多普勒效应对高铁GSM-R无线通信影响的探讨

李 帅 上海铁路局上海通信段

多普勒效应对高铁GSM-R无线通信影响的探讨

李 帅 上海铁路局上海通信段

GSM-R系统作为高铁通信的一个重要环节，它可以在列车时速500 km/h以下提供良好、安全的无线数据传输平台。GSM-R系统中无线接口Um是最为复杂的一个环节，然而在列车高速运行情况下多普勒效应和多径衰落特性更为明显，影响了无线传输质量。通过采取有效手段来降低多普勒频偏对高铁通信的影响，减少故障的风险，从而确保高铁通信无线传输安全稳定运行，更好地适应350%km/h以上高速列车运行的无线通信需求，并具有较强的实用性和可操作性。

多普勒影响；GSM-R系统；应对方法

1　多普勒影响的分析

1.1多普勒频移与车速关系

当电磁波发射源与接收器发生相对运动的时候，会导致所接收到的传播频率发生改变。当运动速度达到一定阀值时，将会引起传输频率的明显改变，这种现象称之为多普勒频移。在高速铁路场景下，多普勒频移将使列车接收机和基站发射机之间产生频率偏差，而且多普勒频移会影响上行接入成功率、切换成功率，从而造成列控业务CTCS-3降级为CTCS-2，或影响进路预告发送成功率等无线通信故障。

多普勒频移可用下式表示：

其中：θ为列车运行方向和基站载波传播方向的角度；v是列车运行速度；C为电磁波传播速度；f为基站载波频率（900 MHz）。由式（1）可知当θ=0°（或180°）时，即列车运行方向和基站载波入射方向平行时，多普勒频移最大。在不同车速下最大频偏如表1、图1所示。

表1 GM-R多普勒频移与车速关系

图1 不同速度下多普勒频偏状况

1.2多普勒频偏与基站位置之间的关系

多普勒频偏与基站位置之间的关系见图2。

图2 高铁列车运行通过基站时情景

在基站载波频率f、列车移动速度v固定为300 km/h的情况下，多普勒频移随着cosθ的变化而改变。根据图2中的三角几何关系可推出：

L即为高铁列车车顶（车载电线位置）到基站的水平投影距离，可见多普勒频移和列车移动速度v及基站载波频率f成正比，而与基站到铁轨的垂直距离d反向变化。由于高铁列车与基站的相对位置和相对速度不停变化，多普勒频移也不是一个常量，而是快速的变化，将式（2）对L求导数，可得出多普勒频移变化率（相对距离）公式如下：

可知多普勒频移变化率与列车速度v和基站载波频率f成正比，与基站到铁轨的垂直距离d成反比，以运行时速300 km/h沪宁高铁为例，基站与列车水平投射距离L取15 m，不同d值下GSM-R网络下行信号频率（取932 MHz中间值）频移变化率最大值可得表2。

表2 不同基站至铁轨的垂直距离在300 km/h速度下的最大多普勒频移变化率

由表2可知，GSM-R基站至铁轨的垂直距离在保证基站覆盖的条件下，距离越远，最大多普勒频移变化率越小，列车无线通信所受多普勒效应越小，基站距离在50 m至100 m为最佳。但考虑建造机房、铁塔用地及地形高洼等实际情况，往往选址时不能满足理论上的最优值。

2　GSM-R无线系统对抗多普勒效应的方法

随着未来高铁列车运行速度的逐步提高，以及GSM-R引入LTE模式以后（载频提高到2.1 G），列车无线通信收到多普勒效应的影响会更加明显，从而导致严重的信号快衰落，影响终端的收发性能，直接表现是：用户的掉话频繁、语音质量差、呼通率下降、数据业务误码率升高、吞吐量降低等，只有采取有效地对应手段加以解决，才能确保通信系统平稳运行。

2.1多RRU共逻辑小区技术

多RRU共逻辑小区技术（图3所示），通过将多个RRU配置为同一逻辑小区并发射相同的信号，提高逻辑小区的覆盖距离，减少高速列车移动终端的切换频率；优化切换算法可以减少切换判决和切换执行的时间，提升切换成功率，减少切换带的设置长度；基于速度和方向判断切换算法，减少了乒乓切换的可能，进一步降低了切换时间和提升了切换成功率，减少了多普勒效应对高铁通信带来的影响。

图3 多RRU共逻辑小区技术

由于RRU设备所需的馈线长度减少，馈线损耗降低，系统增益得到了3 dB～5 dB的提高，覆盖半径增加20%。同时，因为RRU设备可以分散安装，适应于特殊区域覆盖，尤其是隧道和桥梁覆盖。

通过对京福客专（安徽段）CTCS-3接口数据统计发现，HFN-CAJ02-BUA（使用多RRU共逻辑技术小区）下行平均接收电平值≧-60dbm占88.82%，比平均值83.9%高4.92个百分点，上行平均接收电平值≧-60dbm占85.85%，比平均值78.84%高7.01个百分点，无线覆盖及通信质量数据均优于传统的基站（见表3）。

表3 京福客专（安徽段）CTCS-3接口数据统计表

2.2自适应频偏校正算法

在基站设备侧估计和高铁列车终端之间的频率误差并完成频率误差校正，应对频偏快速变化的问题，即保证能够迅速跟上频偏变化速度并进行有效的补偿自适应频偏校正算法，能在基带层面实时检测出当前子帧频率偏移的相关信息，对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正，提升基带性能解调。通过这种基带频偏补偿算法，最多可以实现正负1 800 Hz的频偏补偿，有效改善无线链路的稳定性和可靠性，可保证高速移动情况下的正常通信。

AFC算法抑制多普勒效应：AFC（Automatic Frequency Correction，自动频率校正）是针对高铁快速移动特点而设计的基站频率校正算法。它采用先进的自动频率纠偏技术，结合高铁列车快速移动的特点，通过快速测算基站与列车终端间由于多普勒效应带来的频率变化，动态跟踪校正两者之间的频率偏差，补偿高速移动下多普勒效应引发的无线通信损耗，以保证无线链路的稳定连接。同时，针对不同信道的特点，例如RACH（Random Access Channel，随机接入信道）的非连续短时数据发射，DCH（Dedicated Channel，专用信道）的连续数据发射，AFC也将采取不同的针对性算法，保障频偏跟踪的准确。

3　结束语

在高铁加速建设的进程中，作为从事高铁无线通信维管人员 ，面临着高速移动环境与更高的无线传输速率需求的双重压力，从基站位置选择、到新技术新设备的运用，对抗多普勒效应产生的负面影响，提高设备的运用质量和效率，保障高铁无线通信畅通，服务全局行车运输，保障列车运行安全，是我们今后工作的重点和方向。

［1］孙钢，杨磊.高速铁路无线覆盖方案研究［J］.数字通信世界2015.

［2］陈晨，李长乐.高速铁路通信系统方案研究综述［J］.计算机工程与应用2010.

责任编辑：宋飞

来稿时间：2016-06-03