陳才波

高鐵覆蓋場景相對于普通場景，主要在于高速下的多普勒效應(yīng)。接收到信號的波長因?yàn)樾盘栐春徒邮諜C(jī)的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化，稱作多普勒效應(yīng)。在移動通信系統(tǒng)中，特別是高速場景下，這種效應(yīng)尤其明顯，多普勒效應(yīng)所引起的附加頻移稱為多普勒頻移，移動速度越快，多普勒效應(yīng)越明顯，因此必須解決多普勒頻偏問題。

一、多普勒頻移

多普勒頻移是鐵路移動通信系統(tǒng)需要面臨的一個典型問題，具體是指當(dāng)移動終端和基站之間存在相對徑向運(yùn)動時，基站發(fā)射頻率與用戶終端接收頻率不同而產(chǎn)生的頻率差：

由公式可得出，在同一載波頻率下，多普勒頻移的大小跟終端移動速度成正比。假設(shè)eNodeB的載波頻率為f0，當(dāng)終端逐漸遠(yuǎn)離eNodeB時（即終端背向信號傳播方向運(yùn)動），θ值不斷變大（90°<θ<180°），終端接收頻率下降，值為fm - f0，而eNodeB接收的信號頻率為f0 - 2fm；當(dāng)終端靠近eNodeB時（即終端朝向信號傳播方向運(yùn)動），θ值越來越大（0°<θ<90°），終端的接收頻率上升，值為fm + f0，而終端以此基準(zhǔn)向eNodeB發(fā)射信號，eNodeB的接收頻率為2fm + f0。

二、對抗多普勒頻移問題的策略

對抗多普勒效應(yīng)的策略通常有三種：多普勒規(guī)劃、多普勒估計/補(bǔ)償、多普勒分集。

2.1多普勒規(guī)劃

最簡單和直接對抗多普勒效應(yīng)的方法是通過系統(tǒng)規(guī)劃、合理配置參數(shù)，在一定程度上直接避免多普勒效應(yīng)發(fā)生。多普勒效應(yīng)的嚴(yán)重程度由多普勒頻移和符號周期共同度量，前者直接影響CFO（載波頻率偏移）和信道衰落程度，后者間接影響信道衰落的快慢。根據(jù)多普勒頻移的計算公式，可以發(fā)現(xiàn)瞬時的多普勒頻移與載波頻率、運(yùn)動速度以及信號與運(yùn)動方向的夾角相關(guān)。

因此，將控制面與數(shù)據(jù)面分離并選用較低頻率的載波支撐高移動性，可以直接、有效地降低多普勒頻移的大小；針對鐵路等固定運(yùn)行軌跡的移動通信系統(tǒng)，盡量縮小基站與運(yùn)動軌跡的距離，使最大掠射角趨近90°，縮小信號與運(yùn)動方向的瞬時夾角，從而降低瞬時多普勒頻移及其變化率；在多普勒頻移固定的情況下，根據(jù)信道的相關(guān)時間（由最大多普勒頻移決定，在此時間長度下信道相對穩(wěn)定）調(diào)整符號周期的大小，可減輕信道快速衰落程度；在正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)里，也可以通過調(diào)整子載波間隔，以避免產(chǎn)生較大的子載波間干擾（ICI）。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，系統(tǒng)規(guī)劃和參數(shù)配置受到多個目標(biāo)制約，參數(shù)實(shí)際可調(diào)整的范圍十分有限。

2.2多普勒估計/補(bǔ)償

多普勒估計/補(bǔ)償是對抗多普勒效應(yīng)的典型方法，由頻率估計模塊和頻率補(bǔ)償模塊共同實(shí)現(xiàn)。

假定多普勒效應(yīng)導(dǎo)致接收頻率頻移Δf，頻率估計模塊嘗試對其估計和跟蹤，得出估計的偏移值Δf ，然后頻率補(bǔ)償模塊將Δf 補(bǔ)償給接收信號。處理后的載波頻率等效為f0-Δf+Δf ，它與本振頻率f0的差值決定了多普勒估計/補(bǔ)償?shù)男阅埽虼藨?yīng)盡力實(shí)時地最小化這一差值。

實(shí)現(xiàn)多普勒估計的算法分為盲頻移估計、基于冗余的頻移估計、基于先驗(yàn)信息（位置、速度、頻譜地圖等）的頻移估計3類。兩步估計算法以及自動頻率校正（AFC）技術(shù)可有效地提高多普勒頻移估計的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，前者逐級進(jìn)行粗同步和精同步，后者引入反饋機(jī)制將頻率估計和頻率補(bǔ)償閉環(huán)。

2.3 多普勒分集

上述的策略是將多普勒頻移（擴(kuò)展）看作不利因素，主要目的是補(bǔ)償或降低多普勒效應(yīng)帶來的負(fù)面影響。但是實(shí)際系統(tǒng)中，復(fù)雜的散射環(huán)境使信號在多條傳播路徑上產(chǎn)生不同的多普勒頻移，解決多頻移的估計與補(bǔ)償是系統(tǒng)面臨的一個難題。單獨(dú)考慮CFO往往不是對抗多普勒效應(yīng)的最佳途徑，聯(lián)合CFO和信道估計以及利用多普勒分集等技術(shù)綜合解決CFO和信道快速變化，是對抗多普勒效應(yīng)的必由之路。所以在現(xiàn)實(shí)場景下，我們還會看倒多普勒分集技術(shù)的應(yīng)用。多普勒分集將多普勒擴(kuò)展看作一種分集方式，將頻率偏移作為一種分集資源加以利用，從而增強(qiáng)有用信號能量，改善系統(tǒng)性能。

多普勒分集的研究按可否獲得完備的信道估計信息分為兩類，完備信道估計條件下的多普勒分集技術(shù)致力于挖掘信道自由度，實(shí)現(xiàn)最大多普勒分集階；而非完備信道估計條件下的多普勒分集技術(shù)重點(diǎn)研究信道估計誤差對分集性能的影響。一般而言，發(fā)送接收聯(lián)合設(shè)計才能獲得最大多普勒分集，其最大多普勒分集由信道相關(guān)矩陣的秩決定，多普勒分集可與多徑分集、空間分集一同實(shí)現(xiàn)。