GSM-R无线通信模块的高速设计及实验研究

■ 孔庆富 刘香山 柳良

1 概述

GSM-R系统是在GSM基础上发展起来的面向铁路的新一代综合数字移动通信系统。铁道部2000年底正式确定将GSM-R作为我国铁路专用通信的发展方向，并于2004年正式采用GSM-R标准作为我国新一代铁路无线通信国家标准。

近年来，我国铁路通过引进、消化、吸收、再创新，使GSM-R网络建设走上了快速发展的道路，在列车控制、高原铁路、货运重载成套技术的形成和发展中发挥了重要作用，特别是在高速铁路建设和运营中更是具有不可替代的作用。同时，我国高速铁路建设中GSM-R技术的应用进一步推动了GSM-R技术在世界范围内的延伸，带动了高速移动通信技术的进步，促进了GSM-R产业的稳定发展。

目前，GSM-R手持终端已经国产化。车载台作为GSM-R无线通信终端的重要组成部分，已经在各铁路线广泛应用。然而，由于车载台的核心通信模块被国外厂家垄断，严重影响我国GSM-R系统的发展及基于GSM-R的列车运行控制系统、机车同步操控系统的发展。SED RM 8000铁路GSM-R无线通信模块产品，最初来源于铁道部科学技术司《GSM-R相关技术研究——GSM-R通信模块设备国产化研究》课题，目标是研发适于高速铁路通信的GSM-R无线通信模块产品，实现铁路GSM-R车载模块设备的国产化，为铁路机车通信提供核心技术保障。

2 技术原理与实现

我国铁路建设与运营速度都取得了很大程度的发展。为有效保障列车高速运行时的无线通信，列车通信设备除了在功能、可靠性及环境适应性等方面有较高要求外，高速适应性更是非常重要的要求之一。SED RM 8000通信模块采用8 W大功率设计、优化的自动频率校准（AFC）算法、快速频率跟踪及高频偏下的同步信道（SCH）和广播信道（BCCH）解调技术等，实现了高速工作环境下的可靠通信。其中8 W大功率两级放大设计和功率闭环校准技术提供了可靠的高速适应性。

传统GSM手机硬件平台一般包括数字基带、模拟基带、功率放大器及射频收发器等芯片。数字基带通常由ARM和DSP双核架构构成，集成数字信号处理、通信协议处理、操作系统、驱动及应用处理等功能，模拟基带芯片集成LCD显示器、SIM卡、键盘、喇叭、听筒及麦克控制管理等功能。

8 W大功率发射接收模块与手持终端发射接收设计的主要区别在于其发射功率的大小。在成熟的2 W手持终端平台基础上，通过在发射通路中增加一级放大电路实现大功率设计，既不影响原有射频接收性能，同时可以利用原有成熟的功率控制算法，将具有较稳定的性能和可靠性。该平台已经在SED OPH/GPH产品中得到验证，并在超过百万台通用手机上得到验证，性能稳定可靠，平台支持GSM 850/GSM 900/DCS1800/PCS1900四频段，并可以支持欧洲UIC R-GSM频段。SED RM 8000硬件技术原理见图1。

平台中第一级放大的PA芯片集成变频器、基带接收滤波器，满足根据铁道部规范规定的工作频段，包括整个EGSM 900；二级功率放大器件选择LDMOS器件，提供固定增益的功率放大，要求具备宽频、宽温的工作特性。设计中应当注意：输出功率提供一定余量；对LDM OS产生的三阶互调和较大的谐波分量进行处理，要求效率较高；输入输出阻抗匹配到50 Ω；满足效率、输出功率、线性度等各项指标的要求。

结构设计和器件选型上，采用高性能器件和特殊结构设计，保证模块在正常工作温度范围内可靠工作，极限工作温度范围达到-40~85 ℃。

这种两级功率放大的设计方案保证8 W大功率通信模块的实现，同时通过全信道全功率的自动软件校准、射频功率放大环境下的电流功率检测与补偿、温度检测与补偿等多项通信补偿技术，保证模块在GSM全功率等级0～19上的性能指标满足要求。SED RM 8000校准测试结构见图2。

3 实验数据

SED RM 8000模块的高速设计与实现经过不断的研究、测试和优化，语音通信等功能稳定可靠，性能完全达到铁道部对GSM-R语音模块的各项功能要求，产品各项性能指标均符合GSM规范要求，表1给出实验室校准测试部分数据。

图1 SED RM8000硬件技术原理

图2 SED RM8000校准测试结构示意图

表1 SED RM8000校准测试结果

在电路交换数据业务（CSD）方面，经过多次严格的服务质量（QoS）测试，包括实验室仿真测试及实际线路高速测试。2010年12月，在北京交通大学GSM-R国家重点实验室进行了仿真测试，仿真测试环境见图3。信道仿真平台主要模拟RF信道上各种冗余覆盖、高速条件和不同场景下的多径衰落模式，仿真速度满足350 km/h。

仿真测试结果表明：多径衰落为2径时，模块性能符合CSD规范要求；4径时，性能稍有下降。与国外厂家模块仿真结果相当，基本达到标准要求。图4是SED RM 8000部分仿真测试结果。

经过射频功率调整，2011年1月，在京沪高速铁路先导段进行了0～420 km/h的多次实网测试，测试结果表明，各项指标基本达到甚至超过标准要求，图5是实际测试中的部分数据。

图3 GSM-R高速移动和铁路特殊场景衰落信道下的性能测试系统构成示意图

图4 SED RM8000仿真测试结果

图5 SED RM8000 CSD QoS实网测试结果

4 结束语

SED RM 8000 GSM-R无线通信模块采用完全自主知识产权的面向高速环境设计，实现了大功率设计、优化的AFC算法及快速频率跟踪等技术，通过实验室仿真和实际线路测试，其设计满足高速工作环境下的要求，实现GSM-R无线通信模块的国产化。

[1] 铁道部科技运[20 08]16 8号 C T C S-3级列控系统GSM-R网络需求规范[S]

[2] 北京交通大学．GSM-R数字移动通信网设备技术要求通信模块（V1.0）[S]

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