時速400 km+高速鐵路無線通信抗多普勒頻移研究

孫路遙

摘要 列車高速移動產生的多普勒頻移對無線通信影響較大。隨著鐵路運行速度向時速400 km+邁進，多普勒頻移的影響將更加顯著。同時，鐵路運營對無線通信帶寬和可靠性的要求正在不斷提高。針對這一現狀，結合現有鐵路GSM-R通信系統及下一代5G-R通信系統特性，研究多普勒頻移對時速400 km+高速鐵路無線通信系統的影響程度。并對常用抗多普勒頻移技術的效果進行分析，得到一種適用于時速400 km+高速鐵路的解決方案。

關鍵詞 時速400 km+；GSM-R；5G-R；多普勒頻移

中圖分類號 TN929.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0011-03

0 引言

隨著我國鐵路建設邁向新階段，時速400 km+高速鐵路建設已進入研究階段，對作為高等級列車控制系統關鍵傳輸通道的鐵路專用無線通信系統提出了更高要求。同時，鐵路運營對無線通信帶寬和可靠性的要求也不斷提高。

目前，國內高速鐵路普遍使用的GSM-R通信系統的相關技術條件要求能夠支持最高時速500 km高速鐵路列車的通信需求。但是，截至目前尚未有在超過時速350 km條件下的實際應用。該文結合現有鐵路GSM-R通信系統及下一代5G-R通信系統特性，研究多普勒頻移對時速400 km+高速鐵路無線通信系統的影響程度。并對常用抗多普勒頻移技術的效果進行分析，得到一種適用于時速400 km+高速鐵路的解決方案。

1 多普勒頻移對時速400 km+高速鐵路無線通信系統影響的理論分析

對于鐵路無線通信系統，列車高速移動產生的多普勒頻移引發的載波頻率偏移會導致信號解調性能顯著下降，降低無線鏈路的穩定性，同時引起信道系數隨時間快速變化，造成符號檢測性能顯著下降，誤比特率變大。

多普勒頻移可由以下公式進行計算：

式中，fd——多普勒頻移；f——載波頻率；c——光速；v——列車運行速度；θ——列車運行方向與入射波方向的夾角。

通過對式（1）分析可知，在無線通信頻率確定的情況下，對于特定速度運行的列車，多普勒頻移僅受列車運行方向與入射波方向的夾角（范圍在0 °～180 °之間）這一個因素的影響。當夾角越接近90 °時，多普勒頻移越小。而列車運行方向與入射波方向的夾角的范圍，可通過改變無線通信站點與鐵路線路的距離、調整無線通信基站間距、調節天線掛高等途徑進行控制。

對于國內正在使用的GSM-R通信系統和正在研究的鐵路5G-R通信系統，分別取910 MHz、2.1GHz兩個典型載波頻率，取列車天線與基站天線的高度差為30 m，在時速為350 km、400 km、450 km的不同速度值下，對無線通信站點與至鐵路線路的距離與多普勒頻移的關系進行仿真計算，得到不同速度值下多普勒頻移最大值如表1所示：

以時速400 km為例，無線通信站點與鐵路線路在不同距離下，列車運行時多普勒頻移變化情況如圖1～2所示。

2 常用抗多普勒頻移技術

常用的抗多普勒頻移應對技術可以分為三類：多普勒規劃、多普勒補償和多普勒利用[1]。

2.1 多普勒規劃

在設計階段，考慮通過改進無線通信站點的布局和調整參數應對信道快速變化的問題，這一策略基于多普勒效應的緩解。多普勒效應在高速鐵路系統中的顯著性主要由列車與雷達波束之間的相對角度和行進軌跡決定。

結果顯示，對于某一固定速度行駛的火車，其多普勒效應主要取決于火車行進路線與無線電波發射角度的關系，此角度可在0 °～180 °之間變動。因此，為了降低高速鐵路的頻移問題，關鍵在于巧妙地選擇無線電通信站點的位置。

適當增加無線通信站點與鐵路軌道的隔離距離，并減小站點間的距離，可以在一定程度上緩解多普勒效應引發的問題。仿真數據顯示，若將車站和鐵路軌道的距離從100 m增加至200 m，則可以降低多普勒頻移峰值約30%。同樣，將站點間的距離從500 m減至300 m也可以取得相似的效果。

進一步改善網站架構，降低列車通過無線通信站點時多普勒頻移的增長速度，能夠有效減少頻移干擾的影響。

2.2 多普勒補償

多普勒補償技術是指通過多種手段，估計系統實時的載波頻率偏移，再對頻率偏移進行補償，進而減少多普勒頻移對系統的影響。

因此，多普勒補償技術的關鍵是對載波頻率偏移進行快速準確估計。目前常用的多普勒頻移估計手段可分為三類：基于輔助數據的頻移估計、盲頻移估計和基于先驗信息的頻移估計。

2.2.1 基于輔助數據的頻移估計

基于輔助數據的頻移估計是通過在信號中插入已知的導頻或者訓練序列作為輔助，在接收端對比收到的冗余信號與插入的原始信號，進而得出當前的頻移量。

這種方式可以精確地得到實時頻移量，但是輔助數據的引入在一定程度上占用了帶寬資源。

5G技術作為一種正交頻分復用（OFDM）通信系統，多普勒頻移會直接對子載波正交性造成破壞。因此，5G系統在設計時即考慮了多普勒頻移對高速條件下通信系統的影響。5G NR的每個時隙中都包含解調解碼所需的解調參考信號（DMRS）和必要的控制信息。其中解調參考信號采用了前置的DMRS導頻與時域密度可配置的附加DMRS導頻相結合的DMRS導頻結構，可以在時速400 km+條件下仍滿足對信道時變性的估計精度。

2.2.2 盲頻移估計

盲頻移估計技術是一種不依賴外部數據輔助的方法，其能夠精確測定頻移，同時節省了帶寬資源。本質上來講，這種技術基于數學公式，依賴精確的信道模擬，并對頻率偏移進行詳細分析。然而，這種算法的應用受到多種因素的制約，包括信道狀況、環境影響以及算法本身的特性，因此其適用范圍存在顯著差異。

在高速鐵路沿線，由各種地形條件造成的復雜信道為頻移估計帶來了更大挑戰。穿梭于各種地貌的迅捷火車會導致信道參數不斷波動，使得精準建模變得更加困難。例如，地形特征如隧道、橋梁、曲線等會引起信號多次反射和衰減，從而增加信道的復雜度。面對信道時變和多徑效應等挑戰，提高盲頻移估計的準確度就顯得尤為困難。

針對高速鐵路環境，需要對盲頻移估計算法進行深入研究并加以優化，以適應其復雜的信道特性。為了提高頻移估計的準確度和魯棒性，考慮整合例如信道預測和多徑效應校正等額外技術手段非常必要。為了應對多變的地形和列車運行帶來的挑戰，專門設計的頻移計算策略至關重要，其能夠有效適應復雜的信道環境，進而顯著增強通信系統的可靠性與效能。

2.2.3 基于先驗信息的頻移估計

利用先進技術如衛星導航和速度傳感，實時獲取位置和速度數據，并通過先前知識計算頻率偏移，進而推算多普勒效應帶來的頻率變化。高速鐵路通信網絡的基站分布、軌道布局及列車運行速度等信息均可提前掌握。例如，假設鐵路線向北延伸，起點基站A位于原點（0，0），列車目前位于（1 000，0），速度為300 km/h，憑借既有知識，能夠確定列車相對于基站A的方位角，進而推斷多普勒效應所導致的頻率偏移。

在實際應用場景中，由于隧道結構遮擋了信號，導致衛星定位技術在隧道內無法正常工作。因此，該文建議采用速度積分法準確計算列車在隧道內的具體位置。盡管速度傳感器的精準度不足，可能會引起列車位置的誤差估計。盡管速度傳感器的誤差僅有1%，但在積分作用下，位置誤差可能逐漸累積，最終影響多普勒頻移的測量精度。

在管理高速鐵路無線傳輸過程中，基于先驗信息的頻率偏移估計的技術暴露了其內在缺陷。此法雖宜于測算多普勒頻移，但在無衛星定位信號的隧道等地域，只能借助速度累積法估算列車位置，這樣容易產生誤差，進而降低頻移計算的精確度。

2.3 多普勒利用

多普勒效應，因其引起的頻率變化，廣泛應用于提升通信性能。其中，多普勒分集技術備受矚目，其采用高效的信號處理方法，在時頻兩個層面上成功實現信號副本的分辨和干擾的移除，從而顯著提升通信性能。

多普勒分集技術的核心在于利用多普勒效應引起的頻率變動，對信號進行復制，以提高信號的備用能力。通過精致的信號處理技巧，這些冗余信號得以高效地融合與利用。例如，當一列高速鐵路列車經過一個基站時，基站會接收到多個信號復制，每個復制對應著不同的多普勒頻移。通過多普勒分集技術，可以巧妙地恢復這些復制信號，從而提升它們的質量和穩定性[2]。

然而，多普勒分集技術在實際應用中面臨著眾多挑戰。只有發送端與接收端緊密配合，多普勒分集的效果才能發揮到極致。每個通信系統的部件，從硬件到軟件，從信號處理到算法，必須緊密協作，共同發揮作用。設備間的差異阻礙了多普勒分集技術的普及。

舉例來說，當一輛高速列車飛馳而過時，基站可能會捕捉到多個信號的復制，每個復制都會引起獨特的多普勒頻移現象。合理利用這些復制信號可以提高通信系統的抗干擾能力和可靠性。然而，要實現這一技術，需要設備間的高度協同和精細的信號處理算法設計，因此是一項極具挑戰性的工作。

3 針對多普勒頻移的工程解決思路

3.1 無線站點規劃

由前文可以看出，調整無線通信站點與鐵路軌道之間的距離以及基站之間的間距，是減輕多普勒效應影響的有效方法。然而，在進行站點規劃時，需要綜合考慮多個因素。

增加無線通信站點與鐵軌之間的距離可能會導致信號傳輸損耗增加，進而影響通信質量。舉例來說，如果基站分布過于稀疏，信號在傳輸過程中損耗過多，使得信號強度降低，更容易受到外界干擾，從而影響通信質量。

另一方面，基站過于密集分布也會帶來問題。基站過多部署導致小區覆蓋區域減小，頻繁信號轉換影響通信穩定性和用戶體驗。舉例來說，基站分布過密會導致列車頻繁進行網絡切換，增加了信令交互負擔，降低了通信效率，甚至可能導致通信故障。

因此，在規劃無線站點時，需要綜合考慮基站的位置、間距和路徑損耗等多個因素，科學規劃基站間距與布局，通過采用先進的天線技術、提高基站建設高度等方法，可以有效減輕多普勒效應的干擾，確保通信品質與系統穩定。

3.2 無線系統設計

在無線系統設計中，針對高速移動環境下的5G-R通信系統，其中一項重要的策略就是充分利用解調參考信號，特別是附加的DMRS導頻。這樣的設計能夠在列車時速超過400 km的條件下，實現對時變信道的精確估計。DMRS導頻作為一種特殊的參考信號，在信道估計和數據解調中起著關鍵作用。例如，在5G-R通信系統中，通過合理配置DMRS導頻，可以實現對高速列車運動過程中信道特性的實時跟蹤，從而提高通信系統的魯棒性和性能。

另一方面，在設計通信系統的OFDM（正交頻分復用）基本參數時，需要注意多普勒頻移可能引發的信道干擾，特別是頻率間干擾（ICI）。由于OFDM符號周期與子載波間隔成反比，因此需要權衡選擇合適的OFDM子載波間隔。過小的子載波間隔可能導致符號周期過大，從而增加了系統對時頻變化的敏感性。通過合理選擇子載波間隔，例如保持在幾十千赫范圍內，可以有效降低多普勒引起的信道干擾，提升系統的抗干擾性能[3]。

4 總結

該文對時速400 km+條件下高速鐵路無線通信系統多普勒頻移產生的原因進行了分析，對常用的抗多普勒頻移應對技術進行了梳理，結合GSM-R、5G-R系統特性以及工程實際，對時速400 km+條件下高速鐵路無線通信系統可以應用的抗多普勒頻移應對技術進行了總結。但是，目前的研究還缺乏實際的實驗作為支撐，應利用未來將要建設的時速400 km+條件下的高速鐵路工程，對相關技術及方案進行實驗驗證。

參考文獻

[1]范平志， 周維曦. 高移動無線通信抗多普勒頻移技術研究進展[J]. 西南交通大學學報， 2016（3）： 405-417.

[2]周游， 朱世磊， 胡捍英. 一種新的恒模信號OFDM系統的盲頻偏估計算法[J]. 吉林大學學報（工學版）， 2014（5）： 1512-1516.

[3]黃勁安， 區奕寧， 董力， 等. 5G空口設計與實踐進階[M]. 北京：人民郵電出版社， 2019.