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)的時延測量與自動補(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GSM-R光纖分布式系統(tǒng)在無線信號覆蓋時存在的同頻信號干擾問題，設(shè)計了基于VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的信號時延測量和自動補(bǔ)償方法。首先介紹了系統(tǒng)時延測量的基本原理并給出了計算公式，然后利用VxWorks中任務(wù)管理和信號量傳遞機(jī)制完成了系統(tǒng)時延測量和自動補(bǔ)償設(shè)計，最終確保系統(tǒng)在自動時延補(bǔ)償后可降低同頻信號干擾的影響，提高無線通信的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計可將系統(tǒng)時延差值補(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)；光纖時延；轉(zhuǎn)發(fā)時延；自動補(bǔ)償；VxWorks

0 引言

近年來，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、長隧道等區(qū)域通常是基站天線覆蓋的弱場區(qū)。在這些區(qū)域建設(shè)基站，無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解決復(fù)雜地形的信號覆蓋問題?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，光纖分布式系統(tǒng)近幾年來得到了很好的發(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)由一臺時分主單元（Time Distributed MasterUnit，TDMU）與多臺射頻拉遠(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進(jìn)行數(shù)字化后，通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端機(jī)RRU進(jìn)行射頻覆蓋，同時對基站射頻信號進(jìn)行時延處理。一種常見的拓?fù)溥B接如圖1所示，一臺TDMU最多可掛載4臺RRU，同時每臺RRU又可級聯(lián)一臺RRU實(shí)現(xiàn)信號的多級傳輸。

圖1 一種常見拓?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自列車移動臺（Mobile Station，MS）的無線信號，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，之后經(jīng)過數(shù)字處理單元完成數(shù)字下變頻，其中RRU通過光纖將收到的上行數(shù)據(jù)傳輸至上級設(shè)備，TDMU收到來自光口的上行數(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，再經(jīng)過上變頻、射頻放大后通過天線發(fā)送至基站（Base Station，BS）。下行鏈路中，TDMU下行天線接收來自BS的無線信號，經(jīng)過與上行鏈路類似處理后通過光纖將下行數(shù)據(jù)傳輸至各級RRU，并通過TDMU與RRU的下行天線將信號發(fā)送至MS。

1.2 同頻干擾

在移動通信中，一個不可忽視的問題就是同頻干擾。同頻干擾是指在同一制式下不同信號發(fā)射源（基站、直放站等）同一頻點(diǎn)的下行信號在同一小區(qū)出現(xiàn)，使MS無法區(qū)分不同的信號源，形成干擾。參考文獻(xiàn)［2］、［3］分析了同頻干擾產(chǎn)生的原因以及對無線通信的影響，當(dāng)同頻干擾產(chǎn)生后，如果不處理好，就會造成通信質(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之間都會形成一個同頻疊加區(qū)。參考文獻(xiàn)［1］針對這一問題提出通過增大單個RRU到TDMU的傳輸時延，使距基站較近的RRU與距基站較遠(yuǎn)的RRU時延一致，以降低同頻干擾的影響。參考文獻(xiàn)［4］、［5］針對數(shù)字光纖直放站提出了光纖時延與轉(zhuǎn)發(fā)時延的概念，介紹了時延測量原理并給出了時延校正的公式，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)的時延測量與自動補(bǔ)償?shù)姆桨敢越档屯l干擾的影響，并給出了實(shí)際測試結(jié)果。

2 時延測量與計算

2.1 系統(tǒng)時延值定義

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)連接簡圖

設(shè)m為TDMU的主口（m=1，2，3，4），i為級聯(lián) RRU的級數(shù)（i≥1，i=0時表示TDMU），系統(tǒng)各時延值定義如下［2］：

2.2 時延測量

2.2.1 光纖時延值

由于各級設(shè)備的參考時鐘頻率相同，且光纖雙向傳輸長度相同，則：

由式（1）和式（2）可得：

2.2.2 轉(zhuǎn)發(fā)時延值

由于在下行鏈路中，數(shù)據(jù)直接通過數(shù)字處理單元進(jìn)行端口透傳，下行轉(zhuǎn)發(fā)時延理論上是一個數(shù)值很小的定值，且其值不隨光纖長度、級聯(lián)設(shè)備數(shù)量而改變，為簡化測量過程，本設(shè)計中忽略下行轉(zhuǎn)發(fā)時延。上行鏈路中，數(shù)字處理單元需對各級遠(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)時延與光纖長度、遠(yuǎn)端設(shè)備數(shù)量都有關(guān)系。在測量上行轉(zhuǎn)發(fā)時延時，首先將本級設(shè)備接收到的所有上行數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，此處數(shù)字處理單元的讀寫速率同頻，所以測量寫動作和讀動作之間的時間差值即為本級RRU的上行轉(zhuǎn)發(fā)時延。

2.3 補(bǔ)償計算

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

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

3 時延自動補(bǔ)償

本設(shè)計的目的在于實(shí)現(xiàn)上下行鏈路時延的自動補(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)能夠檢測到這些變化，并重新測量時延進(jìn)行計算和補(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)償計算方法，本文提出一種基于VxWorks嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)［6］的時延自動補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方案。

測量及補(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）通過遍歷各條鏈表實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中各個RRU的光纖時延和轉(zhuǎn)發(fā)時延的測量，并將所測得的時延值保存在鏈表對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息中；

（3）根據(jù)鏈表的各個節(jié)點(diǎn)信息及式（5）～（8）計算系統(tǒng)上下行最大時延值，然后根據(jù)式（9）和（10）計算每個RRU的上下行時延補(bǔ)償值并保存在各個節(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，系統(tǒng)需要重新對當(dāng)前拓?fù)錉顟B(tài)下的RRU進(jìn)行時延測量和補(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，通過調(diào)用taskSpawn（）創(chuàng)建兩個任務(wù)：設(shè)備管理任務(wù)DevManTask（）和時延任務(wù)DelayTask（），其中設(shè)備管理任務(wù)用來實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)錉顟B(tài)，時延任務(wù)用于完成系統(tǒng)的時延測量及補(bǔ)償，并設(shè)置信號量semStart用以在兩個任務(wù)間傳遞信息。一般情況下，時延任務(wù)處于阻塞狀態(tài)。打開自動時延補(bǔ)償使能開關(guān)后，當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化時，TDMU會檢測到端口光纖變化或收到發(fā)生變化的光纖前一級RRU的信息上報，此時，設(shè)備管理任務(wù)向時延任務(wù)釋放信號量semStart，時延任務(wù)得到該信號量后進(jìn)入就緒狀態(tài)，之后，再根據(jù)時延測量及補(bǔ)償?shù)幕静襟E完成系統(tǒng)的時延補(bǔ)償。

設(shè)計中，為滿足應(yīng)用方根據(jù)參考文獻(xiàn)［7］提出的最大時延要求，即信號在接收端產(chǎn)生的時延擴(kuò)展，其時延差≤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，其時延測量精度為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)平臺基于GSM-R光纖分布式系統(tǒng)，包括一臺TDMU、兩臺RRU，實(shí)驗(yàn)儀表包括羅德施瓦茨公司的SMBV100A矢量信號源、FSU系列多功能頻譜分析儀，其他實(shí)驗(yàn)器材包括計算機(jī)一臺，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 測試平臺示意圖

實(shí)驗(yàn)過程如下：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。測量下行時延時，將信號源接入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，通過控制臺監(jiān)控軟件操作自動延時補(bǔ)償開關(guān)，利用頻譜儀分別測量各個設(shè)備在自動補(bǔ)償前和自動補(bǔ)償后的下行鏈路時延并記錄；測量上行時延時，其過程與下行類似，不同的是此時信號源分別接入TDMU和各RRU的上行天線接收口，頻譜儀接入TDMU上行發(fā)射天線口分別測量各個設(shè)備上行鏈路時延。

圖4 組網(wǎng)示意圖

星型組網(wǎng)下，測量結(jié)果如表1所示。

表1 星型組網(wǎng)測試結(jié)果

鏈型組網(wǎng)下，測量結(jié)果如表2所示。

表1 基本PSO所得統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表2 改進(jìn)量子PSO所得統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖2 基本PSO對應(yīng)響應(yīng)曲線

［1］陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］安鳳栓，?？×郑K丕朝，等.基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法的PID控制器參數(shù)優(yōu)化［J］.工礦自動化，2010（5）：54-57.

［3］朱穎合，薛凌云，黃偉.基于自組織調(diào)整因子的模糊 PID控制器設(shè)計［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2011，23（12）：2732-2737.

［4］杜海樹，楊智，邱熔勝，等.神經(jīng)智能PID控制算法應(yīng)用［J］.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，25（3）：72-76.

［5］周洪波，齊占慶，衡強(qiáng)，等.一種改進(jìn)的遺傳算法及其在PID控制中的應(yīng)用［J］.控制工程，2007，14（6）：589-591.

［6］王介生，王金城，王偉.基于粒子群算法的PID參數(shù)自整定［J］.控制與決策，2005，20（1）：73-76.

［7］孫慧，楊守義，穆曉敏.NC-OFDM系統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計的離散粒子群算法［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（7）：99-102.

［8］孫俊.量子行為粒子群優(yōu)化算法研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2009.

［9］KENNEDY J，EBERHART R.Particle swarm optimization［C］. Proceedings of the 1995 IEEE International Conference on Neural Networks，1995：1942-1948.

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)的時延測量與自動補(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。