高速列车互联网络无线传输DS-CDMA系统设计

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         引言

  铁路是我国最主要也是最重要的交通手段。中国的铁路列车每年约发送旅客16亿人次。为了缓解铁路运输能力的不足,京广、京沪、京哈、陇海四大干线已经逐步实现电气化改造。铁路电气化的改造能使列车提速的同时也给列车通信方面带来了一定的影响。

  首先,电气化铁路的电力接触网距离地面仅6m,距列车车厢的顶部只有1m左右的距离,而电压却高达2.75万V。强大的电磁场对通信的无线电信号造成了干扰。其次,列车的高速运行给无线传输信号带来了多普勒频移,而且列车车厢本身对无线传输信号就具有一定的屏蔽作用。这些诸多因素的影响,造成列车行驶中无线传输信号的杂音大,接收困难,严重时甚至使通信中断。

  因此,如何通过技术手段克服这些现实中的困难,设计并实现一个有效的铁路高速列车互联网络无线传输系统,为车厢内的旅客在高速移动时提供宽带无线接入服务,成为目前急待解决的问题。

  本文针对铁路点多、线长,站点分布较散,呈线形分布等特殊情况,充分利用铁路现有的SDH有线传输设备SBS622,通过设计的固定在火车站上的基地台与高速列车上的移动台之间的无线接口以及加顶圆盘天线等技术,实现了铁路高速列车互联网络DS-CDMA无线传输系统。

  SDH接入网传输通道设计

  在本设计中,我们主要利用SDH接入网来提供传输通道。光同步数字网SDH是不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。它具有全世界统一的网络节点接口NNI,简化了信号的互通以及信号的传输、复用、交叉连接和交换过程;而且具有一套标准化的信息结构等级和块状的帧结构,允许安排丰富的开销比特用于网络的运行、管理和维护OAM。它的基本网络单元有同步光缆线路系统、同步复用器SM、分插复用器ADM和同步数字交叉连接系统。它的特殊的复用结构,允许现存的传统数字复用系统都能进入其帧结构;并且它大量采用软件进行网络配置和控制,使得新功能和新特性的增加比较方便。

 

  针对铁路沿线点多线长的特点,为了保证通信的可靠性,铁路通信信号的传输采用环行结构,同时在传输媒质层和复用段层及通道层实现保护,具体的实现方案如图1所示。

  接入网的主要业务是从11、12两根光纤传输,同时由7、8两根光纤实现业务的环回。当11、12中断时,由软件系统自动启用7、8,从而实现了业务的不间断传输。

图1中PL1为支路板,它是速率为16×2M的电口支路板。它主要完成E1信号的线路收、发、转换及2M支路时钟信号的定时提取,实现2M信号经TUG-2到VC-4的映射和解映射,同时收集支路告警上报,并根据线路告警状态完成通道保护。DXC表示数字交叉板,一块DXC就可完成四块线路板上任意方向的上下业务的全交叉连接。利用数字交叉连接功能提供的低阶通道(VC-12)和高阶通道(VC-3、VC-4)可实现业务保护。STG表示时钟板, SCC板是SDH设备的系统控制及通信板,它在SDH设备中承担的是对同步设备的管理控制及互相之间的通信。OHP板为开销处理板,它与线路单元和支路单元板相连,完成线路方向上和支路方向上E1、E2和F1开销字节以及其它数据字节的提取和插入,最主要的是提供公务电话通道。

  SL1板是1×622M光口支路板,它完成线路信号的发送与接收。SCB是小站专用的处理板,它包括了定时单元功能(STG)、开销处理单元功能(OHP)、主控单元功能(SCC)和交叉连接功能(DXC),是一种综合处理板。SPI板是电口支路板,其中SPI(S)容量为4×2M,SPI(D)容量为8×2M。PDI也是电口支路板,其中PD(S)只有16×2M的容量,而PDI(D)具有32×2M的容量。OBI板又称为2/1 ×622M同步电路光接口板,它的传输距离比SL1的70km稍短,约为30km左右。PV8板主要实现本地设备的功能,它将本地设备发出的信号经过处理后送往主控板(数字交叉板)以及将主控板(数字交叉板)送来的信号经过处理后发往本地设备。

  在本设计中,我们采用的SBS 622传输设备可以为我们提供站与站之间622Mb/s数据传输速率,同时也可以为铁路沿线各站提供自动电话服务、各种MIS系统的传输通道服务等。

  基于FPGA的DS-CDMA无线传输系统设计

  在高速行驶的旅客列车上开通互联网络业务,主要考虑的是传输容量,其次是抗干扰能力,然后是体积要尽量要小,最后是功耗低可靠性高。基于以上要求,我们选择了扩频通信方案。采用Spartan3 系列中的XC3S1500芯片实现直接序列扩展频谱通信的所有基带功能,其中包括扩频、匹配滤波器解扩、数控振荡器、复混频器,DQPSK编码与解码、载波和时序恢复、线性反馈移位寄存器和FIR滤波器。这些功能全部在一块FPGA芯片内实现。

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