高速列車互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無線傳輸DS-CDMA系統(tǒng)設(shè)計

　　引言

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

　　首先，電氣化鐵路的電力接觸網(wǎng)距離地面僅6米，距列車車廂的頂部只有1米左右的距離，而電壓卻高達(dá)2.75萬伏。強(qiáng)大的電磁場對通信的無線電信號造成了干擾。其次，列車的高速運(yùn)行給無線傳輸信號帶來了多普勒頻移，而且列車車廂本身對無線傳輸信號就具有一定的屏蔽作用。這些諸多因素的影響，造成列車行駛中無線傳輸信號的雜音大，接收困難，嚴(yán)重時甚至使通信中斷。

　　因此，如何通過技術(shù)手段克服這些現(xiàn)實中的困難，設(shè)計并實現(xiàn)一個有效的鐵路高速列車互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無線傳輸系統(tǒng)，為車廂內(nèi)的旅客在高速移動時提供寬帶無線接入服務(wù)，成為目前急待解決的問題。

　　本文針對鐵路點多、線長，站點分布較散，呈線形分布等特殊情況，充分利用鐵路現(xiàn)有的SDH有線傳輸設(shè)備SBS622，通過設(shè)計的固定在火車站上的基地臺與高速列車上的移動臺之間的無線接口以及加頂圓盤天線等技術(shù)，實現(xiàn)了鐵路高速列車互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DS-CDMA無線傳輸系統(tǒng)。

　　SDH接入網(wǎng)傳輸通道設(shè)計

　　在本設(shè)計中，我們主要利用SDH接入網(wǎng)來提供傳輸通道。光同步數(shù)字網(wǎng)SDH是不僅適用于光纖也適用于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)耐ㄓ眉夹g(shù)體制。它具有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口NNI，簡化了信號的互通以及信號的傳輸、復(fù)用、交叉連接和交換過程;而且具有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級和塊狀的幀結(jié)構(gòu)，允許安排豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理和維護(hù)OAM。它的基本網(wǎng)絡(luò)單元有同步光纜線路系統(tǒng)、同步復(fù)用器SM、分插復(fù)用器ADM和同步數(shù)字交叉連接系統(tǒng)。它的特殊的復(fù)用結(jié)構(gòu)，允許現(xiàn)存的傳統(tǒng)的數(shù)字復(fù)用系統(tǒng)都能進(jìn)入其幀結(jié)構(gòu);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。

　　針對鐵路沿線點多線長的特點，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(jié)構(gòu)，同時在傳輸媒質(zhì)層和復(fù)用段層及通道層實現(xiàn)保護(hù)，具體的實現(xiàn)方案如圖1所示。

　　圖1 鐵路SDH傳輸設(shè)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，同時由7、8兩根光纖實現(xiàn)業(yè)務(wù)的環(huán)回。當(dāng)11、12中斷時，由軟件系統(tǒng)自動啟用7、8，從而實現(xiàn)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信號的線路收、發(fā)、轉(zhuǎn)換及2M支路時鐘信號的定時提取，實現(xiàn)2M信號經(jīng)TUG-2到VC-4的映射和解映射，同時收集支路告警上報，并根據(jù)線路告警狀態(tài)完成通道保護(hù)。DXC表示數(shù)字交叉板，一塊DXC就可完成四塊線路板上任意方向的上下業(yè)務(wù)的全交叉連接。利用數(shù)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)可實現(xiàn)業(yè)務(wù)保護(hù)。STG表示時鐘板， SCC板是SDH設(shè)備的系統(tǒng)控制及通信板，它在SDH設(shè)備中承擔(dān)的是對同步設(shè)備的管理控制及互相之間的通信。OHP板為開銷處理板，它與線路單元和支路單元板相連，完成線路方向上和支路方向上E1、E2和F1開銷字節(jié)以及其它數(shù)據(jù)字節(jié)的提取和插入，最主要的是提供公務(wù)電話通道。

　　SL1板是1*622M光口支路板，它完成線路信號的發(fā)送與接收。SCB是小站專用的處理板，它包括了定時單元功能(STG)、開銷處理單元功能(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板主要實現(xiàn)本地設(shè)備的功能，它將本地設(shè)備發(fā)出的信號經(jīng)過處理后送往主控板(數(shù)字交叉板)以及將主控板(數(shù)字交叉板)送來的信號經(jīng)過處理后發(fā)往本地設(shè)備。

　　在本設(shè)計中，我們采用的SBS 622傳輸設(shè)備可以為我們提供站與站之間622Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率，同時也可以為鐵路沿線各站提供自動電話服務(wù)、各種MIS系統(tǒng)的傳輸通道服務(wù)等。

　　基于FPGA的DS-CDMA無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

　　在高速行駛的旅客列車上開通互聯(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(kuò)頻通信方案。采用Spartan3 系列中的XC3S1500芯片實現(xiàn)直接序列擴(kuò)展頻譜通信的所有基帶功能，其中包括擴(kuò)頻、匹配濾波器解擴(kuò)、數(shù)控振蕩器、復(fù)混頻器，DQPSK編碼與解碼、載波和時序恢復(fù)、線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(nèi)實現(xiàn)。

　　圖2給出了基于FPGA的DS-CDMA無線傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。直序擴(kuò)頻通信發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)見圖2(a)。串并轉(zhuǎn)換模塊將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成2位并行數(shù)據(jù)，接著進(jìn)行差分編碼轉(zhuǎn)換成DQPSK碼元。差分編碼后與PN碼擴(kuò)頻，輸出擴(kuò)頻信號，其碼元速率為的擴(kuò)頻碼長度倍。在進(jìn)行濾波前，采樣率增加，使后面的正交調(diào)制滿足Nyquist定律。上采樣4倍后，擴(kuò)頻信號使用兩路獨(dú)立的SRRC進(jìn)行脈沖成形。

　　圖2 基于FPGA的DS-CDMA無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　載波恢復(fù)模塊是直序擴(kuò)頻接收機(jī)最關(guān)鍵的模塊，如圖2(b)所示。當(dāng)采樣與碼元不同步時，需要利用載波同步算法使其達(dá)到同步。通常，需要采用一種算法從采樣數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)，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(fù)范圍為碼元速率的1/10，計算可得C1=4/15k，C2=2/25k，試驗中調(diào)節(jié)k值，使之達(dá)到所要的效果。

　　Modelsim仿真表明，在66MHz工作頻率下，采用長度為15bits的PN碼，系統(tǒng)數(shù)據(jù)率可以超過2Mbps。最高擴(kuò)頻碼速率超過15Mbps(使用長度為15bits的擴(kuò)頻碼)。發(fā)射機(jī)共消耗435個Slices，接收機(jī)共消耗1454個Sclices，約占XC3S1500總資源的14%。

　　自動越區(qū)切換設(shè)計

　　但凡移動通信，都牽涉到越區(qū)切換，列車互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無線傳輸系統(tǒng)也不例外。由于列車無線調(diào)度電話的使用，每個火車站上都有無線電信號的發(fā)射鐵塔，而且每個火車站都有通信機(jī)房。因此，鐵路無線通信的小區(qū)制是以各站站場為中心、半徑為4~7KM的圓形小蜂窩，其形狀如圖4所示。

　　圖4 鐵路無線小區(qū)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要經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器。鐵路車站小區(qū)的覆蓋采用圖4所示的三頻制。針對DS-CDMA系統(tǒng)來說，就只存在三種不同的PN序列，這是因為傳輸?shù)氖歉咚冁溌?，盡量減少多址干擾對高速傳輸很重要。

　　當(dāng)列車在沿線的區(qū)間內(nèi)正常運(yùn)行時，由站1發(fā)出來的IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過SBS 622的V5通道透明地傳輸后，再經(jīng)過DS-CDMA調(diào)制、解調(diào)，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器后，恢復(fù)為IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)寬帶路由器和以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)往各PC機(jī)，列車局域網(wǎng)的PC機(jī)發(fā)送的IP數(shù)據(jù)包亦經(jīng)過與上述路徑相反的過程。由于列車在一個方向上是串行運(yùn)行的，每個小區(qū)內(nèi)至多有一趟旅客列車，因此越區(qū)切換過程就相對簡單了許多，也不需要功率控制，因此就由列車臺控制越區(qū)切換。具有自動越區(qū)切換功能的鐵路高速列車無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　假設(shè)列車正處在站4內(nèi)，使用的是PN1序列實現(xiàn)與站內(nèi)固定設(shè)備之間的通信。此時的移動管理模塊1不斷檢測PN1的輸入信噪比，當(dāng)不滿足要求時，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)過一段時間的延時(為了防止干擾影響一般取10秒左右)后，移動管理模塊1通過新小區(qū)的一個固定信道向車站設(shè)備送出一特定的序列和本網(wǎng)的IP地址。同時鎖閉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)過車、站的DS-CDMA調(diào)制解調(diào)、ONU(SBS 622)、OLT，送至站1的移動管理模塊2。CISCO 7000給沿線的每個站分配一個內(nèi)部地址，作為路由器中路由表內(nèi)的接口號。移動管理模塊2根據(jù)相應(yīng)接口收到的IP地址號，自動修改CISCO 7000路由器中的路由表，同時通過另一特定的信道給移動管理模塊1送一確認(rèn)信號。移動管理模塊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)同時切換。此時也解鎖1G緩存器的輸出。雙方開始正常通信。

　　圖5 具有自動越區(qū)切換功能的鐵路高速列車無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

　　結(jié)論

　　本文設(shè)計并實現(xiàn)的鐵路高速列車互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無線傳輸DS-CDMA系統(tǒng)充分利用了鐵路地面有線傳輸系統(tǒng)SDH的傳輸設(shè)備SBS 622和基于FPGA的直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)等，并可以自動進(jìn)行越區(qū)切換。由于只開通互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，因此省去了原本移動網(wǎng)必不可少的移動交換中心MSC、歸屬位置寄存器HLR、訪問位置寄存器VLR等必不可少的設(shè)備，用盡量少的設(shè)備完成了盡可能多的功能。此設(shè)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(shè)備，充分發(fā)揮設(shè)備潛能，進(jìn)而降低成本，增加效益。

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