一种增强高铁无线通信性能的方法研究

黄如希

摘要：随着社会的技术飞跃和高速发展，人们对高速铁路通信的要求越来越高，而且国内铁路不断提速，使得现有移动通信网络已不能适应高铁覆盖要求，从而导致网络性能下降，用户体验差，本文详细介绍了高铁对移动通信的主要影响因素，并针对这些因素提出了相应的增强性能的解决方案。

关键词：高速铁路；无线通信；移动通信技术；正交频分复用；多普勒频移

近年来我国交通事业发展迅猛，根据《综合交通网中长期发展规划》，到2020年，我国将建成12万km铁路，其中时速超过200 km的高速客运专线达1.8万km。实际上，到2015年底，国家规划的“四纵”干线就将成型，高速铁路营业里程将达1.9万km，约占世界高铁运营里程的60%.目前高铁线路速度达到350km/h上，而且在未来的至年，列车行驶速度可能500km/h。

高铁的普及大大方便和便捷了大众的交通出行，日渐成为人们中长距离出行的首选，旅客需要在列车上接入互联网与他人进行语音、 数据、 图像、 视频等信息交流，享受数字化和智能化的通信服务，因此，构建一个高性能无线通信系统迫在眉睫。

1 高速移动过程中MIMO技术失效

MIM0技術大致包括空分复用、空间分集、波束赋形等多种内容，它的根本目的在于向多组不相关的天线上分别发送若干个数据流，将传统通信系统中对系统造成损害的多径衰落因素改善为利于增强用户通信性能的因素。该技术能够在保持宽带不变的情况下以倍数增长的趋势提高通信系统的容量和频谱利用率。但是在高铁的运行过程中，地理位置广阔，速度到达350km/h以上，接收端在同一时间上的多径信息变化太大，甚至完全没有收到发射端的多径，这样就造成了无线信道散射传播的多径分量完全没有，各对发一收天线单元间完全相关，即这些同频率、同时问、同信道特征码的子信道趋于相互不正交，MIMO技术就解调失败，MIMO效果达不到，从而造成吞吐不高。

解决方法：面对高速移动过程中，MIMO效果不理想，可以采用下面分集变频技术解决。发射机的发射框图如下：该系统中独特的技术主要采用有发射分集技术和变频技术。

1.1 基带信号的发射分集技术

如上图，将无线基带信号经过按一定的矩阵变换规则进行发射分集，分别发送到DAC转变为中频信号，后经过变频技术变成不同的频率的载波信号。

分集技术采用的编码矩阵变换规格如下：

将一定矩阵数列的基带信号，通过一定的规格的矩阵变换，在通过矩阵分配成两部分，分别分配给两个的天线，独立发送出去。

1.2 变频技术

将两条不同路径的中频信号通过变频技术变换成不同频率的射频信号。

通过变频技术最终的无线收发机变成：同一台设备的两根天线分别工作在不同频率，两个天线分别单独工作，不依赖于环境的变化，不形成MIMO，以单流的方式独立通信，从而实现吞吐加倍的效果。

接收机技术同理反向。

2 信号覆盖和漫游切换问题

高速列车采用密闭式厢体设计，车体对无线信号的穿透损耗较高。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗。全封闭的新型CRH列车比普通列车穿透损耗大5～10dB，穿透损耗最高可达24dB，。造成高速列车内信号强度很低以及接收灵敏度低的特点，从而导致上网掉线，网络无法使用等问题，针对这一个问题，在高铁无线覆盖的方案中，基站和列车侧都采用高增益的定向天线覆盖，采用点对点网桥覆盖的方式，在列车侧在通过射频模块转为其他无线制式供旅客上网等需求使用。这样既可以增大基就可以有效的减少信号衰减，提高列车内的信号强度和接收灵敏度。

铁路的铺设并非一条直线，会有弯曲，方向一直在变化的。 在铁路沿线，每隔1km架设一个基站定向天线，在列车车顶.同样架设定向天线与基站进行点对点网桥通信建立无线连接。列车行驶过程中，方向是不定的，鉴于定向天线的波瓣角小，有一定的方向，列车天线和基站天线对准就成为新的问题。

解决方法：为了完成运动列车与铁路沿线基站间的通信，需要采用天线自动对准跟踪技术实现车载定向天线对基站的指向控制，实现列车在运动过程中，车体的定向天线始终保持对准基站定向天线，从而保持运动过程列车与基站进行连续而稳定的通讯。基站发射的是定向方位信号，所以只要使车体上的定向天线的指向始终对准基站，就能达到列车与基站稳定通信的目的。

为了实现这种通信方式，车载天线需要采用天线跟踪技术使列车在高速运行过程中始终对准基站，实现这种功能将采用导航程序自动跟踪方案：

1）由于铁路轨道是固定的，一条铁路的路径和轨迹是不变的，在无线覆盖方案中，沿线的基站架设也就固定了，在系统中记录每个基站天线的位置信息（地理经度，地理纬度，地理高度），

2）列车在高速运行过程中，也要利用车体的GPS设备测试出列车实时的地理位置坐标（地理经度，地理纬度，地理高度）

3）根据目标基站的地理位置信息（地理经度，地理纬度，地理高度）以及列车本身的地理位置信息（地理经度，地理纬度，地理高度），通过软件计算公式算法进行解算，计算出天线指向目标基站的的方位角和俯仰角；

4）列车上的天线指向是利用电子罗盘来确定：电子罗盘安装在定时天线的中心轴上，电子罗盘的指向轴和天线指向方向中心轴重合，这样电子罗盘的方位角就是车载定向天线指向角。

5）系统根据目标方位角和俯仰角，以及天线指向角解算出电机需要转动的角度，从而引导驱动电机控制天线转动，完成车载定向天线指向对准铁路沿线基站，实现对车载天线与沿线基站的对准。

6）为完成车载天线实时跟踪对准基站天线，在列车高速运动过程中，根据GPS的读取频率，每隔1秒重新读取船体的经纬度坐标，进行新位置的解算，从而完成新位置的对准，进而实时跟踪对准。

通過自动对准跟踪技术可以实现列车与基站间的实时对准，当要进行基站切换，列车会先运行到两个基站的公共覆盖区域，通过基站的GPS地理信息和列车的GPS信息，以及列车收到的两个基站的信号强度预先进行基站切换，从而实际无缝切换，顺利实现漫游，提高了无线网络的稳定性。

3 多普勒频移

高铁场景的列车移动速度为250—350 km/h，甚至更高速度；与低速状态下相比，高铁环境中的无线信道多普勒频移具有快速动态变化的特点，其所带来的影响是最突出的。

多普勒效应主要带来两方面的影响，即载波频率偏移（CFO）和信道快衰落.由于发送机和接收机的快速相对位移，接收信号的载波频率因多普勒效应偏离原值，导致接收信号载波频率和本振频率之间存在偏差，从而带来性能严重损耗.另一方面，多普勒效应导致信道随时间快速变化（时间选择性），称为快速衰落，同样严重影响系统性能。

解决方法：为减小多普勒频移影响，接受机上也应该采用更强的自适应预频偏预估和校正算法，根据列车实时的速度和位置，同时利用由电子陀螺和加速度计构成的捷联惯导系统可以预测实时的速度和角度，进而可以有效的预估发射机之间的频率误差，并且及时对频率误差进行调整与校正，从而抵消多普勒效应导致的频率偏移。同时，通过帧数据上的信道估计与均衡，频偏估计与补偿算法改善无线信道快速变化的特性。

自适应预频偏预估和校正算法，不仅能够为基带层面实时地提供当前子帧频率偏移的有关信息，还能够及时校正由于频偏带来的基带信号相位偏移的情况，从而提升基带调解性能。

4 结语

不论在当今社会的任何一个领域，无线移动通信的作用已经无可替代。经过多年的发展，我国的无线移动通信系统已经取得了令人瞩目的成绩。同时也在提醒我们，对于无线移动通信系统关键技术的研究必须提到一个更新更高的高度。相信在不远的未来，我们一定会取得更优异的成绩。尽管无线移动通信系统的建设和发展会面临很多难以攻克的技术难关，但是我们应该对无线移动通信系统关键技术的研究有信心，无线通信技术的前途是光明的。

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