射頻拉遠單元與天線交叉冗余連接的相關性能分析

韓佳樂，王東明，宋鐵成，劉 瑜，王海龍，陳建平

目前我國鐵路仍以GSM-R 為主要的通信系統，該系統已在超過65 000 km 的鐵路線路上得到應用。然而，由于GSM-R 是一種帶寬僅有4 MHz的窄帶通信系統，其頻譜資源有限，所能承載的業務能力容易達到瓶頸。且隨著鐵路數字化、智能化轉型，新的語音、視頻等數據業務在鐵路專網中的應用場景也越來越廣泛。因此，鐵路需要引入全新的通信系統［1］，以滿足更高的通信要求，包括更大的帶寬、更低的時延、更高的可靠性等。

5G 技術擁有大帶寬、低時延、高可靠性等技術優勢，并且得到了良好的國家政策支持和高效的商業化推廣。為滿足鐵路未來發展愿景要求，中國國家鐵路集團有限公司根據我國通信技術發展態勢提出鐵路5G 專網（5G-R）通信系統研究方案，并確立了相關的研究工作和建設目標。為保障鐵路工作人員和乘客的生命安全，以及鐵路系統的正常運行，通信的可靠性至關重要。因此，在5G-R 研究過程中，冗余技術的應用被放在了重要位置［2-4］。

針對不同列控等級和運行速度的要求，5G-R專網有單網覆蓋和冗余覆蓋2 種方案。其中，單網覆蓋適用于普速鐵路或采用CTCS-2級列控系統的高速鐵路，而冗余覆蓋則適用于列控等級為CTCS-3 級的高速鐵路。在這2 種方案中，通過采用射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）冗余方案來提高通信系統設備級的可靠性，從而維持網絡覆蓋的穩定性［5］。然而，這種方案存在一定隱患。RRU 冗余方案采用交叉連接冗余（Cross-Connect Redundancy，CCR）技術，多個RRU 交叉連接多副天線。在信號的發送和接收過程中，RRU 之間可能存在時延差、頻率差、功率差等問題，對系統性能產生一定影響。本文以2 臺RRU連接2 副天線為例，進一步深入分析這種方案所帶來的影響。

1 RRU冗余通信系統模型

鐵路基站無線覆蓋模型見圖1。基站部署在鐵路一側，且在鄰近基站之間保證覆蓋范圍的部分重合，避免出現覆蓋盲區，以維持信號傳輸質量，同時為小區切換提供充分的時間。另外，覆蓋重合范圍也與列車的運行速度有較大關系。在車速較快的情況下，如果覆蓋重合范圍較小，則會導致小區切換的時間較短，因此，為確保列車在行駛過程中正常通信，需要合理分配覆蓋重合區域［6］。

圖1 鐵路基站無線覆蓋模型

為保證列車在運行中的通信安全，提高通信系統的魯棒性，會適當增加通信設備的冗余性或者改變其拓撲結構，以提高通信設備的整體成本和部署難度為代價，換取列車整體通信系統可靠性的提升。對于RRU 設備而言，通過改變RRU 與天線之間的連接方式，增加二者之間的冗余相關性，以此來提高鐵路無線信號的覆蓋穩定性。

RRU 冗余基站系統模型見圖2。基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）或者是集中單元（Central Unit，CU） 與分布單元（Distributed Unit，DU）連接每個站址的2 臺RRU 設備，提供基礎的基帶處理功能。每臺RRU 設備與2 副天線連接，每副天線均為4 發4 收（4T4R）的配置，每臺RRU 與每副天線的2 個天線接口通過饋線連接，最終形成交叉冗余的拓撲結構。在單站址的2 臺RRU 全部正常的情況下，對于一副天線而言，在覆蓋性能方面，雙RRU 連接與單RRU 連接差異不大；同樣是4T4R 的收發性能，在單RRU 故障的情況下，天線收發能力從原來的4T4R 降為2T2R，會導致性能下降，但是在部署合理的情況下，也會保持通信穩定，并不會產生通信中斷的情況［6-7］。

圖2 RRU冗余基站系統模型

2 跨RRU通道冗余問題分析

RRU 交叉冗余結構雖然提高了鐵路5G-R 通信系統覆蓋的可靠性，但也引入了一些問題，主要涉及時延失衡、頻率偏差和發射功率偏差3 個方面。首先，由于雙RRU 需要協同處理同一路信號數據，所以時鐘需要高精度同步。但由于饋線傳輸和制造工藝的差異，雙RRU 之間的相對相位難以維持穩定，因此信號之間會出現時延失衡。其次，由于RRU 在發送和接收信號時需要使用變頻技術實現頻譜搬移，而變頻器會受到本地振蕩器的頻率準確度、混頻器的計算精度、濾波器階數等因素的影響，因此信號處理中容易產生頻率偏差，多臺RRU 設備的頻差疊加會嚴重影響接收機性能。最后，下行閉環功率增益的穩定性會受到功率放大器和數字預失真模塊的影響，由于功率放大器對不同功率量級信號的放大能力是非線性的，因此會產生模擬增益差異；此外，功率放大器和數字預失真模塊也受到硬件工藝和軟件性能的影響，導致基站發射功率出現偏差。這些問題會影響信號接收端的解調效果，造成接收機性能下降。

2.1 跨RRU通道時延失衡分析

按照目前我國鐵路行業發展規劃，5G-R 擬報批的頻譜資源為下行頻譜2 155~2 165 MHz，上行頻譜1 965~1 975 MHz，頻率帶寬為10 MHz，采樣率為15.36 MHz，采樣周期T=1/15.36 MHz=65.104 ns。假設同一臺RRU的端口時延忽略不計，即端口時延為0，則發送信號s在頻域上的變換為

式中：N0為RRU 之間的時延樣點個數；NFFT為快速傅里葉變換點數；k為子載波序號。

由式（2）可知，信號發生時域偏移，頻域出現相位偏差，對幅度的影響呈周期性變化，時域偏移越大，周期變化越快，相位偏差越嚴重，通信系統性能會急劇惡化。

5G-R通信基站天線的配置為4T4R，而移動臺使用1T4R 的收發天線，因此通信系統上行鏈路采用1×4 SIMO 信道模型，下行鏈路采用4×4 MIMO信道模型。上行鏈路對系統的影響主要體現在接收端的信號多路合并過程，而下行鏈路對系統的影響則體現在發射端通道的時延不同。圖3 展示了下行信號發送不同步的情況，進一步說明了下行鏈路的特點。

圖3 天線時延示意

圖3 中，data1、data2、data3、data4 分別為每根天線的發送數據。單個天線在NFFT點數的時域尺度內接收的數據，接收方的各個天線端口所接收的數據為所有發射數據的疊加和。假設發射端數據的時域抽樣點為sl(i)，l為第l根發射天線；接收端的數據分別為rm(i)，m為第m根接收天線，采樣點i∈[0，NFFT-1]，發射天線3、4 的時延點數為q，hm，l(i)為接收天線端m與發射天線端l之間的信道時域響應，nm(i)為接收天線m端的噪聲，則每個接收天線接收信號的數學模型［8］為

式中：?為離散卷積運算。

接收端的頻域表達式為

式中：k為頻域抽樣點，k∈[0，NFFT-1]；Sl(k)、Hm，l(k)、Nm(k)分別為sl(i)、hm，l(i)、nm(i)的頻域表達式。

綜上可得

下行鏈路的信道估計為

式中：λ為信道估計造成的頻率偏差值；q為時延樣點數。

使用式（6）中信道估計結果，對原始發送數據進行估計，則

信道估計受解調參考信號（DeModulation Reference Signal，DMRS）影響，由于DMRS 在頻域上的分布不一定連續，所以λ與k的值不一定相等，時延影響難以消除，誤碼率提高，系統性能下降。

2.2 跨RRU通道頻率偏移分析

由于RRU 變頻模塊穩定性存在限制，對信號的發射與接收均造成影響，頻偏對信號的影響為

式中：k0為信號頻率的偏移量。

根據式（8）可知，頻偏會對信號時域幅度造成影響，時域影響呈現周期性變化，頻偏越大，周期變化越快，通信系統性能下降，信號失真嚴重。

以下行信道為例，假設發射端口1、2 無頻偏，端口3、4的頻偏為f0，則接收端的接收信號為

頻域可表示為

5G-R 通信系統采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM） 技術，子載波之間需要具備嚴格的正交性，以此通過快速傅里葉變換實現信號的調制與解調，所以RRU 所產生的頻偏會對載波之間的正交性產生影響，造成接收機解調性能下降。

2.3 跨RRU通道功率偏差分析

一副天線連接2 臺RRU，雖然2 臺RRU 可能具有相同的配置，但是每臺RRU 的功率都處于動態波動的范圍，所以在發送信號時，一副天線可能發送出具有功率差的電磁波，影響接收機信號接收［9］。假設正常情況下發送信號的功率為P，信號功率波動之后的功率值為P′，則

由于RRU 功率差對下行傳輸的影響較大，故本文只考慮下行鏈路的情況。假設令天線1、2 發射端口功率處于正常狀態，端口3、4 處于波動狀態，則接收端時域可表示為

其頻域表達式為

式中：δ為功率波動因子，

通信系統的覆蓋性能受到功率波動因子的影響，當端口功率下降時，接收端的信噪比會下降，以至于誤碼率提高，通信性能下降。

3 跨RRU通道冗余性能評估

以上主要對RRU 交叉冗余連接面臨的問題進行了理論層面的分析，由于設備層面的固有差異，導致通信系統性能受到一定影響，但是難以估計影響的實際偏差值。本節將對以上問題進行仿真分析，并模擬參數偏差，比對仿真結果。首先，研究時延失衡對系統誤碼率的影響，比較不同時延樣點、相同時延樣點及不同類型參考信號的誤碼率變化情況；其次，研究信號頻差對系統誤碼率的影響，比較不同頻差所導致的誤碼率變化情況；接著，研究功率差對系統誤碼率的影響，比較存在功率差的發射信號導致接收端產生誤碼率的變化情況；最后，研究多種問題疊加對系統性能的影響，比較系統誤碼率的變化趨勢。

仿真所使用的信道模型為GBSM（Geometry-Based Stochastic Channel Model）信道［10-12］，信號為OFDM 符號，信道估計方式為最小二乘估計。鐵路5G-R通信系統仿真參數配置見表1。

表1 鐵路5G-R通信系統仿真參數配置

3.1 時延失衡性能仿真

圖4 展示了使用類型1 單OFDM 符號DMRS的上下行鏈路隨時延樣點的變化情況。顯然，無論是上行鏈路還是下行鏈路，誤碼率均隨著時延樣點的增加而增大。當下行鏈路發射端時延差為60 樣點時，系統性能下降約0.8 dB；時延差點數達到90樣點時，性能下降約1 dB；時延差點數達到120樣點時，性能下降約1.3 dB。在上行鏈路中，時延差為60 樣點時，系統性能下降約0.4 dB；時延差達到120樣點時，系統性能下降約0.6 dB。

圖4 跨RRU通道時延失衡誤碼率變化曲線（間隔1）

圖5 是使用類型2 單OFDM 符號DMRS 的誤碼率變化結果，此類型DMRS 的頻域間隔為4。由圖5（a）可知，在下行鏈路中，時延差為30 樣點時，系統性能下降約1 dB；時延差為60 樣點時，系統性能下降約2 dB；時延差達到120樣點時，系統性能下降約2.5 dB。對于上行鏈路，系統性能同樣下滑，根據圖5（b），在時延差為90 樣點時，性能下降約1 dB；時延差達到120樣點時，性能下降約1.1 dB。綜上可知，增大導頻信號的頻域間隔將會提高系統性能對時延的敏感度。

圖5 跨RRU通道時延失衡誤碼率變化曲線（間隔4）

3.2 頻率偏移性能仿真

根據《鐵路5G專用移動通信（5G-R）系統總體技術要求（暫行）》，宏覆蓋基站頻率誤差性能要求準確度為±0.05 ppm，即下行±107.5 Hz，上行±97.5 Hz。在列車運行速度為400 km/h 的場景下進行仿真，考慮高速產生的多普勒頻移。假設下行信道中，2 臺RRU 的頻偏分別為107.5 Hz 和-107.5 Hz，二者的頻偏達到最大值215 Hz。圖6（a）展示了下行RRU 頻偏誤碼率變化曲線，在頻偏達到215 Hz 時，通信系統在低信噪比的情況下，性能變化并不明顯，而在高信噪比情況下，系統性能下降不超過1 dB；圖6（b）展示了上行RRU 頻偏誤碼率變化曲線，與下行鏈路系統性能變化類似。在頻偏達到最大值195 Hz 時，在低信噪比情況下，系統性能變化并不明顯，而在高信噪比情況下，系統性能下降不超過0.7 dB。因此，可以得出：系統固有頻偏對于上行鏈路系統性能的影響不會超過0.7 dB，而對于下行鏈路系統性能的影響不會超過1 dB。

圖6 RRU頻偏誤碼率變化曲線

3.3 功率偏差性能仿真

根據在實際測試中的功率偏差值，在正常測試條件下，每臺RRU 設備的功率偏差一般不會超過1 dB。當2 臺RRU 同時工作時，2 臺RRU 之間的功率差應不會超過2 dB。圖7 展示了系統性能隨RRU 功率差變化的仿真結果，可以明顯看出，系統性能隨RRU 功率差的增大而逐漸惡化，在RRU之間的功率偏差達到最大值2 dB 時，系統性能下降約1 dB；在RRU 之間的功率差為1 dB 時，系統性能下降了約0.5 dB。

圖7 跨RRU通道功率差誤碼率變化曲線

3.4 整體偏差性能分析

在RRU 實際工作中，出現多個參數偏差疊加的情況概率高于單一參數偏差情況。圖8 是上、下行鏈路系統性能在同時出現多種參數偏差情況下的變化曲線，在下行鏈路時延60樣點、頻偏215 Hz、功率差2 dB的情況下，以及上行鏈路時延60樣點、頻偏195 Hz 的情況下，誤碼率的變化趨勢綜合了所有參數偏差的影響。可以得出：在多種參數偏差共存的情況下，通信系統的整體性能下降是各個參數偏差導致的性能損失的線性疊加。因此，在實際使用中，應該注意控制各個參數偏差的變化范圍，以保證通信系統處于良好的工作狀態。

圖8 跨RRU通道整體偏差誤碼率變化曲線

4 結論

針對設備采用CCR 冗余方式的鐵路5G 專網所存在的潛在問題，以及其對系統性能的影響進行了深入研究，得出以下結論。

1）不同RRU 設備通道間存在時延失衡問題，時延樣點偏差越多，系統誤碼率增加越嚴重。

2）使用不同類型的DMRS 也會造成一定影響，單OFDM 符號DMRS 類型1 的解調性能優于類型2。

3）RRU 設備之間也存在頻偏問題，導致系統誤碼率出現一定程度的增加，在RRU 設備的行業標準要求0.05 ppm 之內，系統誤碼率增加并不明顯，均處于1 dB波動范圍之內。

4）RRU 設備之間存在功率一致性問題，本文通過仿真試驗分析了其對系統誤碼率的影響。仿真結果表明：在單臺RRU 設備功率波動處于1 dB 以內時，系統誤碼率波動也處于1 dB以內。

最后，本文綜合考慮了多種問題疊加造成的影響，并得出結論：多種問題疊加所造成的系統誤碼率增加是各個問題所造成影響的線性之和。未來可以進一步研究CCR 冗余方式在其他場景下的適用性，并建議5G-R 在選用RRU 設備時考慮其通道間時延、頻偏和功率差等參數影響。