射频拉远单元与天线交叉冗余连接的相关性能分析

韩佳乐，王东明，宋铁成，刘 瑜，王海龙，陈建平

目前我国铁路仍以GSM-R 为主要的通信系统，该系统已在超过65 000 km 的铁路线路上得到应用。然而，由于GSM-R 是一种带宽仅有4 MHz的窄带通信系统，其频谱资源有限，所能承载的业务能力容易达到瓶颈。且随着铁路数字化、智能化转型，新的语音、视频等数据业务在铁路专网中的应用场景也越来越广泛。因此，铁路需要引入全新的通信系统［1］，以满足更高的通信要求，包括更大的带宽、更低的时延、更高的可靠性等。

5G 技术拥有大带宽、低时延、高可靠性等技术优势，并且得到了良好的国家政策支持和高效的商业化推广。为满足铁路未来发展愿景要求，中国国家铁路集团有限公司根据我国通信技术发展态势提出铁路5G 专网（5G-R）通信系统研究方案，并确立了相关的研究工作和建设目标。为保障铁路工作人员和乘客的生命安全，以及铁路系统的正常运行，通信的可靠性至关重要。因此，在5G-R 研究过程中，冗余技术的应用被放在了重要位置［2-4］。

针对不同列控等级和运行速度的要求，5G-R专网有单网覆盖和冗余覆盖2 种方案。其中，单网覆盖适用于普速铁路或采用CTCS-2级列控系统的高速铁路，而冗余覆盖则适用于列控等级为CTCS-3 级的高速铁路。在这2 种方案中，通过采用射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）冗余方案来提高通信系统设备级的可靠性，从而维持网络覆盖的稳定性［5］。然而，这种方案存在一定隐患。RRU 冗余方案采用交叉连接冗余（Cross-Connect Redundancy，CCR）技术，多个RRU 交叉连接多副天线。在信号的发送和接收过程中，RRU 之间可能存在时延差、频率差、功率差等问题，对系统性能产生一定影响。本文以2 台RRU连接2 副天线为例，进一步深入分析这种方案所带来的影响。

1 RRU冗余通信系统模型

铁路基站无线覆盖模型见图1。基站部署在铁路一侧，且在邻近基站之间保证覆盖范围的部分重合，避免出现覆盖盲区，以维持信号传输质量，同时为小区切换提供充分的时间。另外，覆盖重合范围也与列车的运行速度有较大关系。在车速较快的情况下，如果覆盖重合范围较小，则会导致小区切换的时间较短，因此，为确保列车在行驶过程中正常通信，需要合理分配覆盖重合区域［6］。

图1 铁路基站无线覆盖模型

为保证列车在运行中的通信安全，提高通信系统的鲁棒性，会适当增加通信设备的冗余性或者改变其拓扑结构，以提高通信设备的整体成本和部署难度为代价，换取列车整体通信系统可靠性的提升。对于RRU 设备而言，通过改变RRU 与天线之间的连接方式，增加二者之间的冗余相关性，以此来提高铁路无线信号的覆盖稳定性。

RRU 冗余基站系统模型见图2。基带处理单元（Base Band Unit，BBU）或者是集中单元（Central Unit，CU） 与分布单元（Distributed Unit，DU）连接每个站址的2 台RRU 设备，提供基础的基带处理功能。每台RRU 设备与2 副天线连接，每副天线均为4 发4 收（4T4R）的配置，每台RRU 与每副天线的2 个天线接口通过馈线连接，最终形成交叉冗余的拓扑结构。在单站址的2 台RRU 全部正常的情况下，对于一副天线而言，在覆盖性能方面，双RRU 连接与单RRU 连接差异不大；同样是4T4R 的收发性能，在单RRU 故障的情况下，天线收发能力从原来的4T4R 降为2T2R，会导致性能下降，但是在部署合理的情况下，也会保持通信稳定，并不会产生通信中断的情况［6-7］。

图2 RRU冗余基站系统模型

2 跨RRU通道冗余问题分析

RRU 交叉冗余结构虽然提高了铁路5G-R 通信系统覆盖的可靠性，但也引入了一些问题，主要涉及时延失衡、频率偏差和发射功率偏差3 个方面。首先，由于双RRU 需要协同处理同一路信号数据，所以时钟需要高精度同步。但由于馈线传输和制造工艺的差异，双RRU 之间的相对相位难以维持稳定，因此信号之间会出现时延失衡。其次，由于RRU 在发送和接收信号时需要使用变频技术实现频谱搬移，而变频器会受到本地振荡器的频率准确度、混频器的计算精度、滤波器阶数等因素的影响，因此信号处理中容易产生频率偏差，多台RRU 设备的频差叠加会严重影响接收机性能。最后，下行闭环功率增益的稳定性会受到功率放大器和数字预失真模块的影响，由于功率放大器对不同功率量级信号的放大能力是非线性的，因此会产生模拟增益差异；此外，功率放大器和数字预失真模块也受到硬件工艺和软件性能的影响，导致基站发射功率出现偏差。这些问题会影响信号接收端的解调效果，造成接收机性能下降。

2.1 跨RRU通道时延失衡分析

按照目前我国铁路行业发展规划，5G-R 拟报批的频谱资源为下行频谱2 155~2 165 MHz，上行频谱1 965~1 975 MHz，频率带宽为10 MHz，采样率为15.36 MHz，采样周期T=1/15.36 MHz=65.104 ns。假设同一台RRU的端口时延忽略不计，即端口时延为0，则发送信号s在频域上的变换为

式中：N0为RRU 之间的时延样点个数；NFFT为快速傅里叶变换点数；k为子载波序号。

由式（2）可知，信号发生时域偏移，频域出现相位偏差，对幅度的影响呈周期性变化，时域偏移越大，周期变化越快，相位偏差越严重，通信系统性能会急剧恶化。

5G-R通信基站天线的配置为4T4R，而移动台使用1T4R 的收发天线，因此通信系统上行链路采用1×4 SIMO 信道模型，下行链路采用4×4 MIMO信道模型。上行链路对系统的影响主要体现在接收端的信号多路合并过程，而下行链路对系统的影响则体现在发射端通道的时延不同。图3 展示了下行信号发送不同步的情况，进一步说明了下行链路的特点。

图3 天线时延示意

图3 中，data1、data2、data3、data4 分别为每根天线的发送数据。单个天线在NFFT点数的时域尺度内接收的数据，接收方的各个天线端口所接收的数据为所有发射数据的叠加和。假设发射端数据的时域抽样点为sl(i)，l为第l根发射天线；接收端的数据分别为rm(i)，m为第m根接收天线，采样点i∈[0，NFFT-1]，发射天线3、4 的时延点数为q，hm，l(i)为接收天线端m与发射天线端l之间的信道时域响应，nm(i)为接收天线m端的噪声，则每个接收天线接收信号的数学模型［8］为

式中：⊗为离散卷积运算。

接收端的频域表达式为

式中：k为频域抽样点，k∈[0，NFFT-1]；Sl(k)、Hm，l(k)、Nm(k)分别为sl(i)、hm，l(i)、nm(i)的频域表达式。

综上可得

下行链路的信道估计为

式中：λ为信道估计造成的频率偏差值；q为时延样点数。

使用式（6）中信道估计结果，对原始发送数据进行估计，则

信道估计受解调参考信号（DeModulation Reference Signal，DMRS）影响，由于DMRS 在频域上的分布不一定连续，所以λ与k的值不一定相等，时延影响难以消除，误码率提高，系统性能下降。

2.2 跨RRU通道频率偏移分析

由于RRU 变频模块稳定性存在限制，对信号的发射与接收均造成影响，频偏对信号的影响为

式中：k0为信号频率的偏移量。

根据式（8）可知，频偏会对信号时域幅度造成影响，时域影响呈现周期性变化，频偏越大，周期变化越快，通信系统性能下降，信号失真严重。

以下行信道为例，假设发射端口1、2 无频偏，端口3、4的频偏为f0，则接收端的接收信号为

频域可表示为

5G-R 通信系统采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM） 技术，子载波之间需要具备严格的正交性，以此通过快速傅里叶变换实现信号的调制与解调，所以RRU 所产生的频偏会对载波之间的正交性产生影响，造成接收机解调性能下降。

2.3 跨RRU通道功率偏差分析

一副天线连接2 台RRU，虽然2 台RRU 可能具有相同的配置，但是每台RRU 的功率都处于动态波动的范围，所以在发送信号时，一副天线可能发送出具有功率差的电磁波，影响接收机信号接收［9］。假设正常情况下发送信号的功率为P，信号功率波动之后的功率值为P′，则

由于RRU 功率差对下行传输的影响较大，故本文只考虑下行链路的情况。假设令天线1、2 发射端口功率处于正常状态，端口3、4 处于波动状态，则接收端时域可表示为

其频域表达式为

式中：δ为功率波动因子，

通信系统的覆盖性能受到功率波动因子的影响，当端口功率下降时，接收端的信噪比会下降，以至于误码率提高，通信性能下降。

3 跨RRU通道冗余性能评估

以上主要对RRU 交叉冗余连接面临的问题进行了理论层面的分析，由于设备层面的固有差异，导致通信系统性能受到一定影响，但是难以估计影响的实际偏差值。本节将对以上问题进行仿真分析，并模拟参数偏差，比对仿真结果。首先，研究时延失衡对系统误码率的影响，比较不同时延样点、相同时延样点及不同类型参考信号的误码率变化情况；其次，研究信号频差对系统误码率的影响，比较不同频差所导致的误码率变化情况；接着，研究功率差对系统误码率的影响，比较存在功率差的发射信号导致接收端产生误码率的变化情况；最后，研究多种问题叠加对系统性能的影响，比较系统误码率的变化趋势。

仿真所使用的信道模型为GBSM（Geometry-Based Stochastic Channel Model）信道［10-12］，信号为OFDM 符号，信道估计方式为最小二乘估计。铁路5G-R通信系统仿真参数配置见表1。

表1 铁路5G-R通信系统仿真参数配置

3.1 时延失衡性能仿真

图4 展示了使用类型1 单OFDM 符号DMRS的上下行链路随时延样点的变化情况。显然，无论是上行链路还是下行链路，误码率均随着时延样点的增加而增大。当下行链路发射端时延差为60 样点时，系统性能下降约0.8 dB；时延差点数达到90样点时，性能下降约1 dB；时延差点数达到120样点时，性能下降约1.3 dB。在上行链路中，时延差为60 样点时，系统性能下降约0.4 dB；时延差达到120样点时，系统性能下降约0.6 dB。

图4 跨RRU通道时延失衡误码率变化曲线（间隔1）

图5 是使用类型2 单OFDM 符号DMRS 的误码率变化结果，此类型DMRS 的频域间隔为4。由图5（a）可知，在下行链路中，时延差为30 样点时，系统性能下降约1 dB；时延差为60 样点时，系统性能下降约2 dB；时延差达到120样点时，系统性能下降约2.5 dB。对于上行链路，系统性能同样下滑，根据图5（b），在时延差为90 样点时，性能下降约1 dB；时延差达到120样点时，性能下降约1.1 dB。综上可知，增大导频信号的频域间隔将会提高系统性能对时延的敏感度。

图5 跨RRU通道时延失衡误码率变化曲线（间隔4）

3.2 频率偏移性能仿真

根据《铁路5G专用移动通信（5G-R）系统总体技术要求（暂行）》，宏覆盖基站频率误差性能要求准确度为±0.05 ppm，即下行±107.5 Hz，上行±97.5 Hz。在列车运行速度为400 km/h 的场景下进行仿真，考虑高速产生的多普勒频移。假设下行信道中，2 台RRU 的频偏分别为107.5 Hz 和-107.5 Hz，二者的频偏达到最大值215 Hz。图6（a）展示了下行RRU 频偏误码率变化曲线，在频偏达到215 Hz 时，通信系统在低信噪比的情况下，性能变化并不明显，而在高信噪比情况下，系统性能下降不超过1 dB；图6（b）展示了上行RRU 频偏误码率变化曲线，与下行链路系统性能变化类似。在频偏达到最大值195 Hz 时，在低信噪比情况下，系统性能变化并不明显，而在高信噪比情况下，系统性能下降不超过0.7 dB。因此，可以得出：系统固有频偏对于上行链路系统性能的影响不会超过0.7 dB，而对于下行链路系统性能的影响不会超过1 dB。

图6 RRU频偏误码率变化曲线

3.3 功率偏差性能仿真

根据在实际测试中的功率偏差值，在正常测试条件下，每台RRU 设备的功率偏差一般不会超过1 dB。当2 台RRU 同时工作时，2 台RRU 之间的功率差应不会超过2 dB。图7 展示了系统性能随RRU 功率差变化的仿真结果，可以明显看出，系统性能随RRU 功率差的增大而逐渐恶化，在RRU之间的功率偏差达到最大值2 dB 时，系统性能下降约1 dB；在RRU 之间的功率差为1 dB 时，系统性能下降了约0.5 dB。

图7 跨RRU通道功率差误码率变化曲线

3.4 整体偏差性能分析

在RRU 实际工作中，出现多个参数偏差叠加的情况概率高于单一参数偏差情况。图8 是上、下行链路系统性能在同时出现多种参数偏差情况下的变化曲线，在下行链路时延60样点、频偏215 Hz、功率差2 dB的情况下，以及上行链路时延60样点、频偏195 Hz 的情况下，误码率的变化趋势综合了所有参数偏差的影响。可以得出：在多种参数偏差共存的情况下，通信系统的整体性能下降是各个参数偏差导致的性能损失的线性叠加。因此，在实际使用中，应该注意控制各个参数偏差的变化范围，以保证通信系统处于良好的工作状态。

图8 跨RRU通道整体偏差误码率变化曲线

4 结论

针对设备采用CCR 冗余方式的铁路5G 专网所存在的潜在问题，以及其对系统性能的影响进行了深入研究，得出以下结论。

1）不同RRU 设备通道间存在时延失衡问题，时延样点偏差越多，系统误码率增加越严重。

2）使用不同类型的DMRS 也会造成一定影响，单OFDM 符号DMRS 类型1 的解调性能优于类型2。

3）RRU 设备之间也存在频偏问题，导致系统误码率出现一定程度的增加，在RRU 设备的行业标准要求0.05 ppm 之内，系统误码率增加并不明显，均处于1 dB波动范围之内。

4）RRU 设备之间存在功率一致性问题，本文通过仿真试验分析了其对系统误码率的影响。仿真结果表明：在单台RRU 设备功率波动处于1 dB 以内时，系统误码率波动也处于1 dB以内。

最后，本文综合考虑了多种问题叠加造成的影响，并得出结论：多种问题叠加所造成的系统误码率增加是各个问题所造成影响的线性之和。未来可以进一步研究CCR 冗余方式在其他场景下的适用性，并建议5G-R 在选用RRU 设备时考虑其通道间时延、频偏和功率差等参数影响。