时速400 km+高速铁路无线通信抗多普勒频移研究

孙路遥

摘要 列车高速移动产生的多普勒频移对无线通信影响较大。随着铁路运行速度向时速400 km+迈进，多普勒频移的影响将更加显著。同时，铁路运营对无线通信带宽和可靠性的要求正在不断提高。针对这一现状，结合现有铁路GSM-R通信系统及下一代5G-R通信系统特性，研究多普勒频移对时速400 km+高速铁路无线通信系统的影响程度。并对常用抗多普勒频移技术的效果进行分析，得到一种适用于时速400 km+高速铁路的解决方案。

关键词 时速400 km+；GSM-R；5G-R；多普勒频移

中图分类号 TN929.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0011-03

0 引言

随着我国铁路建设迈向新阶段，时速400 km+高速铁路建设已进入研究阶段，对作为高等级列车控制系统关键传输通道的铁路专用无线通信系统提出了更高要求。同时，铁路运营对无线通信带宽和可靠性的要求也不断提高。

目前，国内高速铁路普遍使用的GSM-R通信系统的相关技术条件要求能够支持最高时速500 km高速铁路列车的通信需求。但是，截至目前尚未有在超过时速350 km条件下的实际应用。该文结合现有铁路GSM-R通信系统及下一代5G-R通信系统特性，研究多普勒频移对时速400 km+高速铁路无线通信系统的影响程度。并对常用抗多普勒频移技术的效果进行分析，得到一种适用于时速400 km+高速铁路的解决方案。

1 多普勒频移对时速400 km+高速铁路无线通信系统影响的理论分析

对于铁路无线通信系统，列车高速移动产生的多普勒频移引发的载波频率偏移会导致信号解调性能显著下降，降低无线链路的稳定性，同时引起信道系数随时间快速变化，造成符号检测性能显著下降，误比特率变大。

多普勒频移可由以下公式进行计算：

式中，fd——多普勒频移；f——载波频率；c——光速；v——列车运行速度；θ——列车运行方向与入射波方向的夹角。

通过对式（1）分析可知，在无线通信频率确定的情况下，对于特定速度运行的列车，多普勒频移仅受列车运行方向与入射波方向的夹角（范围在0 °～180 °之间）这一个因素的影响。当夹角越接近90 °时，多普勒频移越小。而列车运行方向与入射波方向的夹角的范围，可通过改变无线通信站点与铁路线路的距离、调整无线通信基站间距、调节天线挂高等途径进行控制。

对于国内正在使用的GSM-R通信系统和正在研究的铁路5G-R通信系统，分别取910 MHz、2.1GHz两个典型载波频率，取列车天线与基站天线的高度差为30 m，在时速为350 km、400 km、450 km的不同速度值下，对无线通信站点与至铁路线路的距离与多普勒频移的关系进行仿真计算，得到不同速度值下多普勒频移最大值如表1所示：

以时速400 km为例，无线通信站点与铁路线路在不同距离下，列车运行时多普勒频移变化情况如图1～2所示。

2 常用抗多普勒频移技术

常用的抗多普勒频移应对技术可以分为三类：多普勒规划、多普勒补偿和多普勒利用[1]。

2.1 多普勒规划

在设计阶段，考虑通过改进无线通信站点的布局和调整参数应对信道快速变化的问题，这一策略基于多普勒效应的缓解。多普勒效应在高速铁路系统中的显著性主要由列车与雷达波束之间的相对角度和行进轨迹决定。

结果显示，对于某一固定速度行驶的火车，其多普勒效应主要取决于火车行进路线与无线电波发射角度的关系，此角度可在0 °～180 °之间变动。因此，为了降低高速铁路的频移问题，关键在于巧妙地选择无线电通信站点的位置。

适当增加无线通信站点与铁路轨道的隔离距离，并减小站点间的距离，可以在一定程度上缓解多普勒效应引发的问题。仿真数据显示，若将车站和铁路轨道的距离从100 m增加至200 m，则可以降低多普勒频移峰值约30%。同样，将站点间的距离从500 m减至300 m也可以取得相似的效果。

进一步改善网站架构，降低列车通过无线通信站点时多普勒频移的增长速度，能够有效减少频移干扰的影响。

2.2 多普勒补偿

多普勒补偿技术是指通过多种手段，估计系统实时的载波频率偏移，再对频率偏移进行补偿，进而减少多普勒频移对系统的影响。

因此，多普勒补偿技术的关键是对载波频率偏移进行快速准确估计。目前常用的多普勒频移估计手段可分为三类：基于辅助数据的频移估计、盲频移估计和基于先验信息的频移估计。

2.2.1 基于辅助数据的频移估计

基于辅助数据的频移估计是通过在信号中插入已知的导频或者训练序列作为辅助，在接收端对比收到的冗余信号与插入的原始信号，进而得出当前的频移量。

这种方式可以精确地得到实时频移量，但是辅助数据的引入在一定程度上占用了带宽资源。

5G技术作为一种正交频分复用（OFDM）通信系统，多普勒频移会直接对子载波正交性造成破坏。因此，5G系统在设计时即考虑了多普勒频移对高速条件下通信系统的影响。5G NR的每个时隙中都包含解调解码所需的解调参考信号（DMRS）和必要的控制信息。其中解调参考信号采用了前置的DMRS导频与时域密度可配置的附加DMRS导频相结合的DMRS导频结构，可以在时速400 km+条件下仍满足对信道时变性的估计精度。

2.2.2 盲频移估计

盲频移估计技术是一种不依赖外部数据辅助的方法，其能够精确测定频移，同时节省了带宽资源。本质上来讲，这种技术基于数学公式，依赖精确的信道模拟，并对频率偏移进行详细分析。然而，这种算法的应用受到多种因素的制约，包括信道状况、环境影响以及算法本身的特性，因此其适用范围存在显著差异。

在高速铁路沿线，由各种地形条件造成的复杂信道为频移估计带来了更大挑战。穿梭于各种地貌的迅捷火车会导致信道参数不断波动，使得精准建模变得更加困难。例如，地形特征如隧道、桥梁、曲线等会引起信号多次反射和衰减，从而增加信道的复杂度。面对信道时变和多径效应等挑战，提高盲频移估计的准确度就显得尤为困难。

针对高速铁路环境，需要对盲频移估计算法进行深入研究并加以优化，以适应其复杂的信道特性。为了提高频移估计的准确度和鲁棒性，考虑整合例如信道预测和多径效应校正等额外技术手段非常必要。为了应对多变的地形和列车运行带来的挑战，专门设计的频移计算策略至关重要，其能够有效适应复杂的信道环境，进而显著增强通信系统的可靠性与效能。

2.2.3 基于先验信息的频移估计

利用先进技术如卫星导航和速度传感，实时获取位置和速度数据，并通过先前知识计算频率偏移，进而推算多普勒效应带来的频率变化。高速铁路通信网络的基站分布、轨道布局及列车运行速度等信息均可提前掌握。例如，假设铁路线向北延伸，起点基站A位于原点（0，0），列车目前位于（1 000，0），速度为300 km/h，凭借既有知识，能够确定列车相对于基站A的方位角，进而推断多普勒效应所导致的频率偏移。

在实际应用场景中，由于隧道结构遮挡了信号，导致卫星定位技术在隧道内无法正常工作。因此，该文建议采用速度积分法准确计算列车在隧道内的具体位置。尽管速度传感器的精准度不足，可能会引起列车位置的误差估计。尽管速度传感器的误差仅有1%，但在积分作用下，位置误差可能逐渐累积，最终影响多普勒频移的测量精度。

在管理高速铁路无线传输过程中，基于先验信息的频率偏移估计的技术暴露了其内在缺陷。此法虽宜于测算多普勒频移，但在无卫星定位信号的隧道等地域，只能借助速度累积法估算列车位置，这样容易产生误差，进而降低频移计算的精确度。

2.3 多普勒利用

多普勒效应，因其引起的频率变化，广泛应用于提升通信性能。其中，多普勒分集技术备受瞩目，其采用高效的信号处理方法，在时频两个层面上成功实现信号副本的分辨和干扰的移除，从而显著提升通信性能。

多普勒分集技术的核心在于利用多普勒效应引起的频率变动，对信号进行复制，以提高信号的备用能力。通过精致的信号处理技巧，这些冗余信号得以高效地融合与利用。例如，当一列高速铁路列车经过一个基站时，基站会接收到多个信号复制，每个复制对应着不同的多普勒频移。通过多普勒分集技术，可以巧妙地恢复这些复制信号，从而提升它们的质量和稳定性[2]。

然而，多普勒分集技术在实际应用中面临着众多挑战。只有发送端与接收端紧密配合，多普勒分集的效果才能发挥到极致。每个通信系统的部件，从硬件到软件，从信号处理到算法，必须紧密协作，共同发挥作用。设备间的差异阻碍了多普勒分集技术的普及。

举例来说，当一辆高速列车飞驰而过时，基站可能会捕捉到多个信号的复制，每个复制都会引起独特的多普勒频移现象。合理利用这些复制信号可以提高通信系统的抗干扰能力和可靠性。然而，要实现这一技术，需要设备间的高度协同和精细的信号处理算法设计，因此是一项极具挑战性的工作。

3 针对多普勒频移的工程解决思路

3.1 无线站点规划

由前文可以看出，调整无线通信站点与铁路轨道之间的距离以及基站之间的间距，是减轻多普勒效应影响的有效方法。然而，在进行站点规划时，需要综合考虑多个因素。

增加无线通信站点与铁轨之间的距离可能会导致信号传输损耗增加，进而影响通信质量。举例来说，如果基站分布过于稀疏，信号在传输过程中损耗过多，使得信号强度降低，更容易受到外界干扰，从而影响通信质量。

另一方面，基站过于密集分布也会带来问题。基站过多部署导致小区覆盖区域减小，频繁信号转换影响通信稳定性和用户体验。举例来说，基站分布过密会导致列车频繁进行网络切换，增加了信令交互负担，降低了通信效率，甚至可能导致通信故障。

因此，在规划无线站点时，需要综合考虑基站的位置、间距和路径损耗等多个因素，科学规划基站间距与布局，通过采用先进的天线技术、提高基站建设高度等方法，可以有效减轻多普勒效应的干扰，确保通信品质与系统稳定。

3.2 无线系统设计

在无线系统设计中，针对高速移动环境下的5G-R通信系统，其中一项重要的策略就是充分利用解调参考信号，特别是附加的DMRS导频。这样的设计能够在列车时速超过400 km的条件下，实现对时变信道的精确估计。DMRS导频作为一种特殊的参考信号，在信道估计和数据解调中起着关键作用。例如，在5G-R通信系统中，通过合理配置DMRS导频，可以实现对高速列车运动过程中信道特性的实时跟踪，从而提高通信系统的鲁棒性和性能。

另一方面，在设计通信系统的OFDM（正交频分复用）基本参数时，需要注意多普勒频移可能引发的信道干扰，特别是频率间干扰（ICI）。由于OFDM符号周期与子载波间隔成反比，因此需要权衡选择合适的OFDM子载波间隔。过小的子载波间隔可能导致符号周期过大，从而增加了系统对时频变化的敏感性。通过合理选择子载波间隔，例如保持在几十千赫范围内，可以有效降低多普勒引起的信道干扰，提升系统的抗干扰性能[3]。

4 总结

该文对时速400 km+条件下高速铁路无线通信系统多普勒频移产生的原因进行了分析，对常用的抗多普勒频移应对技术进行了梳理，结合GSM-R、5G-R系统特性以及工程实际，对时速400 km+条件下高速铁路无线通信系统可以应用的抗多普勒频移应对技术进行了总结。但是，目前的研究还缺乏实际的实验作为支撑，应利用未来将要建设的时速400 km+条件下的高速铁路工程，对相关技术及方案进行实验验证。

参考文献

[1]范平志， 周维曦. 高移动无线通信抗多普勒频移技术研究进展[J]. 西南交通大学学报， 2016（3）： 405-417.

[2]周游， 朱世磊， 胡捍英. 一种新的恒模信号OFDM系统的盲频偏估计算法[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2014（5）： 1512-1516.

[3]黄劲安， 区奕宁， 董力， 等. 5G空口设计与实践进阶[M]. 北京：人民邮电出版社， 2019.