韓佳樂(lè)，王東明，宋鐵成，劉 瑜，王海龍，陳建平

目前我國(guó)鐵路仍以GSM-R 為主要的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在超過(guò)65 000 km 的鐵路線路上得到應(yīng)用。然而，由于GSM-R 是一種帶寬僅有4 MHz的窄帶通信系統(tǒng)，其頻譜資源有限，所能承載的業(yè)務(wù)能力容易達(dá)到瓶頸。且隨著鐵路數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，新的語(yǔ)音、視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在鐵路專(zhuān)網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越廣泛。因此，鐵路需要引入全新的通信系統(tǒng)［1］，以滿(mǎn)足更高的通信要求，包括更大的帶寬、更低的時(shí)延、更高的可靠性等。

5G 技術(shù)擁有大帶寬、低時(shí)延、高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且得到了良好的國(guó)家政策支持和高效的商業(yè)化推廣。為滿(mǎn)足鐵路未來(lái)發(fā)展愿景要求，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司根據(jù)我國(guó)通信技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)提出鐵路5G 專(zhuān)網(wǎng)（5G-R）通信系統(tǒng)研究方案，并確立了相關(guān)的研究工作和建設(shè)目標(biāo)。為保障鐵路工作人員和乘客的生命安全，以及鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通信的可靠性至關(guān)重要。因此，在5G-R 研究過(guò)程中，冗余技術(shù)的應(yīng)用被放在了重要位置［2-4］。

針對(duì)不同列控等級(jí)和運(yùn)行速度的要求，5G-R專(zhuān)網(wǎng)有單網(wǎng)覆蓋和冗余覆蓋2 種方案。其中，單網(wǎng)覆蓋適用于普速鐵路或采用CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的高速鐵路，而冗余覆蓋則適用于列控等級(jí)為CTCS-3 級(jí)的高速鐵路。在這2 種方案中，通過(guò)采用射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）冗余方案來(lái)提高通信系統(tǒng)設(shè)備級(jí)的可靠性，從而維持網(wǎng)絡(luò)覆蓋的穩(wěn)定性［5］。然而，這種方案存在一定隱患。RRU 冗余方案采用交叉連接冗余（Cross-Connect Redundancy，CCR）技術(shù)，多個(gè)RRU 交叉連接多副天線。在信號(hào)的發(fā)送和接收過(guò)程中，RRU 之間可能存在時(shí)延差、頻率差、功率差等問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生一定影響。本文以2 臺(tái)RRU連接2 副天線為例，進(jìn)一步深入分析這種方案所帶來(lái)的影響。

1 RRU冗余通信系統(tǒng)模型

鐵路基站無(wú)線覆蓋模型見(jiàn)圖1?；静渴鹪阼F路一側(cè)，且在鄰近基站之間保證覆蓋范圍的部分重合，避免出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，以維持信號(hào)傳輸質(zhì)量，同時(shí)為小區(qū)切換提供充分的時(shí)間。另外，覆蓋重合范圍也與列車(chē)的運(yùn)行速度有較大關(guān)系。在車(chē)速較快的情況下，如果覆蓋重合范圍較小，則會(huì)導(dǎo)致小區(qū)切換的時(shí)間較短，因此，為確保列車(chē)在行駛過(guò)程中正常通信，需要合理分配覆蓋重合區(qū)域［6］。

圖1 鐵路基站無(wú)線覆蓋模型

為保證列車(chē)在運(yùn)行中的通信安全，提高通信系統(tǒng)的魯棒性，會(huì)適當(dāng)增加通信設(shè)備的冗余性或者改變其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提高通信設(shè)備的整體成本和部署難度為代價(jià)，換取列車(chē)整體通信系統(tǒng)可靠性的提升。對(duì)于RRU 設(shè)備而言，通過(guò)改變RRU 與天線之間的連接方式，增加二者之間的冗余相關(guān)性，以此來(lái)提高鐵路無(wú)線信號(hào)的覆蓋穩(wěn)定性。

RRU 冗余基站系統(tǒng)模型見(jiàn)圖2?；鶐幚韱卧˙ase Band Unit，BBU）或者是集中單元（Central Unit，CU） 與分布單元（Distributed Unit，DU）連接每個(gè)站址的2 臺(tái)RRU 設(shè)備，提供基礎(chǔ)的基帶處理功能。每臺(tái)RRU 設(shè)備與2 副天線連接，每副天線均為4 發(fā)4 收（4T4R）的配置，每臺(tái)RRU 與每副天線的2 個(gè)天線接口通過(guò)饋線連接，最終形成交叉冗余的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在單站址的2 臺(tái)RRU 全部正常的情況下，對(duì)于一副天線而言，在覆蓋性能方面，雙RRU 連接與單RRU 連接差異不大；同樣是4T4R 的收發(fā)性能，在單RRU 故障的情況下，天線收發(fā)能力從原來(lái)的4T4R 降為2T2R，會(huì)導(dǎo)致性能下降，但是在部署合理的情況下，也會(huì)保持通信穩(wěn)定，并不會(huì)產(chǎn)生通信中斷的情況［6-7］。

圖2 RRU冗余基站系統(tǒng)模型

2 跨RRU通道冗余問(wèn)題分析

RRU 交叉冗余結(jié)構(gòu)雖然提高了鐵路5G-R 通信系統(tǒng)覆蓋的可靠性，但也引入了一些問(wèn)題，主要涉及時(shí)延失衡、頻率偏差和發(fā)射功率偏差3 個(gè)方面。首先，由于雙RRU 需要協(xié)同處理同一路信號(hào)數(shù)據(jù)，所以時(shí)鐘需要高精度同步。但由于饋線傳輸和制造工藝的差異，雙RRU 之間的相對(duì)相位難以維持穩(wěn)定，因此信號(hào)之間會(huì)出現(xiàn)時(shí)延失衡。其次，由于RRU 在發(fā)送和接收信號(hào)時(shí)需要使用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，而變頻器會(huì)受到本地振蕩器的頻率準(zhǔn)確度、混頻器的計(jì)算精度、濾波器階數(shù)等因素的影響，因此信號(hào)處理中容易產(chǎn)生頻率偏差，多臺(tái)RRU 設(shè)備的頻差疊加會(huì)嚴(yán)重影響接收機(jī)性能。最后，下行閉環(huán)功率增益的穩(wěn)定性會(huì)受到功率放大器和數(shù)字預(yù)失真模塊的影響，由于功率放大器對(duì)不同功率量級(jí)信號(hào)的放大能力是非線性的，因此會(huì)產(chǎn)生模擬增益差異；此外，功率放大器和數(shù)字預(yù)失真模塊也受到硬件工藝和軟件性能的影響，導(dǎo)致基站發(fā)射功率出現(xiàn)偏差。這些問(wèn)題會(huì)影響信號(hào)接收端的解調(diào)效果，造成接收機(jī)性能下降。

2.1 跨RRU通道時(shí)延失衡分析

按照目前我國(guó)鐵路行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，5G-R 擬報(bào)批的頻譜資源為下行頻譜2 155~2 165 MHz，上行頻譜1 965~1 975 MHz，頻率帶寬為10 MHz，采樣率為15.36 MHz，采樣周期T=1/15.36 MHz=65.104 ns。假設(shè)同一臺(tái)RRU的端口時(shí)延忽略不計(jì)，即端口時(shí)延為0，則發(fā)送信號(hào)s在頻域上的變換為

式中：N0為RRU 之間的時(shí)延樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；NFFT為快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)；k為子載波序號(hào)。

由式（2）可知，信號(hào)發(fā)生時(shí)域偏移，頻域出現(xiàn)相位偏差，對(duì)幅度的影響呈周期性變化，時(shí)域偏移越大，周期變化越快，相位偏差越嚴(yán)重，通信系統(tǒng)性能會(huì)急劇惡化。

5G-R通信基站天線的配置為4T4R，而移動(dòng)臺(tái)使用1T4R 的收發(fā)天線，因此通信系統(tǒng)上行鏈路采用1×4 SIMO 信道模型，下行鏈路采用4×4 MIMO信道模型。上行鏈路對(duì)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在接收端的信號(hào)多路合并過(guò)程，而下行鏈路對(duì)系統(tǒng)的影響則體現(xiàn)在發(fā)射端通道的時(shí)延不同。圖3 展示了下行信號(hào)發(fā)送不同步的情況，進(jìn)一步說(shuō)明了下行鏈路的特點(diǎn)。

圖3 天線時(shí)延示意

圖3 中，data1、data2、data3、data4 分別為每根天線的發(fā)送數(shù)據(jù)。單個(gè)天線在NFFT點(diǎn)數(shù)的時(shí)域尺度內(nèi)接收的數(shù)據(jù)，接收方的各個(gè)天線端口所接收的數(shù)據(jù)為所有發(fā)射數(shù)據(jù)的疊加和。假設(shè)發(fā)射端數(shù)據(jù)的時(shí)域抽樣點(diǎn)為sl(i)，l為第l根發(fā)射天線；接收端的數(shù)據(jù)分別為rm(i)，m為第m根接收天線，采樣點(diǎn)i∈[0，NFFT-1]，發(fā)射天線3、4 的時(shí)延點(diǎn)數(shù)為q，hm，l(i)為接收天線端m與發(fā)射天線端l之間的信道時(shí)域響應(yīng)，nm(i)為接收天線m端的噪聲，則每個(gè)接收天線接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型［8］為

式中：?為離散卷積運(yùn)算。

接收端的頻域表達(dá)式為

式中：k為頻域抽樣點(diǎn)，k∈[0，NFFT-1]；Sl(k)、Hm，l(k)、Nm(k)分別為sl(i)、hm，l(i)、nm(i)的頻域表達(dá)式。

綜上可得

下行鏈路的信道估計(jì)為

式中：λ為信道估計(jì)造成的頻率偏差值；q為時(shí)延樣點(diǎn)數(shù)。

使用式（6）中信道估計(jì)結(jié)果，對(duì)原始發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，則

信道估計(jì)受解調(diào)參考信號(hào)（DeModulation Reference Signal，DMRS）影響，由于DMRS 在頻域上的分布不一定連續(xù)，所以λ與k的值不一定相等，時(shí)延影響難以消除，誤碼率提高，系統(tǒng)性能下降。

2.2 跨RRU通道頻率偏移分析

由于RRU 變頻模塊穩(wěn)定性存在限制，對(duì)信號(hào)的發(fā)射與接收均造成影響，頻偏對(duì)信號(hào)的影響為

式中：k0為信號(hào)頻率的偏移量。

根據(jù)式（8）可知，頻偏會(huì)對(duì)信號(hào)時(shí)域幅度造成影響，時(shí)域影響呈現(xiàn)周期性變化，頻偏越大，周期變化越快，通信系統(tǒng)性能下降，信號(hào)失真嚴(yán)重。

以下行信道為例，假設(shè)發(fā)射端口1、2 無(wú)頻偏，端口3、4的頻偏為f0，則接收端的接收信號(hào)為

頻域可表示為

5G-R 通信系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM） 技術(shù)，子載波之間需要具備嚴(yán)格的正交性，以此通過(guò)快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，所以RRU 所產(chǎn)生的頻偏會(huì)對(duì)載波之間的正交性產(chǎn)生影響，造成接收機(jī)解調(diào)性能下降。

2.3 跨RRU通道功率偏差分析

一副天線連接2 臺(tái)RRU，雖然2 臺(tái)RRU 可能具有相同的配置，但是每臺(tái)RRU 的功率都處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)的范圍，所以在發(fā)送信號(hào)時(shí)，一副天線可能發(fā)送出具有功率差的電磁波，影響接收機(jī)信號(hào)接收［9］。假設(shè)正常情況下發(fā)送信號(hào)的功率為P，信號(hào)功率波動(dòng)之后的功率值為P′，則

由于RRU 功率差對(duì)下行傳輸?shù)挠绊戄^大，故本文只考慮下行鏈路的情況。假設(shè)令天線1、2 發(fā)射端口功率處于正常狀態(tài)，端口3、4 處于波動(dòng)狀態(tài)，則接收端時(shí)域可表示為

其頻域表達(dá)式為

式中：δ為功率波動(dòng)因子，

通信系統(tǒng)的覆蓋性能受到功率波動(dòng)因子的影響，當(dāng)端口功率下降時(shí)，接收端的信噪比會(huì)下降，以至于誤碼率提高，通信性能下降。

3 跨RRU通道冗余性能評(píng)估

以上主要對(duì)RRU 交叉冗余連接面臨的問(wèn)題進(jìn)行了理論層面的分析，由于設(shè)備層面的固有差異，導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能受到一定影響，但是難以估計(jì)影響的實(shí)際偏差值。本節(jié)將對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行仿真分析，并模擬參數(shù)偏差，比對(duì)仿真結(jié)果。首先，研究時(shí)延失衡對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，比較不同時(shí)延樣點(diǎn)、相同時(shí)延樣點(diǎn)及不同類(lèi)型參考信號(hào)的誤碼率變化情況；其次，研究信號(hào)頻差對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，比較不同頻差所導(dǎo)致的誤碼率變化情況；接著，研究功率差對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，比較存在功率差的發(fā)射信號(hào)導(dǎo)致接收端產(chǎn)生誤碼率的變化情況；最后，研究多種問(wèn)題疊加對(duì)系統(tǒng)性能的影響，比較系統(tǒng)誤碼率的變化趨勢(shì)。

仿真所使用的信道模型為GBSM（Geometry-Based Stochastic Channel Model）信道［10-12］，信號(hào)為OFDM 符號(hào)，信道估計(jì)方式為最小二乘估計(jì)。鐵路5G-R通信系統(tǒng)仿真參數(shù)配置見(jiàn)表1。

表1 鐵路5G-R通信系統(tǒng)仿真參數(shù)配置

3.1 時(shí)延失衡性能仿真

圖4 展示了使用類(lèi)型1 單OFDM 符號(hào)DMRS的上下行鏈路隨時(shí)延樣點(diǎn)的變化情況。顯然，無(wú)論是上行鏈路還是下行鏈路，誤碼率均隨著時(shí)延樣點(diǎn)的增加而增大。當(dāng)下行鏈路發(fā)射端時(shí)延差為60 樣點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)性能下降約0.8 dB；時(shí)延差點(diǎn)數(shù)達(dá)到90樣點(diǎn)時(shí)，性能下降約1 dB；時(shí)延差點(diǎn)數(shù)達(dá)到120樣點(diǎn)時(shí)，性能下降約1.3 dB。在上行鏈路中，時(shí)延差為60 樣點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)性能下降約0.4 dB；時(shí)延差達(dá)到120樣點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)性能下降約0.6 dB。

圖4 跨RRU通道時(shí)延失衡誤碼率變化曲線（間隔1）

圖5 是使用類(lèi)型2 單OFDM 符號(hào)DMRS 的誤碼率變化結(jié)果，此類(lèi)型DMRS 的頻域間隔為4。由圖5（a）可知，在下行鏈路中，時(shí)延差為30 樣點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)性能下降約1 dB；時(shí)延差為60 樣點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)性能下降約2 dB；時(shí)延差達(dá)到120樣點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)性能下降約2.5 dB。對(duì)于上行鏈路，系統(tǒng)性能同樣下滑，根據(jù)圖5（b），在時(shí)延差為90 樣點(diǎn)時(shí)，性能下降約1 dB；時(shí)延差達(dá)到120樣點(diǎn)時(shí)，性能下降約1.1 dB。綜上可知，增大導(dǎo)頻信號(hào)的頻域間隔將會(huì)提高系統(tǒng)性能對(duì)時(shí)延的敏感度。

圖5 跨RRU通道時(shí)延失衡誤碼率變化曲線（間隔4）

3.2 頻率偏移性能仿真

根據(jù)《鐵路5G專(zhuān)用移動(dòng)通信（5G-R）系統(tǒng)總體技術(shù)要求（暫行）》，宏覆蓋基站頻率誤差性能要求準(zhǔn)確度為±0.05 ppm，即下行±107.5 Hz，上行±97.5 Hz。在列車(chē)運(yùn)行速度為400 km/h 的場(chǎng)景下進(jìn)行仿真，考慮高速產(chǎn)生的多普勒頻移。假設(shè)下行信道中，2 臺(tái)RRU 的頻偏分別為107.5 Hz 和-107.5 Hz，二者的頻偏達(dá)到最大值215 Hz。圖6（a）展示了下行RRU 頻偏誤碼率變化曲線，在頻偏達(dá)到215 Hz 時(shí)，通信系統(tǒng)在低信噪比的情況下，性能變化并不明顯，而在高信噪比情況下，系統(tǒng)性能下降不超過(guò)1 dB；圖6（b）展示了上行RRU 頻偏誤碼率變化曲線，與下行鏈路系統(tǒng)性能變化類(lèi)似。在頻偏達(dá)到最大值195 Hz 時(shí)，在低信噪比情況下，系統(tǒng)性能變化并不明顯，而在高信噪比情況下，系統(tǒng)性能下降不超過(guò)0.7 dB。因此，可以得出：系統(tǒng)固有頻偏對(duì)于上行鏈路系統(tǒng)性能的影響不會(huì)超過(guò)0.7 dB，而對(duì)于下行鏈路系統(tǒng)性能的影響不會(huì)超過(guò)1 dB。

圖6 RRU頻偏誤碼率變化曲線

3.3 功率偏差性能仿真

根據(jù)在實(shí)際測(cè)試中的功率偏差值，在正常測(cè)試條件下，每臺(tái)RRU 設(shè)備的功率偏差一般不會(huì)超過(guò)1 dB。當(dāng)2 臺(tái)RRU 同時(shí)工作時(shí)，2 臺(tái)RRU 之間的功率差應(yīng)不會(huì)超過(guò)2 dB。圖7 展示了系統(tǒng)性能隨RRU 功率差變化的仿真結(jié)果，可以明顯看出，系統(tǒng)性能隨RRU 功率差的增大而逐漸惡化，在RRU之間的功率偏差達(dá)到最大值2 dB 時(shí)，系統(tǒng)性能下降約1 dB；在RRU 之間的功率差為1 dB 時(shí)，系統(tǒng)性能下降了約0.5 dB。

圖7 跨RRU通道功率差誤碼率變化曲線

3.4 整體偏差性能分析

在RRU 實(shí)際工作中，出現(xiàn)多個(gè)參數(shù)偏差疊加的情況概率高于單一參數(shù)偏差情況。圖8 是上、下行鏈路系統(tǒng)性能在同時(shí)出現(xiàn)多種參數(shù)偏差情況下的變化曲線，在下行鏈路時(shí)延60樣點(diǎn)、頻偏215 Hz、功率差2 dB的情況下，以及上行鏈路時(shí)延60樣點(diǎn)、頻偏195 Hz 的情況下，誤碼率的變化趨勢(shì)綜合了所有參數(shù)偏差的影響。可以得出：在多種參數(shù)偏差共存的情況下，通信系統(tǒng)的整體性能下降是各個(gè)參數(shù)偏差導(dǎo)致的性能損失的線性疊加。因此，在實(shí)際使用中，應(yīng)該注意控制各個(gè)參數(shù)偏差的變化范圍，以保證通信系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。

圖8 跨RRU通道整體偏差誤碼率變化曲線

4 結(jié)論

針對(duì)設(shè)備采用CCR 冗余方式的鐵路5G 專(zhuān)網(wǎng)所存在的潛在問(wèn)題，以及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了深入研究，得出以下結(jié)論。

1）不同RRU 設(shè)備通道間存在時(shí)延失衡問(wèn)題，時(shí)延樣點(diǎn)偏差越多，系統(tǒng)誤碼率增加越嚴(yán)重。

2）使用不同類(lèi)型的DMRS 也會(huì)造成一定影響，單OFDM 符號(hào)DMRS 類(lèi)型1 的解調(diào)性能優(yōu)于類(lèi)型2。

3）RRU 設(shè)備之間也存在頻偏問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率出現(xiàn)一定程度的增加，在RRU 設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求0.05 ppm 之內(nèi)，系統(tǒng)誤碼率增加并不明顯，均處于1 dB波動(dòng)范圍之內(nèi)。

4）RRU 設(shè)備之間存在功率一致性問(wèn)題，本文通過(guò)仿真試驗(yàn)分析了其對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。仿真結(jié)果表明：在單臺(tái)RRU 設(shè)備功率波動(dòng)處于1 dB 以?xún)?nèi)時(shí)，系統(tǒng)誤碼率波動(dòng)也處于1 dB以?xún)?nèi)。

最后，本文綜合考慮了多種問(wèn)題疊加造成的影響，并得出結(jié)論：多種問(wèn)題疊加所造成的系統(tǒng)誤碼率增加是各個(gè)問(wèn)題所造成影響的線性之和。未來(lái)可以進(jìn)一步研究CCR 冗余方式在其他場(chǎng)景下的適用性，并建議5G-R 在選用RRU 設(shè)備時(shí)考慮其通道間時(shí)延、頻偏和功率差等參數(shù)影響。