基于GSM-R标准的铁路无线收发系统设计

2020-06-29冯国良

微型电脑应用 2020年6期

冯国良

摘要：铁路无线通信是保障铁路正常运行的重要条件之一，提出了一种低成本多通道的铁路无线收发系统设计方案，介绍了系统的基本原理和框架，包括无线通信的编码与解码、调制与解调、交织与反交织、通信协议等内容。通过原型样机的试验，测试结果表明系统的无线信号传输效率高，误码率较低，可同时实现数据、图像和语音等信息的可靠安全传输，系统方案具有较强的实用性和通用性。

关键词：铁路; 无线通信; GSM-R; 信号处理; 网络

中图分类号： TP 311

文献标志码： A

Abstract： Railway wireless communication is one of the important conditions to ensure the normal operation of railways. This paper proposes a low-cost multi-channel design scheme for railway wireless transmission and transmission system， and introduces the basic principles and framework of the system，including the encoding and decoding of wireless communications， modulation and demodulation， interweaving and anti-interweaving， communication protocols and so on. Through the prototype test， the test results show that the systems wireless signal transmission efficiency is high， the error rate is low， and it can realize the reliable and safe transmission of data， image and voice at the same time. The system scheme has strong practicality and universality.

Key words： railway; wireless communications; GSM-R; signal processing; internet

0 引言

铁路列车的运行监控数据对保障铁路正常运行至关重要，地面基站之间，列车与地面之间以及列车之间需要进行频繁大量的信息通信。例如，各类自然灾害信息和人为故障信息需要实时传输到正在运行的列车上;列车运行中的检测信息和监控数据需要实时传送到地面调度中心，以保证地面调度和监管中心对整个运行线路的控制和管理;同时，地面基站之间也要进行大量的信息交換。高速可靠的无线传输通道是铁路数据传输的必要条件，研究高速数据无线接入系统，建立高速带宽无线传输通道，对保证铁路监测系统安全可靠运行具有重要意义[1]。GSM-R技术是由欧洲铁路联盟在GSMPhase 2+标准的基础上提出的技术标准，已被我国引入作为高铁专用通信网络[2-3]。本文以GSM-R技术标准为基础，采用GSM-R的传输频点，采用符合GSM-R调制和编码的信号处理算法，提出一种列车与地面之间双向无线传输系统的设计方案。

1 系统原理与构成

无线接入系统[4-5]主要包括天线、射频收发模块、无线信号转换模块、基带信号处理器、主控计算机等部分构成，如图1所示。

数据接收是通过天线和射频模块将信号输入到采集板，利用高速数据采集器对整带宽信号进行高速数字采集，然后对转换后的数字信号进行变频（DDC）和基带信号提取，由DSP中的算法进行信号解调，将还原出的数据传送到主控计算机。数据发送过程与接收过程相反，主控计算机将数字信号发送到DSP处理器，DSP对信号进行调制，然后进行数字变频（DUC），再进行模数转换（D/A）为模拟信号传送到射频模块中，最终将数据发送出去。系统中，射频模块可实现无线模拟信号70 MHz到450 MHz之间的切换，信道间的间隔为25 KHz。模数转换（A/D）、数模转换（D/A）及数字变频由专用芯片完成，DSP处理器负责数字基带信号的调制解调、数据的编码解码、校验纠错、压缩与解压缩、加密与解密等功能。主控计算机多采用嵌入式计算机，通过嵌入式软件实现对无线通信协议及信道的管理和控制。其中，信号调制方式采用π/4DQPSK，其属于线性调制方式，频谱效率高且实现简单。信号编码采用BCH（26，16）方式，无线通信协议采用TCP/IP协议，嵌入式计算机可采用VxWorks系统，具有较高的可靠性和实时性。嵌入式计算机与DSP处理器间的通信接口可采用RS232、RS485、CAN、LonWorks等标准接口[6-7]。

2 系统软件设计

系统软件部分主要包括两大部分，一部分为DSP芯片中的处理程序，这里称为底层控制器软件，主要负责对信号的调制与解调、编码与解码、数据的压缩与解压缩、加密与解码及校验等操作。另一部分为嵌入式计算机的管理应用软件，这里称为管理应用软件，包括信息通信协议、网络管理、信号收发控制及人机管理界面等[8-10]。系统软件结构，如图2所示。

2.1 底层处理器

无线数据收发器主要由SB3410板卡和C6600处理器构成，SB3410板卡负责前端的信号处理（包括A/D，D/A，DDC，DUC等信号处理），C6600处理器为高速DSP芯片，负责对基带信号的编码/解码、调制/解调处理，同时对SB3410板卡进行参数配置和控制。SB3410板卡采用π/4DQPSK调制方式，一个26BIT字块包含两个字节的信息位和10BIT校验位，可以生成多项式为：

（2）如果s（x）≠0，通过s（x）计算错误样本e（x）;（3）最后计算R（x）-E（x）差值，得到要发送的字码。信号收发流程[11]，如图3所示。

2.2 管理应用软件

嵌入式工控机中的管理软件主要负责通信协议、网络管理、无线信号收发控制以及人机界面等功能。参考OSI模型，通信协议分层结构如图所示。底层收发器中，SB3410和C6600组成了物理层，数据链路层包含加校验、真标志等内容;网络层由应用软件实现。进行数据传输时，可采用适当的数据压缩技术，可减少数据传输量，提升无线通道数据传输速率，标准压缩算法均可以使用[12-13]。通信协议层次划分，如图4所示。

在无线信道管理方面，可根据信息传输量动态调整开启的信道数量，选择信噪比较低的通道进行通信，根据接收信号的强度，实时智能调整信道的功率，以降低功耗。对于频点的使用可采用以下方案：当列车处于两个基站之间时，可采用同一固定频率F1进行信号发送，对一方向的基站采用频率F2进行接收，对另一方向基站采用频率F3进行信号接收，这样可以保证在一个频率接收不到信号时，切换到另一个频率进行接收，频率交替切换，保证列车与基站能够始终保持通信[14]。

3 系统测试

搭建三套无线收发设备，一部安装在列车上作为移动台，另外两台作为基站，测试移动台与两个基站间的通信状况。无线收发系统设计指标如表所示。首先在实验室静态状态下，测试三套设备间的通信（包括字符串、文件、语音等内容）正确率达到100%。然后将其中一套设备安装在列车上，另外两台设备安装在两栋相距若千米的楼房樓顶，当列车以150 Km/h的速度运行与两基站间，能够对字符和语音进行正确率100%传输，对与大文件的传输会出现小概率的单个误码现象，正确率达到99.9%，通过后期的文件数据处理，并不影响信息的安全传输。当列车上的移动台发生接收不到信息时，信号达到一定门限时会自动切换到另一个通道，始终保持与基站的通信，信号通道进行冗余性设计，保证系统整体运行的可靠性，系统测试结果基本达到了系统设计参数。测试条件及结果，如表1所示。

4 总结

无线传输设备是铁路运行状态监测和控制的必要设备，本文对其设计原理及其软硬件设计要点进行了分析，设备测试结果表明系统运行稳定可靠，设计指标达到要求。系统设计符合GSM-R技术要求，可作为GSM-R系统的接入设备，随着GSM-R系统在我国铁路的广泛应用，该无线传输设计方案具有较好的实用性和适用性。

参考文献

[1] 尤嘉. 高速铁路场景下无线中继通信系统信息传输可靠性与安全性研究[D].北京：北京交通大学， 2018.

[2] 林思雨. GSM-R无线通信网络指标评估体系研究[J]. 铁路通信信号， 2010（9）：16-18.

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[6] 杨勇.无线通信基站设计优化研究[D].西安：西安建筑科技大学， 2016.

[7] 程纪平，傅勇. 铁路中间站无线通信系统[J]. 铁路通信信号， 2010（10）：59-61.

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[9] 王开锋. 面向软件定义的铁路无线通信网络[J]. 清华大学学报（自然科学版）， 2018（11）：2-6.