列車互聯網絡無線傳輸DS-CDMA系統設計

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、隴海四大干線已經逐步實現電氣化改造。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2.75萬伏。強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，嚴重時甚至使通信中斷。

　　因此，如何通過技術手段克服這些現實中的困難，設計并實現一個有效的鐵路高速列車互聯網絡無線傳輸系統，為車廂內的旅客在高速移動時提供寬帶無線接入服務，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，充分利用鐵路現有的SDH有線傳輸設備SBS622，通過設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，實現了鐵路高速列車互聯網絡DS-CDMA無線傳輸系統。

SDH接入網傳輸通道設計

　　在本設計中，我們主要利用SDH接入網來提供傳輸通道。光同步數字網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體制。它具有全世界統一的網絡節點接口NNI，簡化了信號的互通以及信號的傳輸、復用、交叉連接和交換過程;而且具有一套標準化的信息結構等級和塊狀的幀結構，允許安排豐富的開銷比特用于網絡的運行、管理和維護OAM。它的基本網絡單元有同步光纜線路系統、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入其幀結構;并且它大量采用軟件進行網絡配置和控制，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行結構，同時在傳輸媒質層和復用段層及通道層實現保護，具體的實現方案如圖1所示。

　　接入網的主要業務是從11、12兩根光纖傳輸，同時由7、8兩根光纖實現業務的環回。當11、12中斷時，由軟件系統自動啟用7、8，從而實現了業務的不間斷傳輸。

　　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、轉換及2M支路時鐘信號的定時提取，實現2M信號經TUG-2到VC-4的映射和解映射，同時收集支路告警上報，并根據線路告警狀態完成通道保護。DXC表示數字交叉板，一塊DXC就可完成四塊線路板上任意方向的上下業務的全交叉連接。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)可實現業務保護。STG表示時鐘板， 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開銷字節以及其它數據字節的提取和插入，最主要的是提供公務電話通道。

　　SL1板是1*622M光口支路板，它完成線路信號的發送與接收。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板主要實現本地設備的功能，它將本地設備發出的信號經過處理后送往主控板(數字交叉板)以及將主控板(數字交叉板)送來的信號經過處理后發往本地設備。

　　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，同時也可以為鐵路沿線各站提供自動電話服務、各種MIS系統的傳輸通道服務等。

基于FPGA的DS-CDMA無線傳輸系統設計

　　在高速行駛的旅客列車上開通互聯網絡業務，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。基于以上要求，我們選擇了擴頻通信方案。采用Spartan3 系列中的XC3S1500芯片實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、載波和時序恢復、線性反饋移位寄存器和FIR濾波器。這些功能全部在一塊FPGA芯片內實現。

　　圖2給出了基于FPGA的DS-CDMA無線傳輸系統系統結構。直序擴頻通信發射機結構見圖2(a)。串并轉換模塊將串行數據轉換成2位并行數據，接著進行差分編碼轉換成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度倍。在進行濾波前，采樣率增加，使后面的正交調制滿足Nyquist定律。上采樣4倍后，擴頻信號使用兩路獨立的SRRC進行脈沖成形。

　　載波恢復模塊是直序擴頻接收機最關鍵的模塊，如圖2(b)所示。當采樣與碼元不同步時，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。環路濾波器的結構如圖3所示。

?

　　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，采用長度為15bits的PN碼，系統數據率可以超過2Mbps。最高擴頻碼速率超過15Mbps(使用長度為15bits的擴頻碼)。發射機共消耗435個Slices，接收機共消耗1454個Sclices，約占XC3S1500總資源的14%。

自動越區切換設計

　　但凡移動通信，都牽涉到越區切換，列車互聯網絡無線傳輸系統也不例外。由于列車無線調度電話的使用，每個火車站上都有無線電信號的發射鐵塔，而且每個火車站都有通信機房。因此，鐵路無線通信的小區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。

?

　　由于SBS 622M所提供的傳輸通道協議為V5協議，因此在與路由器連接時要經過協議轉換器。鐵路車站小區的覆蓋采用圖4所示的三頻制。針對DS-CDMA系統來說，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。

　　當列車在沿線的區間內正常運行時，由站1發出來的IP數據包經過SBS 622的V5通道透明地傳輸后，再經過DS-CDMA調制、解調，經過協議轉換器后，恢復為IP數據包，經寬帶路由器和以太網交換機發往各PC機，列車局域網的PC機發送的IP數據包亦經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行的，每個小區內至多有一趟旅客列車，因此越區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切換。具有自動越區切換功能的鐵路高速列車無線互聯網絡系統結構如圖5所示。

　　假設列車正處在站4內，使用的是PN1序列實現與站內固定設備之間的通信。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通過新小區的一個固定信道向車站設備送出一特定的序列和本網的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過車、站的DS-CDMA調制解調、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部地址，作為路由器中路由表內的接口號。移動管理模塊2根據相應接口收到的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，收發同時切換。此時也解鎖1G緩存器的輸出。雙方開始正常通信。

?

結論

　　本文設計并實現的鐵路高速列車互聯網絡無線傳輸DS-CDMA系統充分利用了鐵路地面有線傳輸系統SDH的傳輸設備SBS 622和基于FPGA的直接序列擴頻通信技術等，并可以自動進行越區切換。由于只開通互聯網絡業務，因此省去了原本移動網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，充分發揮設備潛能，進而降低成本，增加效益。