GSM-R無線通信模塊的高速設計及實驗研究

■ 孔慶富 劉香山 柳良

1 概述

GSM-R系統(tǒng)是在GSM基礎上發(fā)展起來的面向鐵路的新一代綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)。鐵道部2000年底正式確定將GSM-R作為我國鐵路專用通信的發(fā)展方向，并于2004年正式采用GSM-R標準作為我國新一代鐵路無線通信國家標準。

近年來，我國鐵路通過引進、消化、吸收、再創(chuàng)新，使GSM-R網絡建設走上了快速發(fā)展的道路，在列車控制、高原鐵路、貨運重載成套技術的形成和發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，特別是在高速鐵路建設和運營中更是具有不可替代的作用。同時，我國高速鐵路建設中GSM-R技術的應用進一步推動了GSM-R技術在世界范圍內的延伸，帶動了高速移動通信技術的進步，促進了GSM-R產業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

目前，GSM-R手持終端已經國產化。車載臺作為GSM-R無線通信終端的重要組成部分，已經在各鐵路線廣泛應用。然而，由于車載臺的核心通信模塊被國外廠家壟斷，嚴重影響我國GSM-R系統(tǒng)的發(fā)展及基于GSM-R的列車運行控制系統(tǒng)、機車同步操控系統(tǒng)的發(fā)展。SED RM 8000鐵路GSM-R無線通信模塊產品，最初來源于鐵道部科學技術司《GSM-R相關技術研究——GSM-R通信模塊設備國產化研究》課題，目標是研發(fā)適于高速鐵路通信的GSM-R無線通信模塊產品，實現(xiàn)鐵路GSM-R車載模塊設備的國產化，為鐵路機車通信提供核心技術保障。

2 技術原理與實現(xiàn)

我國鐵路建設與運營速度都取得了很大程度的發(fā)展。為有效保障列車高速運行時的無線通信，列車通信設備除了在功能、可靠性及環(huán)境適應性等方面有較高要求外，高速適應性更是非常重要的要求之一。SED RM 8000通信模塊采用8 W大功率設計、優(yōu)化的自動頻率校準（AFC）算法、快速頻率跟蹤及高頻偏下的同步信道（SCH）和廣播信道（BCCH）解調技術等，實現(xiàn)了高速工作環(huán)境下的可靠通信。其中8 W大功率兩級放大設計和功率閉環(huán)校準技術提供了可靠的高速適應性。

傳統(tǒng)GSM手機硬件平臺一般包括數(shù)字基帶、模擬基帶、功率放大器及射頻收發(fā)器等芯片。數(shù)字基帶通常由ARM和DSP雙核架構構成，集成數(shù)字信號處理、通信協(xié)議處理、操作系統(tǒng)、驅動及應用處理等功能，模擬基帶芯片集成LCD顯示器、SIM卡、鍵盤、喇叭、聽筒及麥克控制管理等功能。

8 W大功率發(fā)射接收模塊與手持終端發(fā)射接收設計的主要區(qū)別在于其發(fā)射功率的大小。在成熟的2 W手持終端平臺基礎上，通過在發(fā)射通路中增加一級放大電路實現(xiàn)大功率設計，既不影響原有射頻接收性能，同時可以利用原有成熟的功率控制算法，將具有較穩(wěn)定的性能和可靠性。該平臺已經在SED OPH/GPH產品中得到驗證，并在超過百萬臺通用手機上得到驗證，性能穩(wěn)定可靠，平臺支持GSM 850/GSM 900/DCS1800/PCS1900四頻段，并可以支持歐洲UIC R-GSM頻段。SED RM 8000硬件技術原理見圖1。

平臺中第一級放大的PA芯片集成變頻器、基帶接收濾波器，滿足根據(jù)鐵道部規(guī)范規(guī)定的工作頻段，包括整個EGSM 900；二級功率放大器件選擇LDMOS器件，提供固定增益的功率放大，要求具備寬頻、寬溫的工作特性。設計中應當注意：輸出功率提供一定余量；對LDM OS產生的三階互調和較大的諧波分量進行處理，要求效率較高；輸入輸出阻抗匹配到50 Ω；滿足效率、輸出功率、線性度等各項指標的要求。

結構設計和器件選型上，采用高性能器件和特殊結構設計，保證模塊在正常工作溫度范圍內可靠工作，極限工作溫度范圍達到-40~85 ℃。

這種兩級功率放大的設計方案保證8 W大功率通信模塊的實現(xiàn)，同時通過全信道全功率的自動軟件校準、射頻功率放大環(huán)境下的電流功率檢測與補償、溫度檢測與補償?shù)榷囗椡ㄐ叛a償技術，保證模塊在GSM全功率等級0～19上的性能指標滿足要求。SED RM 8000校準測試結構見圖2。

3 實驗數(shù)據(jù)

SED RM 8000模塊的高速設計與實現(xiàn)經過不斷的研究、測試和優(yōu)化，語音通信等功能穩(wěn)定可靠，性能完全達到鐵道部對GSM-R語音模塊的各項功能要求，產品各項性能指標均符合GSM規(guī)范要求，表1給出實驗室校準測試部分數(shù)據(jù)。

圖1 SED RM8000硬件技術原理

圖2 SED RM8000校準測試結構示意圖

表1 SED RM8000校準測試結果

在電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務（CSD）方面，經過多次嚴格的服務質量（QoS）測試，包括實驗室仿真測試及實際線路高速測試。2010年12月，在北京交通大學GSM-R國家重點實驗室進行了仿真測試，仿真測試環(huán)境見圖3。信道仿真平臺主要模擬RF信道上各種冗余覆蓋、高速條件和不同場景下的多徑衰落模式，仿真速度滿足350 km/h。

仿真測試結果表明：多徑衰落為2徑時，模塊性能符合CSD規(guī)范要求；4徑時，性能稍有下降。與國外廠家模塊仿真結果相當，基本達到標準要求。圖4是SED RM 8000部分仿真測試結果。

經過射頻功率調整，2011年1月，在京滬高速鐵路先導段進行了0～420 km/h的多次實網測試，測試結果表明，各項指標基本達到甚至超過標準要求，圖5是實際測試中的部分數(shù)據(jù)。

圖3 GSM-R高速移動和鐵路特殊場景衰落信道下的性能測試系統(tǒng)構成示意圖

圖4 SED RM8000仿真測試結果

圖5 SED RM8000 CSD QoS實網測試結果

4 結束語

SED RM 8000 GSM-R無線通信模塊采用完全自主知識產權的面向高速環(huán)境設計，實現(xiàn)了大功率設計、優(yōu)化的AFC算法及快速頻率跟蹤等技術，通過實驗室仿真和實際線路測試，其設計滿足高速工作環(huán)境下的要求，實現(xiàn)GSM-R無線通信模塊的國產化。

[1] 鐵道部科技運[20 08]16 8號 C T C S-3級列控系統(tǒng)GSM-R網絡需求規(guī)范[S]

[2] 北京交通大學．GSM-R數(shù)字移動通信網設備技術要求通信模塊（V1.0）[S]

[3] GSM 05.05．Digital cellular telecomm unication system(Phase 2+)；Radio transm ission and reception[S]