李 帥 上海鐵路局上海通信段

多普勒效應(yīng)對高鐵GSM-R無線通信影響的探討

李 帥 上海鐵路局上海通信段

GSM-R系統(tǒng)作為高鐵通信的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它可以在列車時(shí)速500 km/h以下提供良好、安全的無線數(shù)據(jù)傳輸平臺。GSM-R系統(tǒng)中無線接口Um是最為復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，然而在列車高速運(yùn)行情況下多普勒效應(yīng)和多徑衰落特性更為明顯，影響了無線傳輸質(zhì)量。通過采取有效手段來降低多普勒頻偏對高鐵通信的影響，減少故障的風(fēng)險(xiǎn)，從而確保高鐵通信無線傳輸安全穩(wěn)定運(yùn)行，更好地適應(yīng)350%km/h以上高速列車運(yùn)行的無線通信需求，并具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

多普勒影響；GSM-R系統(tǒng)；應(yīng)對方法

1　多普勒影響的分析

1.1多普勒頻移與車速關(guān)系

當(dāng)電磁波發(fā)射源與接收器發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致所接收到的傳播頻率發(fā)生改變。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到一定閥值時(shí)，將會(huì)引起傳輸頻率的明顯改變，這種現(xiàn)象稱之為多普勒頻移。在高速鐵路場景下，多普勒頻移將使列車接收機(jī)和基站發(fā)射機(jī)之間產(chǎn)生頻率偏差，而且多普勒頻移會(huì)影響上行接入成功率、切換成功率，從而造成列控業(yè)務(wù)CTCS-3降級為CTCS-2，或影響進(jìn)路預(yù)告發(fā)送成功率等無線通信故障。

多普勒頻移可用下式表示：

其中：θ為列車運(yùn)行方向和基站載波傳播方向的角度；v是列車運(yùn)行速度；C為電磁波傳播速度；f為基站載波頻率（900 MHz）。由式（1）可知當(dāng)θ=0°（或180°）時(shí)，即列車運(yùn)行方向和基站載波入射方向平行時(shí)，多普勒頻移最大。在不同車速下最大頻偏如表1、圖1所示。

表1 GM-R多普勒頻移與車速關(guān)系

圖1 不同速度下多普勒頻偏狀況

1.2多普勒頻偏與基站位置之間的關(guān)系

多普勒頻偏與基站位置之間的關(guān)系見圖2。

圖2 高鐵列車運(yùn)行通過基站時(shí)情景

在基站載波頻率f、列車移動(dòng)速度v固定為300 km/h的情況下，多普勒頻移隨著cosθ的變化而改變。根據(jù)圖2中的三角幾何關(guān)系可推出：

L即為高鐵列車車頂（車載電線位置）到基站的水平投影距離，可見多普勒頻移和列車移動(dòng)速度v及基站載波頻率f成正比，而與基站到鐵軌的垂直距離d反向變化。由于高鐵列車與基站的相對位置和相對速度不停變化，多普勒頻移也不是一個(gè)常量，而是快速的變化，將式（2）對L求導(dǎo)數(shù)，可得出多普勒頻移變化率（相對距離）公式如下：

可知多普勒頻移變化率與列車速度v和基站載波頻率f成正比，與基站到鐵軌的垂直距離d成反比，以運(yùn)行時(shí)速300 km/h滬寧高鐵為例，基站與列車水平投射距離L取15 m，不同d值下GSM-R網(wǎng)絡(luò)下行信號頻率（取932 MHz中間值）頻移變化率最大值可得表2。

表2 不同基站至鐵軌的垂直距離在300 km/h速度下的最大多普勒頻移變化率

由表2可知，GSM-R基站至鐵軌的垂直距離在保證基站覆蓋的條件下，距離越遠(yuǎn)，最大多普勒頻移變化率越小，列車無線通信所受多普勒效應(yīng)越小，基站距離在50 m至100 m為最佳。但考慮建造機(jī)房、鐵塔用地及地形高洼等實(shí)際情況，往往選址時(shí)不能滿足理論上的最優(yōu)值。

2　GSM-R無線系統(tǒng)對抗多普勒效應(yīng)的方法

隨著未來高鐵列車運(yùn)行速度的逐步提高，以及GSM-R引入LTE模式以后（載頻提高到2.1 G），列車無線通信收到多普勒效應(yīng)的影響會(huì)更加明顯，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的信號快衰落，影響終端的收發(fā)性能，直接表現(xiàn)是：用戶的掉話頻繁、語音質(zhì)量差、呼通率下降、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)誤碼率升高、吞吐量降低等，只有采取有效地對應(yīng)手段加以解決，才能確保通信系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1多RRU共邏輯小區(qū)技術(shù)

多RRU共邏輯小區(qū)技術(shù)（圖3所示），通過將多個(gè)RRU配置為同一邏輯小區(qū)并發(fā)射相同的信號，提高邏輯小區(qū)的覆蓋距離，減少高速列車移動(dòng)終端的切換頻率；優(yōu)化切換算法可以減少切換判決和切換執(zhí)行的時(shí)間，提升切換成功率，減少切換帶的設(shè)置長度；基于速度和方向判斷切換算法，減少了乒乓切換的可能，進(jìn)一步降低了切換時(shí)間和提升了切換成功率，減少了多普勒效應(yīng)對高鐵通信帶來的影響。

圖3 多RRU共邏輯小區(qū)技術(shù)

由于RRU設(shè)備所需的饋線長度減少，饋線損耗降低，系統(tǒng)增益得到了3 dB～5 dB的提高，覆蓋半徑增加20%。同時(shí)，因?yàn)镽RU設(shè)備可以分散安裝，適應(yīng)于特殊區(qū)域覆蓋，尤其是隧道和橋梁覆蓋。

通過對京福客專（安徽段）CTCS-3接口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，HFN-CAJ02-BUA（使用多RRU共邏輯技術(shù)小區(qū)）下行平均接收電平值≧-60dbm占88.82%，比平均值83.9%高4.92個(gè)百分點(diǎn)，上行平均接收電平值≧-60dbm占85.85%，比平均值78.84%高7.01個(gè)百分點(diǎn)，無線覆蓋及通信質(zhì)量數(shù)據(jù)均優(yōu)于傳統(tǒng)的基站（見表3）。

表3 京福客專（安徽段）CTCS-3接口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.2自適應(yīng)頻偏校正算法

在基站設(shè)備側(cè)估計(jì)和高鐵列車終端之間的頻率誤差并完成頻率誤差校正，應(yīng)對頻偏快速變化的問題，即保證能夠迅速跟上頻偏變化速度并進(jìn)行有效的補(bǔ)償自適應(yīng)頻偏校正算法，能在基帶層面實(shí)時(shí)檢測出當(dāng)前子幀頻率偏移的相關(guān)信息，對頻偏造成的基帶信號相位偏移予以校正，提升基帶性能解調(diào)。通過這種基帶頻偏補(bǔ)償算法，最多可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)1 800 Hz的頻偏補(bǔ)償，有效改善無線鏈路的穩(wěn)定性和可靠性，可保證高速移動(dòng)情況下的正常通信。

AFC算法抑制多普勒效應(yīng)：AFC（Automatic Frequency Correction，自動(dòng)頻率校正）是針對高鐵快速移動(dòng)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的基站頻率校正算法。它采用先進(jìn)的自動(dòng)頻率糾偏技術(shù)，結(jié)合高鐵列車快速移動(dòng)的特點(diǎn)，通過快速測算基站與列車終端間由于多普勒效應(yīng)帶來的頻率變化，動(dòng)態(tài)跟蹤校正兩者之間的頻率偏差，補(bǔ)償高速移動(dòng)下多普勒效應(yīng)引發(fā)的無線通信損耗，以保證無線鏈路的穩(wěn)定連接。同時(shí)，針對不同信道的特點(diǎn)，例如RACH（Random Access Channel，隨機(jī)接入信道）的非連續(xù)短時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)射，DCH（Dedicated Channel，專用信道）的連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)射，AFC也將采取不同的針對性算法，保障頻偏跟蹤的準(zhǔn)確。

3　結(jié)束語

在高鐵加速建設(shè)的進(jìn)程中，作為從事高鐵無線通信維管人員 ，面臨著高速移動(dòng)環(huán)境與更高的無線傳輸速率需求的雙重壓力，從基站位置選擇、到新技術(shù)新設(shè)備的運(yùn)用，對抗多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)面影響，提高設(shè)備的運(yùn)用質(zhì)量和效率，保障高鐵無線通信暢通，服務(wù)全局行車運(yùn)輸，保障列車運(yùn)行安全，是我們今后工作的重點(diǎn)和方向。

［1］孫鋼，楊磊.高速鐵路無線覆蓋方案研究［J］.數(shù)字通信世界2015.

［2］陳晨，李長樂.高速鐵路通信系統(tǒng)方案研究綜述［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2010.

責(zé)任編輯：宋飛

來稿時(shí)間：2016-06-03