高速列车互联网络无线传输DS-CDMA系统设计

构。直序扩频通信发射机结构见图2(a)。串并转换模块将串行数据转换成2位并行数据，接着进行差分编码转换成DQPSK码元(Ik，Qk)。差分编码后与PN码扩频，输出扩频信号(SIm，SQm)，其码元速率为(Ik，Qk)的扩频码长度倍。在(SIm，SQm)进行滤波前，采样率增加，使后面的正交调制满足Nyquist定律。上采样4倍后，扩频信号使用两路独立的SRRC进行脉冲成形。

　　载波恢复模块是直序扩频接收机最关键的模块，如图2(b)所示。当采样与码元不同步时，需要利用载波同步算法使其达到同步。通常，需要采用一种算法从采样数据获得载波信息。本文采用直接同步法中的Costas环。环路滤波器的结构如图3所示。

图中C1、C2的计算如下：

　　式中，h是阻尼系数，一般取值0.707，B是环路滤波器带宽，T是码元间隔，k是相位探测器增益和NCO增益的乘积。本方案中，取h=0.707，BT=0.1，即载波恢复范围为码元速率的1/10，计算可得C1=4/15k，C2=2/25k，试验中调节k值，使之达到所要的效果。

　　Modelsim仿真表明，在66MHz工作频率下，采用长度为15bits的PN码，系统数据率可以超过2Mbps。最高扩频码速率超过15Mbps(使用长度为15bits的扩频码)。发射机共消耗435个Slices，接收机共消耗1454个Sclices，约占XC3S1500总资源的14%。

　　自动越区切换设计

　　但凡移动通信，都牵涉到越区切换，列车互联网络无线传输系统也不例外。由于列车无线调度电话的使用，每个火车站上都有无线电信号的发射铁塔，而且每个火车站都有通信机房。因此，铁路无线通信的小区制是以各站站场为中心、半径为4~7km的圆形小蜂窝，其形状如图4所示。

　　由于SBS 622M所提供的传输通道协议为V5协议，因此在与路由器连接时要经过协议转换器。铁路车站小区的覆盖采用图4所示的三频制。针对DS-CDMA系统来说，就只存在三种不同的PN序列，这是因为传输的是高速链路，尽量减少多址干扰对高速传输很重要。

　　当列车在沿线的区间内正常运行时，由站1发出来的IP数据包经过SBS 622的V5通道透明地传输后，再经过DS-CDMA调制、解调，经过协议转换器后，恢复为IP数据包，经宽带路由器和以太网交换机发往各PC机，列车局域网的PC机发送的IP数据包亦经过与上述路径相反的过程。由于列车在一个方向上是串行运行的，每个小区内至多有一趟旅客列车，因此越区切换过程就相对简单了许多，也不需要功率控制，因此就由列车台控制越区切换。具有自动越区切换功能的铁路高速列车无线互联网络系统结构如图5所示。


假设列车正处在站4内，使用的是PN1序列实现与站内固定设备之间的通信。此时的移动管理模块1不断检测PN1的输入信噪比，当不满足要求时，再用PN2和PN3序列检测输入。若用PN2或PN3序列检测的输入信号大于用PN1检测的输入信号的信噪比，则经过一段时间的延时(为了防止干扰影响一般取10s左右)后，移动管理模块1通过新小区的一个固定信道向车站设备送出一特定的序列和本网的IP地址。同时锁闭1G缓存器的输出，而接收电路却正常工作。此IP地址序列由固定的通道经过车、站的DS-CDMA调制解调、ONU(SBS 622)、OLT，送至站1的移动管理模块2。CISCO 7000给沿线的每个站分配一个内部地址，作为路由器中路由表内的接口号。移动管理模块2根据相应接口收到的IP地址号，自动修改CISCO 7000路由器中的路由表，同时通过另一特定的信道给移动管理模块1送一确认信号。移动管理模块1接收到此信号后，立即控制本端的DS-CDMA切换到新的信道，收发同时切换。此时也解锁1G缓存器的输出。双方开始正常通信。

　　结论

　　本文设计并实现的铁路高速列车互联网络无线传输DS-CDMA系统充分利用了铁路地面有线传输系统SDH的传输设备SBS 622和基于FPGA的直接序列扩频通信技术等，并可以自动进行越区切换。由于只开通互联网络业务，因此省去了原本移动网必不可少的移动交换中心MSC、归属位置寄存器HLR、访问位置寄存器VLR等必不可少的设备，用尽量少的设备完成了尽可能多的功能。此设计方案最大的好处是能够充分利用铁道通信的原有通信设备，充分发挥设备潜能，进而降低成本，增加效益。