高移動無線通信抗多普勒效應技術研究進展

許 晶

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高移動無線通信抗多普勒效應技術研究進展

許 晶

烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430073

高速移動車輛所產生的多普勒效應對寬帶無線通信的影響較大，尤其是對無線通信系統的容量和可靠性的影響最為嚴重。針對這一現狀，應用多普勒分集技術、多普勒估計技術和多普勒規劃技術進行解決，研究在對這三類技術進行分析以后，并提出了多普勒利用的最新研究情況。希望能夠促進中國高鐵列車高效、安全、穩定地運行。

無線通信；多普勒效應；解決措施；研究進展；具體方法

國家經濟的發展離不開通信業與交通業的支撐，近幾年我國交通業的發展勢頭迅猛，2015年的“四縱”干線成型，高速鐵路的營業里程將會達到1.9萬km。與此同時，基于鐵路數字移動通信系統已經初步的建立了移動通信網絡，來保證高鐵列車的穩定運行。為了滿足車載無線傳感網絡和旅客寬帶無線的需求，我國對無線通信關鍵技術進行了深入的研究，并取得了重大成就。但是如何在高速移動環境中提供穩定、高效的寬帶服務，還面臨著眾多的技術挑戰，基于鐵路數字通信系統只能夠滿足基本的控制與調度業務。近幾年高移動無線通信是學術界研究的熱點，目前高移動場景的無線通信所面臨的挑戰主要有：多普勒效應、快速切換和高穿透損耗，為了能夠確保高速移動的車廂與其他移動物體的受力強度，需要應用密閉的金屬為外殼，密閉的金屬外殼對電磁信號具有屏蔽性。加之，移動車體和基站之間距離較大，所以信號強度被大大削弱，通信質量難以保證。相對快速切換和高穿透損耗，多普勒效應對高移動場景的無線通信的影響更大，主要影響有信道快衰落和載波頻率偏移。移動速度越高，所產生的多普勒的效應對無線通信所贊成的影響越大，為了確保實現高數據傳輸和高移動速度的需求，就必須克服信道快衰落和載波頻率偏移，抗多普勒效應的應對策略主要有：多普勒分集技術、多普勒估計技術和多普勒規劃技術，其中對簡單直接的方法是對參數的合理配置與系統規劃，有效地避免發生多普勒效應產生。

1 多普勒效應給高移動無線通信帶來的影響

多普勒效應：移動通信環境中，接收體與發射源之間存在相對運動，由于發射源的信息發射頻率和接收體的信息接收頻率存在一定差別，這種現象稱為為多普勒效應，發射頻率與接收頻率差稱之為多普勒頻移。一般情況下到達天線的每個多普勒頻移、相位偏移、幅度衰減，信號的接收會受到多普勒效應和多徑傳播的影響。多徑效應，當電波處于角[0，]之間時，相對應的接收功率分布與[fe-fd，fe+fd]之間。如果增加接收信號的帶寬，便會產生多普勒擴展。高速移動場景中多普勒擴展現象非常普遍。多普勒效應給無線通信所帶來的影響：多普勒效應對無線通信所造成的影響可以分為以下兩個方面：符號檢測方面：信道系數在多普勒效應的影響下發生著快速的變化，信道的快速衰老會嚴重地影響符號的檢測性能，隨之誤比特率會增加。伴隨移動速度的提升，最大多普勒頻移增加，信道快衰落和載波頻率偏移情況更加嚴重。載波頻率的偏移會對子載波間的正交性造成影響，會給系統性能造成嚴重的影響。信號解調方面：載波頻率偏移導致本振頻率和信號接收頻率發生偏差，嚴重影響信號的解調性能和無線鏈路的穩定性。

2 多普勒規劃

多普勒規劃時最簡單、直接的對抗多普勒效應的方法，在進行系統初始設計階段應當盡可能的避免發生有害多普勒效應。例如：縮減信道快時變的幅度；減緩載波頻率偏移等。實時的多普勒頻率取決于信號、載波頻率與運動方向之間存在的夾角，所以降低多普勒頻移的方法有兩種：a、基站選址；b、降低載波頻率。配置較低的載波頻率能夠降低多普勒效應，所以在進行系統初步設計時，應當將低頻段分配到高移動性的中低數據傳輸，反之高頻段應分配給低移動性或者靜止的大容量數據傳輸，如此不僅能夠大幅度的縮減多普勒所造成的影響，同時還能促進小區半徑和信號覆蓋的增大，縮減小區切換的頻度。另一方面，運動方向和信號之間的角度是時刻變化的，因此瞬時多普勒頻移影響非常顯著。鐵軌和基站之間的距離會直接決定多普勒頻移變化范圍的大小，隨著間距的增大順瞬時頻移會降低，頻移變化的范圍越大，頻移的變化速度就會更加緩慢，校正的難度就越低[1]。所以在不影響覆蓋時，可以適當的增加鐵軌和基站之間的距離。另一方面縮小符號周期，能夠顯著的降低歸一化多普勒的擴展。但是，需要注意的是符號周期的縮小會產生對偶多徑效應，進而會降低系統效率與性能。

3 多普勒估計

多普勒估計又可以分為三類，分別為：（1）盲頻移估計：盲頻移估計應用傳輸信號的結構實現，不需要進行間隔保護、序列訓練等，當頻移得到較好補償時，不同載波信號幅度的變化較小。在高速移動的環境中，基于子空間的盲估計方法能夠在符號周期內完成對頻移的估計，能夠對瞬時變化的頻移進行跟蹤；（2）基于冗余頻移估計：盲頻移估計雖然不會增加冗余，但是如果能夠將系統預置冗余信息進行良好的利用，將會大幅度地提升頻移估計的性能。基于冗余的頻移估計將冗余信息嵌入訓練序列、導頻符號和循環前綴中，以此來提升頻移估計的實時性與準確性；（3）基于先驗信息頻移估計：隨著速度傳感器、GPS等技術的逐漸成熟，能夠實時地獲取速度參數信息、位置信息，通過對這些先驗信息進行多普勒頻移估計。如果所獲得的位置信息和速度信息準確，則能夠直接地計算出多普勒頻移信息。高速列車通常在重復、規則能夠預測的環境中運行，因此可以現場構建含有多普勒頻移信息的頻譜圖，并結合最大后驗估計器來縮減由于不準確的位置估計所引發的誤差，能夠得到優異的抗多普勒效應性能。

4 多普勒分集

多普勒分集的原理和多徑分集相似，多徑效應與多普勒效應都和原始信號在頻域和時域復制與混淆向等效。每個信號的副本都包含了原始信號信息，通過信號處理技術將新報副本進行分離、干擾取出以及合并，對資源的充分利用顯著促進了系統性能的提升。為了讓系統得到多普勒分集增益，可以將其分別發送至發送接收端、接收端、發送端進行聯合處理。通過預處理發送信號或者預處理接收的混疊信號來實現多普勒分集。系統能夠獲得的最大多普勒分集有取決于信道相關矩陣的秩。傳統的多普勒分集研究主要致力于信道自由度的開發，大部分的假定接收機所擁有的信號狀態信息完善。但是高移動無線通信系統由于不能對信道信息準確的獲取，因此很難規避信道估計誤差給系統性能所造成的影響。

5 未來展望

高移動無線場景中的多普勒效應對無線通信系統的設計提出了更高的挑戰，快時變信道衰落和載波頻率偏移是危害的主要表現[4]。通過對載波頻率進行校正、多普勒規劃以及多普勒分集技術等進行處理，能夠有效對抗高移動無線場景中所存在的多普勒效應。但是高移動無線通信中對多普勒效應的對抗技術還存在一定的問題，為了能夠有效的解決高移動場景無線通信中多普勒效應所帶來的影響，未來還需要對這些問題進行深入的研究。在無線組網中，在數據面和控制面進行分離時，如何實現多普勒的最佳規劃 。如何充分、合理的利用先驗信息，更好的估計多普勒頻移。如何實現在復雜環境中實時頻移估計。目前針對高移動場景無線通信中的多普勒效應的多普勒規劃技術、多普勒估計技術以及多普勒分集技術還沒有得到充分的應用，因此在加強對高移動無線通信系統抗多普勒相關技術研究的同時，還應當加大對抗多普勒技術的推廣，以此來降低多普勒效應給高移動無線通信所造成的影響，保障高鐵列車運行的穩定性、高效性的同時，解決旅客無線寬帶通信和大數據傳輸的相應需求。

[1]彭小平.移動無線通信的過去和未來發展趨勢[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

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1009-6434(2016)07-0016-02

許 晶（1983—），男，湖北，武漢，華中師范大學，本科學歷，職位是事業部總監，研究方向為軌道交通通信。