在电气化弓网离线噪声环境下GSM-R差错控制及传输性能分析

归甜甜 王长林

西南交通大学 610031 成都

*硕士研究生 ＊＊教授

弓网电弧主要产生高频电磁波，且频率大部分落在GSM-R所使用的频段范围内。当电磁噪声幅度较大时，将严重影响通信系统的可靠性，使通信系统误码率急剧增高，甚至造成通信中断。CTCS-3级列控系统的车-地双向通信数据，需要通过GSM-R系统传输，因此不能有丝毫的错误发生。为此，分析弓网电弧对GSM-R的干扰，研究弓网电弧噪声特点，将RS-Turbo编码应用于GSM-R系统，建立GSM-R抗干扰信道模型，优化GSM-R差错控制方式，显得尤为重要。

1 弓网离线噪声

弓网离线噪声具有很宽的频谱，从十几kHz到上GHz，其特点如下:①由于弓网离线为随机事件，因此产生的噪声也是随机事件;②噪声是一个平稳的随机过程，经过均化处理符合高斯白噪声的特点;③噪声会引起信道突发错误。弓网离线时产生的离线电弧和电火花可能性较大，由此产生的电磁噪声对GSM-R影响不容忽视。

2 GSM-R抗干扰信道模型

交织技术可把信道突发噪声转化为随机噪声处理，再将外编码和内编码技术结合，纠正随机错误，这是处理突发噪声的常用方法。RS码是最优的线性分组码，非常适于突发错误信道的外编码;而Turbo内部有交织器，可以把弓网离线噪声造成的GSM-R突发错误均化为随机错误，是适合纠正突发错误的内编码技术。因此将RS码和Turbo码级联编码，利用串联的RS纠错码纠正Turbo码不能纠正的错误，从而提高纠错能力。RS-Turbo码的编译码器可以在系统中发挥2种码字的优势，提高了系统的差错控制能力，比传统的卷积码优势明显。

GSM-R信道编码方式采用BPSK调制解调、交织技术和RS-Turbo级联码编码，如图1所示，提高了GSM-R抗突发错误能力。

图1 GSM-R信道编码方式

3 GSM-R差错控制仿真

由于GSM-R运用的是GMSK调制、卷积码技术，故分3个部分仿真优化差错控制方式:①采用MSK调制方式，仿真比较Turbo码和卷积码的误码曲线;②采用BPSK调制方式，仿真RS-Turbo码的误码曲线;③把RS-Turbo码加入交织技术仿真分析。

卷积码采用 (2，1，7)组合，码速为1/2，译码为维特比硬判决;Turbo码采用LOG-MAP方式译码，码速为1/2，交织长度1000bit，迭代次数为6次，伪随机交织方式。仿真结果如图2所示，虚线为卷积码曲线，实线为Turbo码曲线。

图2 MSK调制下卷积码与Turbo码误码性能分析

由图2可见，GSM-R系统采用Turbo码比卷积码性能优越，Turbo码在与卷积码复杂度相差不大的情况下，有更好的性能。Turbo码利用卷积码和随机交织器结合，纠正随机错误，通过交织器把突发错误随机化，同时又采用软输入、软输出迭代译码来逼近最大似然译码。

弓网离线产生的电磁波导致GSM-R信道出现长突发错误，当长突发错误或随机错误较多时，就需用RS-Turbo级联码来纠错编码，并用BPSK调制技术来优化编码调制，进一步降低GSM-R系统误码率。

采用部分迭代 RS码硬判决译码，帧长为2000bit，采用BPSK调制，交织长度2000bit，RS(255，223);Turbo码的译码算法采用LOG-MAP算法，分量码生成矩阵均为G(7，5)，迭代次数为7次，码率为1/3。仿真结果如图3所示。

图3 RS-Turbo级联码的BER

从图3中看出，RS-Turbo级联码的误码率突破了10－6的错误平层，具有极强的纠错能力。由此可以看出，RS-Turbo码不仅能降低系统误比特率，同时对纠正弓网离线噪声造成的长突发信道错误也是非常有效的。

交织技术是处理弓网离线噪声引发的信道突发错误的关键技术，由于Turbo码内部交织器的作用有限，所以要在编码外部加入交织器，交织后通过RS-Turbo码实现纠错编码。交织前后对误码率的影响见图4，其中虚线表示级联码译码误码率，实线表示级联码加交织后译码误码率。

图4 交织和RS-Turbo码结合的性能

由图4可以看出，在Eb/No＜ldB时，加交织后的BER曲线与不加交织时相差不大，即当Eb/No比较小时，级联码译码后误码率比较高，并且加交织器作用不明显。当Eb/No＞ldB时，交织器发挥了重要的作用。把突发噪声分散为离散噪声，优化了误码率曲线。理论上是可行的。

在GSM-R的演进过程中，必将采用更新的调制解调技术 (BPSK)和信道编码技术。BPSK是3G的调制解调技术，RS-Turbo码中Turbo码是3G纠错编码方式。选用BPSK调制解调技术和Turbo码纠错编码技术是GSM-R向下一代通信演进的关键技术，有利于GSM-R向3G的平滑演进。

综上所述，电气化弓网离线噪声对GSM-R系统网络中存在着电磁干扰，通过交织技术和RSTurbo级联码结合纠错的方法，来降低这些干扰造成的信道突发错误，对降低GSM-R电磁干扰，以及推进GSM-R向3G演进具有一定作用。解决GSM-R移动通信网络的干扰，尤其是降低电磁干扰，是一项长期不间断而且非常复杂的工作，有待于在实际工作中进一步摸索总结。

［1］ 高晨亮．GSM-R电磁干扰及测试问题研究［J］．铁道通信信号，2007，43(10):50 －53．

［2］ 陈嵩，沙斐，王国栋．电气化铁道脉冲电磁骚扰的Simulink模型［J］．铁道学报，2009(1):23－27．