孫路遙

摘要 列車(chē)高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移對(duì)無(wú)線通信影響較大。隨著鐵路運(yùn)行速度向時(shí)速400 km+邁進(jìn)，多普勒頻移的影響將更加顯著。同時(shí)，鐵路運(yùn)營(yíng)對(duì)無(wú)線通信帶寬和可靠性的要求正在不斷提高。針對(duì)這一現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有鐵路GSM-R通信系統(tǒng)及下一代5G-R通信系統(tǒng)特性，研究多普勒頻移對(duì)時(shí)速400 km+高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)的影響程度。并對(duì)常用抗多普勒頻移技術(shù)的效果進(jìn)行分析，得到一種適用于時(shí)速400 km+高速鐵路的解決方案。

關(guān)鍵詞 時(shí)速400 km+；GSM-R；5G-R；多普勒頻移

中圖分類(lèi)號(hào) TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0011-03

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)邁向新階段，時(shí)速400 km+高速鐵路建設(shè)已進(jìn)入研究階段，對(duì)作為高等級(jí)列車(chē)控制系統(tǒng)關(guān)鍵傳輸通道的鐵路專(zhuān)用無(wú)線通信系統(tǒng)提出了更高要求。同時(shí)，鐵路運(yùn)營(yíng)對(duì)無(wú)線通信帶寬和可靠性的要求也不斷提高。

目前，國(guó)內(nèi)高速鐵路普遍使用的GSM-R通信系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)條件要求能夠支持最高時(shí)速500 km高速鐵路列車(chē)的通信需求。但是，截至目前尚未有在超過(guò)時(shí)速350 km條件下的實(shí)際應(yīng)用。該文結(jié)合現(xiàn)有鐵路GSM-R通信系統(tǒng)及下一代5G-R通信系統(tǒng)特性，研究多普勒頻移對(duì)時(shí)速400 km+高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)的影響程度。并對(duì)常用抗多普勒頻移技術(shù)的效果進(jìn)行分析，得到一種適用于時(shí)速400 km+高速鐵路的解決方案。

1 多普勒頻移對(duì)時(shí)速400 km+高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)影響的理論分析

對(duì)于鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)，列車(chē)高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移引發(fā)的載波頻率偏移會(huì)導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)性能顯著下降，降低無(wú)線鏈路的穩(wěn)定性，同時(shí)引起信道系數(shù)隨時(shí)間快速變化，造成符號(hào)檢測(cè)性能顯著下降，誤比特率變大。

多普勒頻移可由以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，fd——多普勒頻移；f——載波頻率；c——光速；v——列車(chē)運(yùn)行速度；θ——列車(chē)運(yùn)行方向與入射波方向的夾角。

通過(guò)對(duì)式（1）分析可知，在無(wú)線通信頻率確定的情況下，對(duì)于特定速度運(yùn)行的列車(chē)，多普勒頻移僅受列車(chē)運(yùn)行方向與入射波方向的夾角（范圍在0 °～180 °之間）這一個(gè)因素的影響。當(dāng)夾角越接近90 °時(shí)，多普勒頻移越小。而列車(chē)運(yùn)行方向與入射波方向的夾角的范圍，可通過(guò)改變無(wú)線通信站點(diǎn)與鐵路線路的距離、調(diào)整無(wú)線通信基站間距、調(diào)節(jié)天線掛高等途徑進(jìn)行控制。

對(duì)于國(guó)內(nèi)正在使用的GSM-R通信系統(tǒng)和正在研究的鐵路5G-R通信系統(tǒng)，分別取910 MHz、2.1GHz兩個(gè)典型載波頻率，取列車(chē)天線與基站天線的高度差為30 m，在時(shí)速為350 km、400 km、450 km的不同速度值下，對(duì)無(wú)線通信站點(diǎn)與至鐵路線路的距離與多普勒頻移的關(guān)系進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同速度值下多普勒頻移最大值如表1所示：

以時(shí)速400 km為例，無(wú)線通信站點(diǎn)與鐵路線路在不同距離下，列車(chē)運(yùn)行時(shí)多普勒頻移變化情況如圖1～2所示。

2 常用抗多普勒頻移技術(shù)

常用的抗多普勒頻移應(yīng)對(duì)技術(shù)可以分為三類(lèi)：多普勒規(guī)劃、多普勒補(bǔ)償和多普勒利用[1]。

2.1 多普勒規(guī)劃

在設(shè)計(jì)階段，考慮通過(guò)改進(jìn)無(wú)線通信站點(diǎn)的布局和調(diào)整參數(shù)應(yīng)對(duì)信道快速變化的問(wèn)題，這一策略基于多普勒效應(yīng)的緩解。多普勒效應(yīng)在高速鐵路系統(tǒng)中的顯著性主要由列車(chē)與雷達(dá)波束之間的相對(duì)角度和行進(jìn)軌跡決定。

結(jié)果顯示，對(duì)于某一固定速度行駛的火車(chē)，其多普勒效應(yīng)主要取決于火車(chē)行進(jìn)路線與無(wú)線電波發(fā)射角度的關(guān)系，此角度可在0 °～180 °之間變動(dòng)。因此，為了降低高速鐵路的頻移問(wèn)題，關(guān)鍵在于巧妙地選擇無(wú)線電通信站點(diǎn)的位置。

適當(dāng)增加無(wú)線通信站點(diǎn)與鐵路軌道的隔離距離，并減小站點(diǎn)間的距離，可以在一定程度上緩解多普勒效應(yīng)引發(fā)的問(wèn)題。仿真數(shù)據(jù)顯示，若將車(chē)站和鐵路軌道的距離從100 m增加至200 m，則可以降低多普勒頻移峰值約30%。同樣，將站點(diǎn)間的距離從500 m減至300 m也可以取得相似的效果。

進(jìn)一步改善網(wǎng)站架構(gòu)，降低列車(chē)通過(guò)無(wú)線通信站點(diǎn)時(shí)多普勒頻移的增長(zhǎng)速度，能夠有效減少頻移干擾的影響。

2.2 多普勒補(bǔ)償

多普勒補(bǔ)償技術(shù)是指通過(guò)多種手段，估計(jì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的載波頻率偏移，再對(duì)頻率偏移進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而減少多普勒頻移對(duì)系統(tǒng)的影響。

因此，多普勒補(bǔ)償技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)載波頻率偏移進(jìn)行快速準(zhǔn)確估計(jì)。目前常用的多普勒頻移估計(jì)手段可分為三類(lèi)：基于輔助數(shù)據(jù)的頻移估計(jì)、盲頻移估計(jì)和基于先驗(yàn)信息的頻移估計(jì)。

2.2.1 基于輔助數(shù)據(jù)的頻移估計(jì)

基于輔助數(shù)據(jù)的頻移估計(jì)是通過(guò)在信號(hào)中插入已知的導(dǎo)頻或者訓(xùn)練序列作為輔助，在接收端對(duì)比收到的冗余信號(hào)與插入的原始信號(hào)，進(jìn)而得出當(dāng)前的頻移量。

這種方式可以精確地得到實(shí)時(shí)頻移量，但是輔助數(shù)據(jù)的引入在一定程度上占用了帶寬資源。

5G技術(shù)作為一種正交頻分復(fù)用（OFDM）通信系統(tǒng)，多普勒頻移會(huì)直接對(duì)子載波正交性造成破壞。因此，5G系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)即考慮了多普勒頻移對(duì)高速條件下通信系統(tǒng)的影響。5G NR的每個(gè)時(shí)隙中都包含解調(diào)解碼所需的解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）和必要的控制信息。其中解調(diào)參考信號(hào)采用了前置的DMRS導(dǎo)頻與時(shí)域密度可配置的附加DMRS導(dǎo)頻相結(jié)合的DMRS導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，可以在時(shí)速400 km+條件下仍滿足對(duì)信道時(shí)變性的估計(jì)精度。

2.2.2 盲頻移估計(jì)

盲頻移估計(jì)技術(shù)是一種不依賴(lài)外部數(shù)據(jù)輔助的方法，其能夠精確測(cè)定頻移，同時(shí)節(jié)省了帶寬資源。本質(zhì)上來(lái)講，這種技術(shù)基于數(shù)學(xué)公式，依賴(lài)精確的信道模擬，并對(duì)頻率偏移進(jìn)行詳細(xì)分析。然而，這種算法的應(yīng)用受到多種因素的制約，包括信道狀況、環(huán)境影響以及算法本身的特性，因此其適用范圍存在顯著差異。

在高速鐵路沿線，由各種地形條件造成的復(fù)雜信道為頻移估計(jì)帶來(lái)了更大挑戰(zhàn)。穿梭于各種地貌的迅捷火車(chē)會(huì)導(dǎo)致信道參數(shù)不斷波動(dòng)，使得精準(zhǔn)建模變得更加困難。例如，地形特征如隧道、橋梁、曲線等會(huì)引起信號(hào)多次反射和衰減，從而增加信道的復(fù)雜度。面對(duì)信道時(shí)變和多徑效應(yīng)等挑戰(zhàn)，提高盲頻移估計(jì)的準(zhǔn)確度就顯得尤為困難。

針對(duì)高速鐵路環(huán)境，需要對(duì)盲頻移估計(jì)算法進(jìn)行深入研究并加以?xún)?yōu)化，以適應(yīng)其復(fù)雜的信道特性。為了提高頻移估計(jì)的準(zhǔn)確度和魯棒性，考慮整合例如信道預(yù)測(cè)和多徑效應(yīng)校正等額外技術(shù)手段非常必要。為了應(yīng)對(duì)多變的地形和列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的頻移計(jì)算策略至關(guān)重要，其能夠有效適應(yīng)復(fù)雜的信道環(huán)境，進(jìn)而顯著增強(qiáng)通信系統(tǒng)的可靠性與效能。

2.2.3 基于先驗(yàn)信息的頻移估計(jì)

利用先進(jìn)技術(shù)如衛(wèi)星導(dǎo)航和速度傳感，實(shí)時(shí)獲取位置和速度數(shù)據(jù)，并通過(guò)先前知識(shí)計(jì)算頻率偏移，進(jìn)而推算多普勒效應(yīng)帶來(lái)的頻率變化。高速鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的基站分布、軌道布局及列車(chē)運(yùn)行速度等信息均可提前掌握。例如，假設(shè)鐵路線向北延伸，起點(diǎn)基站A位于原點(diǎn)（0，0），列車(chē)目前位于（1 000，0），速度為300 km/h，憑借既有知識(shí)，能夠確定列車(chē)相對(duì)于基站A的方位角，進(jìn)而推斷多普勒效應(yīng)所導(dǎo)致的頻率偏移。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于隧道結(jié)構(gòu)遮擋了信號(hào)，導(dǎo)致衛(wèi)星定位技術(shù)在隧道內(nèi)無(wú)法正常工作。因此，該文建議采用速度積分法準(zhǔn)確計(jì)算列車(chē)在隧道內(nèi)的具體位置。盡管速度傳感器的精準(zhǔn)度不足，可能會(huì)引起列車(chē)位置的誤差估計(jì)。盡管速度傳感器的誤差僅有1%，但在積分作用下，位置誤差可能逐漸累積，最終影響多普勒頻移的測(cè)量精度。

在管理高速鐵路無(wú)線傳輸過(guò)程中，基于先驗(yàn)信息的頻率偏移估計(jì)的技術(shù)暴露了其內(nèi)在缺陷。此法雖宜于測(cè)算多普勒頻移，但在無(wú)衛(wèi)星定位信號(hào)的隧道等地域，只能借助速度累積法估算列車(chē)位置，這樣容易產(chǎn)生誤差，進(jìn)而降低頻移計(jì)算的精確度。

2.3 多普勒利用

多普勒效應(yīng)，因其引起的頻率變化，廣泛應(yīng)用于提升通信性能。其中，多普勒分集技術(shù)備受矚目，其采用高效的信號(hào)處理方法，在時(shí)頻兩個(gè)層面上成功實(shí)現(xiàn)信號(hào)副本的分辨和干擾的移除，從而顯著提升通信性能。

多普勒分集技術(shù)的核心在于利用多普勒效應(yīng)引起的頻率變動(dòng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)制，以提高信號(hào)的備用能力。通過(guò)精致的信號(hào)處理技巧，這些冗余信號(hào)得以高效地融合與利用。例如，當(dāng)一列高速鐵路列車(chē)經(jīng)過(guò)一個(gè)基站時(shí)，基站會(huì)接收到多個(gè)信號(hào)復(fù)制，每個(gè)復(fù)制對(duì)應(yīng)著不同的多普勒頻移。通過(guò)多普勒分集技術(shù)，可以巧妙地恢復(fù)這些復(fù)制信號(hào)，從而提升它們的質(zhì)量和穩(wěn)定性[2]。

然而，多普勒分集技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨著眾多挑戰(zhàn)。只有發(fā)送端與接收端緊密配合，多普勒分集的效果才能發(fā)揮到極致。每個(gè)通信系統(tǒng)的部件，從硬件到軟件，從信號(hào)處理到算法，必須緊密協(xié)作，共同發(fā)揮作用。設(shè)備間的差異阻礙了多普勒分集技術(shù)的普及。

舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)一輛高速列車(chē)飛馳而過(guò)時(shí)，基站可能會(huì)捕捉到多個(gè)信號(hào)的復(fù)制，每個(gè)復(fù)制都會(huì)引起獨(dú)特的多普勒頻移現(xiàn)象。合理利用這些復(fù)制信號(hào)可以提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。然而，要實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，需要設(shè)備間的高度協(xié)同和精細(xì)的信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)，因此是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。

3 針對(duì)多普勒頻移的工程解決思路

3.1 無(wú)線站點(diǎn)規(guī)劃

由前文可以看出，調(diào)整無(wú)線通信站點(diǎn)與鐵路軌道之間的距離以及基站之間的間距，是減輕多普勒效應(yīng)影響的有效方法。然而，在進(jìn)行站點(diǎn)規(guī)劃時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素。

增加無(wú)線通信站點(diǎn)與鐵軌之間的距離可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸損耗增加，進(jìn)而影響通信質(zhì)量。舉例來(lái)說(shuō)，如果基站分布過(guò)于稀疏，信號(hào)在傳輸過(guò)程中損耗過(guò)多，使得信號(hào)強(qiáng)度降低，更容易受到外界干擾，從而影響通信質(zhì)量。

另一方面，基站過(guò)于密集分布也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題?；具^(guò)多部署導(dǎo)致小區(qū)覆蓋區(qū)域減小，頻繁信號(hào)轉(zhuǎn)換影響通信穩(wěn)定性和用戶(hù)體驗(yàn)。舉例來(lái)說(shuō)，基站分布過(guò)密會(huì)導(dǎo)致列車(chē)頻繁進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換，增加了信令交互負(fù)擔(dān)，降低了通信效率，甚至可能導(dǎo)致通信故障。

因此，在規(guī)劃無(wú)線站點(diǎn)時(shí)，需要綜合考慮基站的位置、間距和路徑損耗等多個(gè)因素，科學(xué)規(guī)劃基站間距與布局，通過(guò)采用先進(jìn)的天線技術(shù)、提高基站建設(shè)高度等方法，可以有效減輕多普勒效應(yīng)的干擾，確保通信品質(zhì)與系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)高速移動(dòng)環(huán)境下的5G-R通信系統(tǒng)，其中一項(xiàng)重要的策略就是充分利用解調(diào)參考信號(hào)，特別是附加的DMRS導(dǎo)頻。這樣的設(shè)計(jì)能夠在列車(chē)時(shí)速超過(guò)400 km的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變信道的精確估計(jì)。DMRS導(dǎo)頻作為一種特殊的參考信號(hào)，在信道估計(jì)和數(shù)據(jù)解調(diào)中起著關(guān)鍵作用。例如，在5G-R通信系統(tǒng)中，通過(guò)合理配置DMRS導(dǎo)頻，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中信道特性的實(shí)時(shí)跟蹤，從而提高通信系統(tǒng)的魯棒性和性能。

另一方面，在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的OFDM（正交頻分復(fù)用）基本參數(shù)時(shí)，需要注意多普勒頻移可能引發(fā)的信道干擾，特別是頻率間干擾（ICI）。由于OFDM符號(hào)周期與子載波間隔成反比，因此需要權(quán)衡選擇合適的OFDM子載波間隔。過(guò)小的子載波間隔可能導(dǎo)致符號(hào)周期過(guò)大，從而增加了系統(tǒng)對(duì)時(shí)頻變化的敏感性。通過(guò)合理選擇子載波間隔，例如保持在幾十千赫范圍內(nèi)，可以有效降低多普勒引起的信道干擾，提升系統(tǒng)的抗干擾性能[3]。

4 總結(jié)

該文對(duì)時(shí)速400 km+條件下高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)多普勒頻移產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，對(duì)常用的抗多普勒頻移應(yīng)對(duì)技術(shù)進(jìn)行了梳理，結(jié)合GSM-R、5G-R系統(tǒng)特性以及工程實(shí)際，對(duì)時(shí)速400 km+條件下高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)可以應(yīng)用的抗多普勒頻移應(yīng)對(duì)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。但是，目前的研究還缺乏實(shí)際的實(shí)驗(yàn)作為支撐，應(yīng)利用未來(lái)將要建設(shè)的時(shí)速400 km+條件下的高速鐵路工程，對(duì)相關(guān)技術(shù)及方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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