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系統是在GSM基礎上發展起來的面向鐵路的新一代綜合數字移動通信系統。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、再創新，使GSM-R網絡建設走上了快速發展的道路，在列車控制、高原鐵路、貨運重載成套技術的形成和發展中發揮了重要作用，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產業的穩定發展。

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系統的發展及基于GSM-R的列車運行控制系統、機車同步操控系統的發展。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，目標是研發適于高速鐵路通信的GSM-R無線通信模塊產品，實現鐵路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

我國鐵路建設與運營速度都取得了很大程度的發展。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，實現了高速工作環境下的可靠通信。其中8 W大功率兩級放大設計和功率閉環校準技術提供了可靠的高速適應性。

傳統GSM手機硬件平臺一般包括數字基帶、模擬基帶、功率放大器及射頻收發器等芯片。數字基帶通常由ARM和DSP雙核架構構成，集成數字信號處理、通信協議處理、操作系統、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大功率發射接收模塊與手持終端發射接收設計的主要區別在于其發射功率的大小。在成熟的2 W手持終端平臺基礎上，通過在發射通路中增加一級放大電路實現大功率設計，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，滿足根據鐵道部規范規定的工作頻段，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，同時通過全信道全功率的自動軟件校準、射頻功率放大環境下的電流功率檢測與補償、溫度檢測與補償等多項通信補償技術，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 實驗數據

SED RM 8000模塊的高速設計與實現經過不斷的研究、測試和優化，語音通信等功能穩定可靠，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規范要求，表1給出實驗室校準測試部分數據。

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

在電路交換數據業務（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據。

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境設計，實現了大功率設計、優化的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境下的要求，實現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GSM-R網絡需求規范[S]

[2] 北京交通大學．GSM-R數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]