摘  要： 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1 μs以內(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,。基于上述優(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 Master Unit,，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,。

　　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）,。

　　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]：

　　：下行鏈路數(shù)據(jù)第i-1級設(shè)備發(fā)送至第i級設(shè)備的光纖傳輸時延,；

　：上行鏈路數(shù)據(jù)第i級設(shè)備發(fā)送至第i-1級設(shè)備的光纖傳輸時延；

　　：數(shù)據(jù)從第i-1級設(shè)備主端口發(fā)出,，經(jīng)光纖傳輸至i級設(shè)備并返回本級設(shè)備主端口的時間,；

　：數(shù)據(jù)由第i（i≥1）級設(shè)備上聯(lián)口接收，發(fā)送前經(jīng)本級設(shè)備處理所用時間,；

　　Tdelay_DLm（i）：第i級設(shè)備下行IQ鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)時延,；

　　Tdelay_ULm（i）：第i級設(shè)備上行IQ鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)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(shè)備發(fā)出測量信號到第i級設(shè)備,，再返回至第i-1級設(shè)備的過程，即的測量,。由圖2中的時延參考點(diǎn)定義可知：

　　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：

　　測量光纖時延時,，本級設(shè)備控制單元向數(shù)字處理單元下發(fā)光纖測量控制指令,，本級設(shè)備數(shù)字處理單元收到指令后向下一級設(shè)備發(fā)送測量信號并開始計時，下一級設(shè)備數(shù)字處理單元收到測量信號后立即向本級設(shè)備發(fā)送相同測量信號,，本級設(shè)備收到該信號后數(shù)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(shí)際中≈0，因此有：

　　2.2.2 轉(zhuǎn)發(fā)時延值

　　轉(zhuǎn)發(fā)時延分為下行轉(zhuǎn)發(fā)時延Tdelay_DLm（i）和上行轉(zhuǎn)發(fā)時延Tdelay_ULm（i）,。與光纖時延值不同，轉(zhuǎn)發(fā)時延是數(shù)字處理單元在處理上行或下行數(shù)據(jù)所消耗的時間,。

　　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。

　　假設(shè)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(shù)）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(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)時延加和,；下行鏈路中,，由于忽略下行轉(zhuǎn)發(fā)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(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,；

　?。?）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：

　　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(lián)的級數(shù)*/

　　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(zhuǎn)發(fā)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(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,，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,，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≤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,，其時延測量精度為  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,，      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。

　　星型組網(wǎng)下,，測量結(jié)果如表1所示,。

　　鏈型組網(wǎng)下，測量結(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，自動補(bǔ)償前上下行最大時延差為30.93 μs/30.75 μs,，自動補(bǔ)償后最大時延差為0.67 μs/0.50 μs,；鏈型組網(wǎng)時，自動補(bǔ)償前上下行最大時延差為41.38 μs/40.94 μs,，自動補(bǔ)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(jié)果在誤差范圍內(nèi)符合設(shè)計的精度要求,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，在不同方式組網(wǎng)下，經(jīng)時延自動補(bǔ)償后,，系統(tǒng)上下行最大時延差均被補(bǔ)償至1 μs以內(nèi),，滿足了應(yīng)用方提出的要求,。

4 結(jié)論

　　時延測量與補(bǔ)償是鐵路專用光纖分布式系統(tǒng)中的重要功能，本文提出了一種時延測量與計算的方法,，設(shè)計了基于VxWorks的自動補(bǔ)償方案,，借助現(xiàn)有的系統(tǒng)平臺和儀表設(shè)計實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證了該方案的可行性。

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