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高速铁路GSM-R系统的多普勒频移估计与补偿研究高速铁路GSM-R系统的多普勒频移估计与补偿研究摘要：高速铁路通信系统是保障铁路列车正常运行的关键技术之一。
GSM-R系统作为一种专用移动通信系统，为高速铁路提供可靠的通信服务。
然而，在高速行驶的列车中，多普勒频移会给系统通信信号带来很大的影响，导致信号接收的误差。
本文通过对GSM-R系统中多普勒频移的估计与补偿的研究，提出了一种有效的解决方案。
1. 引言高速铁路的发展对通信系统提出了更高的要求，其中GSM-R作为一种专用移动通信系统，为高速铁路提供了全面的通信保障。
然而，由于高速行驶的列车会产生多普勒频移，使得接收到的信号与发送的信号存在频率偏差。
这使得系统难以准确识别和处理信号，从而影响通信质量和系统性能。
2. 多普勒频移估计方法为了解决高速行驶列车中的多普勒频移问题，必须准确估计和补偿频率偏移。
在GSM-R系统中，常用的多普勒频移估计方法包括基于FFT的方法和基于相关性的方法。
2.1 基于FFT的方法基于FFT的多普勒频移估计方法是通过将接收到的信号进行频谱分析，从而得到频率偏移的估计值。
该方法的优点是计算简单，效率高；缺点是由于高速行驶列车多普勒频移的连续性和非稳态性，可能会导致估计值的误差。
2.2 基于相关性的方法基于相关性的多普勒频移估计方法是通过相关性分析，利用接收信号与发送信号之间的相似度来估计频率偏移。
该方法的优点是对非稳态的多普勒频移较为准确，缺点是计算复杂度较高。
3. 多普勒频移补偿方法多普勒频移估计之后，需要对信号进行频移补偿，以确保信号能够准确识别和处理。
目前常用的多普勒频移补偿方法包括相位旋转法和I/Q信号旋转法。
3.1 相位旋转法相位旋转法是通过对接收到的信号进行相位旋转，使信号的频谱向频域中心移动，从而实现频移补偿。
该方法的优点是操作简单，实现容易；缺点是可能会引入一定的相位误差。
3.2 I/Q信号旋转法I/Q信号旋转法是通过将接收到的信号分解为实部和虚部，然后对其进行旋转，从而实现频移补偿。
高速铁路环境下TD-SCDMA系统的多普勒频偏校正算法巩晓群;曹源;谢鑫;姜明;许威【摘要】高速铁路环境带来的大多普勒频偏会严重破坏移动通信系统性能.为消除大多普勒频偏的影响并且不增加终端的设备复杂度,本文提出一种低运算复杂度的TD-SCDMA系统多普勒(Doppler)频偏校正方案.方案首先利用系统上行时隙中训练序列(Midamble)的结构特点估计多普勒频偏.然后,根据时分复用系统的特点,利用上行时隙的多普勒频偏估计结果在基站端对下行时隙进行多普勒频偏预校正.仿真结果表明,所提出的多普勒频偏校正方案在高速铁路环境下可以取得良好的性能.%Under high-speed railway environments, the performance of wireless communications systems is severely degraded due to large Doppler frequency offset. In order to mitigate the effect of significant Doppler frequency offset, a performance enhanced pre-offset compensation strategy is presented with Doppler frequency offset estimation and precorrection in TD-SCDMA systems. Specifically, by using the structural characteristics of the uplink midamble, the proposed method estimates Doppler frequency offset in the uplink timeslot. Then, the base station precorrects the Doppler frequency offset of the downlink timeslot based on the reciprocity property of TD-SCDMA systems. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm significantly improves the performance of high speed railway wireless communication systems.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】6页(P51-56)【关键词】多普勒频偏;TD-SCDMA;预校正;高速铁路;训练序列【作者】巩晓群;曹源;谢鑫;姜明;许威【作者单位】东南大学移动通信国家重点实验室,江苏南京210096;北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程中心,北京100044;东南大学移动通信国家重点实验室,江苏南京210096;东南大学移动通信国家重点实验室,江苏南京210096;东南大学移动通信国家重点实验室,江苏南京210096;北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京100044【正文语种】中文【中图分类】TN929.5当今,中国高速铁路建设规模不断增加,运行速度也不断加快,目前正在运行的高速铁路很多已经达到350 km/h.而根据3GPP的相关描述,对3G TDD系统的设计要求适应移动终端120 km/h的移动速度,所以目前3G TDD技术的基本设计和算法也是以120 km/h为基本目标,包括时隙结构的设计信道估计、频偏估计和接收检测等算法.因此,高车速给现有3G系统带来了一系列问题如：大多普勒频偏,小区频繁切换,电波快衰落严重等,导致高速铁路环境下的业务质量无法保证[1-3].同时,TDSCDMA技术是我国提出的3G技术标准,也是被ITU确定的三大标准之一.TD-SCDMA系统具有频谱利用率高,不需要成对频带,非常适用于非对称数据业务的特点,现在已经进入大规模商用阶段.目前已经投入运营的高速铁路其设计时速已经达到350 km/h,列车高速移动带来的最大多普勒频偏超过700 Hz.远超普通应用场景的多普勒频偏会造成接收信号严重的相位旋转,致使接收信号无法正确解调,从而造成高速铁路环境下的TD-SCDMA系统无法正常工作.因此,如何消除大多普勒频偏的影响是目前高速移动通信的研究重点之一.传统的CDMA系统频偏估计方法[4]是通过对信道主径进行相关运算,提取频偏进而利用锁相环进行频偏估计,此类算法复杂度低但忽略了多径的影响,因此算法的估计性能较差.后来,Fitz等人[5-6]提出近似最大似然(ML)频偏估计算法,算法通过对最大似然函数进行一系列的简化近似处理得到频偏估计表达式.Morelli等人[7-8]在此基础上提出了改进算法,算法利用训练序列受多径影响后的结构特性,采用部分相关与矩阵计算相结合的方法估计频偏,算法能够获得较好的估计性能但是需要信道信息并且计算复杂度高.石等人[9]提出了一种载波频偏与信道联合估计算法,算法虽然复杂度较低,但是估计频偏时仍然需要信道估计的信息. 前人提出的频偏估计算法没有考虑高速铁路环境的特殊性.针对列车高速运行带来的大多普勒频偏问题,以及铁路周边小区基站采用基带处理单元(BBU)+多个远端射频单元(RRU)的布局特点,本文作者提出了一种TD-SCDMA系统的多普勒频偏预校正算法,较好地解决了以上问题.1 系统模型和多普勒频偏模型1.1 TD-SCDMA系统模型TD-SCDMA系统的一个子帧包含7个时隙,每个时隙根据系统的具体需要分配给上行或下行链路.时隙结构如图1所示.时隙中的训练序列(Midamble)用于接收端的信道估计和频偏估计.假设TD-SCDMA系统中第k个码道的训练序列为其中K为总码道数.训练序列由小区128码片长度的基本训练序列经过循环移位变换生成.因此,训练序列具有以下特性训练序列经过多径衰落信道后在 t时刻的接收信号为式中：Δf为归一化多普勒频偏;hk(l)为多径衰落信道中第 l径上的衰落系数,并且为高斯白噪声.图1 常规时隙结构Fig.1 Normal timeslot structure1.2 高速铁路环境下的多普勒频偏模型在高速铁路环境下,由于列车车厢穿透损耗很大,因此基站架设离铁轨很近才能保证基站对高速列车内用户的覆盖.此时,多普勒频谱扩展具有一个窄带波形并且随着列车运行,其值从最大值扫到最小值.而且,列车运行方向与来自基站信号方向之间的夹角通常很小,多普勒频偏变化率也很小,变化率最大情况出现在列车刚好经过基站的时刻.移动通信系统的最大多普勒频偏的表达式为式中：f为载波频率;c为电磁波传播速度;v是列车速度.高铁环境下的多普勒频偏表达式[10]为式中其中,D s为小区半径;D min为基站与铁轨之间的距离;t为时间.根据上式,给出高铁环境下典型多普勒频偏如图2所示.图2 高铁环境下典型多普勒频偏Fig.2 Typical Doppler frequency offset in high-speed railway environments从图2上可以看出,多普勒频偏在多数时间内变化很平缓,但是在列车经过基站时,多普勒频偏会有一个从正到负的陡变,而在列车跨小区时,多普勒频偏会有一个从负到正的陡变.而且,基站距离铁轨越近,列车经过基站时的多普勒频偏变化越快.2 多普勒频偏估计和预校正2.1 上行链路多普勒频偏估计TD-SCDMA系统采用QPSK调制方式,为保证接收端的正确解调,多普勒频偏造成的最大相位旋转不能超过π/4.TD-SCDMA系统每个子时隙的长度为864码片(chip),多普勒频偏在每个码片上的接收信号和上一个码片的接收信号之间有固定的相位旋转,前后两个码片之间的相位差为Δf◦T c,多普勒频偏在一个子时隙上造成的最大相位旋转为863◦Δf◦T c.因此,系统能容忍的最大多普勒频偏为即对于TD-SCDMA系统,其码片速率为1.28 MHz,将其代入式(7),有Δf≤185 Hz.因为高速铁路环境下的多普勒频偏远远超过TD-SCDMA系统的容忍限度,所以必须采用频偏估计和补偿等方案解决这一问题,以保证系统正常工作.传统的TD-SCDMA系统频偏估计方案中,通常利用训练序列受多径影响后的结构特性采用部分相关与矩阵运算相结合的方法消除多径影响从而估计出频偏.但是,在这些方案中,频偏估计需要信道信息,而且运算复杂度较高.根据训练序列的循环相关特性,我们提出一种新的TD-SCDMA系统频偏估计方案,并且利用切比雪夫Ⅱ型滤波器对估计结果进行优化.关系数为其中表示为同时,Δf的最大似然估计可以表达为因此,根据式(9)和式(10),经过一系列推导,并简化不影响Δf估计的冗余部分后,可以得出上行链路的频偏估计算法为数计算相位时,要求取值落在范围[-π,π)内,如果超过该范围,就会导致2π的相位模糊,导致频偏的估计值和实际值之间产生较大的误差.因此,根据式(11),新频偏估计算法的估计范围为从式(12)可以看出,新频偏估计算法可以满足高速铁路环境下大多普勒频偏估计的要求.利用高速铁路环境下的多普勒频偏在大多数时间内基本不变的特性,为进一步提高上行链路多普勒频偏估计性能,我们利用切比雪夫Ⅱ型滤波器对多普勒频偏初步估计结果进行滤波处理,滤波器传递函数为2.2 下行链路多普勒频偏预校正由于高速铁路环境下多普勒频偏过大,现有CDMA系统终端设备上的多普勒频偏处理方案无法解决大多普勒频偏带来的影响.而且,在高速铁路环境下,为避免小区频繁切换,往往采用基带处理单元(Base-Band processing Unit,BBU)结合远端射频单元(Remote RF Unit,RRU)的方式沿铁路线进行布站.这种情况下,如果列车处于两个远端射频单元之间时,下行链路中移动终端接收到的信号混合了多个远端射频单元上不同的多普勒频偏,因此无法正确地估计多普勒频偏.本文利用 TD-SCDMA系统的时分特性,根据上行链路远端射频单元多普勒频偏的估计结果对下行链路的发送信号进行预校正.此方案不仅可以解决多个远端射频单元带来的影响,而且不增加系统终端的设备复杂度.由于终端设备自动将接收信号频率作为参考基准信号发送上行信号,因此上行链路的频偏是下行链路的两倍.假设上行链路多普勒频偏的估计值为Δˆf,则下行链路的多普勒频偏预校正值应为Δˆf/2.因此,经过预校正的下行链路在第k码道,t时刻的发送信号应该为式中sk(t)为在远端射频单元经过调制、扩频和扰码后的发送信号.3 仿真结果及分析为验证本文提出的高速铁路环境下TD-SCDMA系统上下行链路多普勒频偏联合解决方案,针对单用户多码道的TD-SCDMA系统进行了仿真.仿真中的无线信道采用莱斯衰落信道,默认莱斯因子为3 dB,具体多径信道参数如表1所示.默认车速为300 km/h,基站与铁轨之间的距离为2 m,小区半径为500 m,设TD-SCDMA系统载频为2.1 GHz,码片速率为1.28 MHz,调制方式为QPSK,采用 16倍扩频,4码道.接收端采用迫零(Zero Forcing,ZF)联合检测算法对接收信号进行检测.表1 多径信道参数(车厢内速度3 km/h)Tab.1 Multipath channel parameters(vehicle speed in carriage：3 km/h)抽头数相对时延/ns 相对平均功率/dB 1 0 0 2 2 928 -3 3 1 200 -10图3给出了莱斯信道下,不同多普勒频偏处理算法的性能.从图中可以看出,在高速铁路环境下,未加入多普勒频偏预校正方案的TD-SCDMA系统完全不能工作,新提出的多普勒频偏处理方案可以较好地解决高车速带来的大多普勒频偏,切比雪夫Ⅱ型滤波器可以进一步提高处理方案的工作性能.图3 各种多普勒处理方案在莱斯信道下的BER性能图Fig.3 BER performanceof different Doppler frequency offset estimation method over rice channels 图4 和图5分别给出了莱斯信道下,不同多普勒频偏处理算法在含有信道编码的TD-SCDMA系统中的BER和SER性能.仿真采用约束长度为9的1/2卷积码,译码方法为维特比硬译码.从图中可以看出,多普勒频偏处理方案在含有信道编码的系统中也可以取得良好的性能.图6给出了莱斯信道中,多普勒频偏处理方案在不同车速下的BER性能.从图上可以看出,当信噪比较高时,多普勒频偏处理方案性能随车速的增加而下降.这是由于车速越高,多普勒频偏变化越频繁,而且多普勒频偏在正负之间变化的时间越短,从而导致多普勒频偏处理方案性能下降.图4 各种多普勒处理方案在莱斯信道下的BER性能图(含卷积码)Fig.4 BER performanceof different Doppler frequency offset estimation method over rice channels(including convolutional code)图5 各种多普勒处理方案在莱斯信道下的SER性能图(含卷积码)Fig.5 SER performance of different Doppler frequency offset estimation method over rice channels(including convolutional code)图7 给出了莱斯信道中,多普勒频偏处理方案在不同小区半径下的BER性能.从图上可以看出,多普勒频偏处理方案在同等车速下,随小区半径的增加而有所改善.这是因为随小区半径的增加,多普勒频偏变化趋于缓慢,从而导致多普勒频偏处理方案性能有所改善.图8给出了莱斯信道中,多普勒频偏处理方案在不同D min(铁轨与基站的距离)下的BER性能.从图上可以看出,当D min较大时,多普勒频偏处理方案有较好的性能.性能改善的原因是当列车经过基站时,多普勒频偏由正到负的变化会较为平缓.图9给出了多普勒频偏处理方案在不同莱斯因子下的性能图.从图上可以看出,由于莱斯因子越大,信道越趋近于单径直射信道,因此多普勒频偏处理方案的性能越好. 图6 不同车速下的BER性能图Fig.6 BERperformance of the proposed method with different vehicle speed图7 不同小区半径下的BER性能图Fig.7 BERperformance of the proposed method with different cell radius图8 不同 D min下的BER性能图Fig.8 BERperformance of the proposed method with different D min图9 不同莱斯因子下的BER性能图Fig.9 BER performanceof the proposed method with different rice factor4 结束语本文作者提出了一种高速铁路环境下 TDSCDMA系统的预校正算法.高速铁路环境下的移动通信往往多普勒频偏过大,而且小区基站大多采用基带处理单元(BBU)+多个远端射频单元(RRU)的布局方法,本文利用TD-SCDMA系统的TDD特点,首先在系统的上行链路估计多普勒频偏,然后通过折算,在系统的下行链路进行多普勒频偏预校正,从而消除高速铁路环境下大多普勒频偏对系统性能带来的破坏.仿真结果验证了本文算法的有效性,而且计算复杂度低,不增加终端设备复杂度,具有很强的实用性.参考文献(References)：[1]陈晨,李长乐.高速铁路通信系统方案研究综述[J].计算机工程与应用,2010,46(34)：24-26.CHEN Chen,LI Changle.High speed rail communication system：A survey[J].Computer Engineering and Applications,2010,46(34)：24-26.(in Chinese)[2]李辉明.高铁移动网络中克服多普勒效应方法[J].通信技术,2012,45(03)：57-59.LI Huiming.Method for overcoming doppler effect in high-speedrail[J].Communications Technology,2012,45(03)：57-59.(in Chinese)[3]陈虎,陈金鹰.TD-SCDMA网络典型场景优化[J].通信与信息技术,2012(01)：56-58.CHEN Hu,CHEN Jinying.The typical scene optimization of TD-SCDMA systems[J].Communication&Information 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数字通信频偏估计数字通信中的频偏估计是一个关键问题，它对于确保通信系统的稳定性和可靠性至关重要。
频偏会使传输信号的波形发生偏移，导致误码率升高，影响通信质量。
本文将探讨数字通信中的频偏估计方法。
频偏估计的方法主要包括基于接收信号的频谱分析和基于调制/解调技术的方法。
在接收信号的频谱分析中，通常使用快速傅里叶变换（FFT）等方法来分析接收信号的频谱，以找出可能的频偏。
这种方法需要精确的频谱分析器，并且对噪声和干扰较为敏感。
另一种频偏估计方法是基于调制/解调技术。
这种方法通常使用同步解调技术，如最大似然（ML）或最小均方误差（MMSE）等方法，来估计接收信号的相位偏移。
这种方法需要精确的相位估计和同步技术，适用于高速数字通信系统。
在实际应用中，需要根据系统的特性和要求选择合适的频偏估计方法。
对于一些低速通信系统，可以使用简单的频谱分析方法进行频偏估计。
而对于高速通信系统，则需要使用更精确的调制/解调技术进行频偏估计。
此外，还可以结合多种方法，如自适应均衡、盲源分离等，以提高频偏估计的精度和可靠性。
在进行频偏估计时，需要考虑多种因素，如信道特性、噪声干扰、信号质量等。
这些因素可能会影响频偏估计的准确性，因此需要采取相应的措施来减小这些因素的影响。
例如，可以通过优化滤波器设计、调整参数设置等方法来提高滤波器的性能，从而减小噪声干扰的影响。
总之，数字通信中的频偏估计是一个重要问题，需要采取合适的措施来减小误差和提高通信质量。
在实际应用中，需要根据系统的特性和要求选择合适的频偏估计方法，并采取相应的措施来减小误差和提高通信质量。
同时，还需要不断研究和改进现有的方法和技术，以适应未来通信技术的发展需求。
1.1 多普勒频移多普勒频移是指由于发射机和接收机之间的相互运动，接收机收到的频率与发射机发出的频率之间会有一定的偏差，这个偏差就是多普勒频移。
多普勒频移将导致基站和手机的相干解调性能降低，直接影响小区重选与切换等性能。
对手机，考虑一倍频偏，而对基站，则应考虑两倍频偏。
多普勒频移计算公式为：f d = v*f /c *Cosθ图多普勒频移协议规定，多普勒效应下GSM900可以承受的最大径向时速为250km/h。
当列车时速超过250km/h时，必须考虑对多普勒频移进行频偏补偿，否则通话质量和系统性能将明显恶化。
1.2 应用多普勒频偏补偿功能在高铁应用场景下，由于高速移动导致的多普勒频移对网络的性能造成较大影响。
因而在高铁场景下，需要进行频偏校正来克服多普勒频移的影响。
我司SDR进行频偏校正是在基带上进行的，主要针对性上行频偏进行校正，因此，会对上行接收质量和与上行质量有关的性能指标有所提升。
1.2.1 后台配置方法SDR版本7.00.30.08p52支持多普勒频偏补偿功能。
配置支持TLV格式OMCR->站点属性->基本属性页面，配置站点支持TLV格式。
配置支持频偏校正OMCR->小区属性->其他参数页面，配置小区支持频偏校正功能。
配置RACH_Busy_Threshold为63OMCR->小区属性->基本属性3页面，配置小区ACH_Busy_Threshold为63。
1.2.2 应用案例介绍来自湖南移动武广高铁长沙段应用的案例。
武广高铁长沙段共计9个逻辑小区。
现场对9个小区开启频偏校正功能后，重点对上行RQ 分布和由于上行质量导致的切换尝试两项指标进行了频偏校正前后的性能比较。
上行RQ01分布数据对比：上行RQ67分布数据对比：0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%80.00%90.00%100.00%2010-09-072010-09-082010-09-092010-09-102010-09-112010-09-122010-09-13由于上行质量导致的切换比例数据对比性能比较结果如下：➢ 上行RQ （0-1）比例，站点1～3有明显提升，基本都有12%左右的提升；站点4略有提升；站点5～9的指标基本没有明显变化。
高速铁路移动通信中的一种频偏校正方法李美艳【期刊名称】《陕西理工学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(029)003【摘要】高速铁路移动通信中对LTE系统性能影响最大的因素是多普勒效应.因此,频偏估计与频偏补偿是高速铁路移动通信中一个最主要的研究内容.为了抑制高速铁路移动通信中较大的多普勒频偏所带来的系统解调性能恶化,保证高速铁路移动通信中的网络覆盖质量,基站接收机必须能够对上行接收数据的频偏进行实时跟踪校正.分析高速铁路移动通信中多普勒频偏对LTE系统带来的影响,提出一种自适应的频偏校正方法.仿真结果表明校正方法明显地提升了基站的解调性能,能够有效地解决高速铁路移动通信中由于高速移动而带来的多普勒大频偏问题.%Doppler effect is the factor that exerts greatest impact on the performance of LTE in high-speed rail mobile communication system.Therefore,frequency offset estimation and compensation is a key research issue in high-speed rail mobile communication.In order to restrain the deterioration of the demodulation performance from large Doppler frequency shift in high speed rail mobile communication,and ensure network coverage & quality,the base station receiver must be able to perform frequency offset estimation and compensation for received data on the uplink in real time.Based on an analysis of the Doppler shift in high-speed rail mobile communication impact on the LTE system,the paper proposes a frequency offset correction.The simulation results show that the correction methodfor baseband demodulation performance has improved significantly,and the high-speed rail traffic problems in the Doppler shift are effectively solved.【总页数】5页(P14-17,27)【作者】李美艳【作者单位】西安外事学院工学院,陕西西安710077【正文语种】中文【中图分类】TN929.5【相关文献】1.一种基于频偏函数最优解估计的VCO非线性校正方法 [J], 贾永昌;金梁;黄开枝;刘双平2.移动通信中一种快速收敛的多普勒频偏估计方法 [J], 华惊宇;滑翰;盛斌;尤肖虎3.移动通信中一种不受功率控制影响的多普勒频偏估计方法 [J], 华惊宇;尤肖虎4.一种高速移动场景中的频偏校正方法 [J], 戴翔;黄登山5.一种QPSK中的频偏校正方法 [J], 孙腾;苑春雷;马守兴因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
