高鐵移動網(wǎng)絡(luò)中克服多普勒效應(yīng)方法

李輝明

（中國移動湖州分公司，浙江 湖州 313307）

0 引言

隨著全國高鐵建設(shè)得如火如荼，高鐵網(wǎng)絡(luò)越來越顯得重要，高鐵網(wǎng)絡(luò)也成為省公司考核要點(diǎn)。由于高鐵車體（CRH）衰耗較大，以及車速較快，采用一般站點(diǎn)的建設(shè)和優(yōu)化方法已經(jīng)滿足不了要求。概括起來，高鐵覆蓋的主要特性有[1]：①移動速度超過300 km/h，多普勒效應(yīng)明顯；②覆蓋呈線型，地形多變；③話務(wù)量相對集中，列車經(jīng)過時話務(wù)突發(fā)；④車體穿透損耗較大，快衰落現(xiàn)象明顯。

針對高鐵網(wǎng)絡(luò)上述特性，各地移動網(wǎng)絡(luò)均采用專網(wǎng)建設(shè)方式。

多普勒頻移也叫多普勒擴(kuò)展，代表了信號的衰落速度。如果當(dāng)做頻移來理解進(jìn)行頻偏實(shí)驗(yàn)，不管是全球移動通訊系統(tǒng)（GSM）、時分同步碼分多址（TD-SCDMA）、CDMA800、CDMA2000、寬帶碼分多址（WCDMA）等等，當(dāng)頻偏越大，所傳輸數(shù)據(jù)誤碼率就越高。高鐵運(yùn)行速度較快，頻移勢必也會較大，對于傳輸數(shù)據(jù)誤碼率就較高。相對來說，語音業(yè)務(wù)對誤碼率要求較低，誤碼率越高，通話會越模糊，語音質(zhì)量會越差，只有當(dāng)語音質(zhì)量持續(xù)達(dá)到6～7級一段時間才會掉話；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則不同，誤碼率越高，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)亂碼越多，基本的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將會中斷。因此，高鐵覆蓋中由于多普勒效應(yīng)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更加容易受到限制。

1 多普勒效應(yīng)基本影響

對于以固定速率v移動的移動終端（MS），所接收信號產(chǎn)生的多普勒頻移為：

式中：fn為達(dá)到MS上第n條路徑的多普勒頻移；fm為最大多普勒頻移；c為光速；fc為載頻頻率，即到達(dá)MS的第n路信號頻率；αn為到達(dá)MS的第n路信號與MS移動方向夾角。

從式（1）看出，多普勒頻移大小與MS的運(yùn)動速度成正比，速度越大，則頻移越大。當(dāng)MS從遠(yuǎn)離基站到靠近基站的時候，由信號頻率和頻移合成頻率(fc+fn)會在中心頻率(fc)上下片移。當(dāng)靠近基站的時候，合成頻率增大；遠(yuǎn)離基站的時候，合成頻率減小。在相同情況下，1800 MHz頻段的頻移是900 MHz頻段頻移的2倍，在現(xiàn)網(wǎng)中，高鐵采用的站型都為900 MHz站點(diǎn)。

考慮到高鐵站點(diǎn)單小區(qū)覆蓋距離一般在1.5 km左右，高鐵站點(diǎn)離鐵軌100 m，式（1）中，αn的取值范圍大致為（0，180），而αn處在快速變化之中，合成頻率也隨之在快速變化之中。

2 多普勒頻移補(bǔ)償算法

大部分廠家在高鐵解決方案中，采用自動選頻控制（AFC，Automatic Frequency Control）算法[2]，用于快速進(jìn)行頻移校正，該算法主要是在頻率變化過程中，根據(jù)列車的運(yùn)行位置進(jìn)行頻率補(bǔ)償，已達(dá)到消除多普勒效應(yīng)的影響。

AFC算法大致思路[3]是根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）取 3800（3900）－4200（4300），得 2個頻偏值，再以這兩組值算斜率（slope）。DAC和時鐘頻率偏移（Frequency Offset）有近似線性的關(guān)系，DAC-Frequency Offset 曲線由2個要素決定，基準(zhǔn)值和曲線的斜率。所謂的基準(zhǔn)值指的就是當(dāng)Frequency Offset值為零時DAC的值，如果還知道Slope的值，就可以根據(jù)任何一個Frequency Offset計(jì)算出對應(yīng)的DAC值了。

實(shí)踐仿真證明，該算法效果改善非常明顯。圖1、圖 2給出不同 AFC算法對隨機(jī)接入信道（RACH）、業(yè)務(wù)信道（TCH）的補(bǔ)償效果，可以看出，當(dāng)頻偏達(dá)到一定程度（800 Hz），沒有采用AFC算法時，RACH、TCH信道已經(jīng)變得極不穩(wěn)定，而采用AFC算法后，兩種信道比較平穩(wěn)，頻偏對2種信道影響較小。

雖然AFC算法能夠一定程度上對多普勒頻移進(jìn)行有效補(bǔ)償，但是在靠近基站位置，根據(jù)余弦函數(shù)圖形在90°位置的陡變，此時，合成頻率也同時發(fā)生陡變，使得AFC算法跟不上頻偏變化，從而導(dǎo)致有較大的殘留頻偏。圖3仿真了MS離基站不同距離下的AFC殘留頻偏，在幀周期為3900左右，距離100米以內(nèi)，MS從遠(yuǎn)離基站位置到靠近基站位置下不同的頻偏值，MS越靠近基站，頻偏越大。

圖1 AFC算法對RACH信道補(bǔ)償效果

圖2 AFC算法對TCH信道補(bǔ)償效果

圖3 不同距離下AFC殘留頻偏

3 從基站站點(diǎn)位置減少多普勒效應(yīng)

實(shí)測的高鐵覆蓋場強(qiáng)中，視距下傳輸損耗比自由空間要大20～30 dB[4]，這說明MS接收信號除了直射信號，還存在大量的反射和折射信號，圖4為典型的高鐵信號模型。

圖4 高鐵信號模型

這種場景不同于市區(qū)的宏蜂窩站點(diǎn)，市區(qū)接收信號包絡(luò)在任何情況下都服從瑞利分布，而對高鐵移動通信來說，接收到的信號由一個起主導(dǎo)作用的直射信號加上大量的反射信號，形成的信號包絡(luò)服從萊斯分布，期概率密度函數(shù)為：

高鐵網(wǎng)絡(luò)中信號衰弱較大，即式中B數(shù)值較大，當(dāng)B→0時，無反射信號，信號衰減為零，非高鐵網(wǎng)絡(luò)中也不存在該種情況。在實(shí)際建網(wǎng)過程中，應(yīng)設(shè)法增大，減小B。通常定義K =，K為萊斯因子，K值是越大越好。根據(jù)高鐵信號模型[5]，在高鐵站點(diǎn)建設(shè)過程中，一方面應(yīng)減小站點(diǎn)和軌道的垂直距離，該距離受限于高鐵建設(shè)要求，必須距離高鐵超過50米，規(guī)劃站點(diǎn)位置一般在100～150米之間；另外一方面，擴(kuò)大圖4中，H與h之間的差值，h值為高鐵高度，為一固定值，只能考慮擴(kuò)大H值，現(xiàn)網(wǎng)中單管塔一般高度50米，應(yīng)盡量放在第一平臺。

4 結(jié)語

多普勒效應(yīng)制約著高鐵移動通信，現(xiàn)網(wǎng)中已有很多方案提出了不同的解決辦法，但是和陸地移動通信相比，高鐵移動通信系統(tǒng)還存在各種各樣的問題，比如：切換與重選（切換帶較短，加強(qiáng)快速切換，LAC邊界位置更新量較大）問題，小區(qū)各種指標(biāo)異常（無線接入性較差，掉話偏高）問題等等。本文討論的各種減小多普勒效應(yīng)方法已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)網(wǎng)方案中，不少廠家高鐵解決方案中已經(jīng)充分利用了AFC算法，根據(jù)仿真圖可以看出效果較好，但是還有很多問題需要解決，需要不斷地改進(jìn)。

[1]中國移動集團(tuán)上海有限公司.高速鐵路專網(wǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[EB/OL].(2008-02-23)[2011-10-02].http://www.fw 123.net/Soft/hmfe/wl/9927.html.

[2]NATALI F D.AFC Tracking Algorithms[J].IEEE Transactions On Communications, 1984,32(08):935.

[3]胡修林,胡磊國,湯曉丹,等.DSSS數(shù)字接收機(jī)的AFC算法及其實(shí)現(xiàn)[J].電子工程師,2004,30(05):15-19.

[4]蘇華鴻.高鐵覆蓋傳播模型的探討[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2009(06):32.

[5]黃成財(cái),何海浪.高速無線信道建模與仿真[J].通信技術(shù),2011,44(06):75.