高铁移动网络中克服多普勒效应方法.pdf
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57
2012
年第
03
期，
第
45
卷
通
信
技
术
Vol.45，
No.03,2012
总第
243
期
Communications
Technology
No.243,Totally
高铁移动网络中克服多普勒效应方法
李辉明
（中国移动湖州分公司，浙江
湖州
313307）
【摘
要】
移动通信网络中，高速移动网络一直是个难解决的课题，高速移动会带来很强的多普勒效应，
产生较强的快衰落特性，对网络各项关键绩效指标（KPI）产生严重影响，严重时会导致用户无法使用移动
网络。高速铁路时速较快，多普勒移频较大，大的频移特性给高铁网络优化带来很大的麻烦。这里先分析
多普勒效应基本概念，接着讨论了多普勒频移对网络产生的影响，再介绍了克服多普勒效应的方法和算法，
最后从站址选择上提出现网中应该注意的地方。
【关键词】
多普勒频移；AFC
算法；包络
【中图分类号】
TN929.532
【文献标识码】
B
【文章编号】
1002-0802(2012)03-0057-03
Method
for
Overcoming
Doppler
Effect
in
High-speed
Rail
LI
Hui-ming
（Huzhou
Branch,
China
Mobile
Communications
Co.,Ltd,
Huzhou
Zhejiang
313307,
China）
【Abstract】
In
the
mobile
communication
network,
it’s
a
hard
to
solve
high-
speed
mobiling
of
the
network,
and
thus
problem
always
attracts
much
attention.
High-speed
mobiling
would
bring
strong
Doppler
effect,
and
thus
result
in
fast
fading
character
istics
and
serious
impact
on
KPI,
or
even
on
network
operation.
High-speed
rail
is
known
for
its
high
speed,
and
Doppler
frequency
shift
brings
much
trouble
to
the
high-speed
rail
network.
This
paper
first
analyzes
the
basic
concept
of
the
Doppler
effect,
then
discusses
its
impact
on
mobile
network
and
the
method
and
algorithm
for
overcoming
this
effect,
and
finally
gives
suggestions
in
site
selection
for
reducing
the
Doppler
effect.
【Key
words】
Doppler
Effect;
AFC
Algorithm;
Envelope
0
引言
随着全国高铁建设得如火如荼，高铁网络越来
越显得重要，高铁网络也成为省公司考核要点。由
于高铁车体（
CRH
）衰耗较大，以及车速较快，采
用一般站点的建设和优化方法已经满足不了要求。
概括起来，高铁覆盖的主要特性有
[1]
：①移动速度
超过
300
km/h
，多普勒效应明显；②覆盖呈线型，
地形多变；③话务量相对集中，列车经过时话务突
发；④车体穿透损耗较大，快衰落现象明显。
针对高铁网络上述特性，各地移动网络均采用
专网建设方式。
多普勒频移也叫多普勒扩展，代表了信号的衰
落速度。如果当做频移来理解进行频偏实验，不管
是全球移动通讯系统（
GSM
）
、时分同步码分多址
（
TD-SCDMA
）、
CDMA800
、
CDMA2000
、宽带码
分多址（
WCDMA
）等等，当频偏越大，所传输数
据误码率就越高。高铁运行速度较快，频移势必也
会较大，对于传输数据误码率就较高。相对来说，
语音业务对误码率要求较低，误码率越高，通话会
越模糊，语音质量会越差，只有当语音质量持续达
到
6～
7
级一段时间才会掉话；数据业务则不同，误
码率越高，数据业务乱码越多，基本的数据业务将
会中断。因此，高铁覆盖中由于多普勒效应，数据
业务更加容易受到限制。
1
多普勒效应基本影响
对于以固定速率
v
移动的移动终端（
MS
）
，所
接收信号产生的多普勒频移为：
cos
cos
n
m
n
c
n
v
f
f
f
c
，
（
1
）
收稿日期
：2011-12-14。
作者简介：
李辉明（1983-），男，硕士，助理工程师，主要
从事无线网络优化工作。
58
式中：
n
f
为达到
MS
上第
n
条路径的多普勒频移；
m
f
为最大多普勒频移；
c
为光速；
c
f
为载频频率，即
到达
MS
的第
n
路信号频率；
n
为到达
MS
的第
n
路
信号与
MS
移动方向夹角。
从式（
1
）看出，多普勒频移大小与
MS
的运动
速度成正比，速度越大，则频移越大。当
MS
从远
离基站到靠近基站的时候，由信号频率和频移合成
频率
(
)
c
n
f
f
会在中心频率
(
)
c
f
上下片移。当靠近
基站的时候，合成频率增大；远离基站的时候，合
成频率减小。在相同情况下，
1
800
MHz
频段的频
移是
900
MHz
频段频移的
2
倍，在现网中，高铁采
用的站型都为
900
MHz
站点。
考虑到高铁站点单小区覆盖距离一般在
1.5
km
左右，高铁站点离铁轨
100
m
，式（
1
）中，
n
的取
值范围大致为（
0
，
180
）
，而
n
处在快速变化之中，
合成频率也随之在快速变化之中。
2
多普勒频移补偿算法
大部分厂家在高铁解决方案中，采用自动选频
控制（
AFC
，
Automatic
Frequency
Control
）算法
[2]
，
用于快速进行频移校正，该算法主要是在频率变化
过程中，根据列车的运行位置进行频率补偿，已达
到消除多普勒效应的影响。
AFC
算法大致思路
[3]
是根据数模转换器（
DAC
）
取
3800
（
3900
）－
4200
（
4300
）
，得
2
个频偏值，
再以这两组值算斜率（
slope
）。
DAC
和时钟频率偏
移
（
Frequency
Offset
）
有
近
似
线
性
的
关
系
，
DAC-Frequency
Offset
曲线由
2
个要素决定，基准
值
和
曲
线
的
斜
率
。
所
谓
的
基
准
值
指
的
就
是
当
Frequency
Offset
值为零时
DAC
的值，如果还知道
Slope
的值，就可以根据任何一个
Frequency
Offset
计算出对应的
DAC
值了。
实践仿真证明，该算法效果改善非常明显。图
1
、
图
2
给
出
不
同
AFC
算
法
对
随
机
接
入
信
道
（
RACH
）、业务信道（
TCH
）的补偿效果，可以看
出，当频偏达到一定程度（
800
Hz
），没有采用
AFC
算法时，
RACH
、
TCH
信道已经变得极不稳定，而
采用
AFC
算法后，两种信道比较平稳，频偏对
2
种
信道影响较小。
虽然
AFC
算法能够一定程度上对多普勒频移进
行有效补偿，但是在靠近基站位置，根据余弦函数
图形在
90
°位置的陡变，此时，合成频率也同时发
生陡变，使得
AFC
算法跟不上频偏变化，从而导致
有较大的残留频偏。图
3
仿真了
MS
离基站不同距
离下的
AFC
残留频偏，在帧周期为
3
900
左右，距
离
100
米以内，
MS
从远离基站位置到靠近基站位置
下不同的频偏值，
MS
越靠近基站，频偏越大。
图
1
AFC
算法对
RACH
信道补偿效果
图
2
AFC
算法对
TCH
信道补偿效果
图
3
不同距离下
AFC
残留频偏
3
从基站站点位置减少多普勒效应
实测的高铁覆盖场强中，视距下传输损耗比自
由空间要大
2
0～
30
dB
[4]
，这说明
MS
接收信号除了
直射信号，还存在大量的反射和折射信号，图
4
为
典型的高铁信号模型。
图
4
高铁信号模型
这种场景不同于市区的宏蜂窝站点，市区接收
信号包络在任何情况下都服从瑞利分布，而对高铁
移动通信来说，接收到的信号由一个起主导作用的
直射信号加上大量的反射信号，形成的信号包络服
59
从莱斯分布，期概率密度函数为：
2
2
0
exp(
)
(
),
0,
(
)
2
0,
0,
x
x
c
xc
I
x
P
x
B
B
B
x
≥
（
2
）
式中，
B
为瑞利分量中的平均功率；
2
2
c
为信号中占
主导地位的直射信号平均功率；
0
(
)
I
x
函数为第一类
零阶修正贝塞尔函数。
高铁网络中信号衰弱较大，即式中
B
数值较大，
当
0
B
时，无反射信号，信号衰减为零，非高铁网
络中也不存在该种情况。在实际建网过程中，应设法
增大
2
2
c
，减小
B
。通常定义
2
2
c
K
B
，
K
为莱斯因
子，
K
值是越大越好。根据高铁信号模型
[5]
，在高铁
站点建设过程中，一方面应减小站点和轨道的垂直距
离，该距离受限于高铁建设要求，必须距离高铁超过
50
米，规划站点位置一般在
10
0～
150
米之间；另外
一方面，扩大图
4
中，
H
与
h
之间的差值，
h
值为高
铁高度，为一固定值，只能考虑扩大
H
值，现网中单
管塔一般高度
50
米，应尽量放在第一平台。
4
结语
多普勒效应制约着高铁移动通信，现网中已有
很多方案提出了不同的解决办法，但是和陆地移动
通信相比，高铁移动通信系统还存在各种各样的问
题，比如：切换与重选（切换带较短，加强快速切
换，
LAC
边界位置更新量较大）问题，小区各种指
标异常（无线接入性较差，掉话偏高）问题等等。
本文讨论的各种减小多普勒效应方法已经应用于现
网方案中，不少厂家高铁解决方案中已经充分利用
了
AFC
算法，根据仿真图可以看出效果较好，但是
还有很多问题需要解决，需要不断地改进。
参考文献
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（上接第
56
页）
2
）多线程串口编程
CSerialPort
类。其工作流程
如下：首先设置好串口参数，再打开串口监测工作线
程，检测到串口事件后，以
PostMessage
（
hWnd,
Msg,
wParam,
lParam
）消息通知主程序，激发消息处理函
数
RecvSCCMsg(wParam,
lParam)
来进行数据处理
[5]
。
3
）用
MSComm
控件进行串口通信。它是微软提
供的
Windows
环境下实现串行通信的
ActiveX
控件，
通过添加
MSComm
控件
ID
的控制变量以及串口事件
的消息处理函数
OnComm(
)
函数，编写处理代码。
3.3
测试结果
将硬件系统搭建好后，开启
VC
生成的视频监控
程序，测试结果如图
4
所示。
图
4
距离信号控制视频切换
该系统以两路视频信号输入和两路测距信号输
入为基础，当手动选择优先时，距离信号不影响视
频源的选取。反之，取消手动选择优先，则窗口显
示的是最近的距离信号所在位置的摄像头的信息。
从结果可以看出，取消手动优先选项，距离
2
小于
距离
1
，视频显示的是线路
2
的摄像头信息。
4
结语
本文设计的车载视频监控系统，能够较好地完
成从距离信号读取到视频自动切换的过程，具有一
定的应用前景。在后面的研究中，加上
GPS
模块以
及多个视频窗的同时显示，配合视频图像的手机传
输，语音信号报警装置，可以实现汽车的定位以及
防盗，对行车安全等都有一定的现实意义。
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