高移動(dòng)無(wú)線通信抗多普勒效應(yīng)技術(shù)研究進(jìn)展

許 晶

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高移動(dòng)無(wú)線通信抗多普勒效應(yīng)技術(shù)研究進(jìn)展

許 晶

烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430073

高速移動(dòng)車輛所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)對(duì)寬帶無(wú)線通信的影響較大，尤其是對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的容量和可靠性的影響最為嚴(yán)重。針對(duì)這一現(xiàn)狀，應(yīng)用多普勒分集技術(shù)、多普勒估計(jì)技術(shù)和多普勒規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行解決，研究在對(duì)這三類技術(shù)進(jìn)行分析以后，并提出了多普勒利用的最新研究情況。希望能夠促進(jìn)中國(guó)高鐵列車高效、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

無(wú)線通信；多普勒效應(yīng)；解決措施；研究進(jìn)展；具體方法

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開(kāi)通信業(yè)與交通業(yè)的支撐，近幾年我國(guó)交通業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，2015年的“四縱”干線成型，高速鐵路的營(yíng)業(yè)里程將會(huì)達(dá)到1.9萬(wàn)km。與此同時(shí)，基于鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)初步的建立了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，來(lái)保證高鐵列車的穩(wěn)定運(yùn)行。為了滿足車載無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和旅客寬帶無(wú)線的需求，我國(guó)對(duì)無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了重大成就。但是如何在高速移動(dòng)環(huán)境中提供穩(wěn)定、高效的寬帶服務(wù)，還面臨著眾多的技術(shù)挑戰(zhàn)，基于鐵路數(shù)字通信系統(tǒng)只能夠滿足基本的控制與調(diào)度業(yè)務(wù)。近幾年高移動(dòng)無(wú)線通信是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，目前高移動(dòng)場(chǎng)景的無(wú)線通信所面臨的挑戰(zhàn)主要有：多普勒效應(yīng)、快速切換和高穿透損耗，為了能夠確保高速移動(dòng)的車廂與其他移動(dòng)物體的受力強(qiáng)度，需要應(yīng)用密閉的金屬為外殼，密閉的金屬外殼對(duì)電磁信號(hào)具有屏蔽性。加之，移動(dòng)車體和基站之間距離較大，所以信號(hào)強(qiáng)度被大大削弱，通信質(zhì)量難以保證。相對(duì)快速切換和高穿透損耗，多普勒效應(yīng)對(duì)高移動(dòng)場(chǎng)景的無(wú)線通信的影響更大，主要影響有信道快衰落和載波頻率偏移。移動(dòng)速度越高，所產(chǎn)生的多普勒的效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信所贊成的影響越大，為了確保實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸和高移動(dòng)速度的需求，就必須克服信道快衰落和載波頻率偏移，抗多普勒效應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略主要有：多普勒分集技術(shù)、多普勒估計(jì)技術(shù)和多普勒規(guī)劃技術(shù)，其中對(duì)簡(jiǎn)單直接的方法是對(duì)參數(shù)的合理配置與系統(tǒng)規(guī)劃，有效地避免發(fā)生多普勒效應(yīng)產(chǎn)生。

1 多普勒效應(yīng)給高移動(dòng)無(wú)線通信帶來(lái)的影響

多普勒效應(yīng)：移動(dòng)通信環(huán)境中，接收體與發(fā)射源之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于發(fā)射源的信息發(fā)射頻率和接收體的信息接收頻率存在一定差別，這種現(xiàn)象稱為為多普勒效應(yīng)，發(fā)射頻率與接收頻率差稱之為多普勒頻移。一般情況下到達(dá)天線的每個(gè)多普勒頻移、相位偏移、幅度衰減，信號(hào)的接收會(huì)受到多普勒效應(yīng)和多徑傳播的影響。多徑效應(yīng)，當(dāng)電波處于角[0，]之間時(shí)，相對(duì)應(yīng)的接收功率分布與[fe-fd，fe+fd]之間。如果增加接收信號(hào)的帶寬，便會(huì)產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展。高速移動(dòng)場(chǎng)景中多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象非常普遍。多普勒效應(yīng)給無(wú)線通信所帶來(lái)的影響：多普勒效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信所造成的影響可以分為以下兩個(gè)方面：符號(hào)檢測(cè)方面：信道系數(shù)在多普勒效應(yīng)的影響下發(fā)生著快速的變化，信道的快速衰老會(huì)嚴(yán)重地影響符號(hào)的檢測(cè)性能，隨之誤比特率會(huì)增加。伴隨移動(dòng)速度的提升，最大多普勒頻移增加，信道快衰落和載波頻率偏移情況更加嚴(yán)重。載波頻率的偏移會(huì)對(duì)子載波間的正交性造成影響，會(huì)給系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重的影響。信號(hào)解調(diào)方面：載波頻率偏移導(dǎo)致本振頻率和信號(hào)接收頻率發(fā)生偏差，嚴(yán)重影響信號(hào)的解調(diào)性能和無(wú)線鏈路的穩(wěn)定性。

2 多普勒規(guī)劃

多普勒規(guī)劃時(shí)最簡(jiǎn)單、直接的對(duì)抗多普勒效應(yīng)的方法，在進(jìn)行系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)盡可能的避免發(fā)生有害多普勒效應(yīng)。例如：縮減信道快時(shí)變的幅度；減緩載波頻率偏移等。實(shí)時(shí)的多普勒頻率取決于信號(hào)、載波頻率與運(yùn)動(dòng)方向之間存在的夾角，所以降低多普勒頻移的方法有兩種：a、基站選址；b、降低載波頻率。配置較低的載波頻率能夠降低多普勒效應(yīng)，所以在進(jìn)行系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將低頻段分配到高移動(dòng)性的中低數(shù)據(jù)傳輸，反之高頻段應(yīng)分配給低移動(dòng)性或者靜止的大容量數(shù)據(jù)傳輸，如此不僅能夠大幅度的縮減多普勒所造成的影響，同時(shí)還能促進(jìn)小區(qū)半徑和信號(hào)覆蓋的增大，縮減小區(qū)切換的頻度。另一方面，運(yùn)動(dòng)方向和信號(hào)之間的角度是時(shí)刻變化的，因此瞬時(shí)多普勒頻移影響非常顯著。鐵軌和基站之間的距離會(huì)直接決定多普勒頻移變化范圍的大小，隨著間距的增大順?biāo)矔r(shí)頻移會(huì)降低，頻移變化的范圍越大，頻移的變化速度就會(huì)更加緩慢，校正的難度就越低[1]。所以在不影響覆蓋時(shí)，可以適當(dāng)?shù)脑黾予F軌和基站之間的距離。另一方面縮小符號(hào)周期，能夠顯著的降低歸一化多普勒的擴(kuò)展。但是，需要注意的是符號(hào)周期的縮小會(huì)產(chǎn)生對(duì)偶多徑效應(yīng)，進(jìn)而會(huì)降低系統(tǒng)效率與性能。

3 多普勒估計(jì)

多普勒估計(jì)又可以分為三類，分別為：（1）盲頻移估計(jì)：盲頻移估計(jì)應(yīng)用傳輸信號(hào)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，不需要進(jìn)行間隔保護(hù)、序列訓(xùn)練等，當(dāng)頻移得到較好補(bǔ)償時(shí)，不同載波信號(hào)幅度的變化較小。在高速移動(dòng)的環(huán)境中，基于子空間的盲估計(jì)方法能夠在符號(hào)周期內(nèi)完成對(duì)頻移的估計(jì)，能夠?qū)λ矔r(shí)變化的頻移進(jìn)行跟蹤；（2）基于冗余頻移估計(jì)：盲頻移估計(jì)雖然不會(huì)增加冗余，但是如果能夠?qū)⑾到y(tǒng)預(yù)置冗余信息進(jìn)行良好的利用，將會(huì)大幅度地提升頻移估計(jì)的性能?；谌哂嗟念l移估計(jì)將冗余信息嵌入訓(xùn)練序列、導(dǎo)頻符號(hào)和循環(huán)前綴中，以此來(lái)提升頻移估計(jì)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性；（3）基于先驗(yàn)信息頻移估計(jì)：隨著速度傳感器、GPS等技術(shù)的逐漸成熟，能夠?qū)崟r(shí)地獲取速度參數(shù)信息、位置信息，通過(guò)對(duì)這些先驗(yàn)信息進(jìn)行多普勒頻移估計(jì)。如果所獲得的位置信息和速度信息準(zhǔn)確，則能夠直接地計(jì)算出多普勒頻移信息。高速列車通常在重復(fù)、規(guī)則能夠預(yù)測(cè)的環(huán)境中運(yùn)行，因此可以現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建含有多普勒頻移信息的頻譜圖，并結(jié)合最大后驗(yàn)估計(jì)器來(lái)縮減由于不準(zhǔn)確的位置估計(jì)所引發(fā)的誤差，能夠得到優(yōu)異的抗多普勒效應(yīng)性能。

4 多普勒分集

多普勒分集的原理和多徑分集相似，多徑效應(yīng)與多普勒效應(yīng)都和原始信號(hào)在頻域和時(shí)域復(fù)制與混淆向等效。每個(gè)信號(hào)的副本都包含了原始信號(hào)信息，通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)將新報(bào)副本進(jìn)行分離、干擾取出以及合并，對(duì)資源的充分利用顯著促進(jìn)了系統(tǒng)性能的提升。為了讓系統(tǒng)得到多普勒分集增益，可以將其分別發(fā)送至發(fā)送接收端、接收端、發(fā)送端進(jìn)行聯(lián)合處理。通過(guò)預(yù)處理發(fā)送信號(hào)或者預(yù)處理接收的混疊信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)多普勒分集。系統(tǒng)能夠獲得的最大多普勒分集有取決于信道相關(guān)矩陣的秩。傳統(tǒng)的多普勒分集研究主要致力于信道自由度的開(kāi)發(fā)，大部分的假定接收機(jī)所擁有的信號(hào)狀態(tài)信息完善。但是高移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)由于不能對(duì)信道信息準(zhǔn)確的獲取，因此很難規(guī)避信道估計(jì)誤差給系統(tǒng)性能所造成的影響。

5 未來(lái)展望

高移動(dòng)無(wú)線場(chǎng)景中的多普勒效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)，快時(shí)變信道衰落和載波頻率偏移是危害的主要表現(xiàn)[4]。通過(guò)對(duì)載波頻率進(jìn)行校正、多普勒規(guī)劃以及多普勒分集技術(shù)等進(jìn)行處理，能夠有效對(duì)抗高移動(dòng)無(wú)線場(chǎng)景中所存在的多普勒效應(yīng)。但是高移動(dòng)無(wú)線通信中對(duì)多普勒效應(yīng)的對(duì)抗技術(shù)還存在一定的問(wèn)題，為了能夠有效的解決高移動(dòng)場(chǎng)景無(wú)線通信中多普勒效應(yīng)所帶來(lái)的影響，未來(lái)還需要對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。在無(wú)線組網(wǎng)中，在數(shù)據(jù)面和控制面進(jìn)行分離時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)多普勒的最佳規(guī)劃 。如何充分、合理的利用先驗(yàn)信息，更好的估計(jì)多普勒頻移。如何實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)頻移估計(jì)。目前針對(duì)高移動(dòng)場(chǎng)景無(wú)線通信中的多普勒效應(yīng)的多普勒規(guī)劃技術(shù)、多普勒估計(jì)技術(shù)以及多普勒分集技術(shù)還沒(méi)有得到充分的應(yīng)用，因此在加強(qiáng)對(duì)高移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)抗多普勒相關(guān)技術(shù)研究的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)加大對(duì)抗多普勒技術(shù)的推廣，以此來(lái)降低多普勒效應(yīng)給高移動(dòng)無(wú)線通信所造成的影響，保障高鐵列車運(yùn)行的穩(wěn)定性、高效性的同時(shí)，解決旅客無(wú)線寬帶通信和大數(shù)據(jù)傳輸?shù)南鄳?yīng)需求。

[1]彭小平.移動(dòng)無(wú)線通信的過(guò)去和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].江西通信科技，2009（2）：23-26.

Progress in Anti-Doppler Technology Mobile Radio Communications

Xu Jing

FiberHome，Hubei Wuhan 430073

Doppler effect fast-moving vehicles produce a greater impact on broadband wireless communications，especially on the capacity and reliability of the wireless communication system is the most serious.In response to this situation，Doppler diversity，Doppler and Doppler estimation technique solve planning techniques，this article after these three types of technical analysis，and presents the latest research in the use of Doppler.Hoping to promote China's high-speed rail trains efficient，safe and stable operation.

wireless communications；Doppler effect；solutions；Progress；specific methods

TN929.5

A

1009-6434(2016)07-0016-02

許 晶（1983—），男，湖北，武漢，華中師范大學(xué)，本科學(xué)歷，職位是事業(yè)部總監(jiān)，研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄍㄐ拧?/p>