支持4G 传输和北斗系统的动车组车载无线传输模块研制*

王隆龙，张顺广，叶鹏迪

（北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

为提高动车组的应急指挥能力和故障检修水平，需要通过车载无线传输模块，将列车参数信息和故障数据实时发送到地面数据中心，实现动车组运行状态的远程监测。随着动车组智能化程度不断提高，采集和传输的参数数量日益增加，国内动车组原有无线传输模块普遍采用GPRS 网络[1]，存在链路带宽小、传输速率低的局限。因此，亟需基于传输速率更高的第4 代移动通信技术（4G），研制动车组车载无线传输模块，以满足动车组状态远程监测的需求。同时，动车组原有无线传输装置的定位功能采用美国GPS 系统，存在信息安全隐患。因此，在新模块研制过程中，采用北斗卫星导航系统实现定位与授时功能。

1 关键技术与模块功能

1.1 第4 代移动通信网络

第4 代移动通信网络以2G、3G 通信网络技术为基础，通过引入多种新型技术，使无线通信的信号更加稳定，数据传输速率更高，传输延时更低。4G 网络的关键技术包括以下内容[2]。

（1）正交频分复用（OFDM）技术。

正交频分复用技术的特点是射频信号中各子载波之间相互正交，且频谱在经过扩频调制之后能够互相重叠，从而使子载波之间的干扰被减弱，既提高了频谱利用率，又保证了载波之间的通信质量。

（2）软件无线电技术

软件无线电技术的核心在于将原有的窄带接收机替换为宽频带无线接收机，并将数字模拟变换器以及宽带模拟数字靠近天线，从而建立一个具有“A/D−DSP−D/A”模型的通用的硬件平台，在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。

（3）智能天线技术。

智能天线技术由天线阵列、波束赋形网络和波束赋形算法3 部分组成。它可以调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术能够在较大程度上抑制多用户干扰、提高系统容量。

（4）多用户检测技术。

多用户检测技术是通过减小通信覆盖区域内的干扰来改进性能，增加系统容量的技术，该技术根据多用户检测算法，在经过非正交信道和非正交的扩频编码，新定义用户判决的分界线，在这种新的分界线上，可以达到更好的判决效果，去除用户之间的干扰。

1.2 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

北斗系统由空间段、地面段和用户段3 部分组成。空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成。地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。

1.3 无线传输模块功能需求

为满足动车组状态监测需要，无线传输模块应具备的功能包括:（1）支持中国移动、中国联通和中国电信等主要运营商的4G 网络制式。（2）考虑到部分铁路沿线，4G 信号覆盖尚不完善，模块需向下兼容3G 和2G 网络，并能在4G 信号较差时，自动切换到3G 和2G 网络模式。（3）能够监测网络通信状态，当通信异常时，能自动重新建立连接。（4）支持北斗卫星导航系统，能够获取当前列车位置和标准时间等参数。（5）为提高4G 网络的使用效率，模块需支持利用4G 网络的透明转发和路由功能。

由于模块需作为动车组车载设备，运行环境通常涉及到高温、高寒、持续振动、高湿度和电磁环境恶劣等复杂应用场景。因此核心芯片选型需符合相应的技术标准。

2 硬件设计

为满足上述功能需求，无线传输模块由4G 芯片、北斗芯片、主控芯片、以太网交换芯片和外围电路等部分组成。

2.1 总体框架

无线传输模块硬件框架见图1。主控芯片的功能是统一控制和协调模块内无线传输模块内各个芯片的工作，驱动4G 通信芯片，北斗定位芯片和以太网交换芯片。同时，通过软件实现无线传输模块与外部的通信，按照一定协议对收发的数据进行处理。4G 芯片的功能是实现4G 网络接入与数据传输功能。北斗芯片的功能是接收北斗卫星导航系统信号，对卫星提供的数据进行解算，获得经纬度、海拔、时间等信息；并将这些信息封装后通过串口发送。以太网交换芯片内置了多个以太网接口，扩展了传输模块的通信接口。CPLD 芯片实现独立的硬件看门狗功能，可实现对主控芯片、4G 芯片、北斗芯片和以太网交换芯片的复位、看门狗和远程断电重启等功能。

图1 无线传输模块硬件框架

2.2 主控芯片与4G 芯片

主控芯片采用工业级低功耗处理器，该芯片采用45 nm 制程，保证了高主频和低功耗特性。4G 通信芯片是工业级无线模块，支持中国移动、中国联通和中国电信的4G 网络制式，具备下行150 Mb/s，上行50 Mb/s 的传输速率，内置TCP/IP 协议栈。主控芯片和4G 芯片的工作温度均为−40 ℃～+85 ℃，符合铁路产品技术标准。

主控芯片与4G 芯片之间，通过USB 总线连接，4G芯片作为主控芯片的一个标准USB 设备，在启动后自动挂载到操作系统中。主控芯片通过向USB 总线写入AT 指令方式，控制4G 芯片，实现4G 网络的接入与数据传输功能。

2.3 主控芯片与以太网交换芯片

由于无线传输模块需要支持以太网透明传输功能，因此需具备独立的以太网接口。通过外接以太网交换芯片的方式，可实现对主控芯片以太网接口的扩展。以太网交换机芯片采用工业级高性能交换芯片，具有高性能千兆无阻塞交换结构和高速查找引擎，支持多个RGMII 接口，工作温度为−40 ℃～+85 ℃，符合铁路产品技术标准。

主控芯片与以太网交换芯片通过RGMII 接口连接，通过该接口，主控芯片与交换芯片可实现高速率、无阻塞的数据交换。

2.4 北斗定位芯片

无线传输模块采用的定位系统使用国产工业级卫星导航定位模块。该芯片是一款针对车载市场的北斗/GPS 双模定位模块，具有集成度高、功耗低的特点，适用于对定位性能和产品可靠性要求严格的车载卫星导航应用。在无线传输模块中，该芯片仅复位功能受主控芯片控制，定位和授时功能独立工作。定位模块将北斗系统给出的数据，封装成标准字节流，直接通过无线传输模块外部接口直接发送给使用设备。

2.5 硬件看门狗

由于动车组电磁环境复杂，车载电子设备可能由于外部干扰的影响发生宕机、卡滞等故障。如果无线传输模块发生该故障，则会造成列车数据车地传输中断，地面系统无法获取列车实时状态参数和故障信息，影响应急指挥和故障检修。因此，需要设计独立的硬件看门狗。由于主控芯片启动时间较长，简单使用专用看门狗芯片无法满足功能需求，因此选用CPLD 芯片配合看门狗芯片实现独立看门狗功能，实现逻辑如图2 所示。在主控芯片和系统完成启动前，利用CPLD 启动迅速的特点，由CPLD 芯片实现喂狗功能；当主控芯片和系统启动完成后，由主控芯片内的程序经CPLD 喂狗。当主控芯片宕机时，看门狗功能自动触发，实现对主控芯片、4G 芯片和交换芯片的复位。

图2 看门狗功能控制逻辑

3 软件设计

由于需支持透明转发功能，无线传输模块的数据发送功能在本质上与4G 路由器相近。因此为提高开发效率，选择OpenWrt 系统[3]作为底层操作系统。OpenWrt项目是一个针对嵌入式设备的Linux 操作系统，他提供了具有软件包管理功能的完全可配置的文件系统，用户可以通过使用软件包来定制设备以适应任何应用程序，OpenWrt 系统常用于开发支持定制功能的无线路由器产品。

3.1 系统结构

OpenWrt 系统结构如图 3 所示，系统由Linux 系统内核、硬件驱动、uClibc 交叉编译库、Busybox 工具包、UCI 统一配置接口、包管理工具和用户软件组成。

3.2 4G 芯片驱动

在无线传输模块的软件开发过程中，4G 芯片的驱动方式是关键难点之一。4G 芯片作为USB 设备挂载到操作系统中，因此首选需要在OpenWrt 系统中增加USB 驱动模块。驱动程序加载成功后，可在/dev 目录下看到名称为ttyUSB0 的设备，同时通过ifconfig 命令，可查看到系统中具有USB0 网卡。此时4G 芯片已经成为系统内的USB 设备，可以通过Linux 系统标准的IO函数进行访问，配合芯片的AT 指令集即可控制该芯片，完成4G 网络接入和数据传输功能。同时，由于4G芯片已驱动为标准网卡，通过配置系统路由表即可实现透明转发和路由功能。

图 3 OpenWrt 系统结构

3.3 网络接入控制

在动车组运行过程中，由于铁路沿线信号覆盖差异，存在4G 网络不连续的特点，因此为保证车地数据传输稳定，需要对无线传输模块的网络接入控制策略进行优化设计。拨号成功后，定时检查网络连接状态，当网络通信异常时重新拨号，以保证网络通信正常。

4 结论与展望

文中阐述的无线传输模块，已作为某型动车组车载信息无线传输装置的组成部分，完成型式试验并批量装车运用，整体运用效果良好，在提高参数数据传输密度同时（图4−图5），极大的降低了车地数据传输的延迟与阻塞，有利于动车组运行状态监测与故障检修指导。目前第五代移动通信网络（5G）已正式投入商业运行，因此，需要在成功研制集成北斗功能的动车组车载4G无线传输模块的基础上，紧跟技术发展趋势，及早开展5G 通信模块的研制工作。

图5 4G 传输模式下动车组参数传输间隔