楊 柳 代 賽 鐘章隊(duì)

隨著鐵路的迅速發(fā)展，鐵路通信網(wǎng)對(duì)于時(shí)間和頻率的同步都提出了更高的要求。GSM－R網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，各種原因都可能造成網(wǎng)元之間不同步，降低了時(shí)鐘頻率準(zhǔn)確度，產(chǎn)生射頻頻率偏差，導(dǎo)致誤碼、抖動(dòng)、漂移等，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。為此，結(jié)合GSM－R系統(tǒng)各網(wǎng)元間同步實(shí)現(xiàn)方式及時(shí)鐘同步精度要求，分析無(wú)線子系統(tǒng)影響同步的因素，重點(diǎn)研究時(shí)鐘同步不良對(duì)CS（電路交換）承載列控?cái)?shù)據(jù)的可靠性影響，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真測(cè)試。

1 GSM－R無(wú)線子系統(tǒng)同步

GSM－R系統(tǒng)各級(jí)網(wǎng)元之間一般通過(guò)SDH （同步數(shù)字體系）傳輸系統(tǒng)連接，從MSC（移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心）－BSC（基站控制器）－BTS（基站收發(fā)信機(jī)）－MS（移動(dòng)臺(tái)）的方向，將上游同步定時(shí)信號(hào)傳遞至下游網(wǎng)元，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的同步。其中MS是通過(guò)頻率校正信道 （FCCH）和同步信道（SCH）與BTS完成頻率和時(shí)間的同步。

在GSM－R網(wǎng)絡(luò)同步中，無(wú)線系統(tǒng)對(duì)于同步定時(shí)性能的要求最高，這是由于GSM－R空口采用TDMA（時(shí)分復(fù)用）的方式，如果同步性能不符合要求就可能造成時(shí)隙干擾，降低傳輸可靠性。具體要求如下。

1．BSC時(shí)鐘。等級(jí)為三級(jí)，要求時(shí)鐘精度達(dá)到±4．6×10－6。在實(shí)際組網(wǎng)中，BSC多采用跟蹤上級(jí)MSC時(shí)鐘，或者從外部時(shí)鐘口提取時(shí)鐘。

2．BTS時(shí)鐘。國(guó)際組織3GPP和我國(guó)的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定：BTS時(shí)鐘的單一絕對(duì)精度必須優(yōu)于0．05×10－6，用于調(diào)制射頻、載頻和校準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)，同樣時(shí)鐘源用于BTS的所有載頻。

3．MS時(shí)鐘。時(shí)鐘精度必須優(yōu)于0．1×10－6，或相對(duì)于接收到的BTS信號(hào)準(zhǔn)確度優(yōu)于0．1×10－6。MS用同樣的頻率源產(chǎn)生射頻和載頻，并用于校準(zhǔn)內(nèi)部時(shí)基計(jì)時(shí)器。

2 GSM－R無(wú)線子系統(tǒng)同步不良影響及分析

2．1 影響GSM－R系統(tǒng)同步因素

1．參考源時(shí)鐘長(zhǎng)期未校準(zhǔn)，造成時(shí)鐘精度和保持性能無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從而影響各網(wǎng)元間的同步。

2．SDH指針調(diào)整。這會(huì)在SDH／PDH邊界產(chǎn)生很大的相位躍變，經(jīng)過(guò)指針調(diào)整的信號(hào)不再具有上級(jí)時(shí)鐘的信息，造成時(shí)鐘精度下降。

3．抖動(dòng)和漂移。時(shí)鐘信號(hào)在傳輸過(guò)程中或是由于網(wǎng)絡(luò)自身行為產(chǎn)生的固有噪聲，會(huì)對(duì)頻率信號(hào)產(chǎn)生抖動(dòng)和漂移。抖動(dòng)在接收端的影響很難完全被克服，當(dāng)抖動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成大量的誤碼。

4．基站時(shí)鐘長(zhǎng)時(shí)間自由振蕩。由于基站的時(shí)鐘板晶振不具有很高的精確性和穩(wěn)定性，當(dāng)某個(gè)基站長(zhǎng)時(shí)間處于自由振蕩狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超過(guò)指標(biāo)要求的頻率偏差，引發(fā)空口頻率偏移、誤碼、切換異常等問(wèn)題。

5．BSC和BTS設(shè)備對(duì)于時(shí)鐘精度要求不同。BSC時(shí)鐘精度要求低于BTS 2個(gè)數(shù)量級(jí)，BTS從BSC提取的時(shí)鐘很可能不能達(dá)到自身設(shè)備時(shí)鐘精度要求，因而無(wú)法正常鎖定，會(huì)進(jìn)入保持或自由振蕩狀態(tài)。

6．多普勒頻移。在GSM－R系統(tǒng)中，列車(chē)高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移會(huì)造成信號(hào)載波頻率的偏移，增大系統(tǒng)的誤碼率，并降低收發(fā)兩端相干解調(diào)性能，影響小區(qū)選擇與切換。

若基站的載頻為f0，多普勒頻移的大小為fd，基站接收信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)載頻之間的頻差將達(dá)到2fd；當(dāng)列車(chē)處在2個(gè)相鄰小區(qū)交界處時(shí)，MS下行收到來(lái)自2個(gè)基站的信號(hào)，將會(huì)有2fd的頻率差，這將對(duì)下行信號(hào)的解調(diào)性能產(chǎn)生很大影響，如圖1所示。

圖1 信號(hào)頻率變化

2．2 對(duì)調(diào)制與解調(diào)性能的影響

GSM－R采用的是高斯濾波器帶寬與比特率之比為0．3的GMSK調(diào)制方式。一般GMSK信號(hào)的解調(diào)方式包括相干解調(diào)與非相干解調(diào)，其中相干解調(diào)需要保證收發(fā)兩端載波頻率完全一致。圖2和圖3分別為仿真載波頻率為900MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為270．833kb／s，調(diào)制方式為0．3GMSK，通過(guò)AWGN信道，收發(fā)兩端存在0，50，500Hz頻偏時(shí)，采用2種解調(diào)方式下的誤碼性能。

圖2 一比特差分解調(diào)方式下誤碼性能

圖3 相干解調(diào)＋viterbi譯碼方式下誤碼性能

從圖2、圖3可以看出，相干解調(diào)加維特比譯碼的解調(diào)方式，性能明顯優(yōu)于一比特差分解調(diào)的方式，但其對(duì)頻偏敏感，誤碼率會(huì)隨著頻偏值的增大顯著升高；而差分解調(diào)下的頻率偏差對(duì)誤碼性能的影響不大。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，若使用相干解調(diào)的方式，需要采用一定的頻偏估計(jì)和校正算法，以消除頻偏對(duì)系統(tǒng)性能劣化的影響。

2．3 對(duì)射頻指標(biāo)的影響

BTS的系統(tǒng)時(shí)鐘通常用于調(diào)制射頻、載頻和校準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)，并用于BTS的所有載頻。因此，當(dāng)基站鎖定的上級(jí)時(shí)鐘源或基站自身時(shí)鐘出現(xiàn)異常，就會(huì)對(duì)GSM－R射頻指標(biāo)產(chǎn)生影響。

1．基站射頻頻偏?；旧漕l下行頻率取決于基站的時(shí)鐘頻率，對(duì)于900MHz的載波頻率，當(dāng)基站時(shí)鐘頻率偏差達(dá)到規(guī)定要求最大值0．05×10－6時(shí)，基站射頻頻率將偏差：900×106×0．05×10－6＝45Hz。

2．基站射頻相位誤差。GSM的BTS和MS射頻相位偏差容限，可以參考3GPP針對(duì)GMSK規(guī)定：每一個(gè)突發(fā)脈沖RMS相位誤差都不應(yīng)超過(guò)5°；對(duì)于GMSK調(diào)制，每一個(gè)突發(fā)脈沖有用部分的相位最大峰值誤差不超過(guò)20°。

2．4 時(shí)鐘頻偏對(duì)業(yè)務(wù)QoS的影響

GSM－R網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)包括電路域 （CS）和分組域 （PS）。不同業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)（QoS）不同。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘頻率的偏差會(huì)造成業(yè)務(wù)誤碼率的提升，導(dǎo)致語(yǔ)音業(yè)務(wù)質(zhì)量的下降，數(shù)據(jù)傳輸 QoS指標(biāo)下降。我國(guó)GSM－R承載CTCS－3級(jí)業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)主要參考?xì)W洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范確定：傳輸干擾時(shí)間 TTI＜0．8s（95%），＜1s （99%）；傳 輸 無(wú) 差 錯(cuò) 時(shí) 間TREC＞20s （95%），＞7s （99%）。

2．5 時(shí)鐘頻偏對(duì)切換的影響

規(guī)范中MS利用26復(fù)幀的最后一個(gè)空閑幀對(duì)鄰小區(qū)BSIC進(jìn)行解碼，若無(wú)法解出，則關(guān)于該BSIC的BCH測(cè)量報(bào)告全部丟棄。當(dāng)一個(gè)處于專(zhuān)用模式下的MS在一個(gè)失鎖BTS的小區(qū)中，鄰小區(qū)的時(shí)鐘和本小區(qū)時(shí)鐘就可能存在很大偏差，MS將無(wú)法解出鄰小區(qū)的BSIC碼。當(dāng)MS從本小區(qū)移動(dòng)到鄰小區(qū)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)掉話。

因此，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)能顯示鄰區(qū)的頻點(diǎn)，但不能顯示鄰區(qū)BSIC時(shí)的切換失敗問(wèn)題，通常是由于時(shí)鐘不良導(dǎo)致鄰區(qū)SCH消息不能被MS正確解碼造成的。

3 對(duì)CS承載列控?cái)?shù)據(jù)可靠性影響測(cè)試

3．1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試采用華為GSM－R網(wǎng)絡(luò)，包含GSM－R核心網(wǎng)及無(wú)線網(wǎng)，其中基站使用BTS 3012及DBS 3900。首先，測(cè)試得到BSC和BTS牽引范圍 （網(wǎng)元能夠正常鎖定時(shí)鐘源的最大頻偏范圍），BSC牽引范圍為±4．6ppm，BTS牽引范圍如表1所示。

表1 BTS牽引范圍測(cè)試結(jié)果

BITS用于提供穩(wěn)定的2．048MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘；使用ONT 606，用于時(shí)間同步的頻率精度測(cè)試，并產(chǎn)生10－9級(jí)別的頻率偏差。由于牽引范圍測(cè)試發(fā)現(xiàn)，基站最多只能跟蹤頻偏在0．5ppm以?xún)?nèi)的時(shí)鐘源，因此本測(cè)試主要在0～0．45ppm的頻偏范圍內(nèi)進(jìn)行。使用C8無(wú)線信道仿真平臺(tái)模擬鐵路高速環(huán)境；使用GSM＿RuralArea＿6Taps信道模型；測(cè)試終端使用selex的通信模塊，輸入模塊的射頻信號(hào)功率為－60dBm；建立GSM－R QoS地面服務(wù)器 （RBC）及軟件。測(cè)試連接如圖4、圖5所示。

圖4 時(shí)鐘頻偏對(duì)靜態(tài)CSD業(yè)務(wù)的影響測(cè)試連接

圖5 時(shí)鐘頻偏對(duì)高速CSD業(yè)務(wù)影響測(cè)試連接圖

3．2 測(cè)試結(jié)果及分析

3．2．1 時(shí)鐘頻偏對(duì)靜態(tài)CSD業(yè)務(wù)的影響

設(shè)置DBS 3900時(shí)鐘，采用跟蹤BSC時(shí)鐘和禁止跟蹤范圍限制模式，向BSC時(shí)鐘添加頻偏以傳遞至基站；通過(guò)ONT 606分別加入0～0．45ppm的頻偏值；當(dāng)基站穩(wěn)定跟蹤BSC時(shí)鐘后，使用模塊呼叫RBC并進(jìn)行CSD（電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）測(cè)試，每個(gè)頻偏值測(cè)試2h。通過(guò)QoS軟件記錄和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果測(cè)試顯示，頻偏在0～0．45ppm內(nèi)，靜態(tài)CSD業(yè)務(wù)QoS指標(biāo)符合規(guī)定要求；隨著頻偏值的增大，傳輸干擾次數(shù)和傳輸干擾幀數(shù)都會(huì)相應(yīng)增大。

3．2．2 時(shí)鐘頻偏對(duì)高速CSD業(yè)務(wù)影響

設(shè)置BSC及BTS 3012跟蹤BITS時(shí)鐘源；DBS 3900時(shí)鐘采用跟蹤BSC和禁止跟蹤范圍限制模式，通過(guò)ONT 606向BSC時(shí)鐘添加頻偏 （0～0．45ppm）以傳遞至基站；使用C8無(wú)線信道仿真平臺(tái)模擬列車(chē)速度80，250，350km／h運(yùn)行的情況；當(dāng)基站穩(wěn)定跟蹤BSC時(shí)鐘后，使用模塊呼叫RBC并進(jìn)行CSD測(cè)試，每個(gè)頻偏值測(cè)試1h，通過(guò)QoS軟件記錄和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。圖6、圖7、圖8分別為80，250，350km／h速度下傳輸干擾概率和無(wú)差錯(cuò)時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖6 80km／h測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

在列車(chē)速度80，250，350km／h情況下，0～0．45ppm的頻偏值內(nèi)測(cè)試的TTI指標(biāo)符合規(guī)定要求，隨著頻偏值的增大，傳輸干擾概率有所提升；Trec值在頻偏值達(dá)到0．25ppm后，出現(xiàn)不符合規(guī)定指標(biāo)要求的情況，且隨著頻偏的增大，Trec下降明顯；測(cè)試中未出現(xiàn)切換失敗的情況。

圖7 250km／h測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖8 350km／h測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)鐘同步對(duì)GSM－R網(wǎng)絡(luò)QoS影響很大，尤其是無(wú)線子系統(tǒng)對(duì)于同步性能要求很高。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于時(shí)鐘源精度不足、傳輸產(chǎn)生抖動(dòng)漂移、多普勒頻移等問(wèn)題，時(shí)常造成網(wǎng)元間同步不良，引起干擾、誤碼等問(wèn)題。通過(guò)研究GSM－R時(shí)鐘同步技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室搭建平臺(tái)模擬鐵路實(shí)際環(huán)境，針對(duì)偏移對(duì)于CSD業(yè)務(wù)以及切換的影響進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)在0～0．45ppm頻偏值范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生切換失敗，但隨著頻偏值的增大，傳輸干擾概率會(huì)隨之增大，TTI和Trec指標(biāo)相應(yīng)降低，出現(xiàn)低于規(guī)定指標(biāo)要求的情況。

［1］ 鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡．鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2003．

［2］ 于佳亮，程華，于天澤．無(wú)線接入網(wǎng)同步性能測(cè)試技術(shù)［M］．北京：人民郵電出版社，2013

［3］ 曾佐祺，李贊．基于Viterbi算法的GMSK信號(hào)解調(diào)性能分析與仿真［J］．重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，20（2）：132－138．

［4］ 于佳亮，于天澤，程華．關(guān)于GSM時(shí)鐘同步標(biāo)準(zhǔn)及其影響［J］．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010：（6），61－64．