多點協(xié)作技術在戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈中的應用

魏龍飛

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安710068)

多點協(xié)作技術在戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈中的應用

魏龍飛

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安710068)

摘要：為了提高戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈地面站點的上行覆蓋能力，將多點協(xié)作技術應用于戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，在給出多點協(xié)作模型的基礎上，提出了一種基于信號干擾噪聲比(SINR)的數(shù)據(jù)檢測算法。該模型利用多個站點之間的空間分集增益，提高邊緣數(shù)據(jù)鏈終端的信號檢測質量，從而提高了地面站點的上行覆蓋性能。仿真結果表明，該多點協(xié)作模型在較低系統(tǒng)復雜度增加的前提下大大提高了地面站點的邊緣吞吐量和上行覆蓋能力。

關鍵詞：數(shù)據(jù)鏈；多點協(xié)作；數(shù)據(jù)合并；信號干擾噪聲比

0引言

當今戰(zhàn)場敵我態(tài)勢瞬息萬變、稍縱即逝，傳統(tǒng)的語音通信已經不能滿足高速機動作戰(zhàn)的需要，因此戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈應運而生。戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈使用數(shù)據(jù)通信將各個平臺探測到的戰(zhàn)場信息在各個作戰(zhàn)單元之間共享，且可以實現(xiàn)指控命令在各個作戰(zhàn)單元與武器平臺進行傳輸與交換。數(shù)據(jù)鏈一般由地面站點和數(shù)據(jù)鏈終端組成，站點的覆蓋能力在一定程度上就影響了數(shù)據(jù)鏈的性能[1-2]。地面站點與數(shù)據(jù)鏈終端之間的通信分為上行和下行，地面站點可以通過增大發(fā)射功率來提高站點的下行覆蓋，但是數(shù)據(jù)鏈終端由于體積、功耗各方面受限，無法簡單通過增大發(fā)射功率提高上行覆蓋。因此，有必要研究一種提高站點覆蓋能力、改善站點邊緣覆蓋的方法。

在移動通信中，改善小區(qū)邊緣終端的性能，提高邊緣區(qū)域吞吐量是一個研究的熱點。其中，多點協(xié)作技術被看作是最有前途的突破口，通過多小區(qū)間的協(xié)作調度或聯(lián)合處理降低小區(qū)間的干擾，達到提升邊緣用戶的傳輸性能，提高小區(qū)吞吐量的效果[3]。本文將該多點協(xié)作技術應用至戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，利用多個地面站點與數(shù)據(jù)鏈終端之間的空間分集增益，提高數(shù)據(jù)鏈終端數(shù)據(jù)的檢測質量，從而改善站點邊緣的吞吐量，達到改善站點邊緣覆蓋的目的。

本文首先給出了戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中上行多點協(xié)作系統(tǒng)模型；接下來針對戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈與該協(xié)作模型的特點，設計了基于信干噪比(SINR)的數(shù)據(jù)檢測算法，該檢測算法根據(jù)SINR值對多個站點接收的數(shù)據(jù)進行適當?shù)暮喜ⅲ暂^小的復雜度增加換取較好的性能；然后對該協(xié)作模型的吞吐量進行了仿真，并進行了結果分析；最后給出了研究和分析的結論。

1上行多點協(xié)作數(shù)據(jù)鏈模型

1.1　上行多點協(xié)作技術

上行多點協(xié)作指地理位置上分離的多個站點聯(lián)合接收一個終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時站點之間利用有線鏈路交互終端業(yè)務信息、控制信息等，通過站點之間的數(shù)據(jù)合并與聯(lián)合檢測來實現(xiàn)[4-5]。因為多個站點在地理上是分離的，利用多個站點與終端之間的空間分集增益，可以提高終端數(shù)據(jù)的檢測質量，尤其可以改善站點邊緣的吞吐量和覆蓋能力。本文將該多點協(xié)作技術應用于戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈，通過地面站點之間的聯(lián)合處理，提高地面站點的上行覆蓋問題。

1.2　上行多點協(xié)作模型

在本模型中，將地面站覆蓋邊緣區(qū)域的數(shù)據(jù)鏈終端簡稱邊緣終端；反之，與地面站點較近的數(shù)據(jù)鏈終端簡稱中心終端。中心終端由于離站點較近，站點接收到終端信號較強，終端信息正確接收的概率較高；反之，邊緣終端由于離站點較遠，信息正確接收的概率不能保證。本文采用邊緣終端與中心終端之間的協(xié)作，因為中心終端的性能較好，協(xié)作方式能夠利用中心終端性能帶動邊緣終端性能。

圖1給出了多點協(xié)作模型。A、B和C是3個兩兩相鄰的站點，終端a、b和c分別在站點A、B和C的覆蓋范圍內，因此A、B和C分別給終端a、b和c提供服務。終端a為邊緣終端，位置局限于圖1中上面六邊形的邊緣區(qū)域，終端b和c分別為各自所在站點的中心終端。因為本階段主要考察協(xié)作對邊緣終端性能的提高，所以邊緣終端a是關注的焦點，在以下敘述中，A站點稱為服務站點，B和C站點稱為協(xié)作站點。

圖1　多點協(xié)作模型

對于3站點協(xié)作的情況，每個站點在同一頻帶上可能存在多個終端，本階段的研究先假定各個站點在同一頻帶上只有1個終端的情況。對于站點A調度1個邊緣終端，站點B和C分別調度與A站點終端同頻帶的1個中心終端。為了不失一般性且較好地體現(xiàn)多點協(xié)作技術的優(yōu)勢，假設每個站點有4根天線，終端有1根天線，站點和終端之間構成了一個簡單的多輸入多輸出(MIMO)模型。則服務站點A的接收信號為

(1)

協(xié)作站點B的接收信號為：

(2)

協(xié)作站點C的接收信號為：

(3)

式中：RXk為站點X的第k個天線上接收到的信號；HXyk為終端y與站點X的第k個天線之間的信道；xy為終端y的發(fā)送信號；IXk為站點X的第k個天線接收到的干擾信號；NXk為站點X的第k個天線接收到的噪聲信號。

2數(shù)據(jù)合并與聯(lián)合檢測算法

對于非協(xié)作模式，服務站點對本站點4根天線接收到的終端數(shù)據(jù)進行合并，然后直接對該數(shù)據(jù)進

行解碼，其他站點接收到數(shù)據(jù)直接丟棄[5]。對于上行多點協(xié)作模式，多個站點同時接收終端數(shù)據(jù)，同時多個站點利用有線鏈路交互控制信息以及終端的業(yè)務數(shù)據(jù)，通過站點之間的數(shù)據(jù)合并與聯(lián)合檢測來實現(xiàn)。因為多個站點在地理上是分離的，利用多個站點與終端之間的空間分集增益，可以提高終端數(shù)據(jù)的檢測質量，改善站點覆蓋能力。

本文針對數(shù)據(jù)鏈與多點協(xié)作技術特點，提出了基于SINR的數(shù)據(jù)檢測算法，該算法通過計算服務站點、協(xié)作站點與邊緣終端之間的SINR值，對多個站點接收的數(shù)據(jù)進行適當?shù)暮喜?，以較小的復雜度增加換取較好的性能。

從上一節(jié)的公式看以看出，當對終端a進行信號檢測時，服務站點A和協(xié)作站點B、C收到終端b，c的信號是干擾信號。在該多點協(xié)作模型中，因為中心終端性能較好，假設協(xié)作站點可以正確檢測中心終端的數(shù)據(jù)。因此，在服務小區(qū)與協(xié)作小區(qū)進行數(shù)據(jù)合并之前，協(xié)作小區(qū)先減去本小區(qū)中心終端的數(shù)據(jù)，即協(xié)作小區(qū)需要先進行干擾抵消。

一般情況下，邊緣終端離協(xié)作站點比較遠，但是當協(xié)作站點與邊緣終端之間的信道比較好時，如協(xié)作站點接收端的干擾比較小時，協(xié)作站點正確檢測終端a的數(shù)據(jù)概率有可能大于服務站點。因此，在上行多點協(xié)作系統(tǒng)中，可以先計算服務站點、協(xié)作站點到終端的SINR，然后根據(jù)站點到終端SINR值從大到小的順序，依次對終端數(shù)據(jù)進行檢測。若檢測失敗，進入站點間數(shù)據(jù)合并過程，優(yōu)先選擇服務站點和SINR較大的協(xié)作站點進行合并。以圖1上行多點協(xié)作模型為例，具體實現(xiàn)過程如下：

(1) 協(xié)作站點B、C對本站點內中心終端b、c進行信號檢測，然后協(xié)作站點B、C對邊緣終端a的干擾信號進行干擾抵消。

(2) 計算服務站點、協(xié)作站點與邊緣終端a之間的SINR，得到其SINR分別為：RA、RB、RC。

(3) 對RA、RB、RC由大到小進行排序，依次選擇對應的站點對邊緣終端a的數(shù)據(jù)進行檢測。若檢測正確，則檢測結束；若檢測失敗，執(zhí)行步驟(4)。

(4)SINR值較大的協(xié)作站點在干擾抵消后與服務站點A進行數(shù)據(jù)合并，然后對邊緣終端a的數(shù)據(jù)進行檢測。若檢測成功，則檢測結束；若檢測失敗則執(zhí)行步驟(5)。

(5) 將服務站點A和協(xié)作站點B、C 3個站點干擾抵消后的數(shù)據(jù)進行合并，然后對邊緣終端a的數(shù)據(jù)進行檢測。若檢測成功，則檢測結束；否則，檢測失敗。

基于SINR的數(shù)據(jù)合并與聯(lián)合檢測算法處理流程圖如圖2所示。

圖2　基于SINR數(shù)據(jù)檢測算法流程圖

3仿真結果

這一節(jié)對基于SINR的數(shù)據(jù)檢測算法進行了仿真，并給出了仿真分析。圖3給出了仿真模型，該模型仿真了虛線圍繞區(qū)域內，A站點邊緣終端和B站點、C站點中心終端協(xié)作的情況。對于站點A來說，其干擾來自于以A為中心的2圈共18個站點。

在該信道模型下，每個站點有500個終端，則A站點協(xié)作區(qū)域內有10個終端(邊緣終端)，B和C站點各有10個對應的中心終端，每隔一定的調度周期(4 ms)，各個站點從這10個終端中輪詢選擇1個終端。仿真參數(shù)如表1所示。

多點協(xié)作模式與非協(xié)作模式下頻譜效率比較如圖4所示。

圖3　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真模型

從圖4中可以看出上行多點協(xié)作模式頻譜效率相對于非協(xié)作模式大概有0.20 bps/Hz的提高，提高的這部分頻譜效率正是由邊緣區(qū)域頻譜效率提高所致的。

表1　仿真參數(shù)

因此，協(xié)作模式可以顯著提升站點邊緣的速率，提高站點邊緣吞吐量，改善了站點邊緣覆蓋。多點協(xié)作模式的缺點是，在提高了地面站點上行覆蓋性能的同時，增加了系統(tǒng)信令的開銷和系統(tǒng)復雜度的提升，且信令的設計和交互將是另一個需要進一步研究的問題。

4結束語

圖 4　協(xié)作模式與非協(xié)作模式頻譜效率比較

本文將多點協(xié)作技術應用于戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，給出了戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈上行多點協(xié)作模型，接下來針對該協(xié)作模型特點，設計了基于SINR的數(shù)據(jù)檢測算法。該模型能夠利用多個地面站點之間的空間分集增益，提高邊緣終端數(shù)據(jù)的檢測質量，仿真結果證明，該模型較好地改善了站點邊緣覆蓋，可以顯著增強地面站點的上行覆蓋能力，從而提高戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的性能。

參考文獻

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Application of Coordinated Multi-point Technology to Tactical Data Link

WEI Long-fei

(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Abstract:In order to improve the up-link coverage capacity of tactical data link in the ground sites,this paper applies the coordinated multi-point technology to tactical data link system,brings forward a data detection algorithm based on signal to interference and noise ratio (SINR) on the basis of giving coordinated multi-point model.The model uses the space diversity gain among multiple sites to advance the signal detection quality of edge data terminal,thereby improves the up-link coverage capacity of the ground sites.The simulation results show that the edge throughput and up-link coverage capacity of ground sites can be improved greatly by using the coordinated multi-point model under the premise of system complexity increasing relatively low.

Key words:data link;coordinated multi-point;data merging;signal to interference and noise ratio

收稿日期:2015-03-13

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.012

中圖分類號：TN929.53

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0043-04