复杂环境下便携式数字同频无线中继装置在铁路中的应用研究

复杂环境下便携式数字同频无线中继装置在铁路中的应用研究

张宇

 中国铁路呼和浩特局集团有限公司科研所                 内蒙古呼和浩特   010050

1 引言

全球数字无线中继台技术和应用市场发展迅速，数字移动无线电(DMR)中继器是一种无线电系统，允许两个或多个DMR无线电之间在比单个DMR无线电更大的距离上进行双向通信。中继器接收来自发射无线电的信号，将其放大，并以更高的功率和相同的频率重新发射，以扩展通信范围。DMR数字同频中继技术与模拟系统相比，通信效率更高，容量更大。

市场上通用类型的数字移动无线电(DMR)中继器在铁路中的应用并不乐观。因为随着我国铁路设施建设的发展，列车速度逐渐提高，对列车行驶安全和通信信号稳定接收传输提出新的要求。但市场上大部分均为固定台形式，与铁路工务作业特点并不相符目前，仅呼和浩特局集宁工务段所负责的线路中，存在57个手持台通信盲区，导致驻站联络员、作业负责人、现场防护员之间手持台通信联系不畅，一线工作人员只能采取增加中间联络员进行接力传话的方式，严重影响防护效果及作业效率，存在严重安全隐患。

为解决此类问题，呼铁局科研所手持台中心基于数字同频技术设计研发一种便携式无线中继装置，即使用原无线频点及手持台实现大范围、远距离无线信号中继，突破手持台受自身接发能力差、环境影响、抗干扰性差的制约，实现装置覆盖范围内驻站联络员、作业负责人、现场防护员手持台点对点即时通信畅通。本设计成果主要研究包括DMR标准下TDMA时分多址技术及RF射频技术的应用、增益全向天线辐射强度的研究、锂电池组充放电过程控制、风光互补供电控制等内容。主要技术指标接收灵敏度、音频失真、载波输出功率、频率误差、最大允许频偏要应符合《中华人民共和国国家标准无线电发射设备安全要求》。实现装置整体体积、重量的小型化、轻型化设计；防尘防水等级可满足全天候作业；各部件连接端口可快接快拆；内置电源满足作业时长等目的，满足工务作业范围广、作业地点及时间不固定的需求。

2  DMR同频中继装置工作原理

数字同频无线中继装置主要工作原理就是同一频率内进行通信的DMR数字设备，每个频率均包括时隙1和时隙2，即一个时隙接收，另一个时隙发射，达到中继的功能。基于DMR的技术标准，利用TDMA时分多址技术实现全双工同频中继作用，相对异频中继台的频率资源可以节省一半。其设备一体化、系统最小化，只需一个频点就可以实现信号中继功能，无需双工器即可完成通信部署。在同频中继模式下，终端采用自适应方案，自动接收中继信号或终端信号。             

DMR协议采用双时隙TDMA结构，两个TDMA物理信道时隙标识为信道“1”和“2”。入栈信道表示为“MS TX”，出栈信道表示为“BS TX”。

移动台和中转台的每个时隙都占用的时间为30ms，一个时隙包含一个突发，两个时隙的突发组成一个TDMA帧，其中突发中的有效信息占用了27.5ms，另外的2.5ms分布在有效信息的两边，左右各1．25ms，这样两个突发之间的间隔为2．5ms。

在中转模式下出栈信道中，2.5ms间隔则用来作为公共通知信道CACH，主要用于传送信道管理信息和低速信令。中转台通过在两个下行突发之间发送CACH来管理信道接入。CACH其中一个用途是用于表明上行信道的使用情况。中转台在双频模式下同时进行收发，所以必须发送中转台的信道信息(忙或闲)给所有正在监听中转台的移动台，如果移动台想要发送信息，必须等到中转台信道空闲。

 CSBK为数据突发帧结构，如图2.5所示，其编码过程为80比特CSBK信令附加16比特CRC校验，组成的96比特经BPTC(196，96)编码得到196比特，最后再经过交织后，放入信息承载域。

采用同频中继时，手持台A在信道fl上发送信息到中转台，中转台收到之后同样在f1信道上转发给手持台B。

手持台A按下PTT呼叫请求之后，发送激活信令CSBK，中继装置接收到信息被激活后，发送空闲信令。手持台在信道接入后，在各自的时隙上发送和接收语音信息，中继装置则负责转发信令和语音，直到用户松开PTT，发端向收端发送呼叫结束信令(EOTX)，收端收到后结束本次呼叫。在没有手持台处于呼叫及被呼叫的情况下，中继装置处于休眠状态，在这个状态下，中继装置不进行任何信令的转发，它唯一任务就是等待手持台进行呼叫事务，在手持台进行呼叫时，会发送CSBK激活信令给中继装置，此时如果中继装置收到后，立即处于活动状态，并开启激活定时器，然后处于信道等待状态，如果接下来收到的信令还是为CSBK信令类型，中继装置仍旧处于信道等待，如果接收到其他帧(如语音帧)，则进行转发。在这一过程中，如果中继装置是在时隙1收到信息，则呼叫控制层启动时隙1进行转发，反之在时隙2也一样。在激活定时器结束之前也就是信道等待的时间内，如果中继装置没有收到任何数据突发，则中继装置重新进入休眠状态，反之，如果收到转发信令，则进行时隙转发。

中转台时隙l与时隙2是相互独立的，在不同的时隙内转发各自的数据和语音突发，在收到激活信息之前，两个时隙状态是相同的，一旦收到激活信息后，各个时隙负责各自的任务。所以在设计呼叫控制的进程时，时隙l和时隙2分别各为一个任务，其中一个总的任务来负责呼叫控制层整体控制。

为了保证消息的可靠性传输，系统必须定时调整达到同步。否则随着时间的增长，会产生定时漂移以至失步，严重时会将导致通信崩溃。当MS和BS共同工作时，MS将同步于下行信道并且MS向BS发送数据时，同样参考下行信道。这样保证了所有的MS工作于同一参考定时。假如当前BS没有数据传输时，MS想要接入系统，必须先向BS发送一条激活信令，等待同步建立。帧同步时间戳是指射频收到数据以后检测到DMR同步字获取的30ms硬件定时器的时间，称为T接收同步字。T理想同步字是中转台出栈信道发出同步字时间值，该值在定时器任务中为一先验值，以该值为标准进行同步。

3复杂环境下便携式数字同频无线中继装置设计实现

整体方案参照简化OSI七层体系结构，自下而上分别为：物理层(PL)，数据链路层(DLL)，呼叫控制层(CCL)。物理层主要实现比特同步、帧同步、接收和发送数据等。呼叫控制层主要功能是对链路层的转发进行控制。而数据链路层是实现链路层的编解码与转发。定时器则提供各个模块时间信息。

当某一移动台处于发送时隙时，在入栈信道上发送数据，中转台在接收时隙内，将数据接收，并将数据进行处理。如处理后的结果是要转发到另一移动台，中转台将数据在发送时隙将数据在出栈信道上发送出去，另一移动台在接收时隙内将中转台发送出来的数据接收。中转台和两个移动台进行通信，单一的信道只能实现移动台之间的单工通信，不能实现全双工通信，所以在设计中转台时使用了双通道结构，所以解帧／组帧，提取控制信令，高层协议处理等由主控制芯片STM32来处理，实现两个信道的数据处理和交换。在各自的信道上处理移动台的数据，避免数据冲突情况。物理层采用收发芯片SCT3252B。

MCU采用STM32F103增强型，STM32系列是专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cortex-M3内核，增强型时钟频率可以达到72MHz。

呼叫控制层中CCL层通过消息队列与DLL层进行通信，CCL层本身也分成为三个控制进程，这三个进程之间也通过消息队列进行通信。其中CCL-BS负责呼叫控制层的整体控制，CCL-1和CCL-2分别负责时隙1和时隙2的转发任务。CCL-1和CCL- 2分别通过消息队列向DLL发送消息，从而控制DLL两个时隙的转发。与此同时，CCL-1／CCL-2和主控制进程CCL-BS之间也是通过消息队列进行通信。例如当DLL收到信息后通过消息队列通知CCL-BS(也可以直接通知CCL-1／CCL-2)，CCL-BS处理后通知CCL-1／CCL-2，再由CCL-1／CCL-2发送消息以此控制DLL中的时隙1和时隙2的转发。

在呼叫控制层下总共需要两个定时，分别是T-MSInactive和T-CallHt，他们的作用如下定义

(1)T-MSInactive：MS inactivity timer,这个定时器用于判断中转台激活后手持台是否长时间没有接入，如果超时，中转台下行信道重新进行休眠，它作用于CCL-BS。默认定时时间为5S，默认最大定时时间为无穷大。

(2)T-CallHt：Call hangtime period，中转台的呼叫保持时间，在一次通话结束之后，中转台对应时隙信道有一段保持时间，方便重新接入通话，如果超时，则该时隙信道发送信道空闲信息它作用于CCL-1／CCL-2。默认为3S，默认最大值为无穷大。

链路层宏观功能是实现两个时隙的转发，链路层知道自身当前时隙状态，因此中继装置两个时隙的任务独立开来，即时隙l完成时隙l的固定任务，时隙2完成时隙2的固定任务，互不影响，同时为时隙1和时隙2分别提供相应的发送和接收缓冲区。其中REVl、SENDl为时隙l接收缓冲区和发送缓冲区，REV2、SEND248为时隙2接收缓冲区和发送缓冲区。阴影表示缓冲区有数据，空白表示缓冲区无数据。

对于中继装置，时隙l或时隙2同时在进行着接收数据和发送数据。以时隙l为例，在时隙1接收到的数据，在接下来的时隙2进行解码处理后，根据相应的结果在下一个时隙1进行发送。而此时时隙1发送的数据，是在上一个时隙1接收，且在上一个时隙2解码处理后，根据相应结果发送的。

基带收发模块，主要发送储存数据链路层发送缓冲区的数据，并将基带驱动接收的业务数据转发给数据链路层。本模块负责屏蔽物理设备的差异为协议层高层提供收发数据接口。对于基带收发的接收部分，射频模块接收到数据时，将数据放入接收缓冲区中，接收进程从接收缓存区中读取到数据并将其发送到数据链路层的消息队列中，等待数据链路层的读取；对于基带收发的发送部分，基带发送的数据是由数据链路层产生的，并通过操作系统的消息队列传送过来，再调度基带发送进程来发送数据，如此会增加发送时延，进而影响30ms的时隙以及移动台的定时器调整，所以最终采用数据链路层在发时隙状态直接调用基带驱气动的写接口将数据发送出去。

本设计成果采用SCT9377模块，其是一个完全集成的高性能数字中继台基带处理模块，无需外部SAW和IF滤波器。由主控 MCU、中继处理基带(SICOMM SCT3252B)、语音及呼叫控制基带（SICOMM SCT3258）三个功能模块组 成，内部集成协议规定的 4FSK 调制解调器、 信道编解码器及中继协议处理器。同时兼容原有模拟中继台的射频通道，能满足客户快速进行DMR中继台、模拟中继台，能够实现语音中继的监听和语音呼叫的主动发起功能。RM-001提供了UART接口和标准SPI接口，UART串口方便上位机调试软件进行相关参数的配置和性能测试；SPI接口和UART串口可以同时提供控制模块收发状态，模式切换等控制信息，外部主机通过接口可以获取 RM-001的运行状态信息、工作模式、参数等状态或配置信息,方便进行二次开发扩展高级功能。

图1 主板实物图

电源采用12V的18650三元锂电池组，单节典型电压3.7V，容量为2500mHA，内阻均在35毫欧以下。电池组采用3串14并组合方式，总容量达到35000 mHA，在满电情况下，可实现待机7天超长待机，支持最大电流工作48小时。

充电保护板采用12V锂电池专用带均衡充电保护板，同时为了实现一致性均衡效果最佳，外部使用13V开关电源充电。因为均衡电流在45mA左右，使用13V开关电源充电器可以实现完全均衡后，使每组电池电压平衡，避免出现充电电流检测低于100mA时就自动停止充电，导致各电池组电压不均衡和始终处于充不满也不会保护的情况出现，长期对电池寿命造成影响。

  外接天线采用中心频率为450MHz，频率范围为：±10MHz的吸盘天线。吸盘天线长度为92cm，具有很好的便携性。另外可根据现场实际通信情况，如需更大范围的通信，可更换为中增益玻璃钢天线，中增益天线长2.5m，需要固定安装。

机箱采用320×214×101MM的压铸铝金属机箱，其具有结构稳定性好，散热性好，重量轻的优点。根据内部空间，合理分配安装锂电池组、射频主板、显示屏及各种接口。

4复杂环境下便携式数字同频无线中继装置现场测试

课题组在完成复杂环境下便携式数字同频无线中继装置的成果之后，开展了现场试用工作，以检验其功能性及适用性。呼铁局集宁工务段段积极配合了课题组的试用工作，重点在集二线白音察干工作进行了试用。白音察干工区所负责的区段由于地形影响，两部手持台仅能在2.4KM范围内正常通信，但工区作业范围大，最远处距离白音察干站18KM，以前依靠增加中间联络员或使用段里配发的公网电话，但以上两种方式都存在不能实现点对点即时通信的缺点。

项目组在白音察干往乌兰哈达方向，距离白音察干站3.5KM处增设便携式数字同频无线中继装置，在距离白音察干18KM远与白音察干驻站联络员通信语音连续、清晰，能够满足现场使用。

                     图2 现场功能测试

5结论及展望

该设计成果解决了呼铁局集宁工务段所负责的线路中，存在的57个手持台通信盲区，导致驻站联络员、作业负责人、现场防护员之间手持台通信联系不畅，一线工作人员只能采取增加中间联络员进行接力传话的方式，严重影响防护效果及作业效率的问题。

自便携式数字同频无线中继装置在现场试用以来，参试人员一致认为该报成果在设计上贴合现场作业需求，适用于工务作业范围大、作业点不固定的特点。功能特点突出，能够有效提升手持台通信范围，对工务目前存在的多个通信不畅盲区，是一个良好的解决方案。经过试用，总结出复杂环境下便携式数字同频无线中继装置具备以下特点：1、该成果不改变现场原通信方式，可实现增加手持台通信范围的目的，能够满足工务作业要求。2、该成果操作简单，功能实用，具有良好的便携性。电池容量为34000mA,可连续工作48小时。

为了更好的满足现场实际，项目组会继续深入的研究，在设备的小型化、智能化、设备防护方面进行更精细的研究。