在電氣化弓網(wǎng)離線噪聲環(huán)境下GSM-R差錯控制及傳輸性能分析

歸甜甜 王長林

西南交通大學 610031 成都

*碩士研究生 ＊＊教授

弓網(wǎng)電弧主要產生高頻電磁波，且頻率大部分落在GSM-R所使用的頻段范圍內。當電磁噪聲幅度較大時，將嚴重影響通信系統(tǒng)的可靠性，使通信系統(tǒng)誤碼率急劇增高，甚至造成通信中斷。CTCS-3級列控系統(tǒng)的車-地雙向通信數(shù)據(jù)，需要通過GSM-R系統(tǒng)傳輸，因此不能有絲毫的錯誤發(fā)生。為此，分析弓網(wǎng)電弧對GSM-R的干擾，研究弓網(wǎng)電弧噪聲特點，將RS-Turbo編碼應用于GSM-R系統(tǒng)，建立GSM-R抗干擾信道模型，優(yōu)化GSM-R差錯控制方式，顯得尤為重要。

1 弓網(wǎng)離線噪聲

弓網(wǎng)離線噪聲具有很寬的頻譜，從十幾kHz到上GHz，其特點如下:①由于弓網(wǎng)離線為隨機事件，因此產生的噪聲也是隨機事件;②噪聲是一個平穩(wěn)的隨機過程，經過均化處理符合高斯白噪聲的特點;③噪聲會引起信道突發(fā)錯誤。弓網(wǎng)離線時產生的離線電弧和電火花可能性較大，由此產生的電磁噪聲對GSM-R影響不容忽視。

2 GSM-R抗干擾信道模型

交織技術可把信道突發(fā)噪聲轉化為隨機噪聲處理，再將外編碼和內編碼技術結合，糾正隨機錯誤，這是處理突發(fā)噪聲的常用方法。RS碼是最優(yōu)的線性分組碼，非常適于突發(fā)錯誤信道的外編碼;而Turbo內部有交織器，可以把弓網(wǎng)離線噪聲造成的GSM-R突發(fā)錯誤均化為隨機錯誤，是適合糾正突發(fā)錯誤的內編碼技術。因此將RS碼和Turbo碼級聯(lián)編碼，利用串聯(lián)的RS糾錯碼糾正Turbo碼不能糾正的錯誤，從而提高糾錯能力。RS-Turbo碼的編譯碼器可以在系統(tǒng)中發(fā)揮2種碼字的優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的差錯控制能力，比傳統(tǒng)的卷積碼優(yōu)勢明顯。

GSM-R信道編碼方式采用BPSK調制解調、交織技術和RS-Turbo級聯(lián)碼編碼，如圖1所示，提高了GSM-R抗突發(fā)錯誤能力。

圖1 GSM-R信道編碼方式

3 GSM-R差錯控制仿真

由于GSM-R運用的是GMSK調制、卷積碼技術，故分3個部分仿真優(yōu)化差錯控制方式:①采用MSK調制方式，仿真比較Turbo碼和卷積碼的誤碼曲線;②采用BPSK調制方式，仿真RS-Turbo碼的誤碼曲線;③把RS-Turbo碼加入交織技術仿真分析。

卷積碼采用 (2，1，7)組合，碼速為1/2，譯碼為維特比硬判決;Turbo碼采用LOG-MAP方式譯碼，碼速為1/2，交織長度1000bit，迭代次數(shù)為6次，偽隨機交織方式。仿真結果如圖2所示，虛線為卷積碼曲線，實線為Turbo碼曲線。

圖2 MSK調制下卷積碼與Turbo碼誤碼性能分析

由圖2可見，GSM-R系統(tǒng)采用Turbo碼比卷積碼性能優(yōu)越，Turbo碼在與卷積碼復雜度相差不大的情況下，有更好的性能。Turbo碼利用卷積碼和隨機交織器結合，糾正隨機錯誤，通過交織器把突發(fā)錯誤隨機化，同時又采用軟輸入、軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼。

弓網(wǎng)離線產生的電磁波導致GSM-R信道出現(xiàn)長突發(fā)錯誤，當長突發(fā)錯誤或隨機錯誤較多時，就需用RS-Turbo級聯(lián)碼來糾錯編碼，并用BPSK調制技術來優(yōu)化編碼調制，進一步降低GSM-R系統(tǒng)誤碼率。

采用部分迭代 RS碼硬判決譯碼，幀長為2000bit，采用BPSK調制，交織長度2000bit，RS(255，223);Turbo碼的譯碼算法采用LOG-MAP算法，分量碼生成矩陣均為G(7，5)，迭代次數(shù)為7次，碼率為1/3。仿真結果如圖3所示。

圖3 RS-Turbo級聯(lián)碼的BER

從圖3中看出，RS-Turbo級聯(lián)碼的誤碼率突破了10－6的錯誤平層，具有極強的糾錯能力。由此可以看出，RS-Turbo碼不僅能降低系統(tǒng)誤比特率，同時對糾正弓網(wǎng)離線噪聲造成的長突發(fā)信道錯誤也是非常有效的。

交織技術是處理弓網(wǎng)離線噪聲引發(fā)的信道突發(fā)錯誤的關鍵技術，由于Turbo碼內部交織器的作用有限，所以要在編碼外部加入交織器，交織后通過RS-Turbo碼實現(xiàn)糾錯編碼。交織前后對誤碼率的影響見圖4，其中虛線表示級聯(lián)碼譯碼誤碼率，實線表示級聯(lián)碼加交織后譯碼誤碼率。

圖4 交織和RS-Turbo碼結合的性能

由圖4可以看出，在Eb/No＜ldB時，加交織后的BER曲線與不加交織時相差不大，即當Eb/No比較小時，級聯(lián)碼譯碼后誤碼率比較高，并且加交織器作用不明顯。當Eb/No＞ldB時，交織器發(fā)揮了重要的作用。把突發(fā)噪聲分散為離散噪聲，優(yōu)化了誤碼率曲線。理論上是可行的。

在GSM-R的演進過程中，必將采用更新的調制解調技術 (BPSK)和信道編碼技術。BPSK是3G的調制解調技術，RS-Turbo碼中Turbo碼是3G糾錯編碼方式。選用BPSK調制解調技術和Turbo碼糾錯編碼技術是GSM-R向下一代通信演進的關鍵技術，有利于GSM-R向3G的平滑演進。

綜上所述，電氣化弓網(wǎng)離線噪聲對GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡中存在著電磁干擾，通過交織技術和RSTurbo級聯(lián)碼結合糾錯的方法，來降低這些干擾造成的信道突發(fā)錯誤，對降低GSM-R電磁干擾，以及推進GSM-R向3G演進具有一定作用。解決GSM-R移動通信網(wǎng)絡的干擾，尤其是降低電磁干擾，是一項長期不間斷而且非常復雜的工作，有待于在實際工作中進一步摸索總結。

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