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1、通信技术在铁路的应用,主讲 赵米秀 2010.5,课程说明,授课班级：全路通信干部继续教育培训班 授课对象：全路通信干部 授课课时：8课时 授课目的：通过这次学习，让广大干部职工对 铁路通信新技术在铁路的应用有一定的了 解，对与通信相关的铁路业务有一个初步 的认识，以便更好地适应铁路新形势、新 格局的变革，更好地为铁路服务。,课程内容,一 铁路通信应用 二 数据通信基础 三 通信网络协议,一、铁路通信应用,1、铁路通信的重要性； 2、铁路通信的作用； 3、高速铁路通信系统组成及技术应具有的特点； 4、通信在我国重载运输中的应用; 5、铁路通信在铁路其他系统中的应用； 6、铁路专用通信业务； 7

2、、铁路专用通信的特点和要求； 8、铁路调度通信； 9、数字调度通信设备的特点； 10、铁路数据通信业务。,一、铁路通信应用,1、铁路通信的重要性 （1）为铁路运输的重要组成部分，铁路运输的基础，是铁路实现集中统一指挥的重要手段，是保证行车安全、提高运输效率和改进管理水平的重要基础设施。 提高整车重量、增加行车密度、提高行车速度和保证行车安全等方面做出重要贡献。 铁路的中枢神经系统，在铁路运输中具有极为重要的地位。,一、铁路通信应用,2、铁路通信的作用 主要完成三方面的作用 （1）保证指挥列车运行的各种调度指挥命令信息的传输； （2）为旅客提供各种服务的通信； （3）为设备维修及运营管理提供通信

3、条件。,一、铁路通信应用,3、在高速铁路中，通信系统组成及技术应具有的特点： （1）应具有高可靠性； （2）应保证运营管理的高效率； （3）通信信号一体化； （4）通信系统与计算机网相结合，形成一个现代化的运营、管理、服务系统； （5）通信应完成各种信息的传输，提供多种通信服务； （6）多种通信方式结合形成统一的铁路通信网。,一、铁路通信应用,4、通信在我国重载运输中的应用 大秦线GSM-R的建成，一系列重大技术课题首次研究实验并取得成功： （1）首次创新的实现了LOCOTROL机车同步操控技术与G网技术的系统集成，实现了3台机车的同步操控； （2）首次实现了单套LOCOTROL系统与国产SS

4、4机车的系统集成，实现了主控机车和从控机车的同步操纵控制； （3）首次实现了机车车辆重载配套技术的系统集成创新，满足了长大下坡道周期制动的需要； （4）首次在国内实现了单列车2万吨的载重量。,一、铁路通信应用,4、通信在我国重载运输中的应用 大秦线GSM-R网络已实现的功能： （1）机车同步操纵控制功能； （2）调度通信； （3）调度命令、车次号、列车停稳信息的传送； （4）区间移动公务电话； （5）列尾信息传送。,一、铁路通信应用,5、铁路通信在铁路其他系统中的应用 （1）有关行车安全与提高效率的通信系统； （2）为旅客服务的通信系统； （3）设备维修及运营管理用的通信系统。,一、铁路通信应

5、用,6、铁路专用通信业务 （1）干、局线通信 （2）区段通信 （3）站场通信 （4）无线专用通信 （5）应急通信 （6）列车通信,一、铁路通信应用,7、铁路专用通信的特点和要求 （1）调度通信 特点：直接指挥列车运行； 调度员对车站值班员为指令型通信，值班员对调度员为请示 汇报型通信； 以调度员为中心，一点对多点的通信； 铁路点多线长，呈线状分布，列调通信也呈链状结构。 要求：列车调度电话是独立封闭的； 调度电话必须保持无阻塞通信，调度台处于定位受话状 态，调度分机摘机便可直接呼叫调度台； 调度台单键直呼所辖调度分机，并有全呼、组呼功能； 调度分机之间不允许相互直接呼叫。,一、铁路通信应用,7

6、、铁路专用通信的特点和要求 （2）站场通信 大型车站多个作业场 两类 小站站值班员与若干站内用户间 特点和要求与调度通信相同。 不同点：组网方式不同。,一、铁路通信应用,7、铁路专用通信的特点和要求 （3）站间通信 特点：点对点通信。 要求：固定直达电路（回线），不允许 搭挂其他任何电话分机。,一、铁路通信应用,7、铁路专用通信的特点和要求 （4）区间通信 特点：受模拟通信设备的限制，区间电话只能呼叫车 站、调度及本地自动电话；上行站可呼叫区 间，其他用户无法呼入。 要求：在同一区间两个点之间可以相互呼叫并通话； 区间可呼叫上行站、下行站、列调、电调； 上、下行车站可以呼叫区间电话； 具有接入

7、铁路自动电话本地网的功能。,一、铁路通信应用,8、铁路调度通信 （1）铁路调度通信设备在我国的发展历程： 第一阶段： 第二阶段： 第三阶段：,一、铁路通信应用,8、铁路调度通信 （2）铁路调度通信的业务 铁道部调度 铁路局调度,一、铁路通信应用,8、铁路调度通信 （2）铁路调度通信的业务 按机构分：干线通信铁道部调度、局线通信铁路局调度、区段调度、站调。 按调度业务性质分：干线通信铁道部调度、行调、客调、军调、特调、车流、集装箱、机车、车辆、电力、工务、电务等。 局线调度分为：局线通信铁路局调度、总调主任、客调、军特、车调、篷布、机车、车辆、工务、电务等。 区段调度分为：列调、货调、电调、红外

8、线调，以局调度员为中心，按管辖范围对所属调度对象以共线方式组成调度网络、区段通信、站场通信、站段调度。,一、铁路通信应用,8、铁路调度通信 （2）铁路调度通信的业务 公务专用电话 干线调度组网 局线调度组网 区段调度组网 站调组网,一、铁路通信应用,9、数字调度通信设备的特点 基于数字传输的数字通信设备，具有良好的传输性能； 数字交换平台与计算机技术融为一体，体现了技术先进性； 数字与模拟的兼容性，为实际运用提供了方便； 多种业务的兼容性，为区段通信数字化奠定了基础； 安全可靠性高，为保证调度指挥不间断通信创造了条件； 具有集中维护网络管理功能，大大减少了维护工作量，安全运行更有保障。,一、铁

9、路通信应用,10、铁路数据通信业务 铁通为铁路TMIS、TDCS、客票发售及预订系统、红外检测等信息系统提供了专用电路服务。 （1）TMIS系统 （2）TDCS系统 （3）铁路客票发售及预订系统 （4）铁路旅客运输收入清算及分析系统,二、数据通信基础,（一）通信基础知识 （二）数据通信的基本概念 （三）数据通信系统构成和分类 （四）数据传输方式与应用 （五）信道容量与数据传输速率,（一）通信基础知识,1、通信的概念 通信即信息的传递与交换，由一个地方向另一个地方传输消息。其目的就是传输信息。 信息：,（一）通信基础知识,2、通信的发展 分三个阶段 第一个阶段：语言和文字通信阶段； 第二个阶段：

10、电通信阶段； 第三个阶段：电子信息时代,（一）通信基础知识,3、通信系统的组成 通信系统：用电信号或光信号传递信 息的系统。 基本组成：信源、变换器、信道、反 变换器、信宿。,（一）通信基础知识,4.通信系统分类： 模拟通信 数字通信 数据通信,连续调制,脉冲调制,（一）通信基础知识,5、通信系统的质量要求 （1）有效性 指在给定信道内所传送信息量的大小。 在模拟信道内可用有效传输频带来衡量。 在数字信道内采用信息传输速率Rb 表示。 （2）可靠性 指在给定信道内接收到的信息的可靠程度。 在模拟系统中用系统的输出信噪比来表示。 在数字系统中衡量可靠性的指标是误码率。,（二）数据通信的基本概念,

11、数据通信 依照通信协议，利用数据传输手段在两个或多个功能单元之间实现数据信息的传递，可以实现计算机与计算机或计算机与终端及终端与终端之间的数据信息通信。 传输数据的目的： 1.交换数据； 2.利用计算机处理数据。,（二）数据通信的基本概念,包括两方面的内容：数据传输和数据传输前后的处理。如：数据的集中、交换和控制等。 数据传输是数据通信的基础，而数据传输前后的处理使数据的远距离交换得以实现。,（二）数据通信的基本概念,相关技术 通信技术: 传输和交换数据； 计算机技术:存储和处理数据。,（三）数据通信系统组成与分类,数据通信系统 通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来， 实

12、现数据传输、交换、存储、处理以及共享资源（包括通信线路、硬件、软件等）的系统。 组成 : 数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分。,数据通信系统组成图,数据通信系统中各设备的作用,数据终端设备（DTE） 作为人机接口设备，用于发送和接收数据的设备。 包括数据终端和计算机系统。 功能：向计算机中心输出数据和从计算机中心接收数据。 组成：输入设备、输出设备及传输控制器。,数据通信系统中各设备的作用,计算机系统 作用：处理从数据终端设备来的数据信息，并将处理结果传回给数据终端设备。 主要功能： 1.通信线路和终端设备的状态控制、终端的选择、传输的开始和结束等控制； 2.传输过程的差错控制以及传输控

13、制，包括与终端的连接、确认、传输任务及切断等； 3.传输线路的串行码与中央处理机所需要的并行码之间的变换； 4.传输速度和处理速度的变换。,数据通信系统中各设备的作用,数据电路 作用：为数据通信提供数字传输通道。（在数据电路两端收发的是二进制的数字信号，数据电路要能准确、迅速地连接两端设备，并能传输数据。） 传输信道：模拟 /数字、专用/交换。 数据电路终接设备（DCE）： *用来连接DTE与数据通信网络 , 为用户设备提供入网的连接点。 *对DTE 输出的信号进行变换处理使其适于在信道上传输。,数据电路和数据链路,数据电路 物理链路：在线路或信道上加信号变换设备之后形成的二进制比特流通路，由

14、传输信道及其两端的数据电路终接设备（DCE）组成。 数据链路 物理链路：数据电路。 链路协议：实现链路协议的硬件和软件在已建立的基础上，通过发送方和接收方之间交换 “握手 ”信号，使双方确认后方可开始传输数据的两个或两个以上的终端装置与互连线路的组合体。,数据通信系统分类,根据处理形式的不同 1.联机实时系统：从终端输入的数据，在中央处理机上 立即进行处理并将处理结果直接送回终端设备。 适于传送大量突发性数据。 2.远程批量处理系统：从远程终端向中央计算机投入批 量作业，获得处理结果。 3.分时处理系统：将中央处理机的时间分成若干时隙， 远程终端按时隙轮流使用中央计算机。,（四）数据传输方式与

15、应用, 传输方式 复用方式 传输信道 接口,内容,1.数据传输方式,单工传输 vs 双工传输 按信息传送的方向与时间。 并行传输 vs 串行传输 按信息传输使用的信道数量。 同步传输 vs 异步传输 按照信息传输的收发配合。,数据传输方式 单工vs双工,单工传输 半双工传输 全双工传输,单工传输,半双工传输,全双工传输,数据传输方式：并行 vs 串行, 并行传输:以组的方式将数据在多条并行信道上同时传送、收发，双方无需另外措施即可保证码组同步。 需要信道多，设备复杂。数据在计算机内部或距离较近时传输用。,数据传输方式：并行 vs 串行,串行传输：在一条信道上传送数据，收 发双方需采取同步措施保

16、证码组同步。 占用信道少，设备简单，使用较多。,数据传输方式：同步 vs 异步, 同步传输 把字符组合成数据帧形式发送。 速度快，开销小。,数据传输方式：同步 vs 异步,异步传输：码组起止标志。 开销比较多，用于键盘等低速设备。,2.传输信道, 目前数据通信中所使用的多为有线信道。 1.直接利用传输媒体的实线信道（如局域网中）。 2.经调制解调器的频分信道（如部分地区用户线路中）。 3.经调制解调器的时分信道。 由于光纤通信技术的发展，现在绝大部分的数据传输在时分信道上，以同步数字体系SDH 方式传输 。,3.复用方式,多路复用 提高信道的利用率。 多个低速数据终端共同使用一条高速信道。 频

17、分复用 将物理信道上分成若干个子频带作为子信道，固定分配给不同用户，各子信道间还保留一定的保护频带。 适用于传输模拟信号：电话和有线电视（CATV）系统。 与调制解调技术结合使用，且只在地区用户线上用到。,复用方式,时分复用 将物理信道分成若干时隙，每个时隙由一个用户占用。 同步时分复用 把时隙固定地分配给各个数据终端。 DDN网 统计（异步）时分复用 当终端要传送数据时，才会动态地分配到时隙。 用户数据传输速率可以高于平均传输速率，最高可以达到线路总的传输能力。 X.25、ATM,4.接口,不同的用户终端和计算机之间的连接需要标准的接口，即在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统

18、一的标准和规范。 最通用的类型 美国电子工业协会 EIA 的RS RS-232C 接口：使用串行二进制方式进行交换的 DTE 和DCE 间的接口标准，此标准共 A、B、C、D四个版本，其中 RS RS-232C 标准使用很广泛。 ITU ITU-T的V系列接口和 X系列接口； 国际标准化组织 ISO 的ISO 211O 、ISO 1177,（五）信道容量与数据传输速率,信道容量 模拟信道容量 数字信道容量 数据传输速率 传码率 传信率 频带利用率 差错率 误码率,信道容量, 信道容量：信道在单位时间内能传送的最大信息量，单位b/s，即信道的最大传信率。 模拟信道的信道容量 C=Blog2(1+

19、S/N)。 B信道带宽 信噪比S/N：S信号功率，N噪声功率之比，单位分贝 (S/N)dB =10lg(S/N)。 例：若信道带宽为3KHz，信道上仅存在加性白噪声，其信噪比为20dB, 求信道容量。 解：(S/N )dB=20dB=10lg(S/N)，S/N=100。 C=Blog2(1+S/N)=3000log(1+100)(19975b/s),信道容量, 信道容量：信道在单位时间内能传送的最大信息量，单位b/s，即信道的最大传信率。 模拟信道的信道容量 C = Blog2(1+S/N) 数字信道的信道容量 C = 2Blog2M（M进制， 码元符号所能取值的个数） 例：若信道带宽为3KH

20、z，采用四进制传送数字信号 , 求信道容量。 解：C=2Blog2M=2M=23000log24=12000 b/s,数据传输速率, 信息传输速率（ Rb）:简称传信率，又称信息速率、比特率. 表示单位时间内传输的信息比特数，单位:比特秒，记为bit/s 、b/s 、bps. 比特在信息论中作为信息量的度量单位. 一般在数据通信中，如使用 “1”和“0”的概率是相同的，则每个 “1”和“0”就是一个比特的信息量。 例：一个数据通信系统，每秒内传输9600bit，传信率为多少？ 解： Rb9600bit/s,数据传输速率, 码元传输速率（ RB）:简称传码率，又称符号速率、波特率、调制速率. 单

21、位时间内信道传输码元个数，单位波特（ Baud 或记为B）。 例：某系统每秒传送9600个码元，则该系统的传码率为 9600B。 码元传输速率与信息传输速率的关系Rb = RBlog2N，（N为码元的进制数） 例: RB=9600B N=2， Rb = 9600b/s N=4， Rb = 19.2kbit/s N=8， Rb = 28.8kbit/s,数据传输速率, 频带利用率 指单位频带内的传输速率， =传输速率/占用频带，单位：比特秒 赫（ bsHz） 例如某数据通信系统传信率为 9600bit/s，占用频带为6kHz，则其频带利用率为1.6bit/(s Hz)。,差错率, 衡量数据通信系

22、统可靠性的主要指标是差错率。 误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数中错误接收的 码元数所占的比例，用字母 Pe 来表示，即 Pe错误接收的码元数/所传输的总码元数 数据传输误码率一般都低于 10-10 。,差错率,衡量数据通信系统可靠性的主要指标是差错率。 误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数中错误接收的 码元数所占的比例，用字母 Pe 来表示，即 Pe错误接收的码元数/所传输的总码元数 数据传输误码率一般都低于 10-10 。,三、网络通信协议,（一）协议的概念与层次结构 （二）开放系统互连参考模型 （三）TCP/IP 体系结构,（一）协议的概念与层次结构,通信网 硬件设备：终端

23、 + 信道 + 交换设备。 协议： 为保证通信正常进行，通信双方必须认同一套用于信息交换的约定 规则，并正确执行。 电话网中的信令方式。 数据通信中的传输控制协议。 协议（Protocol）是约定规则所使用的语言及表达的语义。,1.协议的要素,语法 规定通信双方 “如何讲 ”； 确定数据格式、数据码型、信号电平等。 语义 规定通信双方 “讲什么 ”； 确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信息、执行什么动作和返回什么应答等。 定时关系 规定事件执行的顺序； 确定链路通信过程中通信状态的变化，如规定正确的应答关系等。,2.协议栈, 协议栈 对所有通信的完整细节，设计人员不可能设计一个单

24、一、巨大的协议，而是把通信问题划分成多个相对独立的问题，然后为每个问题设计一个单独的协议（称为协议子集）。 通信协议内容 数据信号传输、帧传输 误码检测和纠错 局域网通信协议 路由选择 拥塞和流量控制 通信保密 传输控制,3.网络体系结构,体系结构（层次结构） 层次和协议的集合。提供足够信息使软件设计人员给每层编写实现该层协议的有关程序，即通信软件。 国际标准组织 ISO 开放系统互连参考模型（简称 OSI OSI-RM RM）。 按照此标准设计和建成的计算机网络系统可以互相通信。 20世纪80年代，ISO与ITU等组织为参考模型的各个层 次制定了一系列的协议标准，组成了一个庞大的 OSI 基

25、本协议集。我国也于1989年在国家经济系统设计与应用标准化规范 中明确规定选定 OSI 标准作为我国网络建设标准。,（二）开放系统互连参考模型,1.分层通信 整个网络的通信功能分为7层； 实通信：第N层的数据在垂直层次中自上而下地逐层传递直至物理层，在物理层的两个端点进行物理通信； 虚拟通信：对等层由于通信并不是直接进行。,（二）ISO的开放系统互连参考模型 (OSI-RM),（二）ISO的开放系统互连参考模型,2.各层功能： 物理层（PH） 通信线路上比特流的传输问题 , 描述传输媒质的电气、机械、 功能和过程的特性。 数据链路层（DL） 数据链路上帧流的传输问题，以保障在相邻节点间正确有序

26、有节 奏地传输数据帧。 面向字符的传输控制协议，如基本型传输控制协议（BSC）。 面向比特的传输控制协议，如高级数据链路控制协议（HDLC）。 网络层（N） 处理分组在网络中的传输，描述路由选择，数据交换，网络连接 建立和终止。 ITU ITU-T的X. 25 建议的第三层标准。,（二）ISO的开放系统互连参考模型,运输层 运输层地址变换为网络层地址； 运输连接的建立和终止； 连接复用； 端-端的次序控制、信息流控制、错误检测和恢复。 OSI的三个底层可组成公共网络，可被很多设备共享。 为防止传送错误，两个计算机之间可实现端到端控制。,（二）ISO的开放系统互连参考模型,用邮政通信来类比 运输

27、层：用户部门的收发室，负责本单位各办公室信件的登记和收发工作，然后交邮局投送。 网络层以下 3个底层：邮局，尽管邮局之间有一套规章制度来确保信件正确、安全地投送，但难免在个别情况下会出错。 收发用户间可经常核对流水号，如发现信件丢失就向邮局查询。,（二）ISO的开放系统互连参考模型,会话层 用户与用户的连接，它通过在两台计算机间建立、管理和终止通信来完成对话。 表示层 处理应用实体间交换数据的语法，解决格式和数据表示的 差别，从而为应用层提供一个一致的数据格式，使字符、格式等有差异的设备之间相互通信。 应用层 提供网络服务相关，这些服务包括文件传送、打印服务、数据库服务、电子邮件等。应用层提供

28、了一个应用网络通信的接口。,ISO的开放系统互连参考模型,3.说明 从七层的功能可见 1-3主要是完成数据交换和数据传输，称之为网络低层，即通信子网； 5-7层主要是完成信息处理服务的功能，称之为网络高层； 低层与高层之间由第4层衔接。 数据通信网只有物理层、数据链路层和网络层。,（三）TCP/IP 体系结构,1.TCP/IP 分层体系结构; 2. TCP/IP 分层协议模型; 3.TCP/IP 的主要特点,1.TCP/IP 分层体系结构,（1）TCP/IP与OSI模型来源不同 OSI模型来自于标准化组织。 TCP/IP产生于Internet研究和应用实践。,1.TCP/IP 分层体系结构,2

29、. TCP/IP 分层协议模型,网络接入层：Ethernet,Token ring等; 网络层：IP 协议; 运输层：传输控制协议TCP,用户数据协 议UDP; 应用层: 大量作为网络服务协议，如 Telnet、FTP等.,3.TCP/IP 的主要特点,(1)高可靠性 TCP/IP采用重新确认的方法保证数据的可靠传输，并采用“窗口”流量控制机制得到进一步保证。 (2)安全性 为建立TCP连接，在连接的每一端都必须与该连接的安全性控制达成一致。IP协议在它的控制分组头中有若干字段允许有选择地对传输的信息实施保护。 (3)灵活性 TCP/IP要求下层支持该协议，而对上层应用协议不作特殊要求。因此，

30、TCP/IP的使用不受传输媒体和网络应用软件的限制。,4.TCP/IP 模型各层功能,(1)应用层 应用层为用户提供访问 Internet 的应用高层协议，即一组应用程序，如FTP 、Telnet 等。 对数据进行格式化以便于传输与接收，完成应用要求的服务。,4.TCP/IP 模型各层功能,(2) 运输层 运输层是衔接通信子网（低3层）和资源子网（高3层）的桥梁，起到承上启下的作用。它对高层屏蔽，使高层用户的同等实体在交互过程中不受下层数据通信技术的影响。 任务：可根据子网的特性最佳地利用网络资源，并根据网络会话实体的要求，以最低费、最高可靠性为两个端系统（发送站和目的站）的会话层之间建立一条

31、运输连接，以透明方式传送报文，或者说，运输层为会话层提供了一个可靠的端对端的服务。运输层只存在于端系统（主机）之中，又叫端-端层或主机-主机层。 主要功能：建立、拆除和管理运输站。,4.TCP/IP 模型各层功能,（3） 网络层 IP 协议：提供主机间的数据传送能力。 处理来自运输层的分组发送请求。收到请求后，将分组装入IP 数据报，填充报头，选择路由，然后将数据报发往适当的网络接口。 处理输入数据报。首先检查输入的合法性，然后进行路由选择。假如该数据报已到达目的地 (本机 )，则去掉报头，将剩下的部分 (即运输层分组 )交给适当的传输协议；假如该数据报未到达目的地，则转发该数据报。 处理差错

32、与控制报文。处理路由、流量控制、拥塞控制等问题。,4.TCP/IP 模型各层功能,网络层提供的其他协议：协助 IP 协议更好地完成数据报文传送。 地址解析协议ARP：用于将Internet地址转换成物理地址； 反向地址解析协议RARP：与ARP的功能相反，用于将物理地址转换成Internet地址； 网间控制信息协议ICMP：用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括：差错控制、拥塞控制和路由控制等。,4.TCP/IP 模型各层功能,网络接入层 负责接收 IP 分组，通过特定的网络进行传输，或者从 网络上接收物理帧，抽出 IP 分组，上交给运输层； 网络接入主要有两种类型： 设备驱动程序，如机器

33、直接连到局域网的网络接入； 专用数据链路协议子系统，如 X.25 中的网络接入。,5.计算机通信网技术发展,局域网技术 高速：高速以太网， ATM； 移动：无线局域网。 多层交换技术 MPLS（三层）。 QoS 保证技术 对等网络P2P：分布式对等组网模式。,5.计算机通信网技术发展,Web 技术 现在： Web2.0 ：search, social networks, online media (music, video,etc), content aggregation and syndication (RSS), mashups (APIs), APIs), 未来： 语义网，人工智能，虚拟世界，移动 Web，注意力经济，网站提供Web服务，在线视频 /互联网电视，富互联网应用，国际Web，个人化。,