专用通信网络5早期采用的是低速的模拟通信系统，需要采用调制解调器接入远程通信系统5时至今日，铁路通信网络已初步完成由模拟通信向数字通信的转变5当前铁路通信网络主要采用SDH系统202.1牵引供电SCADA系统通信网络概述5SDH简介5SDH（SynchronousDigitalHierarchy）同步数字体系5是在PDH（准同步数字体系）发展出现许多无法克服的缺陷情况下发展起来的5PDH缺点：5仅有标准化的电接口而没有标准化的光接口,导致各厂家自行生产不能直接从光到光实现直通和调配5两大不同数字系列的兼容性问题，北美和日本采用的是1544kbit/S系，又称T1系列;以欧洲、中国为代表的采用的是2048kbit/S系列，又称E1系列5对数字通信网的管理能力严重不足5交叉、复接异常复杂212.1牵引供电SCADA系统通信网络概述5SDH特点5具有世界范围内统一的网络节点接口，易于不同厂家设备的互连、互通5有一套标准化的信息结构等级,称为同步传送模块STM-1、STM-4、STM-16、STM-64155Mbit/s,622Mbit/s,2488Mbit/s和99532Mbit/s5网管功能十分强大5可以非常容易实现自愈功能5既能够兼容现存的各种PDH系列,又充分考虑到未来发展需要5SDH结构示意图如下所示232.2网络拓扑结构5星形:结构简单、便于扩充资源共享不便、工程造价高5总线形:易于扩充、可靠性高，一个节点损坏，不会影响整个网络工作需解决存在两个节点同时向一个节点发送信息的碰撞问题5环形：网络通信在某一点故障时，不会影响到整个系统的通信5树形:分层分支的结构,一个分支和节点故障不影响其他分支和节点的工作5网状:一个节点有多条路径可以到达，可靠性高，但缺点是信道及设备投资较高242.3数据通信方式5单工通信：信息只能沿着一个方向传输，不能反向传输5半双工通信：信息可以双向传输，但不能同时传输5全双工通信：通信双方可以同时进行双向传输，两个传输方向完全独立5早期的模拟通信可采取上述三种传输方式之一；现在的数字通信均采用全双工通信252.3数据传输方式5并行传输5数字信号以成组的方式在多个并行信道上的传输5特点：传输线多、传输距离短、速度快5示例：打印机与计算机间的通信5串行传输5将数据比特流按位在一条信道上传送5特点：传输线少，传输距离较长5示例：SCADA系统中调度端与被控端间的通信262.3串行传输同步方式之异步传输5异步传输方式：是以字符为单位进行同步5优点：每一个字符本身就包括了同步信息，不需要在线路两端设置专门的同步设备，收发同步简单5缺点：每发一个字符就要填加一对起止信号，造成了线路的附加开销，降低了通信网络的可用性D0D1D2D3D4D5D6D7停止位(1-2位)起始位1位奇偶校验位0-1位272.3串行传输同步方式之同步传输5同步传输方式：以固定的时钟节拍来串行地发送数字信号5特点：需建立收、发双方的同步时钟。即不管是否传送信息，要求收发两端的时钟都必须在每个比特（位）上保持一致同步字传送帧同步字282.4数据的差错控制方式5编码或编码组具有纠错和检错能力5常用的差错控制编码方法有：5奇偶校验码5恒比码5汉明码5循环冗余校验码（又称CRC码）等5在牵引供电SCCADA系统中，差错控制编码常采用奇偶校验码和循环冗余校验码292.4数据的差错控制方式5前向纠错（FEC－ForwardErrorCorrection）5优点：前向纠错不需要反向信道，也不存在由于反馈重发而造成的时延，因而实时性好5缺点：需要较为复杂的编、译码设备；需要较多的冗余码元，使传输效率有所下降5应用：误码率较少的单向信道编码器译码器信源正向信道信宿302.4数据的差错控制方式5检错重发（ARQ－AutomaticRepeatRequest）5原理：5发送端对所发送的序列进行差错编码5接收端根据检验序列的编码规则判决有无误码5若有误码，利用反向信道要求发送端重发有错的信息5直至接收端收到正确的信息为止反向信道编码器信源正向信道信宿缓冲与控制译码器缓冲与控制312.4数据的差错控制方式5混合纠错(HEC-HybridErrorCorrection)5发送端发送具有一定纠错能力的码字5接收端对所收到的数据进行检测5若发现错误，就对少量的能纠正的错误进行纠正5对超过纠错能力的差错通过反馈重发方式予以纠正5优点：弥补了反馈重发和前向纠错的缺点322.5通信信道的常用实现方式5音频线路频率范围:300-3400Hz线路特性阻抗:6000欧电缆传输方式：二线或四线全双工。传输距离：不超过2～3公里通道杂音电平：≤-55dB信号线间串扰电平：≤-65dB信噪比：≥17dB（含瞬时）比特差错率：≤10－5（在信噪比为17dB时）332.5通信信道的常用实现方式5光纤线路优点：宽频带、大容量、中继距离长、抗电磁干扰能力强电端机发光端机光中继器电端机收光端机光缆光缆电信号342.5牵引供电SCADA系统的光纤通信系统5包括两部分：5一是铁路通信网络的光纤骨干网络，当前主要采用SDH同步数字体系5另一部分是由被控站至通信机械室、通信站间的光通信系统。因为该光纤信道专供牵引供电SCADA系统的数据通信用，容量及速率较低，故常采用准数字同步体系PDH光传输系统352.6通信系统的质量指标5有效性5是指给定信道内传输的信息内容的多少，有效性越高，系统性能越好5可靠性5是指接收信息的准确程度，即传输的“质量”问题362.6通信系统的质量指标5模拟通信系统的质量指标5有效性指标:传输带宽5可靠性指标:信躁比信躁比＝信号平均功率/噪声平均功率之比5信躁比越大，表示通信质量越高5牵引供电SCADA系统模拟通信系统常采用音频通道，为了保证通信质量，要求信噪比：≥20dB372.6通信系统的质量指标5数字通信系统的质量指标5有效性指标:传输速率5可靠性指标:误码率误码率＝出现错误的比特数/传输的总比特数5误码率越低，反映数字通信系统的可靠性就越高，通信质量就越好5有线通信系统中，一般要求误码率为10-6；光纤通信中要求误码率10-8383、主要通信设备及通信介质5调制解调器5路由器5光端机5通信介质5双绞线5同轴电缆5光缆5无线信道393.1调制解调器MODEM5目的：利用模拟通信网络进行数据通信5实现：5在发送端将数字信号转换成便于通道传送的模拟信号5在接收端再将模拟信号转换为数字信号5分类：按工作速率分：可分为低速、中速、高速按调制方式分：频移键控FSK、相移键控PSK、振幅键控ASK按工作方式分：全双工、半双工方式按工作方式分：专线Modem，也有适应市话交换机交换机的Modem按传输方式分：同步传输Modem，异步传输Modem5牵引供电SCADA系统数据通信常采用四线频移键控FSK专线调制解调器，传输速率为1200bps,2400bps403.2路由器Router5目的5用于连接多个网络或网段的网络设备5可以用于连接多个网络和多种传输介质5适用5