高移动无线通信抗多普勒效应技术研究进展

许 晶



高移动无线通信抗多普勒效应技术研究进展

许 晶

烽火通信科技股份有限公司，湖北 武汉 430073

高速移动车辆所产生的多普勒效应对宽带无线通信的影响较大，尤其是对无线通信系统的容量和可靠性的影响最为严重。针对这一现状，应用多普勒分集技术、多普勒估计技术和多普勒规划技术进行解决，研究在对这三类技术进行分析以后，并提出了多普勒利用的最新研究情况。希望能够促进中国高铁列车高效、安全、稳定地运行。

无线通信；多普勒效应；解决措施；研究进展；具体方法

国家经济的发展离不开通信业与交通业的支撑，近几年我国交通业的发展势头迅猛，2015年的“四纵”干线成型，高速铁路的营业里程将会达到1.9万km。与此同时，基于铁路数字移动通信系统已经初步的建立了移动通信网络，来保证高铁列车的稳定运行。为了满足车载无线传感网络和旅客宽带无线的需求，我国对无线通信关键技术进行了深入的研究，并取得了重大成就。但是如何在高速移动环境中提供稳定、高效的宽带服务，还面临着众多的技术挑战，基于铁路数字通信系统只能够满足基本的控制与调度业务。近几年高移动无线通信是学术界研究的热点，目前高移动场景的无线通信所面临的挑战主要有：多普勒效应、快速切换和高穿透损耗，为了能够确保高速移动的车厢与其他移动物体的受力强度，需要应用密闭的金属为外壳，密闭的金属外壳对电磁信号具有屏蔽性。加之，移动车体和基站之间距离较大，所以信号强度被大大削弱，通信质量难以保证。相对快速切换和高穿透损耗，多普勒效应对高移动场景的无线通信的影响更大，主要影响有信道快衰落和载波频率偏移。移动速度越高，所产生的多普勒的效应对无线通信所赞成的影响越大，为了确保实现高数据传输和高移动速度的需求，就必须克服信道快衰落和载波频率偏移，抗多普勒效应的应对策略主要有：多普勒分集技术、多普勒估计技术和多普勒规划技术，其中对简单直接的方法是对参数的合理配置与系统规划，有效地避免发生多普勒效应产生。

1 多普勒效应给高移动无线通信带来的影响

多普勒效应：移动通信环境中，接收体与发射源之间存在相对运动，由于发射源的信息发射频率和接收体的信息接收频率存在一定差别，这种现象称为为多普勒效应，发射频率与接收频率差称之为多普勒频移。一般情况下到达天线的每个多普勒频移、相位偏移、幅度衰减，信号的接收会受到多普勒效应和多径传播的影响。多径效应，当电波处于角[0，]之间时，相对应的接收功率分布与[fe-fd，fe+fd]之间。如果增加接收信号的带宽，便会产生多普勒扩展。高速移动场景中多普勒扩展现象非常普遍。多普勒效应给无线通信所带来的影响：多普勒效应对无线通信所造成的影响可以分为以下两个方面：符号检测方面：信道系数在多普勒效应的影响下发生着快速的变化，信道的快速衰老会严重地影响符号的检测性能，随之误比特率会增加。伴随移动速度的提升，最大多普勒频移增加，信道快衰落和载波频率偏移情况更加严重。载波频率的偏移会对子载波间的正交性造成影响，会给系统性能造成严重的影响。信号解调方面：载波频率偏移导致本振频率和信号接收频率发生偏差，严重影响信号的解调性能和无线链路的稳定性。

2 多普勒规划

多普勒规划时最简单、直接的对抗多普勒效应的方法，在进行系统初始设计阶段应当尽可能的避免发生有害多普勒效应。例如：缩减信道快时变的幅度；减缓载波频率偏移等。实时的多普勒频率取决于信号、载波频率与运动方向之间存在的夹角，所以降低多普勒频移的方法有两种：a、基站选址；b、降低载波频率。配置较低的载波频率能够降低多普勒效应，所以在进行系统初步设计时，应当将低频段分配到高移动性的中低数据传输，反之高频段应分配给低移动性或者静止的大容量数据传输，如此不仅能够大幅度的缩减多普勒所造成的影响，同时还能促进小区半径和信号覆盖的增大，缩减小区切换的频度。另一方面，运动方向和信号之间的角度是时刻变化的，因此瞬时多普勒频移影响非常显著。铁轨和基站之间的距离会直接决定多普勒频移变化范围的大小，随着间距的增大顺瞬时频移会降低，频移变化的范围越大，频移的变化速度就会更加缓慢，校正的难度就越低[1]。所以在不影响覆盖时，可以适当的增加铁轨和基站之间的距离。另一方面缩小符号周期，能够显著的降低归一化多普勒的扩展。但是，需要注意的是符号周期的缩小会产生对偶多径效应，进而会降低系统效率与性能。

3 多普勒估计

多普勒估计又可以分为三类，分别为：（1）盲频移估计：盲频移估计应用传输信号的结构实现，不需要进行间隔保护、序列训练等，当频移得到较好补偿时，不同载波信号幅度的变化较小。在高速移动的环境中，基于子空间的盲估计方法能够在符号周期内完成对频移的估计，能够对瞬时变化的频移进行跟踪；（2）基于冗余频移估计：盲频移估计虽然不会增加冗余，但是如果能够将系统预置冗余信息进行良好的利用，将会大幅度地提升频移估计的性能。基于冗余的频移估计将冗余信息嵌入训练序列、导频符号和循环前缀中，以此来提升频移估计的实时性与准确性；（3）基于先验信息频移估计：随着速度传感器、GPS等技术的逐渐成熟，能够实时地获取速度参数信息、位置信息，通过对这些先验信息进行多普勒频移估计。如果所获得的位置信息和速度信息准确，则能够直接地计算出多普勒频移信息。高速列车通常在重复、规则能够预测的环境中运行，因此可以现场构建含有多普勒频移信息的频谱图，并结合最大后验估计器来缩减由于不准确的位置估计所引发的误差，能够得到优异的抗多普勒效应性能。

4 多普勒分集

多普勒分集的原理和多径分集相似，多径效应与多普勒效应都和原始信号在频域和时域复制与混淆向等效。每个信号的副本都包含了原始信号信息，通过信号处理技术将新报副本进行分离、干扰取出以及合并，对资源的充分利用显著促进了系统性能的提升。为了让系统得到多普勒分集增益，可以将其分别发送至发送接收端、接收端、发送端进行联合处理。通过预处理发送信号或者预处理接收的混叠信号来实现多普勒分集。系统能够获得的最大多普勒分集有取决于信道相关矩阵的秩。传统的多普勒分集研究主要致力于信道自由度的开发，大部分的假定接收机所拥有的信号状态信息完善。但是高移动无线通信系统由于不能对信道信息准确的获取，因此很难规避信道估计误差给系统性能所造成的影响。

5 未来展望

高移动无线场景中的多普勒效应对无线通信系统的设计提出了更高的挑战，快时变信道衰落和载波频率偏移是危害的主要表现[4]。通过对载波频率进行校正、多普勒规划以及多普勒分集技术等进行处理，能够有效对抗高移动无线场景中所存在的多普勒效应。但是高移动无线通信中对多普勒效应的对抗技术还存在一定的问题，为了能够有效的解决高移动场景无线通信中多普勒效应所带来的影响，未来还需要对这些问题进行深入的研究。在无线组网中，在数据面和控制面进行分离时，如何实现多普勒的最佳规划 。如何充分、合理的利用先验信息，更好的估计多普勒频移。如何实现在复杂环境中实时频移估计。目前针对高移动场景无线通信中的多普勒效应的多普勒规划技术、多普勒估计技术以及多普勒分集技术还没有得到充分的应用，因此在加强对高移动无线通信系统抗多普勒相关技术研究的同时，还应当加大对抗多普勒技术的推广，以此来降低多普勒效应给高移动无线通信所造成的影响，保障高铁列车运行的稳定性、高效性的同时，解决旅客无线宽带通信和大数据传输的相应需求。

[1]彭小平.移动无线通信的过去和未来发展趋势[J].江西通信科技，2009（2）：23-26.

Progress in Anti-Doppler Technology Mobile Radio Communications

Xu Jing

FiberHome，Hubei Wuhan 430073

Doppler effect fast-moving vehicles produce a greater impact on broadband wireless communications，especially on the capacity and reliability of the wireless communication system is the most serious.In response to this situation，Doppler diversity，Doppler and Doppler estimation technique solve planning techniques，this article after these three types of technical analysis，and presents the latest research in the use of Doppler.Hoping to promote China's high-speed rail trains efficient，safe and stable operation.

wireless communications；Doppler effect；solutions；Progress；specific methods

TN929.5

A

1009-6434(2016)07-0016-02

许 晶（1983—），男，湖北，武汉，华中师范大学，本科学历，职位是事业部总监，研究方向为轨道交通通信。