一種增強(qiáng)高鐵無線通信性能的方法研究

黃如希

摘要：隨著社會(huì)的技術(shù)飛躍和高速發(fā)展，人們對(duì)高速鐵路通信的要求越來越高，而且國內(nèi)鐵路不斷提速，使得現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已不能適應(yīng)高鐵覆蓋要求，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，用戶體驗(yàn)差，本文詳細(xì)介紹了高鐵對(duì)移動(dòng)通信的主要影響因素，并針對(duì)這些因素提出了相應(yīng)的增強(qiáng)性能的解決方案。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；無線通信；移動(dòng)通信技術(shù)；正交頻分復(fù)用；多普勒頻移

近年來我國交通事業(yè)發(fā)展迅猛，根據(jù)《綜合交通網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國將建成12萬km鐵路，其中時(shí)速超過200 km的高速客運(yùn)專線達(dá)1.8萬km。實(shí)際上，到2015年底，國家規(guī)劃的“四縱”干線就將成型，高速鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)1.9萬km，約占世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程的60%.目前高鐵線路速度達(dá)到350km/h上，而且在未來的至年，列車行駛速度可能500km/h。

高鐵的普及大大方便和便捷了大眾的交通出行，日漸成為人們中長(zhǎng)距離出行的首選，旅客需要在列車上接入互聯(lián)網(wǎng)與他人進(jìn)行語音、 數(shù)據(jù)、 圖像、 視頻等信息交流，享受數(shù)字化和智能化的通信服務(wù)，因此，構(gòu)建一個(gè)高性能無線通信系統(tǒng)迫在眉睫。

1 高速移動(dòng)過程中MIMO技術(shù)失效

MIM0技術(shù)大致包括空分復(fù)用、空間分集、波束賦形等多種內(nèi)容，它的根本目的在于向多組不相關(guān)的天線上分別發(fā)送若干個(gè)數(shù)據(jù)流，將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)造成損害的多徑衰落因素改善為利于增強(qiáng)用戶通信性能的因素。該技術(shù)能夠在保持寬帶不變的情況下以倍數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。但是在高鐵的運(yùn)行過程中，地理位置廣闊，速度到達(dá)350km/h以上，接收端在同一時(shí)間上的多徑信息變化太大，甚至完全沒有收到發(fā)射端的多徑，這樣就造成了無線信道散射傳播的多徑分量完全沒有，各對(duì)發(fā)一收天線單元間完全相關(guān)，即這些同頻率、同時(shí)問、同信道特征碼的子信道趨于相互不正交，MIMO技術(shù)就解調(diào)失敗，MIMO效果達(dá)不到，從而造成吞吐不高。

解決方法：面對(duì)高速移動(dòng)過程中，MIMO效果不理想，可以采用下面分集變頻技術(shù)解決。發(fā)射機(jī)的發(fā)射框圖如下：該系統(tǒng)中獨(dú)特的技術(shù)主要采用有發(fā)射分集技術(shù)和變頻技術(shù)。

1.1 基帶信號(hào)的發(fā)射分集技術(shù)

如上圖，將無線基帶信號(hào)經(jīng)過按一定的矩陣變換規(guī)則進(jìn)行發(fā)射分集，分別發(fā)送到DAC轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l信號(hào)，后經(jīng)過變頻技術(shù)變成不同的頻率的載波信號(hào)。

分集技術(shù)采用的編碼矩陣變換規(guī)格如下：

將一定矩陣數(shù)列的基帶信號(hào)，通過一定的規(guī)格的矩陣變換，在通過矩陣分配成兩部分，分別分配給兩個(gè)的天線，獨(dú)立發(fā)送出去。

1.2 變頻技術(shù)

將兩條不同路徑的中頻信號(hào)通過變頻技術(shù)變換成不同頻率的射頻信號(hào)。

通過變頻技術(shù)最終的無線收發(fā)機(jī)變成：同一臺(tái)設(shè)備的兩根天線分別工作在不同頻率，兩個(gè)天線分別單獨(dú)工作，不依賴于環(huán)境的變化，不形成MIMO，以單流的方式獨(dú)立通信，從而實(shí)現(xiàn)吞吐加倍的效果。

接收機(jī)技術(shù)同理反向。

2 信號(hào)覆蓋和漫游切換問題

高速列車采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，車體對(duì)無線信號(hào)的穿透損耗較高。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗。全封閉的新型CRH列車比普通列車穿透損耗大5～10dB，穿透損耗最高可達(dá)24dB，。造成高速列車內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度很低以及接收靈敏度低的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致上網(wǎng)掉線，網(wǎng)絡(luò)無法使用等問題，針對(duì)這一個(gè)問題，在高鐵無線覆蓋的方案中，基站和列車側(cè)都采用高增益的定向天線覆蓋，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)橋覆蓋的方式，在列車側(cè)在通過射頻模塊轉(zhuǎn)為其他無線制式供旅客上網(wǎng)等需求使用。這樣既可以增大基就可以有效的減少信號(hào)衰減，提高列車內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度和接收靈敏度。

鐵路的鋪設(shè)并非一條直線，會(huì)有彎曲，方向一直在變化的。 在鐵路沿線，每隔1km架設(shè)一個(gè)基站定向天線，在列車車頂.同樣架設(shè)定向天線與基站進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)橋通信建立無線連接。列車行駛過程中，方向是不定的，鑒于定向天線的波瓣角小，有一定的方向，列車天線和基站天線對(duì)準(zhǔn)就成為新的問題。

解決方法：為了完成運(yùn)動(dòng)列車與鐵路沿線基站間的通信，需要采用天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)車載定向天線對(duì)基站的指向控制，實(shí)現(xiàn)列車在運(yùn)動(dòng)過程中，車體的定向天線始終保持對(duì)準(zhǔn)基站定向天線，從而保持運(yùn)動(dòng)過程列車與基站進(jìn)行連續(xù)而穩(wěn)定的通訊?；景l(fā)射的是定向方位信號(hào)，所以只要使車體上的定向天線的指向始終對(duì)準(zhǔn)基站，就能達(dá)到列車與基站穩(wěn)定通信的目的。

為了實(shí)現(xiàn)這種通信方式，車載天線需要采用天線跟蹤技術(shù)使列車在高速運(yùn)行過程中始終對(duì)準(zhǔn)基站，實(shí)現(xiàn)這種功能將采用導(dǎo)航程序自動(dòng)跟蹤方案：

1）由于鐵路軌道是固定的，一條鐵路的路徑和軌跡是不變的，在無線覆蓋方案中，沿線的基站架設(shè)也就固定了，在系統(tǒng)中記錄每個(gè)基站天線的位置信息（地理經(jīng)度，地理緯度，地理高度），

2）列車在高速運(yùn)行過程中，也要利用車體的GPS設(shè)備測(cè)試出列車實(shí)時(shí)的地理位置坐標(biāo)（地理經(jīng)度，地理緯度，地理高度）

3）根據(jù)目標(biāo)基站的地理位置信息（地理經(jīng)度，地理緯度，地理高度）以及列車本身的地理位置信息（地理經(jīng)度，地理緯度，地理高度），通過軟件計(jì)算公式算法進(jìn)行解算，計(jì)算出天線指向目標(biāo)基站的的方位角和俯仰角；

4）列車上的天線指向是利用電子羅盤來確定：電子羅盤安裝在定時(shí)天線的中心軸上，電子羅盤的指向軸和天線指向方向中心軸重合，這樣電子羅盤的方位角就是車載定向天線指向角。

5）系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)方位角和俯仰角，以及天線指向角解算出電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，完成車載定向天線指向?qū)?zhǔn)鐵路沿線基站，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載天線與沿線基站的對(duì)準(zhǔn)。

6）為完成車載天線實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)準(zhǔn)基站天線，在列車高速運(yùn)動(dòng)過程中，根據(jù)GPS的讀取頻率，每隔1秒重新讀取船體的經(jīng)緯度坐標(biāo)，進(jìn)行新位置的解算，從而完成新位置的對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)準(zhǔn)。

通過自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)跟蹤技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)列車與基站間的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)，當(dāng)要進(jìn)行基站切換，列車會(huì)先運(yùn)行到兩個(gè)基站的公共覆蓋區(qū)域，通過基站的GPS地理信息和列車的GPS信息，以及列車收到的兩個(gè)基站的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)先進(jìn)行基站切換，從而實(shí)際無縫切換，順利實(shí)現(xiàn)漫游，提高了無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3 多普勒頻移

高鐵場(chǎng)景的列車移動(dòng)速度為250—350 km/h，甚至更高速度；與低速狀態(tài)下相比，高鐵環(huán)境中的無線信道多普勒頻移具有快速動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，其所帶來的影響是最突出的。

多普勒效應(yīng)主要帶來兩方面的影響，即載波頻率偏移（CFO）和信道快衰落.由于發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的快速相對(duì)位移，接收信號(hào)的載波頻率因多普勒效應(yīng)偏離原值，導(dǎo)致接收信號(hào)載波頻率和本振頻率之間存在偏差，從而帶來性能嚴(yán)重?fù)p耗.另一方面，多普勒效應(yīng)導(dǎo)致信道隨時(shí)間快速變化（時(shí)間選擇性），稱為快速衰落，同樣嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

解決方法：為減小多普勒頻移影響，接受機(jī)上也應(yīng)該采用更強(qiáng)的自適應(yīng)預(yù)頻偏預(yù)估和校正算法，根據(jù)列車實(shí)時(shí)的速度和位置，同時(shí)利用由電子陀螺和加速度計(jì)構(gòu)成的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)的速度和角度，進(jìn)而可以有效的預(yù)估發(fā)射機(jī)之間的頻率誤差，并且及時(shí)對(duì)頻率誤差進(jìn)行調(diào)整與校正，從而抵消多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的頻率偏移。同時(shí)，通過幀數(shù)據(jù)上的信道估計(jì)與均衡，頻偏估計(jì)與補(bǔ)償算法改善無線信道快速變化的特性。

自適應(yīng)預(yù)頻偏預(yù)估和校正算法，不僅能夠?yàn)榛鶐用鎸?shí)時(shí)地提供當(dāng)前子幀頻率偏移的有關(guān)信息，還能夠及時(shí)校正由于頻偏帶來的基帶信號(hào)相位偏移的情況，從而提升基帶調(diào)解性能。

4 結(jié)語

不論在當(dāng)今社會(huì)的任何一個(gè)領(lǐng)域，無線移動(dòng)通信的作用已經(jīng)無可替代。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)取得了令人矚目的成績(jī)。同時(shí)也在提醒我們，對(duì)于無線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究必須提到一個(gè)更新更高的高度。相信在不遠(yuǎn)的未來，我們一定會(huì)取得更優(yōu)異的成績(jī)。盡管無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展會(huì)面臨很多難以攻克的技術(shù)難關(guān)，但是我們應(yīng)該對(duì)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究有信心，無線通信技術(shù)的前途是光明的。

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