高速移动环境下可靠移动通信研究

陈才波

高铁覆盖场景相对于普通场景，主要在于高速下的多普勒效应。接收到信号的波长因为信号源和接收机的相对运动而产生变化，称作多普勒效应。在移动通信系统中，特别是高速场景下，这种效应尤其明显，多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移，移动速度越快，多普勒效应越明显，因此必须解决多普勒频偏问题。

一、多普勒频移

多普勒频移是铁路移动通信系统需要面临的一个典型问题，具体是指当移动终端和基站之间存在相对径向运动时，基站发射频率与用户终端接收频率不同而产生的频率差：

由公式可得出，在同一载波频率下，多普勒频移的大小跟终端移动速度成正比。假设eNodeB的载波频率为f0，当终端逐渐远离eNodeB时（即终端背向信号传播方向运动），θ值不断变大（90°<θ<180°），终端接收频率下降，值为fm - f0，而eNodeB接收的信号频率为f0 - 2fm；当终端靠近eNodeB时（即终端朝向信号传播方向运动），θ值越来越大（0°<θ<90°），终端的接收频率上升，值为fm + f0，而终端以此基准向eNodeB发射信号，eNodeB的接收频率为2fm + f0。

二、对抗多普勒频移问题的策略

对抗多普勒效应的策略通常有三种：多普勒规划、多普勒估计/补偿、多普勒分集。

2.1多普勒规划

最简单和直接对抗多普勒效应的方法是通过系统规划、合理配置参数，在一定程度上直接避免多普勒效应发生。多普勒效应的严重程度由多普勒频移和符号周期共同度量，前者直接影响CFO（载波频率偏移）和信道衰落程度，后者间接影响信道衰落的快慢。根据多普勒频移的计算公式，可以发现瞬时的多普勒频移与载波频率、运动速度以及信号与运动方向的夹角相关。

因此，将控制面与数据面分离并选用较低频率的载波支撑高移动性，可以直接、有效地降低多普勒频移的大小；针对铁路等固定运行轨迹的移动通信系统，尽量缩小基站与运动轨迹的距离，使最大掠射角趋近90°，缩小信号与运动方向的瞬时夹角，从而降低瞬时多普勒频移及其变化率；在多普勒频移固定的情况下，根据信道的相关时间（由最大多普勒频移决定，在此时间长度下信道相对稳定）调整符号周期的大小，可减轻信道快速衰落程度；在正交频分复用（OFDM）系统里，也可以通过调整子载波间隔，以避免产生较大的子载波间干扰（ICI）。然而，在实际系统中，系统规划和参数配置受到多个目标制约，参数实际可调整的范围十分有限。

2.2多普勒估计/补偿

多普勒估计/补偿是对抗多普勒效应的典型方法，由频率估计模块和频率补偿模块共同实现。

假定多普勒效应导致接收频率频移Δf，频率估计模块尝试对其估计和跟踪，得出估计的偏移值Δf ，然后频率补偿模块将Δf 补偿给接收信号。处理后的载波频率等效为f0-Δf+Δf ，它与本振频率f0的差值决定了多普勒估计/补偿的性能，因此应尽力实时地最小化这一差值。

实现多普勒估计的算法分为盲频移估计、基于冗余的频移估计、基于先验信息（位置、速度、频谱地图等）的频移估计3类。两步估计算法以及自动频率校正（AFC）技术可有效地提高多普勒频移估计的准确性和实时性，前者逐级进行粗同步和精同步，后者引入反馈机制将频率估计和频率补偿闭环。

2.3 多普勒分集

上述的策略是将多普勒频移（扩展）看作不利因素，主要目的是补偿或降低多普勒效应带来的负面影响。但是实际系统中，复杂的散射环境使信号在多条传播路径上产生不同的多普勒频移，解决多频移的估计与补偿是系统面临的一个难题。单独考虑CFO往往不是对抗多普勒效应的最佳途径，联合CFO和信道估计以及利用多普勒分集等技术综合解決CFO和信道快速变化，是对抗多普勒效应的必由之路。所以在现实场景下，我们还会看倒多普勒分集技术的应用。多普勒分集将多普勒扩展看作一种分集方式，将频率偏移作为一种分集资源加以利用，从而增强有用信号能量，改善系统性能。

多普勒分集的研究按可否获得完备的信道估计信息分为两类，完备信道估计条件下的多普勒分集技术致力于挖掘信道自由度，实现最大多普勒分集阶；而非完备信道估计条件下的多普勒分集技术重点研究信道估计误差对分集性能的影响。一般而言，发送接收联合设计才能获得最大多普勒分集，其最大多普勒分集由信道相关矩阵的秩决定，多普勒分集可与多径分集、空间分集一同实现。