圖1 鐵路SDH傳輸設備組網(wǎng)
接入網(wǎng)的主要業(yè)務是從11、12兩根光纖傳輸，同時由7、8兩根光纖實現(xiàn)業(yè)務的環(huán)回。當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。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)務保護。STG表示時鐘板，SCC板是SDH設備的系統(tǒng)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(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)本地設備的功能，它將本地設備發(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(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、各種MIS系統(tǒng)的傳輸通道服務等。
基于FPGA的DS-CDMA無線傳輸系統(tǒng)設計
在高速行駛的旅客列車上開通互聯(lián)網(wǎng)絡業(yè)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?；谝陨弦螅覀冞x擇了擴頻通信方案。采用Spartan3 系列中的XC3S1500芯片實現(xiàn)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(shù)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(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)結構。直序擴頻通信發(fā)射機結構見圖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)，接著進行差分編碼轉(zhuǎn)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(diào)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。

圖2 基于FPGA的DS-CDMA無線傳輸系統(tǒng)結構
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(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(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。最高擴頻碼速率超過15Mbps(使用長度為15bits的擴頻碼)。發(fā)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(qū)切換設計
但凡移動通信，都牽涉到越區(qū)切換，列車互聯(lián)網(wǎng)絡無線傳輸系統(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。
當列車在沿線的區(qū)間內(nèi)正常運行時，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，恢復為IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)寬帶路由器和以太網(wǎng)交換機發(fā)往各PC機，列車局域網(wǎng)的PC機發(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)絡系統(tǒng)結構如圖5所示。
假設列車正處在站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(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(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)絡系統(tǒng)
結論
本文設計并實現(xiàn)的鐵路高速列車互聯(lián)網(wǎng)絡無線傳輸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(qū)切換。由于只開通互聯(lián)網(wǎng)絡業(yè)務，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，進而降低成本，增加效益。

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