高速移動環境下可靠移動通信研究

陳才波

高鐵覆蓋場景相對于普通場景，主要在于高速下的多普勒效應。接收到信號的波長因為信號源和接收機的相對運動而產生變化，稱作多普勒效應。在移動通信系統中，特別是高速場景下，這種效應尤其明顯，多普勒效應所引起的附加頻移稱為多普勒頻移，移動速度越快，多普勒效應越明顯，因此必須解決多普勒頻偏問題。

一、多普勒頻移

多普勒頻移是鐵路移動通信系統需要面臨的一個典型問題，具體是指當移動終端和基站之間存在相對徑向運動時，基站發射頻率與用戶終端接收頻率不同而產生的頻率差：

由公式可得出，在同一載波頻率下，多普勒頻移的大小跟終端移動速度成正比。假設eNodeB的載波頻率為f0，當終端逐漸遠離eNodeB時（即終端背向信號傳播方向運動），θ值不斷變大（90°<θ<180°），終端接收頻率下降，值為fm - f0，而eNodeB接收的信號頻率為f0 - 2fm；當終端靠近eNodeB時（即終端朝向信號傳播方向運動），θ值越來越大（0°<θ<90°），終端的接收頻率上升，值為fm + f0，而終端以此基準向eNodeB發射信號，eNodeB的接收頻率為2fm + f0。

二、對抗多普勒頻移問題的策略

對抗多普勒效應的策略通常有三種：多普勒規劃、多普勒估計/補償、多普勒分集。

2.1多普勒規劃

最簡單和直接對抗多普勒效應的方法是通過系統規劃、合理配置參數，在一定程度上直接避免多普勒效應發生。多普勒效應的嚴重程度由多普勒頻移和符號周期共同度量，前者直接影響CFO（載波頻率偏移）和信道衰落程度，后者間接影響信道衰落的快慢。根據多普勒頻移的計算公式，可以發現瞬時的多普勒頻移與載波頻率、運動速度以及信號與運動方向的夾角相關。

因此，將控制面與數據面分離并選用較低頻率的載波支撐高移動性，可以直接、有效地降低多普勒頻移的大小；針對鐵路等固定運行軌跡的移動通信系統，盡量縮小基站與運動軌跡的距離，使最大掠射角趨近90°，縮小信號與運動方向的瞬時夾角，從而降低瞬時多普勒頻移及其變化率；在多普勒頻移固定的情況下，根據信道的相關時間（由最大多普勒頻移決定，在此時間長度下信道相對穩定）調整符號周期的大小，可減輕信道快速衰落程度；在正交頻分復用（OFDM）系統里，也可以通過調整子載波間隔，以避免產生較大的子載波間干擾（ICI）。然而，在實際系統中，系統規劃和參數配置受到多個目標制約，參數實際可調整的范圍十分有限。

2.2多普勒估計/補償

多普勒估計/補償是對抗多普勒效應的典型方法，由頻率估計模塊和頻率補償模塊共同實現。

假定多普勒效應導致接收頻率頻移Δf，頻率估計模塊嘗試對其估計和跟蹤，得出估計的偏移值Δf ，然后頻率補償模塊將Δf 補償給接收信號。處理后的載波頻率等效為f0-Δf+Δf ，它與本振頻率f0的差值決定了多普勒估計/補償的性能，因此應盡力實時地最小化這一差值。

實現多普勒估計的算法分為盲頻移估計、基于冗余的頻移估計、基于先驗信息（位置、速度、頻譜地圖等）的頻移估計3類。兩步估計算法以及自動頻率校正（AFC）技術可有效地提高多普勒頻移估計的準確性和實時性，前者逐級進行粗同步和精同步，后者引入反饋機制將頻率估計和頻率補償閉環。

2.3 多普勒分集

上述的策略是將多普勒頻移（擴展）看作不利因素，主要目的是補償或降低多普勒效應帶來的負面影響。但是實際系統中，復雜的散射環境使信號在多條傳播路徑上產生不同的多普勒頻移，解決多頻移的估計與補償是系統面臨的一個難題。單獨考慮CFO往往不是對抗多普勒效應的最佳途徑，聯合CFO和信道估計以及利用多普勒分集等技術綜合解決CFO和信道快速變化，是對抗多普勒效應的必由之路。所以在現實場景下，我們還會看倒多普勒分集技術的應用。多普勒分集將多普勒擴展看作一種分集方式，將頻率偏移作為一種分集資源加以利用，從而增強有用信號能量，改善系統性能。

多普勒分集的研究按可否獲得完備的信道估計信息分為兩類，完備信道估計條件下的多普勒分集技術致力于挖掘信道自由度，實現最大多普勒分集階；而非完備信道估計條件下的多普勒分集技術重點研究信道估計誤差對分集性能的影響。一般而言，發送接收聯合設計才能獲得最大多普勒分集，其最大多普勒分集由信道相關矩陣的秩決定，多普勒分集可與多徑分集、空間分集一同實現。