高速移動(dòng)環(huán)境下可靠移動(dòng)通信研究

陳才波

高鐵覆蓋場(chǎng)景相對(duì)于普通場(chǎng)景，主要在于高速下的多普勒效應(yīng)。接收到信號(hào)的波長(zhǎng)因?yàn)樾盘?hào)源和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，稱作多普勒效應(yīng)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，特別是高速場(chǎng)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(dòng)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(wèn)題。

一、多普勒頻移

多普勒頻移是鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)需要面臨的一個(gè)典型問(wèn)題，具體是指當(dāng)移動(dòng)終端和基站之間存在相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)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(shí)（即終端背向信號(hào)傳播方向運(yùn)動(dòng)），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(hào)頻率為f0 - 2fm；當(dāng)終端靠近eNodeB時(shí)（即終端朝向信號(hào)傳播方向運(yùn)動(dòng)），θ值越來(lái)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(hào)，eNodeB的接收頻率為2fm + f0。

二、對(duì)抗多普勒頻移問(wèn)題的策略

對(duì)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(jì)/補(bǔ)償、多普勒分集。

2.1多普勒規(guī)劃

最簡(jiǎn)單和直接對(duì)抗多普勒效應(yīng)的方法是通過(guò)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(hào)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(jì)算公式，可以發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)的多普勒頻移與載波頻率、運(yùn)動(dòng)速度以及信號(hào)與運(yùn)動(dòng)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(dòng)性，可以直接、有效地降低多普勒頻移的大?。会槍?duì)鐵路等固定運(yùn)行軌跡的移動(dòng)通信系統(tǒng)，盡量縮小基站與運(yùn)動(dòng)軌跡的距離，使最大掠射角趨近90°，縮小信號(hào)與運(yùn)動(dòng)方向的瞬時(shí)夾角，從而降低瞬時(shí)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(shí)間（由最大多普勒頻移決定，在此時(shí)間長(zhǎng)度下信道相對(duì)穩(wěn)定）調(diào)整符號(hào)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(guò)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(gè)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(jì)/補(bǔ)償

多普勒估計(jì)/補(bǔ)償是對(duì)抗多普勒效應(yīng)的典型方法，由頻率估計(jì)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(jì)模塊嘗試對(duì)其估計(jì)和跟蹤，得出估計(jì)的偏移值Δf ，然后頻率補(bǔ)償模塊將Δf 補(bǔ)償給接收信號(hào)。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(jì)/補(bǔ)償?shù)男阅埽虼藨?yīng)盡力實(shí)時(shí)地最小化這一差值。

實(shí)現(xiàn)多普勒估計(jì)的算法分為盲頻移估計(jì)、基于冗余的頻移估計(jì)、基于先驗(yàn)信息（位置、速度、頻譜地圖等）的頻移估計(jì)3類。兩步估計(jì)算法以及自動(dòng)頻率校正（AFC）技術(shù)可有效地提高多普勒頻移估計(jì)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，前者逐級(jí)進(jìn)行粗同步和精同步，后者引入反饋機(jī)制將頻率估計(jì)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(lái)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(hào)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(jì)與補(bǔ)償是系統(tǒng)面臨的一個(gè)難題。單獨(dú)考慮CFO往往不是對(duì)抗多普勒效應(yīng)的最佳途徑，聯(lián)合CFO和信道估計(jì)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(duì)抗多普勒效應(yīng)的必由之路。所以在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下，我們還會(huì)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(hào)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(jì)信息分為兩類，完備信道估計(jì)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(jì)條件下的多普勒分集技術(shù)重點(diǎn)研究信道估計(jì)誤差對(duì)分集性能的影響。一般而言，發(fā)送接收聯(lián)合設(shè)計(jì)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)。