一種增強高鐵無線通信性能的方法研究

黃如希

摘要：隨著社會的技術飛躍和高速發展，人們對高速鐵路通信的要求越來越高，而且國內鐵路不斷提速，使得現有移動通信網絡已不能適應高鐵覆蓋要求，從而導致網絡性能下降，用戶體驗差，本文詳細介紹了高鐵對移動通信的主要影響因素，并針對這些因素提出了相應的增強性能的解決方案。

關鍵詞：高速鐵路；無線通信；移動通信技術；正交頻分復用；多普勒頻移

近年來我國交通事業發展迅猛，根據《綜合交通網中長期發展規劃》，到2020年，我國將建成12萬km鐵路，其中時速超過200 km的高速客運專線達1.8萬km。實際上，到2015年底，國家規劃的“四縱”干線就將成型，高速鐵路營業里程將達1.9萬km，約占世界高鐵運營里程的60%.目前高鐵線路速度達到350km/h上，而且在未來的至年，列車行駛速度可能500km/h。

高鐵的普及大大方便和便捷了大眾的交通出行，日漸成為人們中長距離出行的首選，旅客需要在列車上接入互聯網與他人進行語音、 數據、 圖像、 視頻等信息交流，享受數字化和智能化的通信服務，因此，構建一個高性能無線通信系統迫在眉睫。

1 高速移動過程中MIMO技術失效

MIM0技術大致包括空分復用、空間分集、波束賦形等多種內容，它的根本目的在于向多組不相關的天線上分別發送若干個數據流，將傳統通信系統中對系統造成損害的多徑衰落因素改善為利于增強用戶通信性能的因素。該技術能夠在保持寬帶不變的情況下以倍數增長的趨勢提高通信系統的容量和頻譜利用率。但是在高鐵的運行過程中，地理位置廣闊，速度到達350km/h以上，接收端在同一時間上的多徑信息變化太大，甚至完全沒有收到發射端的多徑，這樣就造成了無線信道散射傳播的多徑分量完全沒有，各對發一收天線單元間完全相關，即這些同頻率、同時問、同信道特征碼的子信道趨于相互不正交，MIMO技術就解調失敗，MIMO效果達不到，從而造成吞吐不高。

解決方法：面對高速移動過程中，MIMO效果不理想，可以采用下面分集變頻技術解決。發射機的發射框圖如下：該系統中獨特的技術主要采用有發射分集技術和變頻技術。

1.1 基帶信號的發射分集技術

如上圖，將無線基帶信號經過按一定的矩陣變換規則進行發射分集，分別發送到DAC轉變為中頻信號，后經過變頻技術變成不同的頻率的載波信號。

分集技術采用的編碼矩陣變換規格如下：

將一定矩陣數列的基帶信號，通過一定的規格的矩陣變換，在通過矩陣分配成兩部分，分別分配給兩個的天線，獨立發送出去。

1.2 變頻技術

將兩條不同路徑的中頻信號通過變頻技術變換成不同頻率的射頻信號。

通過變頻技術最終的無線收發機變成：同一臺設備的兩根天線分別工作在不同頻率，兩個天線分別單獨工作，不依賴于環境的變化，不形成MIMO，以單流的方式獨立通信，從而實現吞吐加倍的效果。

接收機技術同理反向。

2 信號覆蓋和漫游切換問題

高速列車采用密閉式廂體設計，車體對無線信號的穿透損耗較高。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗。全封閉的新型CRH列車比普通列車穿透損耗大5～10dB，穿透損耗最高可達24dB，。造成高速列車內信號強度很低以及接收靈敏度低的特點，從而導致上網掉線，網絡無法使用等問題，針對這一個問題，在高鐵無線覆蓋的方案中，基站和列車側都采用高增益的定向天線覆蓋，采用點對點網橋覆蓋的方式，在列車側在通過射頻模塊轉為其他無線制式供旅客上網等需求使用。這樣既可以增大基就可以有效的減少信號衰減，提高列車內的信號強度和接收靈敏度。

鐵路的鋪設并非一條直線，會有彎曲，方向一直在變化的。 在鐵路沿線，每隔1km架設一個基站定向天線，在列車車頂.同樣架設定向天線與基站進行點對點網橋通信建立無線連接。列車行駛過程中，方向是不定的，鑒于定向天線的波瓣角小，有一定的方向，列車天線和基站天線對準就成為新的問題。

解決方法：為了完成運動列車與鐵路沿線基站間的通信，需要采用天線自動對準跟蹤技術實現車載定向天線對基站的指向控制，實現列車在運動過程中，車體的定向天線始終保持對準基站定向天線，從而保持運動過程列車與基站進行連續而穩定的通訊。基站發射的是定向方位信號，所以只要使車體上的定向天線的指向始終對準基站，就能達到列車與基站穩定通信的目的。

為了實現這種通信方式，車載天線需要采用天線跟蹤技術使列車在高速運行過程中始終對準基站，實現這種功能將采用導航程序自動跟蹤方案：

1）由于鐵路軌道是固定的，一條鐵路的路徑和軌跡是不變的，在無線覆蓋方案中，沿線的基站架設也就固定了，在系統中記錄每個基站天線的位置信息（地理經度，地理緯度，地理高度），

2）列車在高速運行過程中，也要利用車體的GPS設備測試出列車實時的地理位置坐標（地理經度，地理緯度，地理高度）

3）根據目標基站的地理位置信息（地理經度，地理緯度，地理高度）以及列車本身的地理位置信息（地理經度，地理緯度，地理高度），通過軟件計算公式算法進行解算，計算出天線指向目標基站的的方位角和俯仰角；

4）列車上的天線指向是利用電子羅盤來確定：電子羅盤安裝在定時天線的中心軸上，電子羅盤的指向軸和天線指向方向中心軸重合，這樣電子羅盤的方位角就是車載定向天線指向角。

5）系統根據目標方位角和俯仰角，以及天線指向角解算出電機需要轉動的角度，從而引導驅動電機控制天線轉動，完成車載定向天線指向對準鐵路沿線基站，實現對車載天線與沿線基站的對準。

6）為完成車載天線實時跟蹤對準基站天線，在列車高速運動過程中，根據GPS的讀取頻率，每隔1秒重新讀取船體的經緯度坐標，進行新位置的解算，從而完成新位置的對準，進而實時跟蹤對準。

通過自動對準跟蹤技術可以實現列車與基站間的實時對準，當要進行基站切換，列車會先運行到兩個基站的公共覆蓋區域，通過基站的GPS地理信息和列車的GPS信息，以及列車收到的兩個基站的信號強度預先進行基站切換，從而實際無縫切換，順利實現漫游，提高了無線網絡的穩定性。

3 多普勒頻移

高鐵場景的列車移動速度為250—350 km/h，甚至更高速度；與低速狀態下相比，高鐵環境中的無線信道多普勒頻移具有快速動態變化的特點，其所帶來的影響是最突出的。

多普勒效應主要帶來兩方面的影響，即載波頻率偏移（CFO）和信道快衰落.由于發送機和接收機的快速相對位移，接收信號的載波頻率因多普勒效應偏離原值，導致接收信號載波頻率和本振頻率之間存在偏差，從而帶來性能嚴重損耗.另一方面，多普勒效應導致信道隨時間快速變化（時間選擇性），稱為快速衰落，同樣嚴重影響系統性能。

解決方法：為減小多普勒頻移影響，接受機上也應該采用更強的自適應預頻偏預估和校正算法，根據列車實時的速度和位置，同時利用由電子陀螺和加速度計構成的捷聯慣導系統可以預測實時的速度和角度，進而可以有效的預估發射機之間的頻率誤差，并且及時對頻率誤差進行調整與校正，從而抵消多普勒效應導致的頻率偏移。同時，通過幀數據上的信道估計與均衡，頻偏估計與補償算法改善無線信道快速變化的特性。

自適應預頻偏預估和校正算法，不僅能夠為基帶層面實時地提供當前子幀頻率偏移的有關信息，還能夠及時校正由于頻偏帶來的基帶信號相位偏移的情況，從而提升基帶調解性能。

4 結語

不論在當今社會的任何一個領域，無線移動通信的作用已經無可替代。經過多年的發展，我國的無線移動通信系統已經取得了令人矚目的成績。同時也在提醒我們，對于無線移動通信系統關鍵技術的研究必須提到一個更新更高的高度。相信在不遠的未來，我們一定會取得更優異的成績。盡管無線移動通信系統的建設和發展會面臨很多難以攻克的技術難關，但是我們應該對無線移動通信系統關鍵技術的研究有信心，無線通信技術的前途是光明的。

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