GSM-R光纖分布式系統(tǒng)的時(shí)延測(cè)量與自動(dòng)補(bǔ)償

丁偉偉，趙 霞（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

GSM-R光纖分布式系統(tǒng)的時(shí)延測(cè)量與自動(dòng)補(bǔ)償

丁偉偉，趙 霞
（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

針對(duì)GSM-R光纖分布式系統(tǒng)在無(wú)線信號(hào)覆蓋時(shí)存在的同頻信號(hào)干擾問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的信號(hào)時(shí)延測(cè)量和自動(dòng)補(bǔ)償方法。首先介紹了系統(tǒng)時(shí)延測(cè)量的基本原理并給出了計(jì)算公式，然后利用VxWorks中任務(wù)管理和信號(hào)量傳遞機(jī)制完成了系統(tǒng)時(shí)延測(cè)量和自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)，最終確保系統(tǒng)在自動(dòng)時(shí)延補(bǔ)償后可降低同頻信號(hào)干擾的影響，提高無(wú)線通信的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可將系統(tǒng)時(shí)延差值補(bǔ)償至1μs以內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

光纖分布式系統(tǒng)；光纖時(shí)延；轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；自動(dòng)補(bǔ)償；VxWorks

0 引言

近年來(lái)，鐵路交通不斷發(fā)展，鐵路沿線地形也隨之變得復(fù)雜，大彎道、深路塹、長(zhǎng)隧道等區(qū)域通常是基站天線覆蓋的弱場(chǎng)區(qū)。在這些區(qū)域建設(shè)基站，無(wú)論在成本控制還是基站選址上都有很大難度，而GSM-R光纖分布式系統(tǒng)可以有效地填補(bǔ)基站的覆蓋盲區(qū)，節(jié)省基站建設(shè)開(kāi)支，提高鐵路通信的服務(wù)質(zhì)量，因此采用光纖分布式系統(tǒng)結(jié)合天線或漏泄電纜的方式來(lái)解決復(fù)雜地形的信號(hào)覆蓋問(wèn)題?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，光纖分布式系統(tǒng)近幾年來(lái)得到了很好的發(fā)展和應(yīng)用［1］。

1 系統(tǒng)概述

本文所述光纖分布式系統(tǒng)由一臺(tái)時(shí)分主單元（Time Distributed MasterUnit，TDMU）與多臺(tái)射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio-frequency Unit，RRU）組成，其中TDMU與基站連接，用于將基站射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后，通過(guò)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端機(jī)RRU進(jìn)行射頻覆蓋，同時(shí)對(duì)基站射頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)延處理。一種常見(jiàn)的拓?fù)溥B接如圖1所示，一臺(tái)TDMU最多可掛載4臺(tái)RRU，同時(shí)每臺(tái)RRU又可級(jí)聯(lián)一臺(tái)RRU實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多級(jí)傳輸。

圖1 一種常見(jiàn)拓?fù)溥B接圖

1.1 工作原理

上行鏈路中，TDMU與RRU上行天線分別接收來(lái)自列車移動(dòng)臺(tái)（Mobile Station，MS）的無(wú)線信號(hào)，經(jīng)射頻放大、混頻處理后，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣變成數(shù)字中頻信號(hào)，之后經(jīng)過(guò)數(shù)字處理單元完成數(shù)字下變頻，其中RRU通過(guò)光纖將收到的上行數(shù)據(jù)傳輸至上級(jí)設(shè)備，TDMU收到來(lái)自光口的上行數(shù)據(jù)，由數(shù)字處理單元處理后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)上變頻、射頻放大后通過(guò)天線發(fā)送至基站（Base Station，BS）。下行鏈路中，TDMU下行天線接收來(lái)自BS的無(wú)線信號(hào)，經(jīng)過(guò)與上行鏈路類似處理后通過(guò)光纖將下行數(shù)據(jù)傳輸至各級(jí)RRU，并通過(guò)TDMU與RRU的下行天線將信號(hào)發(fā)送至MS。

1.2 同頻干擾

在移動(dòng)通信中，一個(gè)不可忽視的問(wèn)題就是同頻干擾。同頻干擾是指在同一制式下不同信號(hào)發(fā)射源（基站、直放站等）同一頻點(diǎn)的下行信號(hào)在同一小區(qū)出現(xiàn)，使MS無(wú)法區(qū)分不同的信號(hào)源，形成干擾。參考文獻(xiàn)［2］、［3］分析了同頻干擾產(chǎn)生的原因以及對(duì)無(wú)線通信的影響，當(dāng)同頻干擾產(chǎn)生后，如果不處理好，就會(huì)造成通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重的可能造成掉話和數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。在同一小區(qū)引入光纖分布式系統(tǒng)后，直接增加了同頻干擾區(qū)域，即在TDMU與RRU之間、RRU與RRU之間都會(huì)形成一個(gè)同頻疊加區(qū)。參考文獻(xiàn)［1］針對(duì)這一問(wèn)題提出通過(guò)增大單個(gè)RRU到TDMU的傳輸時(shí)延，使距基站較近的RRU與距基站較遠(yuǎn)的RRU時(shí)延一致，以降低同頻干擾的影響。參考文獻(xiàn)［4］、［5］針對(duì)數(shù)字光纖直放站提出了光纖時(shí)延與轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的概念，介紹了時(shí)延測(cè)量原理并給出了時(shí)延校正的公式，但并未進(jìn)行驗(yàn)證。本文在此基礎(chǔ)上提出一種基于軟件實(shí)現(xiàn)的時(shí)延測(cè)量與自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆桨敢越档屯l干擾的影響，并給出了實(shí)際測(cè)試結(jié)果。

2 時(shí)延測(cè)量與計(jì)算

2.1 系統(tǒng)時(shí)延值定義

圖2為光纖分布式系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)圖（以TDMU主口1連接2個(gè)RRU為例，圖中箭頭表示數(shù)據(jù)傳輸方向）。

圖2 系統(tǒng)連接簡(jiǎn)圖

設(shè)m為T(mén)DMU的主口（m=1，2，3，4），i為級(jí)聯(lián) RRU的級(jí)數(shù)（i≥1，i=0時(shí)表示TDMU），系統(tǒng)各時(shí)延值定義如下［2］：

2.2 時(shí)延測(cè)量

2.2.1 光纖時(shí)延值

由于各級(jí)設(shè)備的參考時(shí)鐘頻率相同，且光纖雙向傳輸長(zhǎng)度相同，則：

由式（1）和式（2）可得：

2.2.2 轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延值

由于在下行鏈路中，數(shù)據(jù)直接通過(guò)數(shù)字處理單元進(jìn)行端口透?jìng)?，下行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延理論上是一個(gè)數(shù)值很小的定值，且其值不隨光纖長(zhǎng)度、級(jí)聯(lián)設(shè)備數(shù)量而改變，為簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，本設(shè)計(jì)中忽略下行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。上行鏈路中，數(shù)字處理單元需對(duì)各級(jí)遠(yuǎn)端設(shè)備的上行數(shù)據(jù)進(jìn)行加和處理，因此上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延與光纖長(zhǎng)度、遠(yuǎn)端設(shè)備數(shù)量都有關(guān)系。在測(cè)量上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延時(shí)，首先將本級(jí)設(shè)備接收到的所有上行數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，此處數(shù)字處理單元的讀寫(xiě)速率同頻，所以測(cè)量寫(xiě)動(dòng)作和讀動(dòng)作之間的時(shí)間差值即為本級(jí)RRU的上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

2.3 補(bǔ)償計(jì)算

下行鏈路時(shí)延補(bǔ)償?shù)脑瓌t是使基站輸出的無(wú)線信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后同時(shí)到達(dá)TDMU及各個(gè)RRU的射頻口發(fā)射。而上行鏈路中，各級(jí)RRU在收到下一級(jí)RRU發(fā)送過(guò)來(lái)的IQ數(shù)據(jù)后都要與本級(jí)射頻口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加和再發(fā)送至上一級(jí)，上行鏈路時(shí)延補(bǔ)償?shù)脑瓌t是使各級(jí)RRU在同一時(shí)刻接收的數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)基站。根據(jù)上下行鏈路時(shí)延補(bǔ)償?shù)脑瓌t，計(jì)算時(shí)延補(bǔ)償值首先應(yīng)分別找到上下行鏈路的最大時(shí)延。

此時(shí)，TDMU的上下行時(shí)延補(bǔ)償值就是 TUmax和 TDmax。TDMU具有多條鏈路時(shí)，第j條鏈路第i級(jí)RRU的上下行時(shí)延補(bǔ)償值計(jì)算公式為：

3 時(shí)延自動(dòng)補(bǔ)償

本設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)現(xiàn)上下行鏈路時(shí)延的自動(dòng)補(bǔ)償，即在系統(tǒng)組網(wǎng)完成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變等情況下，系統(tǒng)能夠檢測(cè)到這些變化，并重新測(cè)量時(shí)延進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償。

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)

基于上述分析以及2.3小節(jié)的補(bǔ)償計(jì)算方法，本文提出一種基于VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［6］的時(shí)延自動(dòng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方案。

測(cè)量及補(bǔ)償?shù)幕静襟E如下：

（1）系統(tǒng)上電初始化完成后，TDMU的控制單元向各條鏈路中的RRU下發(fā)拓?fù)淇刂菩畔⒁垣@得系統(tǒng)當(dāng)前的拓?fù)錉顟B(tài)，并在程序中建立多條鏈表以保存當(dāng)前的拓?fù)湫畔ⅲ?/p>

（2）通過(guò)遍歷各條鏈表實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)RRU的光纖時(shí)延和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的測(cè)量，并將所測(cè)得的時(shí)延值保存在鏈表對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息中；

（3）根據(jù)鏈表的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息及式（5）～（8）計(jì)算系統(tǒng)上下行最大時(shí)延值，然后根據(jù)式（9）和（10）計(jì)算每個(gè)RRU的上下行時(shí)延補(bǔ)償值并保存在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，之后再次遍歷各條鏈表將補(bǔ)償值下發(fā)至RRU完成時(shí)延補(bǔ)償。

鏈表中各節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體定義如下：

當(dāng)系統(tǒng)完成初始化組網(wǎng)、拓?fù)溥B接狀態(tài)發(fā)生變化或更換光纖時(shí)，系統(tǒng)需要重新對(duì)當(dāng)前拓?fù)錉顟B(tài)下的RRU進(jìn)行時(shí)延測(cè)量和補(bǔ)償，要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要利用Vx-Works系統(tǒng)中的任務(wù)管理和任務(wù)間通信機(jī)制［6］：系統(tǒng)初始化時(shí)，通過(guò)調(diào)用taskSpawn（）創(chuàng)建兩個(gè)任務(wù)：設(shè)備管理任務(wù)DevManTask（）和時(shí)延任務(wù)DelayTask（），其中設(shè)備管理任務(wù)用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)錉顟B(tài)，時(shí)延任務(wù)用于完成系統(tǒng)的時(shí)延測(cè)量及補(bǔ)償，并設(shè)置信號(hào)量semStart用以在兩個(gè)任務(wù)間傳遞信息。一般情況下，時(shí)延任務(wù)處于阻塞狀態(tài)。打開(kāi)自動(dòng)時(shí)延補(bǔ)償使能開(kāi)關(guān)后，當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，TDMU會(huì)檢測(cè)到端口光纖變化或收到發(fā)生變化的光纖前一級(jí)RRU的信息上報(bào)，此時(shí)，設(shè)備管理任務(wù)向時(shí)延任務(wù)釋放信號(hào)量semStart，時(shí)延任務(wù)得到該信號(hào)量后進(jìn)入就緒狀態(tài)，之后，再根據(jù)時(shí)延測(cè)量及補(bǔ)償?shù)幕静襟E完成系統(tǒng)的時(shí)延補(bǔ)償。

設(shè)計(jì)中，為滿足應(yīng)用方根據(jù)參考文獻(xiàn)［7］提出的最大時(shí)延要求，即信號(hào)在接收端產(chǎn)生的時(shí)延擴(kuò)展，其時(shí)延差≤1μs，TDMU與RRU上的數(shù)字處理單元均采用主頻為122.88MHz的數(shù)字處理芯片，其時(shí)延測(cè)量精度為1/122.88MHz≈8.138ns，理論上滿足應(yīng)用要求。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于GSM-R光纖分布式系統(tǒng)，包括一臺(tái)TDMU、兩臺(tái)RRU，實(shí)驗(yàn)儀表包括羅德施瓦茨公司的SMBV100A矢量信號(hào)源、FSU系列多功能頻譜分析儀，其他實(shí)驗(yàn)器材包括計(jì)算機(jī)一臺(tái)，網(wǎng)線一根，3km光纖、6km光纖各一匝，射頻導(dǎo)線及轉(zhuǎn)接頭若干，光模塊若干等。

圖3 測(cè)試平臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將TDMU與RRU分別按照星型組網(wǎng)（如圖4（a）所示）和鏈型組網(wǎng)（如圖4（b）所示）連接。測(cè)量下行時(shí)延時(shí)，將信號(hào)源接入TDMU下行接收天線口，將頻譜儀分別接入TDMU和各RRU下行發(fā)射天線口，通過(guò)控制臺(tái)監(jiān)控軟件操作自動(dòng)延時(shí)補(bǔ)償開(kāi)關(guān)，利用頻譜儀分別測(cè)量各個(gè)設(shè)備在自動(dòng)補(bǔ)償前和自動(dòng)補(bǔ)償后的下行鏈路時(shí)延并記錄；測(cè)量上行時(shí)延時(shí)，其過(guò)程與下行類似，不同的是此時(shí)信號(hào)源分別接入TDMU和各RRU的上行天線接收口，頻譜儀接入TDMU上行發(fā)射天線口分別測(cè)量各個(gè)設(shè)備上行鏈路時(shí)延。

圖4 組網(wǎng)示意圖

星型組網(wǎng)下，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 星型組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果

鏈型組網(wǎng)下，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表1 基本PSO所得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 改進(jìn)量子PSO所得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖2 基本PSO對(duì)應(yīng)響應(yīng)曲線

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The delay measurement and auto compensation of GSM-R fiber distributed system

Ding Weiwei，Zhao Xia
（School of Eletronic and Information Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Aiming at same frequency disturbance problem in global system of mobile communication for railways（GSM-R）fiber distributed system when wireless signal covering，this paper designs a method of delay measurement and autocompensation based on VxWorks system.Firstly，it introduces fundamental of system delay measurement and calculating formulas.Then it finishes the design of delay measurement and auto compensation using mechanism of task management and semaphore.The purpose of design is to reduce the interference of same frequency and improve the quality of wireless communication finally.The experimental results indicate that this design may reduce the difference value of delay to 1 μs，and satisfies the need of actual application.

fiber distributed system；fiber delay；forwarding delay；auto compensation；VxWorks

TN913.7；TP29

A

1674-7720（2015）20-0072-04

丁偉偉，趙霞.GSM-R光纖分布式系統(tǒng)的時(shí)延測(cè)量與自動(dòng)補(bǔ)償［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（20）：72-75，79.

2015-06-22）

喬占周（1979-），男，碩士，講師，主要研究方向：智能優(yōu)化與控制。