王隆龍，張順廣，葉鵬迪

（北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

為提高動車組的應急指揮能力和故障檢修水平，需要通過車載無線傳輸模塊，將列車參數(shù)信息和故障數(shù)據(jù)實時發(fā)送到地面數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)動車組運行狀態(tài)的遠程監(jiān)測。隨著動車組智能化程度不斷提高，采集和傳輸?shù)膮?shù)數(shù)量日益增加，國內(nèi)動車組原有無線傳輸模塊普遍采用GPRS 網(wǎng)絡[1]，存在鏈路帶寬小、傳輸速率低的局限。因此，亟需基于傳輸速率更高的第4 代移動通信技術(shù)（4G），研制動車組車載無線傳輸模塊，以滿足動車組狀態(tài)遠程監(jiān)測的需求。同時，動車組原有無線傳輸裝置的定位功能采用美國GPS 系統(tǒng)，存在信息安全隱患。因此，在新模塊研制過程中，采用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)定位與授時功能。

1 關(guān)鍵技術(shù)與模塊功能

1.1 第4 代移動通信網(wǎng)絡

第4 代移動通信網(wǎng)絡以2G、3G 通信網(wǎng)絡技術(shù)為基礎，通過引入多種新型技術(shù)，使無線通信的信號更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率更高，傳輸延時更低。4G 網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)包括以下內(nèi)容[2]。

（1）正交頻分復用（OFDM）技術(shù)。

正交頻分復用技術(shù)的特點是射頻信號中各子載波之間相互正交，且頻譜在經(jīng)過擴頻調(diào)制之后能夠互相重疊，從而使子載波之間的干擾被減弱，既提高了頻譜利用率，又保證了載波之間的通信質(zhì)量。

（2）軟件無線電技術(shù)

軟件無線電技術(shù)的核心在于將原有的窄帶接收機替換為寬頻帶無線接收機，并將數(shù)字模擬變換器以及寬帶模擬數(shù)字靠近天線，從而建立一個具有“A/D?DSP?D/A”模型的通用的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡量利用軟件技術(shù)來實現(xiàn)電臺的各種功能模塊。

（3）智能天線技術(shù)。

智能天線技術(shù)由天線陣列、波束賦形網(wǎng)絡和波束賦形算法3 部分組成。它可以調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位，從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，達到增強所需信號抑制干擾信號的目的。智能天線技術(shù)能夠在較大程度上抑制多用戶干擾、提高系統(tǒng)容量。

（4）多用戶檢測技術(shù)。

多用戶檢測技術(shù)是通過減小通信覆蓋區(qū)域內(nèi)的干擾來改進性能，增加系統(tǒng)容量的技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)多用戶檢測算法，在經(jīng)過非正交信道和非正交的擴頻編碼，新定義用戶判決的分界線，在這種新的分界線上，可以達到更好的判決效果，去除用戶之間的干擾。

1.2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（簡稱北斗系統(tǒng)）是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。

北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3 部分組成?？臻g段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星組成。地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施。用戶段包括北斗及兼容其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎產(chǎn)品，以及終端設備、應用系統(tǒng)與應用服務等。

1.3 無線傳輸模塊功能需求

為滿足動車組狀態(tài)監(jiān)測需要，無線傳輸模塊應具備的功能包括:（1）支持中國移動、中國聯(lián)通和中國電信等主要運營商的4G 網(wǎng)絡制式。（2）考慮到部分鐵路沿線，4G 信號覆蓋尚不完善，模塊需向下兼容3G 和2G 網(wǎng)絡，并能在4G 信號較差時，自動切換到3G 和2G 網(wǎng)絡模式。（3）能夠監(jiān)測網(wǎng)絡通信狀態(tài)，當通信異常時，能自動重新建立連接。（4）支持北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能夠獲取當前列車位置和標準時間等參數(shù)。（5）為提高4G 網(wǎng)絡的使用效率，模塊需支持利用4G 網(wǎng)絡的透明轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能。

由于模塊需作為動車組車載設備，運行環(huán)境通常涉及到高溫、高寒、持續(xù)振動、高濕度和電磁環(huán)境惡劣等復雜應用場景。因此核心芯片選型需符合相應的技術(shù)標準。

2 硬件設計

為滿足上述功能需求，無線傳輸模塊由4G 芯片、北斗芯片、主控芯片、以太網(wǎng)交換芯片和外圍電路等部分組成。

2.1 總體框架

無線傳輸模塊硬件框架見圖1。主控芯片的功能是統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)模塊內(nèi)無線傳輸模塊內(nèi)各個芯片的工作，驅(qū)動4G 通信芯片，北斗定位芯片和以太網(wǎng)交換芯片。同時，通過軟件實現(xiàn)無線傳輸模塊與外部的通信，按照一定協(xié)議對收發(fā)的數(shù)據(jù)進行處理。4G 芯片的功能是實現(xiàn)4G 網(wǎng)絡接入與數(shù)據(jù)傳輸功能。北斗芯片的功能是接收北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號，對衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)進行解算，獲得經(jīng)緯度、海拔、時間等信息；并將這些信息封裝后通過串口發(fā)送。以太網(wǎng)交換芯片內(nèi)置了多個以太網(wǎng)接口，擴展了傳輸模塊的通信接口。CPLD 芯片實現(xiàn)獨立的硬件看門狗功能，可實現(xiàn)對主控芯片、4G 芯片、北斗芯片和以太網(wǎng)交換芯片的復位、看門狗和遠程斷電重啟等功能。

圖1 無線傳輸模塊硬件框架

2.2 主控芯片與4G 芯片

主控芯片采用工業(yè)級低功耗處理器，該芯片采用45 nm 制程，保證了高主頻和低功耗特性。4G 通信芯片是工業(yè)級無線模塊，支持中國移動、中國聯(lián)通和中國電信的4G 網(wǎng)絡制式，具備下行150 Mb/s，上行50 Mb/s 的傳輸速率，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧。主控芯片和4G 芯片的工作溫度均為?40 ℃～+85 ℃，符合鐵路產(chǎn)品技術(shù)標準。

主控芯片與4G 芯片之間，通過USB 總線連接，4G芯片作為主控芯片的一個標準USB 設備，在啟動后自動掛載到操作系統(tǒng)中。主控芯片通過向USB 總線寫入AT 指令方式，控制4G 芯片，實現(xiàn)4G 網(wǎng)絡的接入與數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.3 主控芯片與以太網(wǎng)交換芯片

由于無線傳輸模塊需要支持以太網(wǎng)透明傳輸功能，因此需具備獨立的以太網(wǎng)接口。通過外接以太網(wǎng)交換芯片的方式，可實現(xiàn)對主控芯片以太網(wǎng)接口的擴展。以太網(wǎng)交換機芯片采用工業(yè)級高性能交換芯片，具有高性能千兆無阻塞交換結(jié)構(gòu)和高速查找引擎，支持多個RGMII 接口，工作溫度為?40 ℃～+85 ℃，符合鐵路產(chǎn)品技術(shù)標準。

主控芯片與以太網(wǎng)交換芯片通過RGMII 接口連接，通過該接口，主控芯片與交換芯片可實現(xiàn)高速率、無阻塞的數(shù)據(jù)交換。

2.4 北斗定位芯片

無線傳輸模塊采用的定位系統(tǒng)使用國產(chǎn)工業(yè)級衛(wèi)星導航定位模塊。該芯片是一款針對車載市場的北斗/GPS 雙模定位模塊，具有集成度高、功耗低的特點，適用于對定位性能和產(chǎn)品可靠性要求嚴格的車載衛(wèi)星導航應用。在無線傳輸模塊中，該芯片僅復位功能受主控芯片控制，定位和授時功能獨立工作。定位模塊將北斗系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)，封裝成標準字節(jié)流，直接通過無線傳輸模塊外部接口直接發(fā)送給使用設備。

2.5 硬件看門狗

由于動車組電磁環(huán)境復雜，車載電子設備可能由于外部干擾的影響發(fā)生宕機、卡滯等故障。如果無線傳輸模塊發(fā)生該故障，則會造成列車數(shù)據(jù)車地傳輸中斷，地面系統(tǒng)無法獲取列車實時狀態(tài)參數(shù)和故障信息，影響應急指揮和故障檢修。因此，需要設計獨立的硬件看門狗。由于主控芯片啟動時間較長，簡單使用專用看門狗芯片無法滿足功能需求，因此選用CPLD 芯片配合看門狗芯片實現(xiàn)獨立看門狗功能，實現(xiàn)邏輯如圖2 所示。在主控芯片和系統(tǒng)完成啟動前，利用CPLD 啟動迅速的特點，由CPLD 芯片實現(xiàn)喂狗功能；當主控芯片和系統(tǒng)啟動完成后，由主控芯片內(nèi)的程序經(jīng)CPLD 喂狗。當主控芯片宕機時，看門狗功能自動觸發(fā)，實現(xiàn)對主控芯片、4G 芯片和交換芯片的復位。

圖2 看門狗功能控制邏輯

3 軟件設計

由于需支持透明轉(zhuǎn)發(fā)功能，無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送功能在本質(zhì)上與4G 路由器相近。因此為提高開發(fā)效率，選擇OpenWrt 系統(tǒng)[3]作為底層操作系統(tǒng)。OpenWrt項目是一個針對嵌入式設備的Linux 操作系統(tǒng)，他提供了具有軟件包管理功能的完全可配置的文件系統(tǒng)，用戶可以通過使用軟件包來定制設備以適應任何應用程序，OpenWrt 系統(tǒng)常用于開發(fā)支持定制功能的無線路由器產(chǎn)品。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OpenWrt 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，系統(tǒng)由Linux 系統(tǒng)內(nèi)核、硬件驅(qū)動、uClibc 交叉編譯庫、Busybox 工具包、UCI 統(tǒng)一配置接口、包管理工具和用戶軟件組成。

3.2 4G 芯片驅(qū)動

在無線傳輸模塊的軟件開發(fā)過程中，4G 芯片的驅(qū)動方式是關(guān)鍵難點之一。4G 芯片作為USB 設備掛載到操作系統(tǒng)中，因此首選需要在OpenWrt 系統(tǒng)中增加USB 驅(qū)動模塊。驅(qū)動程序加載成功后，可在/dev 目錄下看到名稱為ttyUSB0 的設備，同時通過ifconfig 命令，可查看到系統(tǒng)中具有USB0 網(wǎng)卡。此時4G 芯片已經(jīng)成為系統(tǒng)內(nèi)的USB 設備，可以通過Linux 系統(tǒng)標準的IO函數(shù)進行訪問，配合芯片的AT 指令集即可控制該芯片，完成4G 網(wǎng)絡接入和數(shù)據(jù)傳輸功能。同時，由于4G芯片已驅(qū)動為標準網(wǎng)卡，通過配置系統(tǒng)路由表即可實現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能。

圖 3 OpenWrt 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 網(wǎng)絡接入控制

在動車組運行過程中，由于鐵路沿線信號覆蓋差異，存在4G 網(wǎng)絡不連續(xù)的特點，因此為保證車地數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，需要對無線傳輸模塊的網(wǎng)絡接入控制策略進行優(yōu)化設計。撥號成功后，定時檢查網(wǎng)絡連接狀態(tài)，當網(wǎng)絡通信異常時重新?lián)芴?，以保證網(wǎng)絡通信正常。

4 結(jié)論與展望

文中闡述的無線傳輸模塊，已作為某型動車組車載信息無線傳輸裝置的組成部分，完成型式試驗并批量裝車運用，整體運用效果良好，在提高參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸密度同時（圖4?圖5），極大的降低了車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t與阻塞，有利于動車組運行狀態(tài)監(jiān)測與故障檢修指導。目前第五代移動通信網(wǎng)絡（5G）已正式投入商業(yè)運行，因此，需要在成功研制集成北斗功能的動車組車載4G無線傳輸模塊的基礎上，緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢，及早開展5G 通信模塊的研制工作。

圖5 4G 傳輸模式下動車組參數(shù)傳輸間隔