代 赛，费 丹，姚欣楠，胡晓红

GSM-R网络运行稳定,在实现铁路通信数字化、机车同步操控、列车控制信息传送、保障列车通信和运行安全等方面发挥着重要作用。目前,京沪高铁、京津城际已按350 km/h速度运营,京广高铁也已计划恢复350 km/h运营速度。虽然GSM-R系统支持最高速度500 km/h,但是目前实际运营线路的最大设计速度目标值均不超过350 km/h。在相关设计标准和验收规范中,一般将设计速度分为v≤220 km/h、220 km/h＜v≤280 km/h、v＞280 km/h 3个等级,未对v＞280 km/h做更详细的划分［1］。因此,有必要研究GSM-R系统在时速350 km及以上条件下的QoS性能。

与低速状态相比,高速铁路环境中无线信道最突出的问题是存在较大的多普勒频偏,因此需认真了解研究。

1 多普勒频偏

由于发射机与接收机之间存在相对运动,接收机接收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值,这个差值就是多普勒频偏［2］。

多普勒频偏fd计算公式：

式中：f为信号载频；v为移动速度；c为电波传播速度（3×108m/s）；θ是电波传播方向和移动台运动方向之间的夹角。

高速铁路场景下,多普勒频偏示意见图1。其中,d为基站覆盖半径,t为列车进入基站覆盖区的时间,h为基站天线到铁路的距离。可见

图1 多普勒频偏示意

由式（1）和（2）可得

以d=1 500 m,v=300 km/h,h=50 m,GSM-R下行信号频率f=930 MHz为例,单基站下多普勒频偏（fd）随时间（t）变化见图2,连续基站多普勒频偏为单基站多普勒频偏曲线的重复。

图2 多普勒频偏变化示意

从图2可见,在高速铁路场景中,由于列车运行速度快,多普勒频偏明显大于公众移动通信网。同时,由于GSM-R系统一般采用线状覆盖方式,基站距铁轨较近,当列车通过基站时,在很短的时间内多普勒频偏会由正转负,变化率较高,具有快速动态变化的特点,这一点在公众移动通信网中一般不会出现。……