高速列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸DS-CDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

鐵路是我國(guó)最主要也是最重要的交通手段。中國(guó)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(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(shí)現(xiàn)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(dá)2.75萬(wàn)伏。強(qiáng)大的電磁場(chǎng)對(duì)通信的無(wú)線電信號(hào)造成了干擾。其次，列車(chē)的高速運(yùn)行給無(wú)線傳輸信號(hào)帶來(lái)了多普勒頻移，而且列車(chē)車(chē)廂本身對(duì)無(wú)線傳輸信號(hào)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)線傳輸信號(hào)的雜音大，接收困難，嚴(yán)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(xiàn)實(shí)中的困難，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)有效的鐵路高速列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)，為車(chē)廂內(nèi)的旅客在高速移動(dòng)時(shí)提供寬帶無(wú)線接入服務(wù)，成為目前急待解決的問(wèn)題。

本文針對(duì)鐵路點(diǎn)多、線長(zhǎng)，站點(diǎn)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(guò)設(shè)計(jì)的固定在火車(chē)站上的基地臺(tái)與高速列車(chē)上的移動(dòng)臺(tái)之間的無(wú)線接口以及加頂圓盤(pán)天線等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鐵路高速列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)DS-CDMA無(wú)線傳輸系統(tǒng)。

SDH接入網(wǎng)傳輸通道設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，我們主要利用SDH接入網(wǎng)來(lái)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(diǎn)接口NNI，簡(jiǎn)化了信號(hào)的互通以及信號(hào)的傳輸、復(fù)用、交叉連接和交換過(guò)程;而且具有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級(jí)和塊狀的幀結(jié)構(gòu)，允許安排豐富的開(kāi)銷(xiāo)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(duì)鐵路沿線點(diǎn)多線長(zhǎng)的特點(diǎn)，為了保證通信的可靠性，鐵路通信信號(hào)的傳輸采用環(huán)行結(jié)構(gòu)，同時(shí)在傳輸媒質(zhì)層和復(fù)用段層及通道層實(shí)現(xiàn)保護(hù)，具體的實(shí)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(shí)由7、8兩根光纖實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的環(huán)回。當(dāng)11、12中斷時(shí)，由軟件系統(tǒng)自動(dòng)啟用7、8，從而實(shí)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(hào)的線路收、發(fā)、轉(zhuǎn)換及2M支路時(shí)鐘信號(hào)的定時(shí)提取，實(shí)現(xiàn)2M信號(hào)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(bào)，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(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)保護(hù)。STG表示時(shí)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(duì)同步設(shè)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(kāi)銷(xiāo)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(hào)的發(fā)送與接收。SCB是小站專用的處理板，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(xiàn)本地設(shè)備的功能，它將本地設(shè)備發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后發(fā)往本地設(shè)備。

在本設(shè)計(jì)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(shí)也可以為鐵路沿線各站提供自動(dòng)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(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(kuò)頻通信方案。采用Spartan3 系列中的XC3S1500芯片實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。

圖2給出了基于FPGA的DS-CDMA無(wú)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(jiàn)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(hào)，其碼元速率為的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)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(hào)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(wú)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(shí)，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(jì)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(cè)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(jì)算可得C1=4/15k，C2=2/25k，試驗(yàn)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(zhǎng)度為15bits的PN碼，系統(tǒng)數(shù)據(jù)率可以超過(guò)2Mbps。最高擴(kuò)頻碼速率超過(guò)15Mbps(使用長(zhǎng)度為15bits的擴(kuò)頻碼)。發(fā)射機(jī)共消耗435個(gè)Slices，接收機(jī)共消耗1454個(gè)Sclices，約占XC3S1500總資源的14%。

自動(dòng)越區(qū)切換設(shè)計(jì)

但凡移動(dòng)通信，都牽涉到越區(qū)切換，列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)也不例外。由于列車(chē)無(wú)線調(diào)度電話的使用，每個(gè)火車(chē)站上都有無(wú)線電信號(hào)的發(fā)射鐵塔，而且每個(gè)火車(chē)站都有通信機(jī)房。因此，鐵路無(wú)線通信的小區(qū)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(shí)要經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器。鐵路車(chē)站小區(qū)的覆蓋采用圖4所示的三頻制。針對(duì)DS-CDMA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就只存在三種不同的PN序列，這是因?yàn)閭鬏數(shù)氖歉咚冁溌?，盡量減少多址干擾對(duì)高速傳輸很重要。

當(dāng)列車(chē)在沿線的區(qū)間內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)，由站1發(fā)出來(lái)的IP數(shù)據(jù)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(diào)制、解調(diào)，經(jīng)過(guò)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(chē)局域網(wǎng)的PC機(jī)發(fā)送的IP數(shù)據(jù)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(yùn)行的，每個(gè)小區(qū)內(nèi)至多有一趟旅客列車(chē)，因此越區(qū)切換過(guò)程就相對(duì)簡(jiǎn)單了許多，也不需要功率控制，因此就由列車(chē)臺(tái)控制越區(qū)切換。具有自動(dòng)越區(qū)切換功能的鐵路高速列車(chē)無(wú)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(chē)正處在站4內(nèi)，使用的是PN1序列實(shí)現(xiàn)與站內(nèi)固定設(shè)備之間的通信。此時(shí)的移動(dòng)管理模塊1不斷檢測(cè)PN1的輸入信噪比，當(dāng)不滿足要求時(shí)，再用PN2和PN3序列檢測(cè)輸入。若用PN2或PN3序列檢測(cè)的輸入信號(hào)大于用PN1檢測(cè)的輸入信號(hào)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(qū)的一個(gè)固定信道向車(chē)站設(shè)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(diào)制解調(diào)、ONU(SBS 622)、OLT，送至站1的移動(dòng)管理模塊2。CISCO 7000給沿線的每個(gè)站分配一個(gè)內(nèi)部地址，作為路由器中路由表內(nèi)的接口號(hào)。移動(dòng)管理模塊2根據(jù)相應(yīng)接口收到的IP地址號(hào)，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(rèn)信號(hào)。移動(dòng)管理模塊1接收到此信號(hào)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(qū)切換功能的鐵路高速列車(chē)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的鐵路高速列車(chē)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(dòng)進(jìn)行越區(qū)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、訪問(wèn)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(jì)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。