基于GSM-R標準的鐵路無線收發系統設計

馮國良

摘 要：鐵路無線通信是保障鐵路正常運行的重要條件之一，提出了一種低成本多通道的鐵路無線收發系統設計方案，介紹了系統的基本原理和框架，包括無線通信的編碼與解碼、調制與解調、交織與反交織、通信協議等內容。通過原型樣機的試驗，測試結果表明系統的無線信號傳輸效率高，誤碼率較低，可同時實現數據、圖像和語音等信息的可靠安全傳輸，系統方案具有較強的實用性和通用性。

關鍵詞： 鐵路; 無線通信; GSM-R; 信號處理; 網絡

中圖分類號： TP 311

文獻標志碼： 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

鐵路列車的運行監控數據對保障鐵路正常運行至關重要，地面基站之間，列車與地面之間以及列車之間需要進行頻繁大量的信息通信。例如，各類自然災害信息和人為故障信息需要實時傳輸到正在運行的列車上;列車運行中的檢測信息和監控數據需要實時傳送到地面調度中心，以保證地面調度和監管中心對整個運行線路的控制和管理;同時，地面基站之間也要進行大量的信息交換。高速可靠的無線傳輸通道是鐵路數據傳輸的必要條件，研究高速數據無線接入系統，建立高速帶寬無線傳輸通道，對保證鐵路監測系統安全可靠運行具有重要意義[1]。GSM-R技術是由歐洲鐵路聯盟在GSMPhase 2+標準的基礎上提出的技術標準，已被我國引入作為高鐵專用通信網絡[2-3]。本文以GSM-R技術標準為基礎，采用GSM-R的傳輸頻點，采用符合GSM-R調制和編碼的信號處理算法，提出一種列車與地面之間雙向無線傳輸系統的設計方案。

1 系統原理與構成

無線接入系統[4-5]主要包括天線、射頻收發模塊、無線信號轉換模塊、基帶信號處理器、主控計算機等部分構成，如圖1所示。

數據接收是通過天線和射頻模塊將信號輸入到采集板，利用高速數據采集器對整帶寬信號進行高速數字采集，然后對轉換后的數字信號進行變頻（DDC）和基帶信號提取，由DSP中的算法進行信號解調，將還原出的數據傳送到主控計算機。數據發送過程與接收過程相反，主控計算機將數字信號發送到DSP處理器，DSP對信號進行調制，然后進行數字變頻（DUC），再進行模數轉換（D/A）為模擬信號傳送到射頻模塊中，最終將數據發送出去。系統中，射頻模塊可實現無線模擬信號70 MHz到450 MHz之間的切換，信道間的間隔為25 KHz。模數轉換（A/D）、數模轉換（D/A）及數字變頻由專用芯片完成，DSP處理器負責數字基帶信號的調制解調、數據的編碼解碼、校驗糾錯、壓縮與解壓縮、加密與解密等功能。主控計算機多采用嵌入式計算機，通過嵌入式軟件實現對無線通信協議及信道的管理和控制。其中，信號調制方式采用π/4DQPSK，其屬于線性調制方式，頻譜效率高且實現簡單。信號編碼采用BCH（26，16）方式，無線通信協議采用TCP/IP協議，嵌入式計算機可采用VxWorks系統，具有較高的可靠性和實時性。嵌入式計算機與DSP處理器間的通信接口可采用RS232、RS485、CAN、LonWorks等標準接口[6-7]。

2 系統軟件設計

系統軟件部分主要包括兩大部分，一部分為DSP芯片中的處理程序，這里稱為底層控制器軟件，主要負責對信號的調制與解調、編碼與解碼、數據的壓縮與解壓縮、加密與解碼及校驗等操作。另一部分為嵌入式計算機的管理應用軟件，這里稱為管理應用軟件，包括信息通信協議、網絡管理、信號收發控制及人機管理界面等[8-10]。系統軟件結構，如圖2所示。

2.1 底層處理器

無線數據收發器主要由SB3410板卡和C6600處理器構成，SB3410板卡負責前端的信號處理（包括A/D，D/A，DDC，DUC等信號處理），C6600處理器為高速DSP芯片，負責對基帶信號的編碼/解碼、調制/解調處理，同時對SB3410板卡進行參數配置和控制。SB3410板卡采用π/4DQPSK調制方式，一個26BIT字塊包含兩個字節的信息位和10BIT校驗位，可以生成多項式為：

（2） 如果s（x）≠0，通過s（x）計算錯誤樣本e（x）;（3） 最后計算R（x）-E（x）差值，得到要發送的字碼。信號收發流程[11]，如圖3所示。

2.2 管理應用軟件

嵌入式工控機中的管理軟件主要負責通信協議、網絡管理、無線信號收發控制以及人機界面等功能。參考OSI模型，通信協議分層結構如圖所示。底層收發器中，SB3410和C6600組成了物理層，數據鏈路層包含加校驗、真標志等內容;網絡層由應用軟件實現。進行數據傳輸時，可采用適當的數據壓縮技術，可減少數據傳輸量，提升無線通道數據傳輸速率，標準壓縮算法均可以使用[12-13]。通信協議層次劃分，如圖4所示。

在無線信道管理方面，可根據信息傳輸量動態調整開啟的信道數量，選擇信噪比較低的通道進行通信，根據接收信號的強度，實時智能調整信道的功率，以降低功耗。對于頻點的使用可采用以下方案：當列車處于兩個基站之間時，可采用同一固定頻率F1進行信號發送，對一方向的基站采用頻率F2進行接收，對另一方向基站采用頻率F3進行信號接收，這樣可以保證在一個頻率接收不到信號時，切換到另一個頻率進行接收，頻率交替切換，保證列車與基站能夠始終保持通信[14]。

3 系統測試

搭建三套無線收發設備，一部安裝在列車上作為移動臺，另外兩臺作為基站，測試移動臺與兩個基站間的通信狀況。無線收發系統設計指標如表所示。首先在實驗室靜態狀態下，測試三套設備間的通信（包括字符串、文件、語音等內容）正確率達到100%。然后將其中一套設備安裝在列車上，另外兩臺設備安裝在兩棟相距若千米的樓房樓頂，當列車以150 Km/h的速度運行與兩基站間，能夠對字符和語音進行正確率100%傳輸，對與大文件的傳輸會出現小概率的單個誤碼現象，正確率達到99.9%，通過后期的文件數據處理，并不影響信息的安全傳輸。當列車上的移動臺發生接收不到信息時，信號達到一定門限時會自動切換到另一個通道，始終保持與基站的通信，信號通道進行冗余性設計，保證系統整體運行的可靠性，系統測試結果基本達到了系統設計參數。測試條件及結果，如表1所示。

4 總結

無線傳輸設備是鐵路運行狀態監測和控制的必要設備，本文對其設計原理及其軟硬件設計要點進行了分析，設備測試結果表明系統運行穩定可靠，設計指標達到要求。系統設計符合GSM-R技術要求，可作為GSM-R系統的接入設備，隨著GSM-R系統在我國鐵路的廣泛應用，該無線傳輸設計方案具有較好的實用性和適用性。

參考文獻

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（收稿日期： 2019.08.23）