高速铁路无线通信系统多普勒频移估计算法的研究

摘要

高速铁路迅速发展对无线通信系统的服务质量提出了更严格的要求。如何能够保证为高速移动的列车提供实时安全可靠的无线信息数据传输通道以及为旅客提供方便高效的无线宽带接入服务已成为无线通信系统技术研究的热点问题。GSM-R(Global System for Mobile Communications for Railway,铁路数字移动通信系统)是以GSM为平台的铁路专用无线通信系统,是时速500公里以内高速铁路列控系统信息传输的良好平台。在GSM-R系统中,列车快速移动带来的多普勒频移问题增大了系统的误码率,成为影响整个系统通信质量的因素之一。传统的多普勒频移估计算法虽然精度较高,但是频移估计范围较小。高速铁路场景下的多普勒频移随着列车运营速度的提高而快速增大,频移范围大幅度变化。因此,在提高频移估计精度的同时,如何增大频移估计范围成了高速铁路无线通信系统多普勒频移估计算法研究的一个方向。
　　本文针对传统多普勒频移估计算法在频移估计范围和估计精度两者之间较难达到合理平衡这一问题,对GSM-R无线通信系统的多普勒频移估计算法进行了深入分析研究。在改进Fitz算法的基础上,采用一种基于车载信息与改进Fitz算法相结合的联合估计方法来进行多普勒频移估计计算,在提高了频移估计精度的同时增大了频移估计范围。
　　首先,介绍一般无线信道的特性,主要介绍包括多径效应和多普勒效应在内的小尺度衰落特性。在此基础上,具体分析高速铁路传播环境下无线信道的特性。
　　其次,分析GSM-R系统所采用的GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying,高斯滤波最小频移键控)信号特点与频移估计理论,包括分析GMSK信号调制解调技术特点,参数估计的最大似然函数表达式的推导以及参数估计性能评价基准的介绍。然后具体分析高速铁路中高架桥、隧道、路堑等场景下多普勒效应统计特点,多普勒频移随列车运行的动态变化情况和常见场景下多普勒功率谱形状特点。
　　最后,分析研究GMSK信号线性调制的几种多普勒频移估计算法。包括基于最小均方误差的频率与相位估计算法、基于差分的单频率估计算法、经典Fitz算法与改进Fitz算法公式的推导、优缺点对比。在改进Fitz算法的基础上,结合车载信息提出一种联合估计方法来进行多普勒频移估计计算,并对该方法进行仿真分析。结果表明,该方法相对于经典Fitz算法在增大了频移估计范围的同时,提高了估计精度,并且运算复杂度低。

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1 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

2 高速铁路无线信道的基本特性

2.1 无线信道的衰落特性

2.2 高速铁路场景下无线信道特性

3 高速铁路GMSK信号频移估计

3.1 GMSK信号

3.2 GMSK接收方式

3.3 GMSK信号估计理论

4 高速铁路无线通信系统多普勒效应

4.1 高速铁路场景下多普勒效应

4.2 高速铁路场景下多普勒功率谱

4.3 高速铁路列车多普勒效应具体分析

5 高速铁路GSM-R系统多普勒频移估计算法

5.1 基于数据辅助的最大似然估计

5.2 基于最小均方误差的频率与相位估计算法

5.3 基于差分的单频率估计算法

5.4 经典Fitz算法

5.5 联合估计方法

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果