多普勒效應對高鐵GSM-R無線通信影響的探討

李 帥 上海鐵路局上海通信段

多普勒效應對高鐵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系統作為高鐵通信的一個重要環節，它可以在列車時速500 km/h以下提供良好、安全的無線數據傳輸平臺。GSM-R系統中無線接口Um是最為復雜的一個環節，然而在列車高速運行情況下多普勒效應和多徑衰落特性更為明顯，影響了無線傳輸質量。通過采取有效手段來降低多普勒頻偏對高鐵通信的影響，減少故障的風險，從而確保高鐵通信無線傳輸安全穩定運行，更好地適應350%km/h以上高速列車運行的無線通信需求，并具有較強的實用性和可操作性。

多普勒影響；GSM-R系統；應對方法

1　多普勒影響的分析

1.1多普勒頻移與車速關系

當電磁波發射源與接收器發生相對運動的時候，會導致所接收到的傳播頻率發生改變。當運動速度達到一定閥值時，將會引起傳輸頻率的明顯改變，這種現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和基站發射機之間產生頻率偏差，而且多普勒頻移會影響上行接入成功率、切換成功率，從而造成列控業務CTCS-3降級為CTCS-2，或影響進路預告發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為列車運行方向和基站載波傳播方向的角度；v是列車運行速度；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θ=0°（或180°）時，即列車運行方向和基站載波入射方向平行時，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系

多普勒頻偏與基站位置之間的關系見圖2。

圖2 高鐵列車運行通過基站時情景

在基站載波頻率f、列車移動速度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。根據圖2中的三角幾何關系可推出：

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常量，而是快速的變化，將式（2）對L求導數，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，以運行時速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網絡下行信號頻率（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，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越小，基站距離在50 m至100 m為最佳。但考慮建造機房、鐵塔用地及地形高洼等實際情況，往往選址時不能滿足理論上的最優值。

2　GSM-R無線系統對抗多普勒效應的方法

隨著未來高鐵列車運行速度的逐步提高，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的影響會更加明顯，從而導致嚴重的信號快衰落，影響終端的收發性能，直接表現是：用戶的掉話頻繁、語音質量差、呼通率下降、數據業務誤碼率升高、吞吐量降低等，只有采取有效地對應手段加以解決，才能確保通信系統平穩運行。

2.1多RRU共邏輯小區技術

多RRU共邏輯小區技術（圖3所示），通過將多個RRU配置為同一邏輯小區并發射相同的信號，提高邏輯小區的覆蓋距離，減少高速列車移動終端的切換頻率；優化切換算法可以減少切換判決和切換執行的時間，提升切換成功率，減少切換帶的設置長度；基于速度和方向判斷切換算法，減少了乒乓切換的可能，進一步降低了切換時間和提升了切換成功率，減少了多普勒效應對高鐵通信帶來的影響。

圖3 多RRU共邏輯小區技術

由于RRU設備所需的饋線長度減少，饋線損耗降低，系統增益得到了3 dB～5 dB的提高，覆蓋半徑增加20%。同時，因為RRU設備可以分散安裝，適應于特殊區域覆蓋，尤其是隧道和橋梁覆蓋。

通過對京福客專（安徽段）CTCS-3接口數據統計發現，HFN-CAJ02-BUA（使用多RRU共邏輯技術小區）下行平均接收電平值≧-60dbm占88.82%，比平均值83.9%高4.92個百分點，上行平均接收電平值≧-60dbm占85.85%，比平均值78.84%高7.01個百分點，無線覆蓋及通信質量數據均優于傳統的基站（見表3）。

表3 京福客專（安徽段）CTCS-3接口數據統計表

2.2自適應頻偏校正算法

在基站設備側估計和高鐵列車終端之間的頻率誤差并完成頻率誤差校正，應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行有效的補償自適應頻偏校正算法，能在基帶層面實時檢測出當前子幀頻率偏移的相關信息，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。通過這種基帶頻偏補償算法，最多可以實現正負1 800 Hz的頻偏補償，有效改善無線鏈路的穩定性和可靠性，可保證高速移動情況下的正常通信。

AFC算法抑制多普勒效應：AFC（Automatic Frequency Correction，自動頻率校正）是針對高鐵快速移動特點而設計的基站頻率校正算法。它采用先進的自動頻率糾偏技術，結合高鐵列車快速移動的特點，通過快速測算基站與列車終端間由于多普勒效應帶來的頻率變化，動態跟蹤校正兩者之間的頻率偏差，補償高速移動下多普勒效應引發的無線通信損耗，以保證無線鏈路的穩定連接。同時，針對不同信道的特點，例如RACH（Random Access Channel，隨機接入信道）的非連續短時數據發射，DCH（Dedicated Channel，專用信道）的連續數據發射，AFC也將采取不同的針對性算法，保障頻偏跟蹤的準確。

3　結束語

在高鐵加速建設的進程中，作為從事高鐵無線通信維管人員 ，面臨著高速移動環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、到新技術新設備的運用，對抗多普勒效應產生的負面影響，提高設備的運用質量和效率，保障高鐵無線通信暢通，服務全局行車運輸，保障列車運行安全，是我們今后工作的重點和方向。

［1］孫鋼，楊磊.高速鐵路無線覆蓋方案研究［J］.數字通信世界2015.

［2］陳晨，李長樂.高速鐵路通信系統方案研究綜述［J］.計算機工程與應用2010.

責任編輯：宋飛

來稿時間：2016-06-03