衰落環(huán)境下高速鐵路基站配置標(biāo)準(zhǔn)研究

李 穎 張 闖

1(蘭州工業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730050)2(清華大學(xué)電子工程系 北京 100084)

?

衰落環(huán)境下高速鐵路基站配置標(biāo)準(zhǔn)研究

李 穎1，2張 闖2

1(蘭州工業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730050)2(清華大學(xué)電子工程系 北京 100084)

針對(duì)大尺度衰落和小尺度衰落共同作用的信道，從信息流的角度，研究離散時(shí)間加性高斯白噪聲干擾場(chǎng)景下的信道容量與總服務(wù)量之間的關(guān)系。從理論上推導(dǎo)出高速鐵路基站的服務(wù)量比率與基站間距的關(guān)系，為高速鐵路基站的合理配置提供行之有效的方法和依據(jù)。最后，在給定服務(wù)量比率的條件下，將大尺度衰落信道基站的配置間距和增加了小尺度衰落的基站配置間距進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果顯示：服務(wù)量比率η<0.9時(shí)，小尺度衰落相對(duì)于大尺度衰落對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響可以近似忽略；0.9<η<1時(shí)，小尺度衰落對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的影響。

高速鐵路 衰落 標(biāo)準(zhǔn) 服務(wù)量比率 基站間距

0 引 言

近年來(lái)，隨著京滬線、哈大線等高鐵線路的開通，高速鐵路的最高時(shí)速一次次被刷新。新型列車和速度的提升帶來(lái)舒適、高效乘車環(huán)境的同時(shí)，也對(duì)鐵路無(wú)線通信提出了更高的要求[1]。目前，我國(guó)高鐵的主流系統(tǒng)是GSM-R，傳輸速率小于200 kbps，由于自身窄帶的帶寬限制，它無(wú)法承載大量寬帶數(shù)據(jù)的傳輸，而且由于GSM-R屬于開放的無(wú)線系統(tǒng)，較容易受到外界的干擾，其局限性已無(wú)法適合現(xiàn)代無(wú)線通信發(fā)展的需求[2]。因此，為了向乘客提供穩(wěn)定的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)，保證乘客在高速移動(dòng)環(huán)境中的正常通信，鐵路基站的合理配置至關(guān)重要。

無(wú)論是優(yōu)化GSM-R系統(tǒng)，還是開發(fā)設(shè)計(jì)更優(yōu)的高速鐵路通信系統(tǒng)，首先需要解決幾個(gè)基本問(wèn)題：1) 高鐵的快速移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)，例如，車速為70 m/s，載頻為1.8 GHz，產(chǎn)生的多普勒頻移高達(dá)420 Hz。2) 由于高鐵車廂的封閉性，信號(hào)穿透高速列車金屬車廂導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)衰耗，高達(dá)20 dB以上[3]。3)高速鐵路的沿線地形復(fù)雜，如高山、峽谷、隧道等，無(wú)線通信環(huán)境較為惡劣。

針對(duì)問(wèn)題1)，因?yàn)楦哞F的運(yùn)行速度趨于恒定，產(chǎn)生的多普勒頻移可以較為精確估算，很多新的研究均忽略了高鐵環(huán)境下的多普勒頻移問(wèn)題，認(rèn)為多普勒頻偏可以得到完美補(bǔ)償。如文獻(xiàn)[4]提出的基于無(wú)線環(huán)境圖的算法，對(duì)信道中的多普勒頻偏有效地進(jìn)行補(bǔ)償。針對(duì)問(wèn)題2)，文獻(xiàn)[5,6]提出了兩跳的傳輸模型，即在車廂上裝載一個(gè)車載接入點(diǎn)AP。該模型有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是用戶的數(shù)據(jù)信息通過(guò)AP傳至基站，避免了用戶終端與基站的直接通信，有效地防止了車體損耗，避免能量損失；二是基站一次只需處理一個(gè)AP的切換，無(wú)需針對(duì)大量用戶終端，丟包率明顯下降，網(wǎng)絡(luò)傳輸性能得到提升。本文的研究也將采用上述兩跳結(jié)構(gòu)。

無(wú)線移動(dòng)通信信道通常將衰落劃分為大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落損耗是由于電波在傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗；小尺度衰落損耗主要是由多徑傳播而產(chǎn)生的衰落，它反映微觀小范圍內(nèi)數(shù)十波長(zhǎng)量級(jí)接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗，一般遵從Rayleigh或Rician分布，其變化率比慢衰耗快，所以稱為小尺度衰落[7]。高鐵的運(yùn)行環(huán)境包羅萬(wàn)象，因此，針對(duì)問(wèn)題3)，本文同時(shí)考慮了大尺度衰落LSF和小尺度衰落SSF對(duì)高鐵無(wú)線信道的影響，并利用Nakagami衰落描述信道的小尺度衰落。

綜上所述，本文從信息流的角度，研究了離散時(shí)間加性高斯白噪聲干擾場(chǎng)景下的信道容量與總服務(wù)量之間的關(guān)系[8]；從理論上提出了高速鐵路基站的服務(wù)量比率與基站間距的關(guān)系。并在給定服務(wù)量比率的條件下，將大尺度衰落下基站的配置間距和增加了小尺度衰落的基站配置間距進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明：在恒定發(fā)送功率條件下，1)SNR0相同，對(duì)于不同的列車速度v，服務(wù)量比率η相同；2) 對(duì)于相同的服務(wù)間距ds，SNR0越小，服務(wù)量比率η越大；3)SNR0越大，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差的變化趨于平緩，差距小于10 m，與列車速度v無(wú)關(guān)。4)SNR0越小，如果給定服務(wù)量比率η(η<0.9)，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差的變化趨于平緩，差距小于10 m，與列車速度v無(wú)關(guān)；如果給定服務(wù)量比率η(0.9<η<1)，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差迅速增大，可達(dá)100 m以上，并且與列車速度v無(wú)關(guān)。

本文在給定服務(wù)量比率的條件下，從理論上提出了基站間距與服務(wù)量比率之間的關(guān)系，分析提出的基站配置標(biāo)準(zhǔn)，在保證總服務(wù)量最大化的同時(shí)，能夠?yàn)楦咚勹F路基站的合理配置提供行之有效的方法和依據(jù)。

1 系統(tǒng)模型

一個(gè)兩跳結(jié)構(gòu)的傳輸模型如圖1所示。假定有一輛快速移動(dòng)的列車，車廂上裝載了一個(gè)車載接入點(diǎn)AP，AP通過(guò)天線從基站接收到信號(hào),再將信號(hào)傳遞給車廂內(nèi)的用戶，避免了用戶終端與基站的直接通信。

圖1 兩跳結(jié)構(gòu)的傳輸模型

在t時(shí)刻，假定輸入信號(hào)為X(t)，在加性高斯白噪聲干擾場(chǎng)景下，大小尺度衰落環(huán)境中的輸出信號(hào)Y(t)為：

Y(t) = H(t)X(t)+Z(t)

(1)

圖2 基站覆蓋模型

在大尺度衰落下，t時(shí)刻的信道容量為：

(2)

(3)

SNR0表示原點(diǎn)O處的平均接收信噪比：

(4)

2 定 義

2.1 信道服務(wù)量的定義

定義1服務(wù)量：信道的服務(wù)量是信道的平均容量在給定時(shí)間段內(nèi)的積分。

由于列車的快速移動(dòng)，信道是快衰落信道，因此，由信道的平均容量(以下簡(jiǎn)稱信道容量)代替實(shí)際信道的傳輸容量，則單基站的平均服務(wù)量(以下簡(jiǎn)稱服務(wù)量)表示為：

(5)

2.2 基站服務(wù)距離的定義

定義2服務(wù)距離：設(shè)基站的服務(wù)距離是ds，則ds是對(duì)稱于基站兩側(cè)的服務(wù)距離之和，且相鄰基站的ds之間互不相交。

假定從時(shí)刻-ts到ts，列車以速度v在基站服務(wù)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，則服務(wù)距離ds為：

ds=2vts

(6)

如果相鄰基站的服務(wù)距離分別是ds1和ds2，則基站間距為：

(7)

在本文的分析中，假定基站的服務(wù)距離等于基站間距，均用ds表示。

3 衰落環(huán)境下，基于服務(wù)量的高速鐵路基站配置標(biāo)準(zhǔn)

列車距離基站越遠(yuǎn)，信道容量越小。然而，為了給乘客提供穩(wěn)定的服務(wù)，要求基站能夠提供一定比率的服務(wù)量，因此，基站間距就與服務(wù)量比率密切相關(guān)。

假設(shè)基站提供的服務(wù)量占總服務(wù)量的比率(設(shè)為η，η∈[0,1])是個(gè)定值，則基站的服務(wù)距離，即基站間距可以唯一確定，則基站的最小信道容量也可以唯一確定。從時(shí)刻-ts到ts：

(8)

將式(3)代入式(8)，可以得到增加了小尺度衰落的服務(wù)量比率，見(jiàn)式(9)。hs(x)對(duì)不同的點(diǎn)x是獨(dú)立同分布的，因此，在給定時(shí)間域內(nèi)的積分是個(gè)常數(shù)。

(9)

將式(9)變形，并將x=vτ，ds=2vts代入，得：

(10)

在給定平均發(fā)送信噪比γ，路徑損耗指數(shù)α和列車與鐵路間距d0的條件下，隨著基站間距ds增大，式(10)的左側(cè)單調(diào)遞增，記為f1(ds)，式(10)右側(cè)的積分是個(gè)定值，記為C1，則式(10)簡(jiǎn)化為：

f1(ds)=C1η

(11)

f1(ds)可逆，則：

(12)

因此，由式(10)和式(12)可得：如果給定平均發(fā)送信噪比γ，路徑損耗指數(shù)α和列車與鐵路間距d0的條件下：1) 基站間距ds僅與服務(wù)量比率η相關(guān)，與列車速度v無(wú)關(guān)。2) 在服務(wù)量需求比率η一定的條件下，基站間距ds可以唯一確定，并且與列車速度v無(wú)關(guān)。

圖3給出了在恒定發(fā)送功率條件下，原點(diǎn)O處的平均接收信噪比為SNR0為10dB、25dB，列車速度為250km/h和360km/h(約為70m/s、100m/s)，大小尺度衰落信道的服務(wù)量比率和大尺度衰落信道的服務(wù)量比率與基站間距關(guān)系對(duì)比圖。由圖3可知：1) 大小尺度衰落信道的服務(wù)量比率和基站間距關(guān)系的理論結(jié)果與仿真結(jié)果一致；2) 大小尺度衰落信道的服務(wù)量比率隨基站間距變化趨勢(shì)與大尺度衰落信道的服務(wù)量比率變化趨勢(shì)相同；3) SNR0相同，對(duì)于不同的列車速度v，服務(wù)量比率η相同；4) 對(duì)于相同的服務(wù)間距ds，SNR0越小，服務(wù)量比率η越大。

圖3 服務(wù)量比率與基站間距關(guān)系圖

為了更加直觀地表示增加了小尺度衰落后，與只有大尺度衰落下的基站間距隨服務(wù)量比率η變化的差別。圖4給出了在恒定發(fā)送功率的條件下，原點(diǎn)O處的平均接收信噪比SNR0為10dB、25dB，列車速度為70m/s、100m/s，大小尺度衰落下的基站間距和只有大尺度衰落下的基站間距之間的差值隨服務(wù)量比率η變化圖。

設(shè)大尺度衰落下基站間距為dL，大小尺度衰落下基站間距為ds，基站間距差值為ξd，則：

ξd=|dS-dL|

(13)

圖4 服務(wù)量比率和基站間距差值關(guān)系圖

由圖4可知，1) 原點(diǎn)O處的平均接收信噪比SNR0越大，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差的變化趨于平緩，差距小于10m，與列車速度v無(wú)關(guān)。2) SNR0越小，如果給定服務(wù)量比率η(η<0.9)，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差的變化趨于平緩，差距小于10m，與列車速度v無(wú)關(guān)；如果給定服務(wù)量比率η(0.9<η<1)，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差迅速增大，可達(dá)100m以上，并且與列車速度v無(wú)關(guān)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)大尺度衰落和小尺度衰落共同作用的信道，本文從信息流的角度，研究了離散時(shí)間加性高斯白噪聲干擾場(chǎng)景下的信道容量與總服務(wù)量之間的關(guān)系；從理論上提出了高速鐵路基站的服務(wù)量比率與基站間距的關(guān)系。并在給定服務(wù)量比率的條件下，將大尺度衰落下基站的配置間距和增加了小尺度衰落的基站配置間距進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明：在恒定發(fā)送功率條件下，1)SNR0相同，對(duì)于不同的列車速度v，服務(wù)量比率η相同；2) 對(duì)于相同的服務(wù)間距ds，SNR0越小，服務(wù)量比率η越大；3)SNR0越大，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差的變化趨于平緩，差距小于10 m，與列車速度v無(wú)關(guān)。4)SNR0越小，如果給定服務(wù)量比率η(η<0.9)，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差的變化趨于平緩，差距小于10 m，與列車速度v無(wú)關(guān)；如果給定服務(wù)量比率η(0.9<η<1)，大小尺度衰落信道與大尺度衰落信道的基站間距之差迅速增大，可達(dá)100 m以上，并且與列車速度v無(wú)關(guān)。

本文在給定服務(wù)量比率的條件下，從理論上提出了基站間距與服務(wù)量比率之間的關(guān)系，對(duì)于不同的基站配置，都可以通過(guò)本文提出的定量分析，找到滿足要求的合理的基站配置間距。因此，本文對(duì)基站配置標(biāo)準(zhǔn)的分析，在保證總服務(wù)量最大化的同時(shí)，能夠?yàn)楦咚勹F路基站的合理配置提供行之有效的方法和依據(jù)。

[1] 吳端坡,金心宇,蔣路茸,等.高速鐵路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下掉話率分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2015,49(4):705-710.

[2] 陳晨,李長(zhǎng)樂(lè).高速鐵路通信系統(tǒng)方案研究綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(34):24-26,34.

[3] 于濤.高速鐵路GSM網(wǎng)覆蓋建設(shè)方案研究[D].吉林大學(xué),2013:8-11.

[4] Li J, Zhao Y.Radio environment map-based cognitive Doppler spread compensation algorithms for high-speed rail broadband mobile communications[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2012(1):1-18.

[5] Zhang Chuang,Fan Pingyi,Dong Yunquan,et al.Service-based high-speed railway base station arrangement[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2013.

[6] Yang Yaoqing, Fan Pingyi.Doppler frequency offset estimation and diversity reception scheme of high-speed railway with multiple antennas on separated carriage [J].IEEE Journal of Modern Transportation,2012,20(4):227-233.

[7] Brown P G, Constantinou C C,Maclean T S M.Long term fading in microcellular radio.Micro-Cellular Propagation Modeling[R].IEE Colloquium on.London,1992,1-6.

[8] Goldsmith Andrea.Wireless Communications [M].Stanford University:Cambridge University Press,2005:91-110.

RESEARCH ON ARRANGEMENT CRITERION OF HIGH-SPEED RAILWAY BASE STATION IN FADING CHANNELS

Li Ying1,2Zhang Chuang2

1(CollegeofElectronicalandInformationEngineering,LanzhouInstituteofTechnology,Lanzhou730050,Gansu,China)2(DepartmentofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

In light of the channel with joint action of large-scale fading and small-scale fading,from the perspective of information flow,we investigated the relationship between channel capacity and total service volume in discrete time additive white Gaussian noise interference scenario.The relationship between base station interval and base station service volume ratio of high-speed railway was theoretically deduced,which provides effective approach and basis in regard to reasonable arrangement of base station along the high-speed railway.Finally,under the condition of given service volume ratio,we carried out simulation experiment on the arrangement interval of base stations in both large-scale fading channels and small-scale fading channels,and made comparison and analysis on it.Results showed that when the service volume ratio η<0.9,the impact of small-scale fading on system design can be approximately ignored relative to large-scale fading;while 0.9<η<1,the small-scale fading will have greater effect on system design.

High-speed railway Fading Criterion Service volume ratio Base station interval

2015-09-30。國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61171064)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB316100(2))；國(guó)家科技重大項(xiàng)目(2010ZX03003-003)。李穎，講師，主研領(lǐng)域：移動(dòng)通信與無(wú)線技術(shù)。張闖，博士生。

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.11.017