4  高铁通信抗快衰落尤为重要

在移动通信传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径，而是来自许多路径的众多多径波的合成。由于电波通过各种路径的距离不同，因而各条路径的波到达的时间不同，相位也不同，不同相位和幅度的多个信号在接收端叠加，有时同相增强，有时反相减弱，这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径传播引起的，称为多径快衰落，它的变化速率与移动体行进速度及工作频率（波长）有关，其变化范围可达数十dB。衰落的平均速度为2v/λ。假如频率为1 800 MHz，当车速为300 km/h时，衰落的平均速率为2v/λ=980 Hz。在2G和3G数字移动通信系统中，为了对抗快衰落可以归结为以下4个较为常用的技术措施。

a） 信道编码纠错技术（如卷积编码、Turbo编码等）、交织保护和重传协议，以增加信号的冗余度，并进行时间分集。

b） 分集接收/发射、瑞克（Rake）接收、均衡等技术。

c） 扩频技术。

d） 加大衰落储备：减少通信距离、增加发射功率、调整天线高度、选择合适路由。

依据参考文献［3］， 在高速移动（150 km/h以上）时，包括WCDMA在内的2G/3G其快速功率控制效果都不明显，此时比的是哪种制式抗衰落手段多、衰落储备量较大。TD-SCDMA不能适应高速移动，主因是技术先进的智能天线在高铁工程基本没有采用，系统处理增益又不高，加上用户终端的发射功率较小，因此造成在高速移动情况下，覆盖区边缘由于衰落储备不足而掉话；GSM在高铁工程没有启用功控，但是由于GSM只是作话音，信道编码纠错技术作用显著，基站功率达40 W，手机功率达2 W，在站距较短的情况下，衰落储备量起作用，高铁应用效果还不错。GSM系统中的EDGE在高速时效果也不好，其主要原因是EDGE在高速数据时编码速率（RC）为1，没有编码冗余度，对应信道编码增益较低，加上高阶的数字8PSK调制，使解调EDGE数据的信噪比高至c/I≥18 dB（解调GSM话音c/I≥9 dB），这些都预示着EDGE边缘覆盖电平需要更强，需要更大的衰落储备，实际高铁工程因2个覆盖小区之间衰落储备不足，导致传输的数据速率会迅速下降。

5  高铁中的TD-SCDMA覆盖方案

上文所论及的是TD-SCDMA可以对抗高速移动所产生的多普勒频移，但是对抗高速移动所产生的快衰落效果不佳。在工程中要想有效地解决问题不是在直放站侧加频偏修正（AFC），如果要加频偏修正，可在基站侧加频偏修正。笔者认为加频偏修正没有必要，工程中可能有负作用，其实加频偏修正后，快衰落的问题还是没有解决。工程可将对抗快速衰落和多普勒频移一并解决，从高铁隧道覆盖采用漏缆技术可以得到启示。列车在高速前进中，安装在列车顶上的天线与漏缆来的电波入射角总是90°，即cos90°=0，从式（1）中得出多普勒频移为零（fd=0）。因此多普勒频移问题得到解决。更重要的是，漏缆辐射口至车顶天线为最短的直射路径，多径波也最少，因此快速衰落的现象也最不明显。针对高速铁路具体问题，TD-SCDMA全线采用漏缆覆盖不太现实，但是采用多直放站短站距是能够做到的（见图1）。

图1 高速铁路TD-SCDMA设计方案示意图

图1建议站距为1 000 m，无线覆盖半径为500 m左右。这样直放站天线与车顶天线之间形成自由空间传输链路，短站距信号稳定，符合减少快衰落措施中的第d）条，使TD-SCDMA车顶天线的接收功率PCCPCH的RSCP大于-55 dBm。工程中建议TD-SCDMA高铁覆盖应采用专网覆盖。每个基站东西两侧各加5~6个光纤直放站。如果投资费用允许，直放站还可以再密一些，保证高速数据通信，反之直放站也可以少一些，只保证话音或低速率的数据通信。

6  LTE如何对抗多普勒扩展

已被3G长期演进（LTE）方案选用的正交频分复用（OFDM）是一种无线环境下的高速传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的子载波进行调制。OFDM在算法上可用反向快速傅立叶变换（IFFT）实现，利用很低的复杂度可生成高达2 048个子载波。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能，获得了对时延扩散的抵抗能力。但由于符号的脉冲宽度变宽（Tb变大），在高速移动时不能满足Tb远远小于相干时间T0 （T0 =0.423/fm ），无线信道表现出的是快衰落信道，此时的多普勒扩展就会引起信号失真。

为了消除多普勒扩展对OFDM系统的影响，有些学者正在尝试多普勒分集技术用于OFDM系统（见图2）[2]，采用多普勒瑞克接收机（Doppler-Rake），首先去掉循环前缀，然后经过几条频移支路进行多普勒分集。这种在基带对信号进行频移后再进行分集的结果相当于在不同的频点上通过带通滤波器对接收信号进行多普勒分集。每一条移频支路的信号在进行串并变换、快速傅立叶变换（FFT）和信道均衡后，再将每条支路上所对应的子载波上的数据进行合并，然后再进行判决，后面就是通过OFDM系统解调的其余环节。

图2 采用Doppler-Rake的OFDM收发系统

在多径信道每条径上的多径时延、载波频率偏移服从均匀分布的衰落信道条件下，文献［5］给出了系统的仿真结果如图3所示。可以看出，系统的性能类似于采用Doppler-Rake的单载波系统的性能，频率偏移越大，多普勒分集的效果越明显，频率偏移很小时，多普勒分集的作用很小。

图3 采用Doppler-Rake的OFDM系统性能

7  结束语

综上所述，由于多普勒频谱扩展限制了低速数据传送，而不是高速宽带数据传送，因此多普勒频谱扩展对当今的2G和3G没有什么影响。但对未来的LTE技术，由于采用了将高速的串行数据变成低速并行数据由多个子载波（多达几百至上千个子载波）传送，此时多普勒扩展在高铁通信中是需要认真对待的。此外，在高铁通信的GSM或TD-SCDMA中应加大功率储备才能抗快速瑞利衰落带来的影响。