時速400 km+高速鐵路無線通信抗多普勒頻移研究

孫路遙

摘要 列車高速移動產(chǎn)生的多普勒頻移對無線通信影響較大。隨著鐵路運行速度向時速400 km+邁進，多普勒頻移的影響將更加顯著。同時，鐵路運營對無線通信帶寬和可靠性的要求正在不斷提高。針對這一現(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，研究多普勒頻移對時速400 km+高速鐵路無線通信系統(tǒng)的影響程度。并對常用抗多普勒頻移技術(shù)的效果進行分析，得到一種適用于時速400 km+高速鐵路的解決方案。

關(guān)鍵詞 時速400 km+；GSM-R；5G-R；多普勒頻移

中圖分類號 TN929.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0011-03

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)邁向新階段，時速400 km+高速鐵路建設(shè)已進入研究階段，對作為高等級列車控制系統(tǒng)關(guān)鍵傳輸通道的鐵路專用無線通信系統(tǒng)提出了更高要求。同時，鐵路運營對無線通信帶寬和可靠性的要求也不斷提高。

目前，國內(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速500 km高速鐵路列車的通信需求。但是，截至目前尚未有在超過時速350 km條件下的實際應(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，研究多普勒頻移對時速400 km+高速鐵路無線通信系統(tǒng)的影響程度。并對常用抗多普勒頻移技術(shù)的效果進行分析，得到一種適用于時速400 km+高速鐵路的解決方案。

1 多普勒頻移對時速400 km+高速鐵路無線通信系統(tǒng)影響的理論分析

對于鐵路無線通信系統(tǒng)，列車高速移動產(chǎn)生的多普勒頻移引發(fā)的載波頻率偏移會導(dǎo)致信號解調(diào)性能顯著下降，降低無線鏈路的穩(wěn)定性，同時引起信道系數(shù)隨時間快速變化，造成符號檢測性能顯著下降，誤比特率變大。

多普勒頻移可由以下公式進行計算：

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

通過對式（1）分析可知，在無線通信頻率確定的情況下，對于特定速度運行的列車，多普勒頻移僅受列車運行方向與入射波方向的夾角（范圍在0 °～180 °之間）這一個因素的影響。當夾角越接近90 °時，多普勒頻移越小。而列車運行方向與入射波方向的夾角的范圍，可通過改變無線通信站點與鐵路線路的距離、調(diào)整無線通信基站間距、調(diào)節(jié)天線掛高等途徑進行控制。

對于國內(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兩個典型載波頻率，取列車天線與基站天線的高度差為30 m，在時速為350 km、400 km、450 km的不同速度值下，對無線通信站點與至鐵路線路的距離與多普勒頻移的關(guān)系進行仿真計算，得到不同速度值下多普勒頻移最大值如表1所示：

以時速400 km為例，無線通信站點與鐵路線路在不同距離下，列車運行時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)對技術(shù)可以分為三類：多普勒規(guī)劃、多普勒補償和多普勒利用[1]。

2.1 多普勒規(guī)劃

在設(shè)計階段，考慮通過改進無線通信站點的布局和調(diào)整參數(shù)應(yīng)對信道快速變化的問題，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與雷達波束之間的相對角度和行進軌跡決定。

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

適當增加無線通信站點與鐵路軌道的隔離距離，并減小站點間的距離，可以在一定程度上緩解多普勒效應(yīng)引發(fā)的問題。仿真數(shù)據(jù)顯示，若將車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，將站點間的距離從500 m減至300 m也可以取得相似的效果。

進一步改善網(wǎng)站架構(gòu)，降低列車通過無線通信站點時多普勒頻移的增長速度，能夠有效減少頻移干擾的影響。

2.2 多普勒補償

多普勒補償技術(shù)是指通過多種手段，估計系統(tǒng)實時的載波頻率偏移，再對頻率偏移進行補償，進而減少多普勒頻移對系統(tǒng)的影響。

因此，多普勒補償技術(shù)的關(guān)鍵是對載波頻率偏移進行快速準確估計。目前常用的多普勒頻移估計手段可分為三類：基于輔助數(shù)據(jù)的頻移估計、盲頻移估計和基于先驗信息的頻移估計。

2.2.1 基于輔助數(shù)據(jù)的頻移估計

基于輔助數(shù)據(jù)的頻移估計是通過在信號中插入已知的導(dǎo)頻或者訓(xùn)練序列作為輔助，在接收端對比收到的冗余信號與插入的原始信號，進而得出當前的頻移量。

這種方式可以精確地得到實時頻移量，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)，多普勒頻移會直接對子載波正交性造成破壞。因此，5G系統(tǒng)在設(shè)計時即考慮了多普勒頻移對高速條件下通信系統(tǒng)的影響。5G NR的每個時隙中都包含解調(diào)解碼所需的解調(diào)參考信號（DMRS）和必要的控制信息。其中解調(diào)參考信號采用了前置的DMRS導(dǎo)頻與時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)，可以在時速400 km+條件下仍滿足對信道時變性的估計精度。

2.2.2 盲頻移估計

盲頻移估計技術(shù)是一種不依賴外部數(shù)據(jù)輔助的方法，其能夠精確測定頻移，同時節(jié)省了帶寬資源。本質(zhì)上來講，這種技術(shù)基于數(shù)學(xué)公式，依賴精確的信道模擬，并對頻率偏移進行詳細分析。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)雜信道為頻移估計帶來了更大挑戰(zhàn)。穿梭于各種地貌的迅捷火車會導(dǎo)致信道參數(shù)不斷波動，使得精準建模變得更加困難。例如，地形特征如隧道、橋梁、曲線等會引起信號多次反射和衰減，從而增加信道的復(fù)雜度。面對信道時變和多徑效應(yīng)等挑戰(zhàn)，提高盲頻移估計的準確度就顯得尤為困難。

針對高速鐵路環(huán)境，需要對盲頻移估計算法進行深入研究并加以優(yōu)化，以適應(yīng)其復(fù)雜的信道特性。為了提高頻移估計的準確度和魯棒性，考慮整合例如信道預(yù)測和多徑效應(yīng)校正等額外技術(shù)手段非常必要。為了應(yīng)對多變的地形和列車運行帶來的挑戰(zhàn)，專門設(shè)計的頻移計算策略至關(guān)重要，其能夠有效適應(yīng)復(fù)雜的信道環(huán)境，進而顯著增強通信系統(tǒng)的可靠性與效能。

2.2.3 基于先驗信息的頻移估計

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

在實際應(yīng)用場景中，由于隧道結(jié)構(gòu)遮擋了信號，導(dǎo)致衛(wèi)星定位技術(shù)在隧道內(nèi)無法正常工作。因此，該文建議采用速度積分法準確計算列車在隧道內(nèi)的具體位置。盡管速度傳感器的精準度不足，可能會引起列車位置的誤差估計。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量精度。

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

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，其采用高效的信號處理方法，在時頻兩個層面上成功實現(xiàn)信號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，對信號進行復(fù)制，以提高信號的備用能力。通過精致的信號處理技巧，這些冗余信號得以高效地融合與利用。例如，當一列高速鐵路列車經(jīng)過一個基站時，基站會接收到多個信號復(fù)制，每個復(fù)制對應(yīng)著不同的多普勒頻移。通過多普勒分集技術(shù)，可以巧妙地恢復(fù)這些復(fù)制信號，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。每個通信系統(tǒng)的部件，從硬件到軟件，從信號處理到算法，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。

舉例來說，當一輛高速列車飛馳而過時，基站可能會捕捉到多個信號的復(fù)制，每個復(fù)制都會引起獨特的多普勒頻移現(xiàn)象。合理利用這些復(fù)制信號可以提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。然而，要實現(xiàn)這一技術(shù)，需要設(shè)備間的高度協(xié)同和精細的信號處理算法設(shè)計，因此是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。

3 針對多普勒頻移的工程解決思路

3.1 無線站點規(guī)劃

由前文可以看出，調(diào)整無線通信站點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，在進行站點規(guī)劃時，需要綜合考慮多個因素。

增加無線通信站點與鐵軌之間的距離可能會導(dǎo)致信號傳輸損耗增加，進而影響通信質(zhì)量。舉例來說，如果基站分布過于稀疏，信號在傳輸過程中損耗過多，使得信號強度降低，更容易受到外界干擾，從而影響通信質(zhì)量。

另一方面，基站過于密集分布也會帶來問題?；具^多部署導(dǎo)致小區(qū)覆蓋區(qū)域減小，頻繁信號轉(zhuǎn)換影響通信穩(wěn)定性和用戶體驗。舉例來說，基站分布過密會導(dǎo)致列車頻繁進行網(wǎng)絡(luò)切換，增加了信令交互負擔(dān)，降低了通信效率，甚至可能導(dǎo)致通信故障。

因此，在規(guī)劃無線站點時，需要綜合考慮基站的位置、間距和路徑損耗等多個因素，科學(xué)規(guī)劃基站間距與布局，通過采用先進的天線技術(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 無線系統(tǒng)設(shè)計

在無線系統(tǒng)設(shè)計中，針對高速移動環(huán)境下的5G-R通信系統(tǒng)，其中一項重要的策略就是充分利用解調(diào)參考信號，特別是附加的DMRS導(dǎo)頻。這樣的設(shè)計能夠在列車時速超過400 km的條件下，實現(xiàn)對時變信道的精確估計。DMRS導(dǎo)頻作為一種特殊的參考信號，在信道估計和數(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，通過合理配置DMRS導(dǎo)頻，可以實現(xiàn)對高速列車運動過程中信道特性的實時跟蹤，從而提高通信系統(tǒng)的魯棒性和性能。

另一方面，在設(shè)計通信系統(tǒng)的OFDM（正交頻分復(fù)用）基本參數(shù)時，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。過小的子載波間隔可能導(dǎo)致符號周期過大，從而增加了系統(tǒng)對時頻變化的敏感性。通過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)

該文對時速400 km+條件下高速鐵路無線通信系統(tǒng)多普勒頻移產(chǎn)生的原因進行了分析，對常用的抗多普勒頻移應(yīng)對技術(shù)進行了梳理，結(jié)合GSM-R、5G-R系統(tǒng)特性以及工程實際，對時速400 km+條件下高速鐵路無線通信系統(tǒng)可以應(yīng)用的抗多普勒頻移應(yīng)對技術(shù)進行了總結(jié)。但是，目前的研究還缺乏實際的實驗作為支撐，應(yīng)利用未來將要建設(shè)的時速400 km+條件下的高速鐵路工程，對相關(guān)技術(shù)及方案進行實驗驗證。

參考文獻

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[3]黃勁安， 區(qū)奕寧， 董力， 等. 5G空口設(shè)計與實踐進階[M]. 北京：人民郵電出版社， 2019.