摘 要： 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1 μs以?xún)?nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
關(guān)鍵詞： 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 Master Unit，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。
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(chē)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(lèi)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）。
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]：
![D1E)XO{%K14]JL22MH]$WVL.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/02/26/6359209635498500001493642.png "D1E)XO{%K14]JL22MH]$WVL.png")
：下行鏈路數(shù)據(jù)第i-1級(jí)設(shè)備發(fā)送至第i級(jí)設(shè)備的光纖傳輸時(shí)延；
：上行鏈路數(shù)據(jù)第i級(jí)設(shè)備發(fā)送至第i-1級(jí)設(shè)備的光纖傳輸時(shí)延；
![AKIL6_E4EPR$2]`8V00LV%R.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/02/26/6359209645702900008707008.png "AKIL6_E4EPR$2]`8V00LV%R.png")
：數(shù)據(jù)從第i-1級(jí)設(shè)備主端口發(fā)出，經(jīng)光纖傳輸至i級(jí)設(shè)備并返回本級(jí)設(shè)備主端口的時(shí)間；
![UPK~Z@}ZI]V1H$4WK)F3M@S.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/02/26/6359209649742100009358559.png "UPK~Z@}ZI]V1H$4WK)F3M@S.png")
：數(shù)據(jù)由第i（i≥1）級(jí)設(shè)備上聯(lián)口接收，發(fā)送前經(jīng)本級(jí)設(shè)備處理所用時(shí)間；
Tdelay_DLm（i）：第i級(jí)設(shè)備下行IQ鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；
Tdelay_ULm（i）：第i級(jí)設(shè)備上行IQ鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。
2.2 時(shí)延測(cè)量
2.2.1 光纖時(shí)延值
光纖時(shí)延分為下行光纖時(shí)延![%]FI%{YYOASQS[NA_VOY)3R.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/02/26/6359209659909200008386490.png "%]FI%{YYOASQS[NA_VOY)3R.png")
和上行光纖時(shí)延
，光纖時(shí)延測(cè)量是指第i-1級(jí)設(shè)備發(fā)出測(cè)量信號(hào)到第i級(jí)設(shè)備，再返回至第i-1級(jí)設(shè)備的過(guò)程，即
的測(cè)量。由圖2中的時(shí)延參考點(diǎn)定義可知：
![YHF72))F@@]~30`Y]8`[A]L.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/02/26/6359209675713900004292936.png "YHF72))F@@]~30`Y]8`[A]L.png")
由于各級(jí)設(shè)備的參考時(shí)鐘頻率相同，且光纖雙向傳輸長(zhǎng)度相同，則：
測(cè)量光纖時(shí)延時(shí)，本級(jí)設(shè)備控制單元向數(shù)字處理單元下發(fā)光纖測(cè)量控制指令，本級(jí)設(shè)備數(shù)字處理單元收到指令后向下一級(jí)設(shè)備發(fā)送測(cè)量信號(hào)并開(kāi)始計(jì)時(shí)，下一級(jí)設(shè)備數(shù)字處理單元收到測(cè)量信號(hào)后立即向本級(jí)設(shè)備發(fā)送相同測(cè)量信號(hào)，本級(jí)設(shè)備收到該信號(hào)后數(shù)字處理單元停止計(jì)時(shí)，并將所計(jì)時(shí)間測(cè)量值返回至本級(jí)控制單元。這一過(guò)程中，控制單元得到的測(cè)量值即為![]$HFW~K]XTZG3X8BJTO5451.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/02/26/6359209682888400007930435.png "]$HFW~K]XTZG3X8BJTO5451.png")
，由于實(shí)際中
≈0，因此有：
2.2.2 轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延值
轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延分為下行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延Tdelay_DLm（i）和上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延Tdelay_ULm（i）。與光纖時(shí)延值不同，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是數(shù)字處理單元在處理上行或下行數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間。
由于在下行鏈路中，數(shù)據(jù)直接通過(guò)數(shù)字處理單元進(jìn)行端口透?jìng)?，下行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延理論上是一個(gè)數(shù)值很小的定值，且其值不隨光纖長(zhǎng)度、級(jí)聯(lián)設(shè)備數(shù)量而改變，為簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，本設(shè)計(jì)中忽略下行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。上行鏈路中，數(shù)字處理單元需對(duì)各級(jí)遠(yuǎn)端設(shè)備的上行數(shù)據(jù)進(jìn)行加和處理，因此上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延與光纖長(zhǎng)度、遠(yuǎn)端設(shè)備數(shù)量都有關(guān)系。在測(cè)量上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延時(shí)，首先將本級(jí)設(shè)備接收到的所有上行數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，此處數(shù)字處理單元的讀寫(xiě)速率同頻，所以測(cè)量寫(xiě)動(dòng)作和讀動(dòng)作之間的時(shí)間差值即為本級(jí)RRU的上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。
2.3 補(bǔ)償計(jì)算
下行鏈路時(shí)延補(bǔ)償?shù)脑瓌t是使基站輸出的無(wú)線信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后同時(shí)到達(dá)TDMU及各個(gè)RRU的射頻口發(fā)射。而上行鏈路中，各級(jí)RRU在收到下一級(jí)RRU發(fā)送過(guò)來(lái)的IQ數(shù)據(jù)后都要與本級(jí)射頻口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加和再發(fā)送至上一級(jí)，上行鏈路時(shí)延補(bǔ)償?shù)脑瓌t是使各級(jí)RRU在同一時(shí)刻接收的數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)基站。根據(jù)上下行鏈路時(shí)延補(bǔ)償?shù)脑瓌t，計(jì)算時(shí)延補(bǔ)償值首先應(yīng)分別找到上下行鏈路的最大時(shí)延。
假設(shè)一個(gè)TDMU有m（1≤m≤4）個(gè)主口連接RRU，TDLj（i）表示第j條鏈路的第i-1級(jí)（1≤i≤Nj，Nj表示該鏈路下掛載的RRU個(gè)數(shù)）TDMU或RRU與第i級(jí)RRU的下行光纖時(shí)延，TULj（i）表示第j條鏈路的第i-1級(jí)TDMU或RRU與第i級(jí)RRU的上行光纖時(shí)延，Tdelay_ULj（i）表示第j條鏈路的第i級(jí)RRU的上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。上行鏈路中，每條鏈路上行時(shí)延等于該鏈路所有上行光纖時(shí)延和上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延加和；下行鏈路中，由于忽略下行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，每條鏈路下行時(shí)延等于該鏈路所有下行光纖時(shí)延加和，則每條鏈路的上下行時(shí)延計(jì)算公式為：
則上行鏈路最大時(shí)延和下行鏈路最大時(shí)延的計(jì)算公式為：
TUmax=maxj{TUj}（7）
TDmax=maxj{TDj}（8）
此時(shí)，TDMU的上下行時(shí)延補(bǔ)償值就是TUmax和TDmax。TDMU具有多條鏈路時(shí)，第j條鏈路第i級(jí)RRU的上下行時(shí)延補(bǔ)償值計(jì)算公式為：
![}9{D{GD0N]QIN${6P[44[D3.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/02/26/6359209698197900009298273.png "}9{D{GD0N]QIN${6P[44[D3.png")
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：
?。?）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>
?。?）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；
?。?）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：
typedef struct rru_device_info
{
UINT8 DevID；/*本級(jí)RRU編號(hào)*/
UINT8 UpDevID；/*上一級(jí)RRU編號(hào)*/
UINT8 CurTier；/*本級(jí)RRU級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)*/
UINT16 PrevFiberDly；/*本級(jí)RRU主光口光纖時(shí)延*/
UINT16 NextFiberDly；/*本級(jí)RRU從光口光纖時(shí)延*/
UINT16 ULTdelay；/*本RRU上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延*/
UINT16 DLinkDelay；
/*TDMU至本級(jí)RRU的下行鏈路時(shí)延*/
UINT16 ULinkDelay；
/*本級(jí)RRU至TDMU的上行鏈路時(shí)延*/
struct rru_device_info*pNextRruDev；
/*指向下一個(gè)RRU節(jié)點(diǎn)的指針*/
}RRU_DEVICE_INFO；
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VxWorks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≤1 μs，TDMU與RRU上的數(shù)字處理單元均采用主頻為122.88 MHz的數(shù)字處理芯片，其時(shí)延測(cè)量精度為 1/122.88 MHz≈8.138 ns，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， 3 km光纖、6 km光纖各一匝，射頻導(dǎo)線及轉(zhuǎn)接頭若干，光模塊若干等。
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(lèi)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。
星型組網(wǎng)下，測(cè)量結(jié)果如表1所示。
鏈型組網(wǎng)下，測(cè)量結(jié)果如表2所示。
結(jié)合表1和表2數(shù)據(jù)，星型組網(wǎng)時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)償前上下行最大時(shí)延差為30.93 μs/30.75 μs，自動(dòng)補(bǔ)償后最大時(shí)延差為0.67 μs/0.50 μs；鏈型組網(wǎng)時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)償前上下行最大時(shí)延差為41.38 μs/40.94 μs，自動(dòng)補(bǔ)償后最大時(shí)延差為0.40 μs/0.75 μs；考慮到頻譜儀存在±0.5 μs的測(cè)量誤差，該測(cè)量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)符合設(shè)計(jì)的精度要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同方式組網(wǎng)下，經(jīng)時(shí)延自動(dòng)補(bǔ)償后，系統(tǒng)上下行最大時(shí)延差均被補(bǔ)償至1 μs以?xún)?nèi)，滿足了應(yīng)用方提出的要求。
4 結(jié)論
時(shí)延測(cè)量與補(bǔ)償是鐵路專(zhuān)用光纖分布式系統(tǒng)中的重要功能，本文提出了一種時(shí)延測(cè)量與計(jì)算的方法，設(shè)計(jì)了基于VxWorks的自動(dòng)補(bǔ)償方案，借助現(xiàn)有的系統(tǒng)平臺(tái)和儀表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證了該方案的可行性。
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