王隆龍，張順廣，葉鵬迪

（北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

為提高動(dòng)車(chē)組的應(yīng)急指揮能力和故障檢修水平，需要通過(guò)車(chē)載無(wú)線傳輸模塊，將列車(chē)參數(shù)信息和故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到地面數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。隨著動(dòng)車(chē)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(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組原有無(wú)線傳輸模塊普遍采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)[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(dòng)通信技術(shù)（4G），研制動(dòng)車(chē)組車(chē)載無(wú)線傳輸模塊，以滿足動(dòng)車(chē)組狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的需求。同時(shí)，動(dòng)車(chē)組原有無(wú)線傳輸裝置的定位功能采用美國(guó)GPS 系統(tǒng)，存在信息安全隱患。因此，在新模塊研制過(guò)程中，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位與授時(shí)功能。

1 關(guān)鍵技術(shù)與模塊功能

1.1 第4 代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

第4 代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以2G、3G 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)引入多種新型技術(shù)，使無(wú)線通信的信號(hào)更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率更高，傳輸延時(shí)更低。4G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下內(nèi)容[2]。

（1）正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。

正交頻分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是射頻信號(hào)中各子載波之間相互正交，且頻譜在經(jīng)過(guò)擴(kuò)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(wú)線電技術(shù)

軟件無(wú)線電技術(shù)的核心在于將原有的窄帶接收機(jī)替換為寬頻帶無(wú)線接收機(jī)，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(gè)具有“A/D?DSP?D/A”模型的通用的硬件平臺(tái)，在這個(gè)硬件平臺(tái)上盡量利用軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)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(luò)和波束賦形算法3 部分組成。它可以調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)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(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)抑制干擾信號(hào)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(cè)技術(shù)。

多用戶檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)減小通信覆蓋區(qū)域內(nèi)的干擾來(lái)改進(jìn)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(cè)算法，在經(jīng)過(guò)非正交信道和非正交的擴(kuò)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(dá)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(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)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(shí)間同步/注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。用戶段包括北斗及兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。

1.3 無(wú)線傳輸模塊功能需求

為滿足動(dòng)車(chē)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要，無(wú)線傳輸模塊應(yīng)具備的功能包括:（1）支持中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信等主要運(yùn)營(yíng)商的4G 網(wǎng)絡(luò)制式。（2）考慮到部分鐵路沿線，4G 信號(hào)覆蓋尚不完善，模塊需向下兼容3G 和2G 網(wǎng)絡(luò)，并能在4G 信號(hào)較差時(shí)，自動(dòng)切換到3G 和2G 網(wǎng)絡(luò)模式。（3）能夠監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，當(dāng)通信異常時(shí)，能自動(dòng)重新建立連接。（4）支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠獲取當(dāng)前列車(chē)位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間等參數(shù)。（5）為提高4G 網(wǎng)絡(luò)的使用效率，模塊需支持利用4G 網(wǎng)絡(luò)的透明轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能。

由于模塊需作為動(dòng)車(chē)組車(chē)載設(shè)備，運(yùn)行環(huán)境通常涉及到高溫、高寒、持續(xù)振動(dòng)、高濕度和電磁環(huán)境惡劣等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。因此核心芯片選型需符合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

為滿足上述功能需求，無(wú)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(wú)線傳輸模塊硬件框架見(jiàn)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(wú)線傳輸模塊內(nèi)各個(gè)芯片的工作，驅(qū)動(dòng)4G 通信芯片，北斗定位芯片和以太網(wǎng)交換芯片。同時(shí)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸模塊與外部的通信，按照一定協(xié)議對(duì)收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。4G 芯片的功能是實(shí)現(xiàn)4G 網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，對(duì)衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲得經(jīng)緯度、海拔、時(shí)間等信息；并將這些信息封裝后通過(guò)串口發(fā)送。以太網(wǎng)交換芯片內(nèi)置了多個(gè)以太網(wǎng)接口，擴(kuò)展了傳輸模塊的通信接口。CPLD 芯片實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的硬件看門(mén)狗功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片、4G 芯片、北斗芯片和以太網(wǎng)交換芯片的復(fù)位、看門(mén)狗和遠(yuǎn)程斷電重啟等功能。

圖1 無(wú)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(jí)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(jí)無(wú)線模塊，支持中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信的4G 網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)。

主控芯片與4G 芯片之間，通過(guò)USB 總線連接，4G芯片作為主控芯片的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB 設(shè)備，在啟動(dòng)后自動(dòng)掛載到操作系統(tǒng)中。主控芯片通過(guò)向USB 總線寫(xiě)入AT 指令方式，控制4G 芯片，實(shí)現(xiàn)4G 網(wǎng)絡(luò)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(wú)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(dú)立的以太網(wǎng)接口。通過(guò)外接以太網(wǎng)交換芯片的方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片以太網(wǎng)接口的擴(kuò)展。以太網(wǎng)交換機(jī)芯片采用工業(yè)級(jí)高性能交換芯片，具有高性能千兆無(wú)阻塞交換結(jié)構(gòu)和高速查找引擎，支持多個(gè)RGMII 接口，工作溫度為?40 ℃～+85 ℃，符合鐵路產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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

2.4 北斗定位芯片

無(wú)線傳輸模塊采用的定位系統(tǒng)使用國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊。該芯片是一款針對(duì)車(chē)載市場(chǎng)的北斗/GPS 雙模定位模塊，具有集成度高、功耗低的特點(diǎn)，適用于對(duì)定位性能和產(chǎn)品可靠性要求嚴(yán)格的車(chē)載衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用。在無(wú)線傳輸模塊中，該芯片僅復(fù)位功能受主控芯片控制，定位和授時(shí)功能獨(dú)立工作。定位模塊將北斗系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)，封裝成標(biāo)準(zhǔn)字節(jié)流，直接通過(guò)無(wú)線傳輸模塊外部接口直接發(fā)送給使用設(shè)備。

2.5 硬件看門(mén)狗

由于動(dòng)車(chē)組電磁環(huán)境復(fù)雜，車(chē)載電子設(shè)備可能由于外部干擾的影響發(fā)生宕機(jī)、卡滯等故障。如果無(wú)線傳輸模塊發(fā)生該故障，則會(huì)造成列車(chē)數(shù)據(jù)車(chē)地傳輸中斷，地面系統(tǒng)無(wú)法獲取列車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)和故障信息，影響應(yīng)急指揮和故障檢修。因此，需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的硬件看門(mén)狗。由于主控芯片啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，簡(jiǎn)單使用專用看門(mén)狗芯片無(wú)法滿足功能需求，因此選用CPLD 芯片配合看門(mén)狗芯片實(shí)現(xiàn)獨(dú)立看門(mén)狗功能，實(shí)現(xiàn)邏輯如圖2 所示。在主控芯片和系統(tǒng)完成啟動(dòng)前，利用CPLD 啟動(dòng)迅速的特點(diǎn)，由CPLD 芯片實(shí)現(xiàn)喂狗功能；當(dāng)主控芯片和系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，由主控芯片內(nèi)的程序經(jīng)CPLD 喂狗。當(dāng)主控芯片宕機(jī)時(shí)，看門(mén)狗功能自動(dòng)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片、4G 芯片和交換芯片的復(fù)位。

圖2 看門(mén)狗功能控制邏輯

3 軟件設(shè)計(jì)

由于需支持透明轉(zhuǎn)發(fā)功能，無(wú)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(kāi)發(fā)效率，選擇OpenWrt 系統(tǒng)[3]作為底層操作系統(tǒng)。OpenWrt項(xiàng)目是一個(gè)針對(duì)嵌入式設(shè)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(guò)使用軟件包來(lái)定制設(shè)備以適應(yīng)任何應(yīng)用程序，OpenWrt 系統(tǒng)常用于開(kāi)發(fā)支持定制功能的無(wú)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(dòng)、uClibc 交叉編譯庫(kù)、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(dòng)

在無(wú)線傳輸模塊的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，4G 芯片的驅(qū)動(dòng)方式是關(guān)鍵難點(diǎn)之一。4G 芯片作為USB 設(shè)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(dòng)模塊。驅(qū)動(dòng)程序加載成功后，可在/dev 目錄下看到名稱為ttyUSB0 的設(shè)備，同時(shí)通過(guò)ifconfig 命令，可查看到系統(tǒng)中具有USB0 網(wǎng)卡。此時(shí)4G 芯片已經(jīng)成為系統(tǒng)內(nèi)的USB 設(shè)備，可以通過(guò)Linux 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的IO函數(shù)進(jìn)行訪問(wèn)，配合芯片的AT 指令集即可控制該芯片，完成4G 網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳輸功能。同時(shí)，由于4G芯片已驅(qū)動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡，通過(guò)配置系統(tǒng)路由表即可實(shí)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(luò)接入控制

在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中，由于鐵路沿線信號(hào)覆蓋差異，存在4G 網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)的特點(diǎn)，因此為保證車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，需要對(duì)無(wú)線傳輸模塊的網(wǎng)絡(luò)接入控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。撥號(hào)成功后，定時(shí)檢查網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信異常時(shí)重新?lián)芴?hào)，以保證網(wǎng)絡(luò)通信正常。

4 結(jié)論與展望

文中闡述的無(wú)線傳輸模塊，已作為某型動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息無(wú)線傳輸裝置的組成部分，完成型式試驗(yàn)并批量裝車(chē)運(yùn)用，整體運(yùn)用效果良好，在提高參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸密度同時(shí)（圖4?圖5），極大的降低了車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t與阻塞，有利于動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障檢修指導(dǎo)。目前第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（5G）已正式投入商業(yè)運(yùn)行，因此，需要在成功研制集成北斗功能的動(dòng)車(chē)組車(chē)載4G無(wú)線傳輸模塊的基礎(chǔ)上，緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，及早開(kāi)展5G 通信模塊的研制工作。

圖5 4G 傳輸模式下動(dòng)車(chē)組參數(shù)傳輸間隔