GSM－R無線子系統(tǒng)時鐘同步影響及其因素分析

楊 柳 代 賽 鐘章隊

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

1 GSM－R無線子系統(tǒng)同步

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

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

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

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

3．MS時鐘。時鐘精度必須優(yōu)于0．1×10－6，或相對于接收到的BTS信號準(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)部時基計時器。

2 GSM－R無線子系統(tǒng)同步不良影響及分析

2．1 影響GSM－R系統(tǒng)同步因素

1．參考源時鐘長期未校準(zhǔn)，造成時鐘精度和保持性能無法達(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。這會在SDH／PDH邊界產(chǎn)生很大的相位躍變，經(jīng)過指針調(diào)整的信號不再具有上級時鐘的信息，造成時鐘精度下降。

3．抖動和漂移。時鐘信號在傳輸過程中或是由于網(wǎng)絡(luò)自身行為產(chǎn)生的固有噪聲，會對頻率信號產(chǎn)生抖動和漂移。抖動在接收端的影響很難完全被克服，當(dāng)抖動嚴(yán)重時會造成大量的誤碼。

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

5．BSC和BTS設(shè)備對于時鐘精度要求不同。BSC時鐘精度要求低于BTS 2個數(shù)量級，BTS從BSC提取的時鐘很可能不能達(dá)到自身設(shè)備時鐘精度要求，因而無法正常鎖定，會進(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，列車高速移動帶來的多普勒頻移會造成信號載波頻率的偏移，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，基站接收信號頻率與發(fā)射信號載頻之間的頻差將達(dá)到2fd；當(dāng)列車處在2個相鄰小區(qū)交界處時，MS下行收到來自2個基站的信號，將會有2fd的頻率差，這將對下行信號的解調(diào)性能產(chǎn)生很大影響，如圖1所示。

圖1 信號頻率變化

2．2 對調(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AWGN信道，收發(fā)兩端存在0，50，500Hz頻偏時，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，但其對頻偏敏感，誤碼率會隨著頻偏值的增大顯著升高；而差分解調(diào)下的頻率偏差對誤碼性能的影響不大。在實際應(yīng)用過程中，若使用相干解調(diào)的方式，需要采用一定的頻偏估計和校正算法，以消除頻偏對系統(tǒng)性能劣化的影響。

2．3 對射頻指標(biāo)的影響

BTS的系統(tǒng)時鐘通常用于調(diào)制射頻、載頻和校準(zhǔn)時基信號，并用于BTS的所有載頻。因此，當(dāng)基站鎖定的上級時鐘源或基站自身時鐘出現(xiàn)異常，就會對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鐘頻率，對于900MHz的載波頻率，當(dāng)基站時鐘頻率偏差達(dá)到規(guī)定要求最大值0．05×10－6時，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GMSK規(guī)定：每一個突發(fā)脈沖RMS相位誤差都不應(yīng)超過5°；對于GMSK調(diào)制，每一個突發(fā)脈沖有用部分的相位最大峰值誤差不超過20°。

2．4 時鐘頻偏對業(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)對應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)（QoS）不同。一般來說，時鐘頻率的偏差會造成業(yè)務(wù)誤碼率的提升，導(dǎo)致語音業(yè)務(wù)質(zhì)量的下降，數(shù)據(jù)傳輸 QoS指標(biāo)下降。我國GSM－R承載CTCS－3級業(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：傳輸干擾時間 TTI＜0．8s（95%），＜1s （99%）；傳 輸 無 差 錯 時 間TREC＞20s （95%），＞7s （99%）。

2．5 時鐘頻偏對切換的影響

規(guī)范中MS利用26復(fù)幀的最后一個空閑幀對鄰小區(qū)BSIC進(jìn)行解碼，若無法解出，則關(guān)于該BSIC的BCH測量報告全部丟棄。當(dāng)一個處于專用模式下的MS在一個失鎖BTS的小區(qū)中，鄰小區(qū)的時鐘和本小區(qū)時鐘就可能存在很大偏差，MS將無法解出鄰小區(qū)的BSIC碼。當(dāng)MS從本小區(qū)移動到鄰小區(qū)時，就會出現(xiàn)掉話。

因此，當(dāng)移動臺能顯示鄰區(qū)的頻點，但不能顯示鄰區(qū)BSIC時的切換失敗問題，通常是由于時鐘不良導(dǎo)致鄰區(qū)SCH消息不能被MS正確解碼造成的。

3 對CS承載列控數(shù)據(jù)可靠性影響測試

3．1 測試環(huán)境

測試采用華為GSM－R網(wǎng)絡(luò)，包含GSM－R核心網(wǎng)及無線網(wǎng)，其中基站使用BTS 3012及DBS 3900。首先，測試得到BSC和BTS牽引范圍 （網(wǎng)元能夠正常鎖定時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牽引范圍測試結(jié)果

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

圖4 時鐘頻偏對靜態(tài)CSD業(yè)務(wù)的影響測試連接

圖5 時鐘頻偏對高速CSD業(yè)務(wù)影響測試連接圖

3．2 測試結(jié)果及分析

3．2．1 時鐘頻偏對靜態(tài)CSD業(yè)務(wù)的影響

設(shè)置DBS 3900時鐘，采用跟蹤BSC時鐘和禁止跟蹤范圍限制模式，向BSC時鐘添加頻偏以傳遞至基站；通過ONT 606分別加入0～0．45ppm的頻偏值；當(dāng)基站穩(wěn)定跟蹤BSC時鐘后，使用模塊呼叫RBC并進(jìn)行CSD（電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）測試，每個頻偏值測試2h。通過QoS軟件記錄和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，測試結(jié)果測試顯示，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)都會相應(yīng)增大。

3．2．2 時鐘頻偏對高速CSD業(yè)務(wù)影響

設(shè)置BSC及BTS 3012跟蹤BITS時鐘源；DBS 3900時鐘采用跟蹤BSC和禁止跟蹤范圍限制模式，通過ONT 606向BSC時鐘添加頻偏 （0～0．45ppm）以傳遞至基站；使用C8無線信道仿真平臺模擬列車速度80，250，350km／h運行的情況；當(dāng)基站穩(wěn)定跟蹤BSC時鐘后，使用模塊呼叫RBC并進(jìn)行CSD測試，每個頻偏值測試1h，通過QoS軟件記錄和統(tǒng)計數(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差錯時間統(tǒng)計結(jié)果。

圖6 80km／h測試結(jié)果統(tǒng)計

在列車速度80，250，350km／h情況下，0～0．45ppm的頻偏值內(nèi)測試的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；測試中未出現(xiàn)切換失敗的情況。

圖7 250km／h測試結(jié)果統(tǒng)計

圖8 350km／h測試結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié)束語

時鐘同步對GSM－R網(wǎng)絡(luò)QoS影響很大，尤其是無線子系統(tǒng)對于同步性能要求很高。在網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用過程中，由于時鐘源精度不足、傳輸產(chǎn)生抖動漂移、多普勒頻移等問題，時常造成網(wǎng)元間同步不良，引起干擾、誤碼等問題。通過研究GSM－R時鐘同步技術(shù)，在實驗室搭建平臺模擬鐵路實際環(huán)境，針對偏移對于CSD業(yè)務(wù)以及切換的影響進(jìn)行測試。測試發(fā)現(xiàn)在0～0．45ppm頻偏值范圍內(nèi)，沒有發(fā)生切換失敗，但隨著頻偏值的增大，傳輸干擾概率會隨之增大，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，李旭，蔣文怡．鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)［M］．北京：中國鐵道出版社，2003．

［2］ 于佳亮，程華，于天澤．無線接入網(wǎng)同步性能測試技術(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信號解調(diào)性能分析與仿真［J］．重慶郵電大學(xué)學(xué)報：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．