高速列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳輸DS-CDMA系統設計

　　引言

　　鐵路是我國最主要也是最重要的交通手段。中國的鐵路列車(chē)每年約發(fā)送旅客16億人次。為了緩解鐵路運輸能力的不足，京廣、京滬、京哈、隴海四大干線(xiàn)已經(jīng)逐步實(shí)現電氣化改造。鐵路電氣化的改造能使列車(chē)提速的同時(shí)也給列車(chē)通信方面帶來(lái)了一定的影響。

　　首先，電氣化鐵路的電力接觸網(wǎng)距離地面僅6米，距列車(chē)車(chē)廂的頂部只有1米左右的距離，而電壓卻高達2.75萬(wàn)伏。強大的電磁場(chǎng)對通信的無(wú)線(xiàn)電信號造成了干擾。其次，列車(chē)的高速運行給無(wú)線(xiàn)傳輸信號帶來(lái)了多普勒頻移，而且列車(chē)車(chē)廂本身對無(wú)線(xiàn)傳輸信號就具有一定的屏蔽作用。這些諸多因素的影響，造成列車(chē)行駛中無(wú)線(xiàn)傳輸信號的雜音大，接收困難，嚴重時(shí)甚至使通信中斷。

　　因此，如何通過(guò)技術(shù)手段克服這些現實(shí)中的困難，設計并實(shí)現一個(gè)有效的鐵路高速列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳輸系統，為車(chē)廂內的旅客在高速移動(dòng)時(shí)提供寬帶無(wú)線(xiàn)接入服務(wù)，成為目前急待解決的問(wèn)題。

　　本文針對鐵路點(diǎn)多、線(xiàn)長(cháng)，站點(diǎn)分布較散，呈線(xiàn)形分布等特殊情況，充分利用鐵路現有的SDH有線(xiàn)傳輸設備SBS622，通過(guò)設計的固定在火車(chē)站上的基地臺與高速列車(chē)上的移動(dòng)臺之間的無(wú)線(xiàn)接口以及加頂圓盤(pán)天線(xiàn)等技術(shù)，實(shí)現了鐵路高速列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )DS-CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸系統。

　　SDH接入網(wǎng)傳輸通道設計

　　在本設計中，我們主要利用SDH接入網(wǎng)來(lái)提供傳輸通道。光同步數字網(wǎng)SDH是不僅適用于光纖也適用于微波和衛星傳輸的通用技術(shù)體制。它具有全世界統一的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)接口NNI，簡(jiǎn)化了信號的互通以及信號的傳輸、復用、交叉連接和交換過(guò)程;而且具有一套標準化的信息結構等級和塊狀的幀結構，允許安排豐富的開(kāi)銷(xiāo)比特用于網(wǎng)絡(luò )的運行、管理和維護OAM。它的基本網(wǎng)絡(luò )單元有同步光纜線(xiàn)路系統、同步復用器SM、分插復用器ADM和同步數字交叉連接系統。它的特殊的復用結構，允許現存的傳統的數字復用系統都能進(jìn)入其幀結構;并且它大量采用軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )配置和控制，使得新功能和新特性的增加比較方便。

　　針對鐵路沿線(xiàn)點(diǎn)多線(xiàn)長(cháng)的特點(diǎn)，為了保證通信的可靠性，鐵路通信信號的傳輸采用環(huán)行結構，同時(shí)在傳輸媒質(zhì)層和復用段層及通道層實(shí)現保護，具體的實(shí)現方案如圖1所示。

　　圖1 鐵路SDH傳輸設備組網(wǎng)

　　接入網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)是從11、12兩根光纖傳輸，同時(shí)由7、8兩根光纖實(shí)現業(yè)務(wù)的環(huán)回。當11、12中斷時(shí)，由軟件系統自動(dòng)啟用7、8，從而實(shí)現了業(yè)務(wù)的不間斷傳輸。

　　圖1中PL1為支路板，它是速率為16*2M的電口支路板。它主要完成E1信號的線(xiàn)路收、發(fā)、轉換及2M支路時(shí)鐘信號的定時(shí)提取，實(shí)現2M信號經(jīng)TUG-2到VC-4的映射和解映射，同時(shí)收集支路告警上報，并根據線(xiàn)路告警狀態(tài)完成通道保護。DXC表示數字交叉板，一塊DXC就可完成四塊線(xiàn)路板上任意方向的上下業(yè)務(wù)的全交叉連接。利用數字交叉連接功能提供的低階通道(VC-12)和高階通道(VC-3、VC-4)可實(shí)現業(yè)務(wù)保護。STG表示時(shí)鐘板， SCC板是SDH設備的系統控制及通信板，它在SDH設備中承擔的是對同步設備的管理控制及互相之間的通信。OHP板為開(kāi)銷(xiāo)處理板，它與線(xiàn)路單元和支路單元板相連，完成線(xiàn)路方向上和支路方向上E1、E2和F1開(kāi)銷(xiāo)字節以及其它數據字節的提取和插入，最主要的是提供公務(wù)電話(huà)通道。

　　SL1板是1*622M光口支路板，它完成線(xiàn)路信號的發(fā)送與接收。SCB是小站專(zhuān)用的處理板，它包括了定時(shí)單元功能(STG)、開(kāi)銷(xiāo)處理單元功能(OHP)、主控單元功能(SCC)和交叉連接功能(DXC)，是一種綜合處理板。SPI板是電口支路板，其中SPI(S)容量為4*2M，SPI(D)容量為8*2M。PDI也是電口支路板，其中PD(S)只有16*2M的容量，而PDI(D)具有32*2M的容量。OBI板又稱(chēng)為2/1 *622M同步電路光接口板，它的傳輸距離比SL1的70KM稍短，約為30KM左右。PV8板主要實(shí)現本地設備的功能，它將本地設備發(fā)出的信號經(jīng)過(guò)處理后送往主控板(數字交叉板)以及將主控板(數字交叉板)送來(lái)的信號經(jīng)過(guò)處理后發(fā)往本地設備。

　　在本設計中，我們采用的SBS 622傳輸設備可以為我們提供站與站之間622Mb/s數據傳輸速率，同時(shí)也可以為鐵路沿線(xiàn)各站提供自動(dòng)電話(huà)服務(wù)、各種MIS系統的傳輸通道服務(wù)等。

　　基于FPGA的DS-CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸系統設計

　　在高速行駛的旅客列車(chē)上開(kāi)通互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)，主要考慮的是傳輸容量，其次是抗干擾能力，然后是體積要盡量要小，最后是功耗低可靠性高?；谝陨弦?，我們選擇了擴頻通信方案。采用Spartan3 系列中的XC3S1500芯片實(shí)現直接序列擴展頻譜通信的所有基帶功能，其中包括擴頻、匹配濾波器解擴、數控振蕩器、復混頻器，DQPSK編碼與解碼、載波和時(shí)序恢復、線(xiàn)性反饋移位寄存器和FIR濾波器。這些功能全部在一塊FPGA芯片內實(shí)現。

　　圖2給出了基于FPGA的DS-CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸系統系統結構。直序擴頻通信發(fā)射機結構見(jiàn)圖2(a)。串并轉換模塊將串行數據轉換成2位并行數據，接著(zhù)進(jìn)行差分編碼轉換成DQPSK碼元。差分編碼后與PN碼擴頻，輸出擴頻信號，其碼元速率為的擴頻碼長(cháng)度倍。在進(jìn)行濾波前，采樣率增加，使后面的正交調制滿(mǎn)足Nyquist定律。上采樣4倍后，擴頻信號使用兩路獨立的SRRC進(jìn)行脈沖成形。

　　圖2 基于FPGA的DS-CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸系統結構

　　載波恢復模塊是直序擴頻接收機最關(guān)鍵的模塊，如圖2(b)所示。當采樣與碼元不同步時(shí)，需要利用載波同步算法使其達到同步。通常，需要采用一種算法從采樣數據獲得載波信息。本文采用直接同步法中的Costas環(huán)。環(huán)路濾波器的結構如圖3所示。

　　圖3 環(huán)路濾波器方框圖

　　圖中C1、C2的計算如下：

　　式中，η是阻尼系數，一般取值0.707，B是環(huán)路濾波器帶寬，T是碼元間隔，k是相位探測器增益和NCO增益的乘積。本文方案中，取η=0.707，BT=0.1，即載波恢復范圍為碼元速率的1/10，計算可得C1=4/15k，C2=2/25k，試驗中調節k值，使之達到所要的效果。

　　Modelsim仿真表明，在66MHz工作頻率下，采用長(cháng)度為15bits的PN碼，系統數據率可以超過(guò)2Mbps。最高擴頻碼速率超過(guò)15Mbps(使用長(cháng)度為15bits的擴頻碼)。發(fā)射機共消耗435個(gè)Slices，接收機共消耗1454個(gè)Sclices，約占XC3S1500總資源的14%。

　　自動(dòng)越區切換設計

　　但凡移動(dòng)通信，都牽涉到越區切換，列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳輸系統也不例外。由于列車(chē)無(wú)線(xiàn)調度電話(huà)的使用，每個(gè)火車(chē)站上都有無(wú)線(xiàn)電信號的發(fā)射鐵塔，而且每個(gè)火車(chē)站都有通信機房。因此，鐵路無(wú)線(xiàn)通信的小區制是以各站站場(chǎng)為中心、半徑為4~7KM的圓形小蜂窩，其形狀如圖4所示。

　　圖4 鐵路無(wú)線(xiàn)小區的覆蓋

　　由于SBS 622M所提供的傳輸通道協(xié)議為V5協(xié)議，因此在與路由器連接時(shí)要經(jīng)過(guò)協(xié)議轉換器。鐵路車(chē)站小區的覆蓋采用圖4所示的三頻制。針對DS-CDMA系統來(lái)說(shuō)，就只存在三種不同的PN序列，這是因為傳輸的是高速鏈路，盡量減少多址干擾對高速傳輸很重要。

　　當列車(chē)在沿線(xiàn)的區間內正常運行時(shí)，由站1發(fā)出來(lái)的IP數據包經(jīng)過(guò)SBS 622的V5通道透明地傳輸后，再經(jīng)過(guò)DS-CDMA調制、解調，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉換器后，恢復為IP數據包，經(jīng)寬帶路由器和以太網(wǎng)交換機發(fā)往各PC機，列車(chē)局域網(wǎng)的PC機發(fā)送的IP數據包亦經(jīng)過(guò)與上述路徑相反的過(guò)程。由于列車(chē)在一個(gè)方向上是串行運行的，每個(gè)小區內至多有一趟旅客列車(chē)，因此越區切換過(guò)程就相對簡(jiǎn)單了許多，也不需要功率控制，因此就由列車(chē)臺控制越區切換。具有自動(dòng)越區切換功能的鐵路高速列車(chē)無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )系統結構如圖5所示。

　　假設列車(chē)正處在站4內，使用的是PN1序列實(shí)現與站內固定設備之間的通信。此時(shí)的移動(dòng)管理模塊1不斷檢測PN1的輸入信噪比，當不滿(mǎn)足要求時(shí)，再用PN2和PN3序列檢測輸入。若用PN2或PN3序列檢測的輸入信號大于用PN1檢測的輸入信號的信噪比，則經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)(為了防止干擾影響一般取10秒左右)后，移動(dòng)管理模塊1通過(guò)新小區的一個(gè)固定信道向車(chē)站設備送出一特定的序列和本網(wǎng)的IP地址。同時(shí)鎖閉1G緩存器的輸出，而接收電路卻正常工作。此IP地址序列由固定的通道經(jīng)過(guò)車(chē)、站的DS-CDMA調制解調、ONU(SBS 622)、OLT，送至站1的移動(dòng)管理模塊2。CISCO 7000給沿線(xiàn)的每個(gè)站分配一個(gè)內部地址，作為路由器中路由表內的接口號。移動(dòng)管理模塊2根據相應接口收到的IP地址號，自動(dòng)修改CISCO 7000路由器中的路由表，同時(shí)通過(guò)另一特定的信道給移動(dòng)管理模塊1送一確認信號。移動(dòng)管理模塊1接收到此信號后，立即控制本端的DS-CDMA切換到新的信道，收發(fā)同時(shí)切換。此時(shí)也解鎖1G緩存器的輸出。雙方開(kāi)始正常通信。

　　圖5 具有自動(dòng)越區切換功能的鐵路高速列車(chē)無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )系統

　　結論

　　本文設計并實(shí)現的鐵路高速列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳輸DS-CDMA系統充分利用了鐵路地面有線(xiàn)傳輸系統SDH的傳輸設備SBS 622和基于FPGA的直接序列擴頻通信技術(shù)等，并可以自動(dòng)進(jìn)行越區切換。由于只開(kāi)通互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)，因此省去了原本移動(dòng)網(wǎng)必不可少的移動(dòng)交換中心MSC、歸屬位置寄存器HLR、訪(fǎng)問(wèn)位置寄存器VLR等必不可少的設備，用盡量少的設備完成了盡可能多的功能。此設計方案最大的好處是能夠充分利用鐵道通信的原有通信設備，充分發(fā)揮設備潛能，進(jìn)而降低成本，增加效益。

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