高铁移动网络中克服多普勒效应方法

李辉明

（中国移动湖州分公司，浙江 湖州 313307）

0 引言

随着全国高铁建设得如火如荼，高铁网络越来越显得重要，高铁网络也成为省公司考核要点。由于高铁车体（CRH）衰耗较大，以及车速较快，采用一般站点的建设和优化方法已经满足不了要求。概括起来，高铁覆盖的主要特性有[1]：①移动速度超过300 km/h，多普勒效应明显；②覆盖呈线型，地形多变；③话务量相对集中，列车经过时话务突发；④车体穿透损耗较大，快衰落现象明显。

针对高铁网络上述特性，各地移动网络均采用专网建设方式。

多普勒频移也叫多普勒扩展，代表了信号的衰落速度。如果当做频移来理解进行频偏实验，不管是全球移动通讯系统（GSM）、时分同步码分多址（TD-SCDMA）、CDMA800、CDMA2000、宽带码分多址（WCDMA）等等，当频偏越大，所传输数据误码率就越高。高铁运行速度较快，频移势必也会较大，对于传输数据误码率就较高。相对来说，语音业务对误码率要求较低，误码率越高，通话会越模糊，语音质量会越差，只有当语音质量持续达到6～7级一段时间才会掉话；数据业务则不同，误码率越高，数据业务乱码越多，基本的数据业务将会中断。因此，高铁覆盖中由于多普勒效应，数据业务更加容易受到限制。

1 多普勒效应基本影响

对于以固定速率v移动的移动终端（MS），所接收信号产生的多普勒频移为：

式中：fn为达到MS上第n条路径的多普勒频移；fm为最大多普勒频移；c为光速；fc为载频频率，即到达MS的第n路信号频率；αn为到达MS的第n路信号与MS移动方向夹角。

从式（1）看出，多普勒频移大小与MS的运动速度成正比，速度越大，则频移越大。当MS从远离基站到靠近基站的时候，由信号频率和频移合成频率(fc+fn)会在中心频率(fc)上下片移。当靠近基站的时候，合成频率增大；远离基站的时候，合成频率减小。在相同情况下，1800 MHz频段的频移是900 MHz频段频移的2倍，在现网中，高铁采用的站型都为900 MHz站点。

考虑到高铁站点单小区覆盖距离一般在1.5 km左右，高铁站点离铁轨100 m，式（1）中，αn的取值范围大致为（0，180），而αn处在快速变化之中，合成频率也随之在快速变化之中。

2 多普勒频移补偿算法

大部分厂家在高铁解决方案中，采用自动选频控制（AFC，Automatic Frequency Control）算法[2]，用于快速进行频移校正，该算法主要是在频率变化过程中，根据列车的运行位置进行频率补偿，已达到消除多普勒效应的影响。

AFC算法大致思路[3]是根据数模转换器（DAC）取 3800（3900）－4200（4300），得 2个频偏值，再以这两组值算斜率（slope）。DAC和时钟频率偏移（Frequency Offset）有近似线性的关系，DAC-Frequency Offset 曲线由2个要素决定，基准值和曲线的斜率。所谓的基准值指的就是当Frequency Offset值为零时DAC的值，如果还知道Slope的值，就可以根据任何一个Frequency Offset计算出对应的DAC值了。

实践仿真证明，该算法效果改善非常明显。图1、图 2给出不同 AFC算法对随机接入信道（RACH）、业务信道（TCH）的补偿效果，可以看出，当频偏达到一定程度（800 Hz），没有采用AFC算法时，RACH、TCH信道已经变得极不稳定，而采用AFC算法后，两种信道比较平稳，频偏对2种信道影响较小。

虽然AFC算法能够一定程度上对多普勒频移进行有效补偿，但是在靠近基站位置，根据余弦函数图形在90°位置的陡变，此时，合成频率也同时发生陡变，使得AFC算法跟不上频偏变化，从而导致有较大的残留频偏。图3仿真了MS离基站不同距离下的AFC残留频偏，在帧周期为3900左右，距离100米以内，MS从远离基站位置到靠近基站位置下不同的频偏值，MS越靠近基站，频偏越大。

图1 AFC算法对RACH信道补偿效果

图2 AFC算法对TCH信道补偿效果

图3 不同距离下AFC残留频偏

3 从基站站点位置减少多普勒效应

实测的高铁覆盖场强中，视距下传输损耗比自由空间要大20～30 dB[4]，这说明MS接收信号除了直射信号，还存在大量的反射和折射信号，图4为典型的高铁信号模型。

图4 高铁信号模型

这种场景不同于市区的宏蜂窝站点，市区接收信号包络在任何情况下都服从瑞利分布，而对高铁移动通信来说，接收到的信号由一个起主导作用的直射信号加上大量的反射信号，形成的信号包络服从莱斯分布，期概率密度函数为：

高铁网络中信号衰弱较大，即式中B数值较大，当B→0时，无反射信号，信号衰减为零，非高铁网络中也不存在该种情况。在实际建网过程中，应设法增大，减小B。通常定义K =，K为莱斯因子，K值是越大越好。根据高铁信号模型[5]，在高铁站点建设过程中，一方面应减小站点和轨道的垂直距离，该距离受限于高铁建设要求，必须距离高铁超过50米，规划站点位置一般在100～150米之间；另外一方面，扩大图4中，H与h之间的差值，h值为高铁高度，为一固定值，只能考虑扩大H值，现网中单管塔一般高度50米，应尽量放在第一平台。

4 结语

多普勒效应制约着高铁移动通信，现网中已有很多方案提出了不同的解决办法，但是和陆地移动通信相比，高铁移动通信系统还存在各种各样的问题，比如：切换与重选（切换带较短，加强快速切换，LAC边界位置更新量较大）问题，小区各种指标异常（无线接入性较差，掉话偏高）问题等等。本文讨论的各种减小多普勒效应方法已经应用于现网方案中，不少厂家高铁解决方案中已经充分利用了AFC算法，根据仿真图可以看出效果较好，但是还有很多问题需要解决，需要不断地改进。

[1]中国移动集团上海有限公司.高速铁路专网设计与优化[EB/OL].(2008-02-23)[2011-10-02].http://www.fw 123.net/Soft/hmfe/wl/9927.html.

[2]NATALI F D.AFC Tracking Algorithms[J].IEEE Transactions On Communications, 1984,32(08):935.

[3]胡修林,胡磊国,汤晓丹,等.DSSS数字接收机的AFC算法及其实现[J].电子工程师,2004,30(05):15-19.

[4]苏华鸿.高铁覆盖传播模型的探讨[J].邮电设计技术,2009(06):32.

[5]黄成财,何海浪.高速无线信道建模与仿真[J].通信技术,2011,44(06):75.