摘  要： 針對GSM-R光纖分布式系統在無線信號覆蓋時存在的同頻信號干擾問題，設計了基于VxWorks嵌入式操作系統的信號時延測量和自動補償方法。首先介紹了系統時延測量的基本原理并給出了計算公式，然后利用VxWorks中任務管理和信號量傳遞機制完成了系統時延測量和自動補償設計，最終確保系統在自動時延補償后可降低同頻信號干擾的影響，提高無線通信的質量。實驗結果表明，該設計可將系統時延差值補償至1 μs以內，滿足實際應用的要求。

　　關鍵詞： 光纖分布式系統；光纖時延；轉發時延；自動補償；VxWorks

0 引言

　　近年來，鐵路交通不斷發展，鐵路沿線地形也隨之變得復雜，大彎道、深路塹、長隧道等區域通常是基站天線覆蓋的弱場區。在這些區域建設基站，無論在成本控制還是基站選址上都有很大難度，而GSM-R光纖分布式系統可以有效地填補基站的覆蓋盲區，節省基站建設開支，提高鐵路通信的服務質量，因此采用光纖分布式系統結合天線或漏泄電纜的方式來解決復雜地形的信號覆蓋問題。基于上述優點，光纖分布式系統近幾年來得到了很好的發展和應用[1]。

1 系統概述

　　本文所述光纖分布式系統由一臺時分主單元（Time Distributed Master Unit，TDMU）與多臺射頻拉遠單元（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行數字化后，通過光纖傳輸到遠端機RRU進行射頻覆蓋，同時對基站射頻信號進行時延處理。一種常見的拓撲連接如圖1所示，一臺TDMU最多可掛載4臺RRU，同時每臺RRU又可級聯一臺RRU實現信號的多級傳輸。

　　1.1 工作原理

　　上行鏈路中，TDMU與RRU上行天線分別接收來自列車移動臺（Mobile Station，MS）的無線信號，經射頻放大、混頻處理后，再由模數轉換器采樣變成數字中頻信號，之后經過數字處理單元完成數字下變頻，其中RRU通過光纖將收到的上行數據傳輸至上級設備，TDMU收到來自光口的上行數據，由數字處理單元處理后經數模轉換器轉換成模擬信號，再經過上變頻、射頻放大后通過天線發送至基站（Base Station，BS）。下行鏈路中，TDMU下行天線接收來自BS的無線信號，經過與上行鏈路類似處理后通過光纖將下行數據傳輸至各級RRU，并通過TDMU與RRU的下行天線將信號發送至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射源（基站、直放站等）同一頻點的下行信號在同一小區出現，使MS無法區分不同的信號源，形成干擾。參考文獻[2]、[3]分析了同頻干擾產生的原因以及對無線通信的影響，當同頻干擾產生后，如果不處理好，就會造成通信質量下降，嚴重的可能造成掉話和數據丟失等問題。在同一小區引入光纖分布式系統后，直接增加了同頻干擾區域，即在TDMU與RRU之間、RRU與RRU之間都會形成一個同頻疊加區。參考文獻[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與距基站較遠的RRU時延一致，以降低同頻干擾的影響。參考文獻[4]、[5]針對數字光纖直放站提出了光纖時延與轉發時延的概念，介紹了時延測量原理并給出了時延校正的公式，但并未進行驗證。本文在此基礎上提出一種基于軟件實現的時延測量與自動補償的方案以降低同頻干擾的影響，并給出了實際測試結果。

2 時延測量與計算

　　2.1 系統時延值定義

　　圖2為光纖分布式系統的連接結構圖（以TDMU主口1連接2個RRU為例，圖中箭頭表示數據傳輸方向）。

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

　　：下行鏈路數據第i-1級設備發送至第i級設備的光纖傳輸時延；

　：上行鏈路數據第i級設備發送至第i-1級設備的光纖傳輸時延；

　　：數據從第i-1級設備主端口發出，經光纖傳輸至i級設備并返回本級設備主端口的時間；

　：數據由第i（i≥1）級設備上聯口接收，發送前經本級設備處理所用時間；

　　Tdelay_DLm（i）：第i級設備下行IQ鏈路的轉發時延；

　　Tdelay_ULm（i）：第i級設備上行IQ鏈路的轉發時延。

　　2.2 時延測量

　　2.2.1 光纖時延值

　　光纖時延分為下行光纖時延和上行光纖時延，光纖時延測量是指第i-1級設備發出測量信號到第i級設備，再返回至第i-1級設備的過程，即的測量。由圖2中的時延參考點定義可知：

　　由于各級設備的參考時鐘頻率相同，且光纖雙向傳輸長度相同，則：

　　測量光纖時延時，本級設備控制單元向數字處理單元下發光纖測量控制指令，本級設備數字處理單元收到指令后向下一級設備發送測量信號并開始計時，下一級設備數字處理單元收到測量信號后立即向本級設備發送相同測量信號，本級設備收到該信號后數字處理單元停止計時，并將所計時間測量值返回至本級控制單元。這一過程中，控制單元得到的測量值即為，由于實際中≈0，因此有：

　　2.2.2 轉發時延值

　　轉發時延分為下行轉發時延Tdelay_DLm（i）和上行轉發時延Tdelay_ULm（i）。與光纖時延值不同，轉發時延是數字處理單元在處理上行或下行數據所消耗的時間。

　　由于在下行鏈路中，數據直接通過數字處理單元進行端口透傳，下行轉發時延理論上是一個數值很小的定值，且其值不隨光纖長度、級聯設備數量而改變，為簡化測量過程，本設計中忽略下行轉發時延。上行鏈路中，數字處理單元需對各級遠端設備的上行數據進行加和處理，因此上行轉發時延與光纖長度、遠端設備數量都有關系。在測量上行轉發時延時，首先將本級設備接收到的所有上行數據進行整合，此處數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的上行轉發時延。

　　2.3 補償計算

　　下行鏈路時延補償的原則是使基站輸出的無線信號經過光纖傳輸后同時到達TDMU及各個RRU的射頻口發射。而上行鏈路中，各級RRU在收到下一級RRU發送過來的IQ數據后都要與本級射頻口接收的數據進行加和再發送至上一級，上行鏈路時延補償的原則是使各級RRU在同一時刻接收的數據同時到達基站。根據上下行鏈路時延補償的原則，計算時延補償值首先應分別找到上下行鏈路的最大時延。

　　假設一個TDMU有m（1≤m≤4）個主口連接RRU，TDLj（i）表示第j條鏈路的第i-1級（1≤i≤Nj，Nj表示該鏈路下掛載的RRU個數）TDMU或RRU與第i級RRU的下行光纖時延，TULj（i）表示第j條鏈路的第i-1級TDMU或RRU與第i級RRU的上行光纖時延，Tdelay_ULj（i）表示第j條鏈路的第i級RRU的上行轉發時延。上行鏈路中，每條鏈路上行時延等于該鏈路所有上行光纖時延和上行轉發時延加和；下行鏈路中，由于忽略下行轉發時延，每條鏈路下行時延等于該鏈路所有下行光纖時延加和，則每條鏈路的上下行時延計算公式為：

　　則上行鏈路最大時延和下行鏈路最大時延的計算公式為：

　　TUmax=maxj{TUj}（7）

　　TDmax=maxj{TDj}（8）

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

3 時延自動補償

　　本設計的目的在于實現上下行鏈路時延的自動補償，即在系統組網完成、拓撲結構發生改變等情況下，系統能夠檢測到這些變化，并重新測量時延進行計算和補償。

　　3.1 軟件實現

　　基于上述分析以及2.3小節的補償計算方法，本文提出一種基于VxWorks嵌入式實時操作系統[6]的時延自動補償實現方案。

　　測量及補償的基本步驟如下：

　　（1）系統上電初始化完成后，TDMU的控制單元向各條鏈路中的RRU下發拓撲控制信息以獲得系統當前的拓撲狀態，并在程序中建立多條鏈表以保存當前的拓撲信息；

　　（2）通過遍歷各條鏈表實現對系統中各個RRU的光纖時延和轉發時延的測量，并將所測得的時延值保存在鏈表對應的節點信息中；

　　（3）根據鏈表的各個節點信息及式（5）~（8）計算系統上下行最大時延值，然后根據式（9）和（10）計算每個RRU的上下行時延補償值并保存在各個節點中，之后再次遍歷各條鏈表將補償值下發至RRU完成時延補償。

　　鏈表中各節點結構體定義如下：

　　typedef struct rru_device_info

　　{

　　UINT8 DevID；/*本級RRU編號*/

　　UINT8 UpDevID；/*上一級RRU編號*/

　　UINT8 CurTier；/*本級RRU級聯的級數*/

　　UINT16 PrevFiberDly；/*本級RRU主光口光纖時延*/

　　UINT16 NextFiberDly；/*本級RRU從光口光纖時延*/

　　UINT16 ULTdelay；/*本RRU上行轉發時延*/

　　UINT16 DLinkDelay；

　　/*TDMU至本級RRU的下行鏈路時延*/

　　UINT16 ULinkDelay；

　　/*本級RRU至TDMU的上行鏈路時延*/

　　struct rru_device_info*pNextRruDev；

　　/*指向下一個RRU節點的指針*/

　　}RRU_DEVICE_INFO；

　　當系統完成初始化組網、拓撲連接狀態發生變化或更換光纖時，系統需要重新對當前拓撲狀態下的RRU進行時延測量和補償，要實現這一功能，需要利用VxWorks系統中的任務管理和任務間通信機制[6]：系統初始化時，通過調用taskSpawn（）創建兩個任務：設備管理任務DevManTask（）和時延任務DelayTask（），其中設備管理任務用來實時監控系統的拓撲狀態，時延任務用于完成系統的時延測量及補償，并設置信號量semStart用以在兩個任務間傳遞信息。一般情況下，時延任務處于阻塞狀態。打開自動時延補償使能開關后，當拓撲發生變化時，TDMU會檢測到端口光纖變化或收到發生變化的光纖前一級RRU的信息上報，此時，設備管理任務向時延任務釋放信號量semStart，時延任務得到該信號量后進入就緒狀態，之后，再根據時延測量及補償的基本步驟完成系統的時延補償。

　　設計中，為滿足應用方根據參考文獻[7]提出的最大時延要求，即信號在接收端產生的時延擴展，其時延差≤1 μs，TDMU與RRU上的數字處理單元均采用主頻為122.88 MHz的數字處理芯片，其時延測量精度為  1/122.88 MHz≈8.138 ns，理論上滿足應用要求。

　　3.2 實驗驗證

　　如圖3所示，實驗平臺基于GSM-R光纖分布式系統，包括一臺TDMU、兩臺RRU，實驗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，其他實驗器材包括計算機一臺，網線一根，      3 km光纖、6 km光纖各一匝，射頻導線及轉接頭若干，光模塊若干等。

　　實驗過程如下：將TDMU與RRU分別按照星型組網（如圖4（a）所示）和鏈型組網（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下行發射天線口，通過控制臺監控軟件操作自動延時補償開關，利用頻譜儀分別測量各個設備在自動補償前和自動補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上行發射天線口分別測量各個設備上行鏈路時延。

　　星型組網下，測量結果如表1所示。

　　鏈型組網下，測量結果如表2所示。

　　結合表1和表2數據，星型組網時，自動補償前上下行最大時延差為30.93 μs/30.75 μs，自動補償后最大時延差為0.67 μs/0.50 μs；鏈型組網時，自動補償前上下行最大時延差為41.38 μs/40.94 μs，自動補償后最大時延差為0.40 μs/0.75 μs；考慮到頻譜儀存在±0.5 μs的測量誤差，該測量結果在誤差范圍內符合設計的精度要求。實驗結果表明，在不同方式組網下，經時延自動補償后，系統上下行最大時延差均被補償至1 μs以內，滿足了應用方提出的要求。

4 結論

　　時延測量與補償是鐵路專用光纖分布式系統中的重要功能，本文提出了一種時延測量與計算的方法，設計了基于VxWorks的自動補償方案，借助現有的系統平臺和儀表設計實驗并驗證了該方案的可行性。

參考文獻

　　[1] 李慶.包西鐵路GSM-R數字光纖直放站方案研究[J].鐵路標準設計，2013（12）：105-108.

　　[2] 姜立娜.GSM-R同頻干擾相關性研究[D].北京：北京交通大學，2013.

　　[3] 王蓓.青藏鐵路GSM-R通信系統中干擾問題的分析與研究[D].北京：北京交通大學，2008.

　　[4] 金紹春.數字光纖直放站中的時延測量與校正[J].大眾科技，2011（10）：33-35.

　　[5] 深圳國人通信有限公司.光纖直放站及其時延的測量方法、裝置及補償方法、系統[P].中國：CN101389090A，2009-03-18.

　　[6] 周啟平，張楊，吳瓊.VxWorks開發指南與Tornado使用手冊[M].北京：中國電力出版社，2004.

　　[7] 中國鐵路總公司.GSM-R中繼傳輸系統設備技術規范[S].2007.