高速鐵路通信系統時鐘同步狀態驗證方法的探討

王玉強

數字同步網作為現代通信網的支撐網絡，在通信網中的重要作用日益顯現，高速鐵路通信系統也不例外。高速鐵路通信系統由光傳輸子系統、電話交換子系統、調度通信系統、GSM-R移動通信系統、數據網子系統等十余個子系統組成。其中多個子系統均有時鐘頻率同步的要求。而目前高速鐵路通信系統的時鐘同步，主要依賴于鐵通公司2001年建設的數字同步網。因此，研究高鐵通信系統時鐘同步狀態的驗證方法十分必要。

1 高速鐵路通信系統的同步需求與現狀

1.1 光傳輸子系統

高鐵通信系統光傳輸子系統主要采用了基于SDH的MSTP設備。SDH網元的內部晶振時鐘精度為4.6ppm，為三級時鐘精度。作為基礎承載網絡，如果僅工作在這個時鐘精度，將明顯影響電話交換、GSM-R等業務網絡的工作質量，必須跟蹤外部時鐘基準源，提高承載網的頻率同步精度。工程實施中典型的光傳輸系統時鐘同步如圖1所示。

圖1 光傳輸系統時鐘同步示意圖

目前高鐵通信工程的時鐘源主要采用了原鐵通建設的數字同步網LPR，為傳輸系統提供主備2個時鐘基準。因為LPR的時鐘精度達到一級鐘精度，所以跟蹤外部基準后傳輸系統的時鐘精度可以達到一級時鐘級別。

1.2 GSM-R子系統

GSM-R系統是基于TDM的通信系統，其時鐘同步問題直接影響到無線通信業務掉話率、接通率等服務質量。特別是GSM-R系統需要承載列控系統，這就對網絡服務質量提出了更高的要求。由于移動速度和基站間切換的需求，GSM-R系統的基站對頻率的準確度有明確的要求。GSM規范定義了對天線測量的頻率準確度的限制，最差的情況是在移動臺以250 km/h的速度移動時，精度必須達到0.05 ppm。按照ETSI的GSM 05.10建議中提出的GSM無線子系統時鐘和同步的建議和要求，BTS的時鐘絕對精度應優于0.05 ppm。

GSM-R系統主要由MSC、BSC和 BTS組成。對于MSC與BSC側的同步，主要依賴完善的同步網規劃。LPR的BITS設備是最通用的解決方案，具備實線直連條件的直接互連。不具備直連條件的通過SDH系統互連，但SDH系統與MSC必須外接相同的時鐘基準，才能保證同步效果。而對于GSM-R基站BTS與BSC的同步，相關技術標準給出了幾種主要解決方案:

1.基站提供外部時鐘輸入端口。若SDH傳輸系統能夠到達基站，則可通過SDH網元設備外同步輸出接口連至基站設備外同步輸入接口;若SDH系統不能到達基站設備，可利用帶衛星接收性能的微型BITS設備的同步時鐘源。

2.采用SDH業務通道傳送時鐘。由于SDH設備具有指針調整功能，且SDH支路信息碼流不具備透明傳輸上游時鐘的能力，若采用SDH傳遞時鐘，則需要采用再定時方式。即用一個足夠大的緩沖器，將SDH的支路信號寫入，再用SDH線路碼傳來的標準BITS時鐘去讀出，使線路碼傳送的BITS時鐘映射到SDH的支路信息碼流中。

3.BSC與BTS經PDH設備或實線傳輸時，基站設備從2 Mb/s業務中直接取得時鐘基準信號。

4.基站自由振蕩方式?；静捎酶叻€定振蕩源，如銣原子鐘或高穩晶體鐘的自由振蕩方式產生時鐘，并通過人工定期調整保證頻率的準確度，滿足基站切換要求。這種方式的缺點是信號碼流經由MSC-BSC-BTS，由于基站頻率與MSC、BTS存在差異，從而導致較多的滑碼。

目前，高鐵通信系統主要采用第2種方案，但略有差異。GSM-R網絡時鐘同步示意圖見圖2。

圖2 GSM-R網絡時鐘同步示意圖

現網實際應用中大多沒有使用SDH業務支路再定時功能。設備提供商指出再定時功能的目的是將本地設備系統時鐘的信息，通過2 Mb/s通路傳遞給下游設備作為時鐘基準，這是針對全網時鐘不同步時的應用，當全網時鐘同步時不必使用再定時功能。再定時功能采用一個比較長的FIFO，并運用一定的算法來平滑時鐘，對于數據會產生125 μs以上的延時。如果各網元時鐘不同步，由于原理方案的限制，打開再定時功能反而會導致滑碼的產生，可能影響業務。實踐證明，在全網時鐘同步的情況下，目前的工作方式能夠滿足GSM-R網絡的正常運行。

1.3 調度通信子系統、電話交換系統

這2個子系統因核心設備均為程控交換設備，故同步需求類似。同步良好的網絡可以避免滑碼的產生，保證通話質量。因其對頻率同步的性能指標要求低于GSM-R網絡，故不在此贅述。

2 高鐵通信系統的頻率同步驗證測試

2.1 光傳輸子系統的同步驗證項目及方法

2.1.1 時鐘同步的設計核查

核查內容包括:①是否為傳輸系統設計主備外時鐘基準源，即LPR BITS設備輸出時鐘信號;②傳輸設備與時鐘基準不在同一機房時，是否設計通過STM-N接口跟蹤至LPR基準信號;③時鐘傳遞鏈路中的SDH網元數量是否超過20個節點設置等設計原則。

2.1.2 時鐘同步數據配置核查

核查內容包括:①各網元設備時鐘數據是否按照設計圖紙正確配置;②是否形成時鐘環路;③時鐘提取的優先級設置是否正確。

2.1.3 傳輸系統同步性能測試

1.頻率準確度測試驗證。本測試目的是通過對系統頻率準確度的測試，驗證是否達到同步狀態。測試配置圖見圖3。

圖3 頻率準確度測試配置圖

選取經過傳輸設備網元較多的時鐘鏈路，測試末端SDH網元設備的時鐘輸出口信號的頻率準確度。嚴格的頻率準確度測試需要較長的測試時間和精度較高的時鐘基準，如銫原子鐘，但測試目的是驗證網絡是否處于同步跟蹤狀態，因此可以進行短期測試，達到驗證目的就可以了，為頻率計數器提供的基準時鐘源也可以由銣鐘代替。如果頻率準確度測試結果能夠達到銣鐘基準的精度，則可以認為網絡已經處于同步狀態。

2.SDH系統2 Mb/s業務通道的漂移測試。本測試目的是通過測試SDH業務通道的漂移指標，驗證業務通道對時鐘信號傳遞的影響。在對系統時鐘信號頻率準確度測試的基礎上，通過對業務通道漂移的測試，進一步確定網絡的同步質量。測試配置見圖4所示。

圖4 PDH 2 Mb/s信號輸出漂移測試配置圖

通過測試取0.05 s～1000 s MRTIE曲線，結果應處于相應漂移指標模板的下方。

2.1.4 主備時鐘源倒換測試

本測試目的是驗證傳輸系統時鐘同步的可靠性。用時間間隔分析儀或者頻率計數器測試某SDH網元時鐘輸出口信號。模擬主用時鐘信號故障，系統倒換為跟蹤備用時鐘信號過程，監視時間間隔分析儀的信號相位變化或者頻率計的頻率精度變化，存貯測試結果。測試系統是否成功實現主備時鐘源的倒換，進而驗證系統時鐘同步的可靠性。

2.2 GSM-R子系統的同步狀態驗證

1.時鐘頻率準確度測試。本測試目的是在系統同步狀態下測試BTS時鐘輸出精度，驗證是否滿足BTS對頻率精度的需求。測試配置見圖5。該測試方法與SDH網元測試方法相同。

圖5 BTS頻率準確度測試配置圖

2.BTS射頻信號頻率誤差測試。部分設備供應商的BTS產品不具備時鐘輸出口，無法對其時鐘信號進行頻率準確度測試，這種情況可以直接對射頻信號的頻率誤差進行驗證。其指標要求為0.05 ppm。測試配置如圖6所示。用外加基準信號的基站綜合測試儀或者頻譜儀測試BTS發信機的射頻信號，得到信號頻率誤差。

圖6 BTS射頻信號頻率誤差測試配置圖

3 結束語

傳輸系統是高速鐵路通信系統的基礎承載網，GSM-R子系統對頻率同步要求相對較高，對這2個子系統同步狀態的測試，可以對目前高鐵通信網的同步狀態得出準確的評價，這對高鐵通信工程建設和通信系統維護是十分必要的。

［1］ Digital cellular telecommunications system(Phase 2+);Radio subsystem synchronization GSM 05.10 version 8.4.0 Release 1999.

［2］ YD/T1267-2003.基于SDH傳送網的同步網技術要求［S］.2003.