GSM－R无线子系统时钟同步影响及其因素分析

杨 柳 代 赛 钟章队

随着铁路的迅速发展，铁路通信网对于时间和频率的同步都提出了更高的要求。GSM－R网络在实际应用过程中，各种原因都可能造成网元之间不同步，降低了时钟频率准确度，产生射频频率偏差，导致误码、抖动、漂移等，进而影响网络正常运行。为此，结合GSM－R系统各网元间同步实现方式及时钟同步精度要求，分析无线子系统影响同步的因素，重点研究时钟同步不良对CS（电路交换）承载列控数据的可靠性影响，并在实验室进行仿真测试。

1 GSM－R无线子系统同步

GSM－R系统各级网元之间一般通过SDH （同步数字体系）传输系统连接，从MSC（移动业务交换中心）－BSC（基站控制器）－BTS（基站收发信机）－MS（移动台）的方向，将上游同步定时信号传递至下游网元，以实现网络的同步。其中MS是通过频率校正信道 （FCCH）和同步信道（SCH）与BTS完成频率和时间的同步。

在GSM－R网络同步中，无线系统对于同步定时性能的要求最高，这是由于GSM－R空口采用TDMA（时分复用）的方式，如果同步性能不符合要求就可能造成时隙干扰，降低传输可靠性。具体要求如下。

1．BSC时钟。等级为三级，要求时钟精度达到±4．6×10－6。在实际组网中，BSC多采用跟踪上级MSC时钟，或者从外部时钟口提取时钟。

2．BTS时钟。国际组织3GPP和我国的通信行业标准均规定：BTS时钟的单一绝对精度必须优于0．05×10－6，用于调制射频、载频和校准时基信号，同样时钟源用于BTS的所有载频。

3．MS时钟。时钟精度必须优于0．1×10－6，或相对于接收到的BTS信号准确度优于0．1×10－6。MS用同样的频率源产生射频和载频，并用于校准内部时基计时器。

2 GSM－R无线子系统同步不良影响及分析

2．1 影响GSM－R系统同步因素

1．参考源时钟长期未校准，造成时钟精度和保持性能无法达到标准规定，从而影响各网元间的同步。

2．SDH指针调整。这会在SDH／PDH边界产生很大的相位跃变，经过指针调整的信号不再具有上级时钟的信息，造成时钟精度下降。

3．抖动和漂移。时钟信号在传输过程中或是由于网络自身行为产生的固有噪声，会对频率信号产生抖动和漂移。抖动在接收端的影响很难完全被克服，当抖动严重时会造成大量的误码。

4．基站时钟长时间自由振荡。由于基站的时钟板晶振不具有很高的精确性和稳定性，当某个基站长时间处于自由振荡状态时，会产生超过指标要求的频率偏差，引发空口频率偏移、误码、切换异常等问题。

5．BSC和BTS设备对于时钟精度要求不同。BSC时钟精度要求低于BTS 2个数量级，BTS从BSC提取的时钟很可能不能达到自身设备时钟精度要求，因而无法正常锁定，会进入保持或自由振荡状态。

6．多普勒频移。在GSM－R系统中，列车高速移动带来的多普勒频移会造成信号载波频率的偏移，增大系统的误码率，并降低收发两端相干解调性能，影响小区选择与切换。

若基站的载频为f0，多普勒频移的大小为fd，基站接收信号频率与发射信号载频之间的频差将达到2fd；当列车处在2个相邻小区交界处时，MS下行收到来自2个基站的信号，将会有2fd的频率差，这将对下行信号的解调性能产生很大影响，如图1所示。

图1 信号频率变化

2．2 对调制与解调性能的影响

GSM－R采用的是高斯滤波器带宽与比特率之比为0．3的GMSK调制方式。一般GMSK信号的解调方式包括相干解调与非相干解调，其中相干解调需要保证收发两端载波频率完全一致。图2和图3分别为仿真载波频率为900MHz，数据传输速率为270．833kb／s，调制方式为0．3GMSK，通过AWGN信道，收发两端存在0，50，500Hz频偏时，采用2种解调方式下的误码性能。

图2 一比特差分解调方式下误码性能

图3 相干解调＋viterbi译码方式下误码性能

从图2、图3可以看出，相干解调加维特比译码的解调方式，性能明显优于一比特差分解调的方式，但其对频偏敏感，误码率会随着频偏值的增大显著升高；而差分解调下的频率偏差对误码性能的影响不大。在实际应用过程中，若使用相干解调的方式，需要采用一定的频偏估计和校正算法，以消除频偏对系统性能劣化的影响。

2．3 对射频指标的影响

BTS的系统时钟通常用于调制射频、载频和校准时基信号，并用于BTS的所有载频。因此，当基站锁定的上级时钟源或基站自身时钟出现异常，就会对GSM－R射频指标产生影响。

1．基站射频频偏。基站射频下行频率取决于基站的时钟频率，对于900MHz的载波频率，当基站时钟频率偏差达到规定要求最大值0．05×10－6时，基站射频频率将偏差：900×106×0．05×10－6＝45Hz。

2．基站射频相位误差。GSM的BTS和MS射频相位偏差容限，可以参考3GPP针对GMSK规定：每一个突发脉冲RMS相位误差都不应超过5°；对于GMSK调制，每一个突发脉冲有用部分的相位最大峰值误差不超过20°。

2．4 时钟频偏对业务QoS的影响

GSM－R网络承载的业务包括电路域 （CS）和分组域 （PS）。不同业务对应的服务质量指标（QoS）不同。一般来说，时钟频率的偏差会造成业务误码率的提升，导致语音业务质量的下降，数据传输 QoS指标下降。我国GSM－R承载CTCS－3级业务的QoS指标主要参考欧洲相关技术规范确定：传输干扰时间 TTI＜0．8s（95%），＜1s （99%）；传 输 无 差 错 时 间TREC＞20s （95%），＞7s （99%）。

2．5 时钟频偏对切换的影响

规范中MS利用26复帧的最后一个空闲帧对邻小区BSIC进行解码，若无法解出，则关于该BSIC的BCH测量报告全部丢弃。当一个处于专用模式下的MS在一个失锁BTS的小区中，邻小区的时钟和本小区时钟就可能存在很大偏差，MS将无法解出邻小区的BSIC码。当MS从本小区移动到邻小区时，就会出现掉话。

因此，当移动台能显示邻区的频点，但不能显示邻区BSIC时的切换失败问题，通常是由于时钟不良导致邻区SCH消息不能被MS正确解码造成的。

3 对CS承载列控数据可靠性影响测试

3．1 测试环境

测试采用华为GSM－R网络，包含GSM－R核心网及无线网，其中基站使用BTS 3012及DBS 3900。首先，测试得到BSC和BTS牵引范围 （网元能够正常锁定时钟源的最大频偏范围），BSC牵引范围为±4．6ppm，BTS牵引范围如表1所示。

表1 BTS牵引范围测试结果

BITS用于提供稳定的2．048MHz的基准时钟；使用ONT 606，用于时间同步的频率精度测试，并产生10－9级别的频率偏差。由于牵引范围测试发现，基站最多只能跟踪频偏在0．5ppm以内的时钟源，因此本测试主要在0～0．45ppm的频偏范围内进行。使用C8无线信道仿真平台模拟铁路高速环境；使用GSM＿RuralArea＿6Taps信道模型；测试终端使用selex的通信模块，输入模块的射频信号功率为－60dBm；建立GSM－R QoS地面服务器 （RBC）及软件。测试连接如图4、图5所示。

图4 时钟频偏对静态CSD业务的影响测试连接

图5 时钟频偏对高速CSD业务影响测试连接图

3．2 测试结果及分析

3．2．1 时钟频偏对静态CSD业务的影响

设置DBS 3900时钟，采用跟踪BSC时钟和禁止跟踪范围限制模式，向BSC时钟添加频偏以传递至基站；通过ONT 606分别加入0～0．45ppm的频偏值；当基站稳定跟踪BSC时钟后，使用模块呼叫RBC并进行CSD（电路交换数据业务）测试，每个频偏值测试2h。通过QoS软件记录和统计数据，测试结果测试显示，频偏在0～0．45ppm内，静态CSD业务QoS指标符合规定要求；随着频偏值的增大，传输干扰次数和传输干扰帧数都会相应增大。

3．2．2 时钟频偏对高速CSD业务影响

设置BSC及BTS 3012跟踪BITS时钟源；DBS 3900时钟采用跟踪BSC和禁止跟踪范围限制模式，通过ONT 606向BSC时钟添加频偏 （0～0．45ppm）以传递至基站；使用C8无线信道仿真平台模拟列车速度80，250，350km／h运行的情况；当基站稳定跟踪BSC时钟后，使用模块呼叫RBC并进行CSD测试，每个频偏值测试1h，通过QoS软件记录和统计数据。图6、图7、图8分别为80，250，350km／h速度下传输干扰概率和无差错时间统计结果。

图6 80km／h测试结果统计

在列车速度80，250，350km／h情况下，0～0．45ppm的频偏值内测试的TTI指标符合规定要求，随着频偏值的增大，传输干扰概率有所提升；Trec值在频偏值达到0．25ppm后，出现不符合规定指标要求的情况，且随着频偏的增大，Trec下降明显；测试中未出现切换失败的情况。

图7 250km／h测试结果统计

图8 350km／h测试结果统计

4 结束语

时钟同步对GSM－R网络QoS影响很大，尤其是无线子系统对于同步性能要求很高。在网络实际应用过程中，由于时钟源精度不足、传输产生抖动漂移、多普勒频移等问题，时常造成网元间同步不良，引起干扰、误码等问题。通过研究GSM－R时钟同步技术，在实验室搭建平台模拟铁路实际环境，针对偏移对于CSD业务以及切换的影响进行测试。测试发现在0～0．45ppm频偏值范围内，没有发生切换失败，但随着频偏值的增大，传输干扰概率会随之增大，TTI和Trec指标相应降低，出现低于规定指标要求的情况。

［1］ 钟章队，李旭，蒋文怡．铁路综合数字移动通信系统［M］．北京：中国铁道出版社，2003．

［2］ 于佳亮，程华，于天泽．无线接入网同步性能测试技术［M］．北京：人民邮电出版社，2013

［3］ 曾佐祺，李赞．基于Viterbi算法的GMSK信号解调性能分析与仿真［J］．重庆邮电大学学报：自然科学版，2008，20（2）：132－138．

［4］ 于佳亮，于天泽，程华．关于GSM时钟同步标准及其影响［J］．电信工程技术与标准化，2010：（6），61－64．