（计算机应用技术专业论文）嵌入式linux在铁路移动接入系统的应用研究.pdf

东南大学工程硕= b 学位论文 摘要 随着铁路运输的发展，运输生产指挥系统对铁路移动通信提出了更高的要求，以满足运输指挥系统对 歹0 车移动体进行管理和控制的需要。传统的单一功能的无线列调系统已经不能满足铁路日益增长 的技术需要，开发新一代的铁路高述移动接入系统，是新形势f 铁路无线通信发展的迫切要求。 在这种背景下，本文依托铁道部科学研究院“铁路安全监控数据高速移动接入系统”项目，研究了嵌 入式l i n u x 在移动接入系统中的应用，总结起来包含如f 3 ：作。 1 全面总结了国内外铁路无线通信的现状和存在的问题，并结合最新的嵌入式技术和软件无线电技 术，指出下一代铁路通信系统的发展趋势。 2 从宏观上进行了移动接入系统的总体设计，包括总体框架设计、软件子系统概要设计和硬件子系 统选型。 3 详细论述了m p c 8 2 3 软件子系统，重点介绍了d s p 通信接口模块设计与实现和无线传输协议模 块设计与实现。 产品样机在铁道科学院环行铁道的成功试验，验证了系统设计的止确性 关键词：铁路，无线通信，嵌入式，l i n u x ，高速移动接入 查堕查堂三里堡主兰堡鎏苎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，r a i l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf a c e st h ec h a l l e n g eo f s a f e t y , r e l i a b i l i t y , a n di n t e g r a t i o n t r a d i t i o n a lw i r e l e s st r a i nd i s p a t c h i n gs y s t e mt h a tw a su s e dc u r r e n t l yc a n n o t s a t i s f yt h en e e do f m o d e mr a i l w a y an e w t y p eo f r a i l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a si nu r g e n tn e e d e m b e d d e dl i n u xa n di t sa p p l i c a t i o ni nh i g h - s p e e dw i m l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw e r ed e t a i l e d ，i n c t u d i n g ： t h ep r e s e n ts t a t e sa n dp r o b l e m so fr a i l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw e r ec o n c l u d e d p e r s p e c t i v e sw a s i n d i c a t e db a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g ya n ds o rd e f i n e dr a d i o t h ed e s i g no fh i g h s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sg i v e n ，i n c l u d i n gg e n e r a lf l a m e ，h a r d s u b s y s t e ma n ds o f ts u b s y s t e m m p c 8 2 3s o f ts u b s y s t e mw a sd e t a i l e d t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fd s pc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l e a n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o np r o t o c o lm o d u l ew e r ee m p h a s i z e d t h es u c c e s s f u le x p e r i m e n t a lr e s u l to f p r o t o t y p ev e r i f i e st h ec o r r e c t i o no f t h es y s t e m k e yw o r d s ：r a i l w a y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，h i g h s p e e da c c e s s 查堕叁兰王堡竺! ! 兰丝堡兰 一 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 毖乱 日 期：2 q q 璺生3 旦2 旦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 ， 刊登) 沦文的全部或部分内容。论文的公布( 包括干峰) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 拘幻导师签名：趟【= = | 期：2 q q 垒生3 旦2 日 东南大学工程砸士学位论文 第一章绪论 随着计算机和通信技术的发展各种通信系统不断涌现，移动通信系统的发展和建设也 发生了翻天覆地的变化。铁路因其运输生产的特点，对移动通信的需求十分迫切。早在7 0 年代，铁路用于运输生产指挥的列车无线调度通信系统就得到了采用并在8 0 年代厉期作 为安全措施在全路普及，它己成为铁路运输调度指挥系统不可缺少的通信工具和安全保证设 施。 随着铁路运输的发展，特别是铁路实施提述战赂以来，运输生产指挥系统对铁路移动通 信提出了更高的要求，以满足运输指挥系统对州乍移动体进行管理和控制的需要。发展铁路 集群移动通信系统、综合开发无线列调雨| 无线数据传输系统，是新形势下铁路无线通信发展 的必由之路j 。 现代化铁路通信系统应具备以下特点1 3 , 4 1 ： 具有高度的可靠性，以保证列车安全运行。 具有出色的技术性能，以保证列车运营管理的高效率。 与铁路信号系统紧密结台形成一个完髂的信息体系。在传统的铁路系统中由于列 车运行速度比较低，通信系统与信号系统基本上是各自独立的。而在现代化铁路系 统中，这种分离状态已不适应需要，许多涉及列车调度、控制、监督的电子化信号 系统的信息，需要通过通信系统进行远距离快速传送，通信和信号两者逐渐相互渗 透结合，形成一个包括通信、指挥和控制在内的自动化系统。 与计算机网络相结合，形成一个现代化的综合运营管理系统。随着计算机技术在现 代化铁路客货运输中的广泛应用，计算机借助通信系统将其连结成网，并为各种运 输服务提供先进的设备条件。 具有多种信息传输和服务功能。在现代化铁路系统中，除了话音信息传输功能之外， 还有大量的诺如数据、图像、文字、监控等非话业务信息的传输和处理功能。 具有多种通信方式的综合业务通信网络。现代化铁路通信系统除了各级指挥系统和 业务部门之间的i 州定通信网络之外，还拥有与运行中列车之间的移动通信网络。在 这两大通信网络中，采用诸如卫星通信等诸多先进通信技术，形成一个多种方式和 手段的综台业务通信网络。 中国铁路现有的无线通信系统不能满足现代化铁路通信系统的要求。目前中国铁路既有 无线通信包括无线列调、平面调卞、区间移动、单信道对讲机、铁路公安无线通信、道口无 线、d m i s 无线车次号传输、尾部分压无线传输、模拟集群通信系统等多种系统。上述无线 通信系统在铁路运输生产安全方面发挥了重要作川。但是也存在许多问题币不足，如同频干 扰严重、信道接人凼雉、频率紧张、白成体系不能互联且通、不能满足信息化的更高要求 锋。 东南大学工程硕= e 学位论文 计算机技术和通信技术，尤其是| 托入式系统和软件无线电技术的发展，为开发研制新 一代铁路无线通信系统奠定了基础。本文即采用嵌入式硬件系统和嵌入式l i n u x ，并利用软 件无线电技术，开发研制了铁路高速移动接入系统。 1 1 国内外铁路无线通信现状及存在的问题 为适应新形势下铁路运输及信息化的要求，国内外铁路系统均开始研究使用新- - 4 - 4 的铁 路无线通信系统。其中国外比较成功的案例有：欧洲的铁路数字移动通信系统g s m r 1 5 , 6 、 铁路集群通信系统t e t r a 6 , 7 , 8 1 、北美a t c s 的通信系统【9 】、日本c a r a t 的通信系统等。国 内铁路无线通信系统发展比较落后，目前仅有部分线路进行了无线通信试验，包括g s m 、 t e t r a 、u n i d e n 等。f 面主要介绍欧洲铁路移动通信系统和中国铁路无线通信现状及存在 的问题。 1 1 1 欧洲的铁路数字移动通信系统g s m 1 1 1 5 , 6 1 g s m r 是欧洲铁路构建的一个共享通信平台，主要为欧洲列车控制系统( e t c s ) 、欧洲 铁路运输管理系统( e r t m s ) 服务。 早在1 9 9 2 年，欧洲的铁路通信标准机构一e i r e n e ，为满足泛欧数字集群系统要求开 始了将公共g s m 平台移植为铁路应用的研究，即对g s m r 的研究。1 9 9 5 年，该组织完成了 对频率的选择；1 9 9 7 年在法国、德国和意大利建立了3 个试验网，并进行了大量的系统试验验 证。验证表明，g s m - r 完全能满足欧洲铁路部门对泛欧铁路无线通信系统的规范和要求。 目前，已有3 2 个欧洲铁路组织在采用g s m r 谅解备忘录上签了字，这就意味着这些铁路 组织将采1 日= j g s m r 系统。 g s m - r 是基于g s m 平台专门为满足铁路应用而开发的数字无线通信系统，g s m r 是 基于g s mp h a s e2 + 的数字制铁路指挥调度系统，完全汲取了 g s m 多年米的发展成果，又专 门针对铁路的各种不同需求开发了许多专用功能。从集群通信的角度来看，g s m r 是一种 公开标准的数字式的集群系统。它能提供无线列调编组调车通信、应急通信、养护维修通 信等语音通信功能。利用g s m - r 平台的数字传输能力，能传输列车诊断数据，提供货运信息、 车载旅客信息服务平| 其他增值服务等。g s m - r 能满足列车运行速度为o 5 0 0 k m h 的无线 通信要求，安全性好。g s m - r 可作为信号及列控系统的良好传输平台，正在开发和试验中 的e t c s 欧洲列车控制系统( 也称f z b ) ，和另一种用t - 1 6 0 k m 以f 的低成本的列车控制系统 ( f f b ) ，都将以g s m r 作为传输平台。 用 z g s m - r 技术性能试验平技术规范验证的3 个试验网分别殴在法国、德国和噫火利。 从1 9 9 7 年以米进行了人量的试验验j i et ：作，不久前义完成了针对铁路需求所开发的语音增 强功能( 包括组呼、小区语音广播、用户优先级等) 的验证：作。目前正在进行综合性能洲 试，。这也是这3 个试验网f i 臼最厉试验和验证i ：作。目前，瑞典是世界上第一个签订g s m r 商 业合同实施g s m rj ：剃的国家。 东南大学工程硕士学位论文 1 1 2 欧洲的铁路集群通信系统_ t e t r a 6 , 7 , s i t e t r a ( t e r r e s t r i a it r u n k e dr a d i o ，陆上集群无线电) 是开放而全新的数字集群标准， 由欧洲电信标准协会( e t s l ) 于1 9 9 5 年正式确定，1 9 9 7 年在欧洲推出试验系统、1 9 9 9 年全面推 广。它的目的是在建立泛欧的面向2 1 世纪的数字集群网，便于欧洲备国公共安全集群用户使 用，促使欧洲各国的集群通信标准化。 t e t r a 系统采用数字时分多址技术，是专r j 满足专业无线用户的需要而设计的，适合 于政府部、行业指挥和商业领域的专网使用。t e t r a _ = i i 作频段有4 0 0m h z 1 8 0 0 m h 2 ，使 用t d m a 方式，一个载波上有4 个逻辑信道，载波频率间l 辐2 5 k h z ，具有较高的频谱利用率。 t e t r a 可以共享所有的无线通道，并且这些无线通道可以按需要分配给用户进行话音和 数据传输。t e t r a 直接模式，支持点到点、点到多点的通信。t e t r a 的主要优点：可 以在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输及电话服务。因此通过一套系统就可以满足综 合无线通信的需求。t e t r a 还具有以f 特点：可利用相邻的t d m a 时隙f 语音数据交 替) 在一台用户终端上实现同步语音与数据传送；允许4 个t d m a 时隙都进行数据传送，净 通过量f 无保护) 高达2 8 8 k b s 。 但是，t e t r a 没有针对铁路用户需求制订相应的标推，迄今未见有针对于线铁路应用 的可行性研究与分析，以及现场试验，特别是没有任何国家高速铁路应用的研究与试验。 t e t r a 从模拟集群演进发展，考虑了专业部门( 例如公安、电力、铁路等) 的共性方面， 有比较完善的功能，某些技术指标优越 - - g s m r ，例如呼叫建立时问、直接模式通信。从 铁路应用角度来讲，m 0 明显存在以下缺点： 1 ) 不能满足铁路特有需求，例如车次号呼叫、 与位置有关的调度功能； 2 ) 越区切换、漫游功能没有得到充分的验证，恰恰铁路氏大交路 运输必须要求可靠的越区切换：3 ) 目前还没有实现各设备商的网络之间的互联互通，形成 人网困难。 1 1 3 中国铁路移动通信现状分析及存在的问题1 1 。, 2 , 3 , 4 l 中国铁路的无线通信主要包括无线列车调度通信系统和站场无线通信系统。另外，在 铁路的区段站、编组站还存在着包括平面凋车、车号、列检等站场无线通信系统；由其他应 用单位白行投资建设的各种独立的单工通信系统也广为使用。 目前，全路最酱及的是无线列车调度通信系统，简称无线列调。早在7 0 年代，铁路用于 运输生产指挥的列车无线漪度通信系统就得到了采_ i = j 并在8 0 年代币期作为安全措施在全路 普及，在全路6 万多公里的营运线路上无线列调的装备率已达到1 0 0 ，它已成为铁路运输 调度指挥系统不可缺少的通信t 具雨i 安全保证设施。 无线列车调度通信系统共分为三种制式。a 制式按照调度员直接指挥机乍的行车方式殴 计，咀“调度员一司机”通信为主；b 制式按照以下站指挥行午为主，调度员允许加入的行 乖指挥方式改汁，主要由“1 1 站值班员一可机一下氏”二肯问的通话为主；c 制式按j ! c 乍站 东南大学工程硕士学位论文 值班员直接指挥行车的行车指挥方式设计，目前，车站台可以提供对调度台的转接。无线列 调还提供了列车尾部风压信息传送、车机联控录音等功能。 中国铁路无线通信经历t ) l 十年的发展，在系统建设、运营维护等方面积累了丰富的 经验，为铁路运输生产其到了积极作用。但是，在铁路运输生产规模的不断扩大的形式下， 也暴露出较多问题，集中在以下几方面： 大量单信道的独立系统的使用，造成铁硌无线频谱资源紧张，频谱资源利用率低。 且各系统基本采用模拟制式，容量小，技术落后，且备部门无线移动通信自成体系， 不能互联互通。铁路工务维修、电务维修和公安等部r j ，都分别建立有自己的一套 对讲系统( 一般覆盖半个到一个区间，多为同频单工) ，不但造成频率资源的极大浪 费，而且在枢纽地区，如北京和徐州等，已经没有频点可供申请使用。 无线列调大部分为回频同信道单工系统，同频干扰现象严重，设备重复，给负责行 车指挥的车站值班员带来较火的压力，极大困扰着枢纽列调的正常使用。无线列调 不仅存在同频干扰，而且在同信道上存在“大信号抑制小信号”问题，即阻塞问 题。在特殊条件下，很有可能发生一般业务阻塞重要安全信息的情况，从而对行车 安全造成威胁。 无线列调系统实现的车机联控严格规定了允许加入无线列调通话的人员范围，但目 前对讲机应用非常普遍，大量的车、机、工、电、辆人员均有对讲机，管理手段无 法制约；社会上手机的持有量也非常大，一般均能调出无线列调频率，在列调频点 上乱说乱讲的现象常有发生，这对丁安全行车来说也是一种隐患。 铁路移动数据通信日益增多，除了要完成车机联控等调度业务外，无线车次号传输、 尾部风压无线传输等等都叠加在无线列调之上，造成本已频率紧张的无线列调更是 不堪重负，影响了车机联控的可靠性。 随着铁路向现代化和高速化方向的发展，单信道无线列调无法满足先进列车控制的 需要，更不能满足客运专线和高速铁路等现代铁路运输的信息化和旅客服务对车一 地间传输提出的更高要求。 随着铁路运输事业的进一步发展，中国铁路迫切需要建立统一的先进的数字综台移动 通信系统，以满足数据传输类业务和铁路移动话音类业务、多l | ! l l 体业务等的迫切需求。 1 2 嵌入式系统 1 2 1 嵌入式系统概述1 1 1 ，1 2 1 3 ，1 4 嵌入式系统是将先进的计算机技术、j ，导体技术雨i 电子技术和各个行业的具体应用相结 合后的产物。陂入式系统被定义为1 ：以应川为中心、以计算机技术为基础、软件硬什可 裁剪、适应应用系统对功能、可铝性、成本、体积、功耗严格要求的专川计算机系统。也有 人把它定义为“映入到对象体系中的专心汁算机系统”。 4 东南大学t 程硕士学位论文 嵌入式系统得到了广泛的应用。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算 机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、 硬盘、显示r 显示器、m o d e m 、网卡、声膏、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集成器等 均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航 空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。最有量产效益和时 代特征的嵌入式产晶应属因特网上的信息家电，p d w e b 可视屯话、w e b 游戏机、w e b p d a 、 w a p 电话手机以及多媒体产品，如s t b ( 电视机顶盒) 、d v d 播放机、电子阅读机等“i 。 嵌入式系统作为一类特殊朐计算机系统，臼底向上包含硬件环境、嵌入式操作系统、 嵌入式赢用程序等三个部分【l “。硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平 台，不同的应用通常有不同的硬件环境。嵌入式揲作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制 等核心功能，其内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联，并具有相对不变性。嵌入式应 用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的 系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 1 2 2 嵌入式系统的特点1 3 , 1 5 】 从嵌八式系统的定义可以看出，“嵌入性”、“专瑚性”“计算机系统”与“以应用为 中心”是嵌入式系统的几个基本要素，与此相对应，嵌入式系统具有如下特点： 与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求， 如物理环境( 小型) 、电气气氛环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要求。嵌入式硬件通常都具 有低功耗、体积小、集成度高等特点。 一 与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。 嵌入式系统的硬件乖i 软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样硅片面积 上实现更高的性能，嵌入式系统中的软件般都同化在存储器芯片绒单片机本身中，而不是 存贮于磁盘等载体中。 与“计算机系统”的相关特点：战入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机 系统。与上两个特点相n 乎应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。 与“以廊_ e | = | 为中心”的相关特点：嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升 级换代也是和具体产品同步进行，闪此嵌入式系统产品一咀进入市场，具有较艮的生命周期。 从某种意义上米说，通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同，嵌入式系 统。l 业是不可莽断的高度分散的【：业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器 和操作系统能够垄断全部市场，即便在体系结构上存在着主流。但各不相同的应i l 领域决定 了不可能由少数公司、少数产鼎垄断全部市场。阏此嵌入式系统领域的产品羽f 技术必然是 高度分散的，留给各个行业高新技术公司的创新余地很火。另外，社会上的荇个席州领域是 不断向前发展的，要求其中的战入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动酞入式l 。业发 展的强人动力。嵌入式系统l = 、| k 的旗础足以廊川为中心旧“芯片”吐计1 _ f | l 面向戍川的软什产 东南大学工程顶士学位论文 品开发。 1 2 3 嵌入式操作系统0 1 6 , 1 7 l 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u s h p l , 设连接提供了稳定可靠的硬件 基础，从而限制嵌入式系统发展的瓶颈突山表现在软件方面。从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就 有一些i t 组织、公司开始进行嵌入式操作系统的研究与开发，经过多年的发展，目前世界上 已经有一大批成熟的嵌入式操作系统 嵌入式操作系统种类繁多，主要分为商用型和免费犁“i 。商用操作系统功能稳定可靠， 有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费的操作系统在价格上具有优势，但是 存在着开发困难等不足。目前商_ j 的嵌入式操作系统有v x w o r k s 、w i n o w sc e 、l y t l x 、p a l m o s 、o s - 9 、p s o s 、j i n i 、q n x 、h o p e n 等。其中v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司开发研制的一种 高性能嵌入式实时操作系统，包括了操作系统本身和其集成开发环境，以其优良的可靠性、 开放性、实时性和易用性赢得了大量的客户。w i n o w s c e 是美国微软公司开发的一种3 2 位的 多任务操作系统，是“维纳斯计划”的核心。它经过压缩，可以移植，能开发多种企业和客 户类设备，是一种广泛应用的嵌入式操作系统。 在嵌入式系统中引入“嵌入式操作系统”，这是嵌入式系统发展的一个趋势。对了二嵌入 式系统，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，利用 系统资源、系统函数，以及和专家库函数接1 ：3 ，崩户必须自行选配嵌入式操作系统开发平台， 这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 嵌入式操作系统是相对于一般操作系统而言的，它具备了一般操作系统最基本的功能， 如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等。但嵌入式系统仅具有这些功能是不够的， 为了适应不断发展的嵌入式产品的要求，嵌入式操作系统需要具有以下特点f ”j ： 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性； 占有更少的硬件资源； 高可靠性； 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其他协议： 友好的图形g u l ； 有些应用要求嵌入式操作系统具有实时性能。 1 2 4 嵌入式l i n u x l l 6 , 1 7 l l i n u x 是9 0 年代初 l | ，由自由软什联盟发起编写的网络操作系统，它是一种类u n i x 的系 统，它以核心位基础、完全内存保护、多任务多进科、代码公开。被泛的应用于p c 干网 络服务器上。 最近儿年，l i n u x 也被移植到暾入式系统中。目前开发的嵌入式系统，有接近一、 的项 目选_ l | j l i n u x 作为嵌入式操作系统。i 妖入式l i n u x 擞作系统趋按j ! 【淡入式系统腑要求而殴汁的 一种小刑操作系统，南一个内核及一些根据需要进行定制的系统模块绑成。其山核微小，一 6 东南大学工程硕士学位论文 般只有几百k b 左右。即使加上其他必须的模块和应用程序，所需的存储空间也很小。它有 多任务、多进程的系统特征。一个小型的嵌入式l i n u x 系统只需要引导程序、l i n u x 微内核、 初始化进程3 个基本元素。嵌入式l i n u x 不使用硬盘、c dr o m 等存储设备，它使用r o m 、f l a s h 、 d o c ( d i s k o nc h i p ) 等体积小、弹量不太人的存储设备。内存一般使用专用的r a m ，也可 使用普通内存。 嵌入式l i n u x 作为一种可裁减的软件平台系统，具有如下特点： 嵌入式l i n u , x 是开放源代码的，并且模块性较强，不存在黑箱技术，遍布全球的l i n u x 爱 好者为l i n u x 的发展提供了强大的技术支持。 嵌入式l i n u x 的山核小、效率高。嵌入式l i n u x l a j 核的核心部分小到一张软盘就可以放下， 甚至可以做到1 0 0 k 以下。 嵌入式l i n u x 是免费的操作系统。价格上具有竞争力。 嵌入式l i n u x 是一套高度简练，界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发的操作系统。 具有多任务多线程的特性，具有优秀的开发平台和开发工具和功能强大的i d e ，具有良好的 移植性。 嵌入式l i n u x 作为一种l i n u x ，网络功能强大。 嵌入式l i n u x 是一种跨平台的操作系统，不仅仅支持x 8 6 芯片，而且支持m i p s 、m o t o r o l a 等多大几十种芯片，并且在不断扩大其应用范嗣。 在国外，嵌入式l i n u x 操作系统的开发已经比较成熟，其中最典型的有如一f j l ： g c l i n u x ：它是l i n e o 公司开放源代码的嵌入式l i n u x 的一个成功典范，其设计目标 平台是那些不具有内存管理单元的微处理芯片。为了达到嵌入式系统的需求， g c l i n u x 改写和裁剪了火量l i n u x 内核源代码以缩小内核体积，同时，保持了l i n u x 操作系统几乎所有的优秀特性。 r t l i n u , x ：它是由v i c t o r y o d a i k e n 提出设计细想，d q m i c h a e lb a r a b a n o v 实现的世界上 最早的实时l i n u x 操作系统。r t l i n u x 采用插入模块的方式，通过一个独立的内核来 管理实时任务。此外，r t l i n u x 接管了全部硬件中断，并用软中断代替l i n u x 的系统 调用。目前，r t l i n u x 被戍删到广泛的领域中，如空间数据采集、科学仪器测控 等。 r t a il i n u x ：它是由米兰理工学院航天j 二程系开发的一套在l i n u x 上用于编写实时 廊用程序的接口，其目标是通过r e d l i n u x 项目，在硬实时硬件抽象层上建立实时 戍用接口，为实时应l | ；| 编狴提供一个通_ | = | j 而功能强大的接口。 m o n t a v i s t al i n u x ：它是m o n t a v i s t as o f t w a r e 公司推出的针对嵌入式殴备的实时、专 业的嵌入式揲作系统。m o n t a v i s t al i n u x 对内核部分进行了高度裁剪、配置，同时 配备了一个由优先级驱动的实时调度器，从而在实时性方面得到了很人的提高。 国内往嵌入式l i n u x 的研发方面虽然起步较晚，但近几年也有了一定的发展，并且正在 东南大学工程硕士学位论文 逐步扩大。市场上主要有红旗嵌入式l i n u x 、联想嵌入式l i n u x 、蓝点嵌入式l i n u x 、华恒嵌 入式l i n u x 、共创软件联盟的c c l i n u x 、f e l 公司的s i n o v e el i n u x 等。 1 3 软件无线电技术“8 ，”制 移动通信的出现为通信方式带来了革命性的变化，人们韵联系和交流不再受时间和空 间的限制。短短一二十年，移动通信经历了从a m p s ，n m t 模拟移动通信，到d a m p s ，i s 9 4 ，g s m 数字移动通信，再到第三代移动通信技术的发展过程。在移动通信技术的发展为生 活带来方便的同时，也出现了多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的现 象。尤其是第二代移动通信系统，这一矛盾尤为突出，严重制约着移动技术的发展。以硬件 为土的传统的通信体制难丁适应这种局面，这些新标准由于射频载波频率和调制方式不同 而限制了各种设备的互通和兼容1 造成资金浪费和重复投入【i 。 针对目前多种无线通信标准和体制之间无法兼容的弊端，美国mi l t r e 公司在1 9 9 2 年5 月首次明确提出了一个新名词：软件无线电( s o f t w a r e d e f i n e d r a d i o ) 。软件无线电技术 在1 9 9 5 年形成了研究的热点，到1 9 9 9 年达到了高峰。e l 前，在国内外大约有超过5 0 0 家的 科研机构在进行软件无线电的研究。其涵盖了软件无线电从硬件到软件，从军用到民用的各 个方面。 软件无线电是指工作模式，包括业务种类、工作速率、调制方式、接口类型、工作频率 羽i 加密方式等可变的无线电设备( 含有线、无线转换装置) 。其结构和功能具有良好的可扩展 性，是未来无线电通信的发展方向。软件无线电的关键技术包括：数字信号处理技术、 a d c d a c 技术、智能天线技术、软什的f 载1 1 。 软件无线电的基本思想就是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编 程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的 软件化的实现方法势必减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节把数字化 处理( 宽带模数变换器( a d ) 及数模变换器( d ，a ) ) 尽可能地靠近射频天线，建立一个具有 “a d - d s p d a ”模型的、通用的、开放的硬件平台，在这个硬件平台上尽量利用软件技术 来实现电台的各种功能模块，系统的升级是通过软件来实现的。软件无线电强调体系结构的 开放性和全面可编程性，具有最大的灵活性和适应能力，通过软件的更新改变硬件的配置结 构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的 不断升级和扩展。 软件无线电摆脱传统的面向单一用途的电台设计思想，通过一种模块化的通崩硬件平 台米实现电台提供的业务。带来的优点是多方面的： 软件无线屯的特点和体系结构保证了电台的模块化、通用化雨i 系列化涉及。 软件无线电的使埘可以人人减少无线电设备及其保密机的铺种数姑，从而降低电台 的装备费川和维护费_ e | j 软什无线i 乜集成了各种通信频段、凋制方式、抗干扰模块及灵活的组刚方式，冈此 东南大学工程硕士学位论文 协同通信能力明显增强。 软件无线电与传统无线电系统结构的主要区别在于( 1 ) 将a d 和d a 向r f 端靠近， 由基带移到中频，对整个系统频带进行采样；( 2 ) 用高速的“d s p c p u ”代替传统 的专用数字电路与低速的“d s p c p u ”来做a d 后d a 前的一系列处理。 未来的无线通信系统将是多制式、多模式的通信系统。软件无线电以其强大的可配置能 力和可编程能力将成为未来通信系统的首选。软件无线电的技术发展将人致可分为硬件、软 件两个方面。 软件无线电的硬件为了支持多制式、多模式通信的空中接口，需要提供一个可配置和可 编程的硬件平台。其研究重点将集中在可重新配置的射频前端以及数字信号利模拟信号的转 换上，对于移动终端、系统的功耗、时钟分配也将是系统的研究重点。 软件无线电的软件技术要提供一个可以支持多种开发环境的软件平台。其研究重点将集 中在a p i 、中间件和可配置的管理模块。一方面是建立一种适合手持式殴备使用的操作系统， 另一方面是可实现即插即用的核。利用即插即用的核可以使系统软、硬件的增减和更新变得 灵活而简单。就系统功能而言，因为软件无线电具有良好的灵活性，其提供的功能将不仅仅限 于实现基本的通信功能，而且还可以实现一些智能化的应用，使得软件无线电可以感知通信环 境的变化，智能地下载相应的软件，调整系统的参数，在保证用户通信质量的前提下更加有效 地使用系统的资源。 1 4 课题背景：铁路安全监控数据高速移动接入系统 本课题来源于铁道部科学研究院“铁路安全监控数据高速移动接入系统”项目。 随着铁道部重点项目“铁路安全监控系统”在上海铁路局的成功试点和全路普及，移动 列车和地面监控中心之间的数据无线实时交互成为必须，而现有的基丁无线列调的铁路无线 通信系统无法满足这一要求。同时，随着铁路提速和信息化建设的进一步深化，地面和移动 列车的高速数据交互的需求呼声越来越高。因此，在科技部和铁道部的共同支持下，由铁道 部科学研究院主持开发新一代的铁路数据高速移动接入系统，即铁路安全监控数据高速移动 接入系统。 铁路安全监控数据高速移动接入系统主要采用基于m p c 8 2 3 的嗽入式硬件系统，f e l 公 司的s i n o vl i n u x 嵌入式操作系统，基丁二a d 公司2 1 1 6 x 的d s p 软件无线电系统和希电公司的射 频产品。 l _ 5 本文主要研究内容 本文第一章介纠了国内外铁路无线通信现状及存在的问题。给出了是嵌入式系统的发 展、特点雨现状，并介引了软什无线电技术，最后给出了本文的课题背景。 其次，介绑了铁路数据高述移动接入系统的总体设计，主要包括系统的总体框架、系统 的埂件子系统和软什子系统。 第二章介纠了系统开发中使川的l 淡入式操作系统s i n o v e el i n u x 操作系统，包括 东南大学1 = 程硕士学位论文 s i n o v e el i n u x 的新特性、s i n o v e el i n u x 的内核源文件组织、存储管理、驱动程序、进程调度、 多线程编程以及软件开发等。 第四详细讨论了m p c 8 2 3 软件子系统的设计，先是m p c 8 2 3 软件子系统的总体设计然 后是几个关键模块的设计与实现，包括d s p 通信接口摸块设计与实现、无线传输挤议模块设 计与实现、窗口资源模块设计与实现等。 最后给出了系统第一代产品的试验结果及其分析。指出了已经实现的功能，提出了不足 和改进意见等。 i j 东南大学工程硕士学位论文 第二章铁路移动接入系统总体设计2 1 l 2 1 系统总体框架 2 1 1 设计目标 铁路安全监控数据高速移动接入系统( 简称铁路移动接入系统) 的设计目的是采用国际 先进的嵌入式系统技术和软件无线电技术结合高速数据处理、现代数字滤波、弱信号检测 等技术，在铁路拥有的4 5 0 u 4 z 频段资源下，开发将铁路安全监测信息在列车和地面安全监 控中心双向传输的系统，实现移动列车和吲定地面中心之间的实时数据传输；并在此基础上， 最终宴现改造v h f u h f 频段上传统的无线通信，使其由现在的模拟过渡到数字、由传输单 一话音信息过渡到传输话音、数据等多媒体信息。为铁路的信息化，特别是为铁路行车指挥 提供安全可靠、高性能的综合调度通信系统 2 1 2 设计原则 铁路安全监控数据高速移动接入系统是一个比较复杂的系统，在开发工程中，要全面考 虑各种情况，遵循以下原则： 高性能：在保证系统能够正常运行的情况下，尽量减少可执行代码所需的空间，提 高程序运行的速度。 易用性：要保证界面的友好性，使不用层次的用户都能够使崩简单，使管理员维护 方便。 模块化：软件的模块化是软件开发的基本原则，具有分丁= 明确、降低错误率和缩短 开发周期等优点。硬件的模块化便于各个子系统的独立设计及调试。 兼容性与扩展性：系统必须兼容现有的铁路无线通信系统，把现有的公务、勤务， 公安，列车防护等无线通信纳入本系统。 通道复用性：做到多信道复用，语音和数据等各种多媒体可同时传输。 2 1 3 总体设计框架 铁路移动接入系统主要由四部分组成：安装= f 车站或地面的基站接入子系统、安装于列 车的车载接入子系统、安装丁铁路局或分局的监控调度子系统和便携监控终端。 基站接入子系统安装于铁路沿线，接收并处理列车的数据信息。 车载接入子系统安装于机车，收集、处理并发送列车相关数据。 监控调度子系统安装丁地面监控中心，监测管理移动接入系统的运行状况，并处理 基站接入子系统和车载接入子系统的相关信息。 便携监控终端由争_ l ；| j 手持机组成，h j 丁基站接入子系统年| j 午载接入子系统的监测干 维修。 铁路移动接入系统的结构如幽2 i 所示。 东南大学工程硕士学位论文 士o t x ： ，2 ，3 ) ：士 有线数据传输 丫i o 监控调度子系统 铁路数据中心 l j 图2 1 铁路移动接入系统结构图 车载接入子系统和基站接入子系统结构基本相同，分为三部分：无线收发信道部分、软 件无线信号处理部分和嵌入式计算机系统部分。 无线收发信道部分包括天线和射频模块，主要完成射频信号的发送接收、射频与 中频信号间的变换功能。 软件无线信号处理部分由d s p 板及相关软件组成，主要完成数字下变频d d c 数字上变频d u c ，信号调制解调，数据编码，码，数据纠错和检验功能， 数据加密解密，语音压缩解压缩和无线信道管理等功能。 嵌入式计算机系统包括嵌入式主扳、嵌入式操作系统、土控软件，主要完成数据的 人机交互及处理。 2 2 系统的硬件子系统 铁路移动接入系统的基站接入子系统年| i 车载接入子系统硬什结构上基本相同，由射频 板、d s p 扳以及m p c 8 2 3 姨八式扳等三部分构成，如幽2 2 所示。 2 3 系统的软件子系统 铁路移动接入系统的基站接入f 系统平乍找接入子系统的软什结构丛本相同，土要由 q 孓 t 船 t i 丫 东南大学工程硕= b 学位论文 m p c 8 2 3 软件部分和d s p 软件部分组成。 m p c 8 2 3 软件部分以嵌入式l i n u x 为操作系统，主要完成基站接入子系统或者车载接入 子系统的管理和无线协议等功能。 d s p 软件部分主要完成数字上f 变频，信号调制解凋，数据编码码数据纠错和检验， 数据加密鳃密，语音压缩，解压缩和无线信道管理等信号处理功能。 基站接入子系统和车载接入子系统的软件结构如图2 4 所示。 l ，一 幽2 3 铁路移动接入系统硬件图 俐2 4 萃站接入子系统t f | l 下载接入子系统软4 1 ：结构l 到 东南大学工程顽l 学位论文 车载接入子系统所有模块之间的调用关系如图2 5 所示，基站接入子系统所有模挣 ；期 的调用关系如图2 6 所示。图例说明：横线以上为m 髫鎏筠软件，横线以下为d s p 软件；匕。二d 所示方块是第一险盛霉要完成或简单实现的模块；舀所示方块是第二阶段需要完成或简 目抖掌| 夏 ：至雯! 臣曩翦匝!震 一一_ 一一_ _ 一+ i 刃1 勰1 ，、i ，0f i l ， 。 匿墅哆 ，?。| 、 憩堂叵。豳鏖 高斋意i $ l l 薯鼍! 磁臻鸯窟亘扇斑 ? 一i 型! ! 兰li 。：黔，三l ! ! 些i 匕! 型形l ! ：it ，够，l 匕：i ! ；2 l i 面* # m i 画1 ；! j ! 燮i ! 复一一兰i 一一一一- 图2 5 车载接入子系统软件关系总图 系统软件开发的第一阶段实现系统的基本框架，包括： m p c 8 2 3 软件部分包括：d s p 系统通信接口模块、无线传输协议模块、m s c 接口 模块、窗口资源模块( 部分简化界面) 、系统稳定性监控模块、检测模块等。 d s p 软件部分包括jm p c 8 2 3 系统通信接口模块、写d u c 数据区模块、读d d c 数据区模块、d d c d u c 参数珂己置模块( 基本缺省配置) 、纠错反交织解调模块( 简 单实现) 、编码交织调制模块( 简单实现) 、d s p 收发控制模块、系统稳定性监控 模块等。 其中，m p c 8 2 3 软什部分包括d s p 系统通信接口等诸多模块，详见表2 1 。d s p 软件部 分包括m p c 8 2 3 系统通信接口等诸多模块，详j ! ! | 表2 2 。 4 东南大学工程硕士学位论，； = 弋厂r 一曩 7 二产 r j 赢 、j 、 妒 趁g | j 目 、。、h 彩匡室 暮口m 重* g 图2 6 站接入子系统统软件关系总图 表2 1m p c 8 2 3 软件部分模块表 模块名称模块功能描述 d s p 系统通信接口负责m p c 8 2 3 部分与d s p 部分的数据交换。通过它，m p c 8 2 3 部分 模块可以将待传输的数据传递给d s p 部分，同时也可以将d