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，允许现存的传统的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。

图2给出了基于FPGA的DS-CDMA无线传输系统系统结构。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码元差分编码后与PN码扩频，输出扩频信号，其码元速率为的扩频码长度倍。在进行滤波前，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，η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。本文方案中，取η=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10秒左右)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。