面向5G-R大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的新型多址方案

薛 珍，艾 渤，馬國(guó)玉，馬毅琰，李庚乾

(1.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044；2.鄭州中建深鐵軌道交通有限公司，河南 鄭州 450000)

高速鐵路是一種快捷便利的出行方式，極大地提高了人們的出行效率，對(duì)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。如今，我國(guó)高速鐵路建設(shè)與發(fā)展全面提速，高速鐵路的智能化發(fā)展已成為國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。與此同時(shí)，世界高速鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家已相繼提出智能化發(fā)展戰(zhàn)略，智能高速鐵路已成為世界高速鐵路領(lǐng)域新的增長(zhǎng)點(diǎn)與競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)[1]。我國(guó)高速鐵路也在逐步向智能鐵路轉(zhuǎn)型升級(jí)[2]，研究人員將時(shí)下熱門(mén)的先進(jìn)技術(shù)，如人工智能(Artificial Intelligence, AI)、云計(jì)算(Cloud Computing)、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)、大數(shù)據(jù)(Big Data)、區(qū)塊鏈(Blockchain)、建筑信息模型(Building Information Model，BIM)等應(yīng)用到高速鐵路中，并不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提升鐵路信息化、智能化水平，我國(guó)智慧鐵路建設(shè)的總體技術(shù)水平已處于世界領(lǐng)先行列。智能高速鐵路的研究由面向車體的智能裝備技術(shù)、面向旅客的智能服務(wù)與運(yùn)營(yíng)技術(shù)、面向列車的智能建造技術(shù)三個(gè)方面組成，5G技術(shù)在高速軌道場(chǎng)景下的研究是實(shí)現(xiàn)上述三方面復(fù)雜的智慧型高速鐵路建設(shè)的必要條件[3]。隨著5G技術(shù)的成熟，5G公網(wǎng)在高速鐵路上的部署已經(jīng)開(kāi)始了相關(guān)試驗(yàn)，而5G專網(wǎng)系統(tǒng)即鐵路5G系統(tǒng)(5G for Railway，5G-R)也已進(jìn)入了研究探索階段[4]。中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)發(fā)布的《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》中，明確表示科研人員要勇于創(chuàng)新，構(gòu)建屬于自己的先進(jìn)技術(shù)裝備體系，推進(jìn)完善5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、萬(wàn)物互聯(lián)等基建應(yīng)用，統(tǒng)籌規(guī)劃新一代移動(dòng)通信專網(wǎng)建設(shè)，賦予鐵路智慧發(fā)展[5]。5G-R技術(shù)將在列車及其沿線地面間構(gòu)建新型通信鏈路，滿足數(shù)據(jù)高傳輸速率、列車高速移動(dòng)、信息高實(shí)時(shí)性、傳輸高可靠性的需求，在為乘客提供便利的同時(shí)，也將為鐵路商業(yè)用戶提供更多高水平、高性能的業(yè)務(wù)。由此可見(jiàn)，5G-R專網(wǎng)的建設(shè)對(duì)未來(lái)智能高速鐵路具有十分重要的意義, 國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)未來(lái)智能高速鐵路的關(guān)注度和期待值也越來(lái)越高[6]。

相較于之前的鐵路通信系統(tǒng)，5G-R專網(wǎng)不僅在原有移動(dòng)寬帶的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升用戶速率，并且也考慮了用戶的連接性需求及傳輸可靠性需求。國(guó)際電信聯(lián)盟在2015年定義了5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(enhanced Mobile Broadband，eMBB)、超可靠與低時(shí)延通信(Ultra-Reliable Low Latency Communications，URLLC)、大規(guī)模機(jī)器類通信(massive Machine-Type Communications，mMTC)[7]在5G-R系統(tǒng)中同樣適用。隨著高速鐵路發(fā)展的大眾化和普遍化，人們對(duì)未來(lái)鐵路的旅客信息服務(wù)業(yè)務(wù)的期待與要求逐漸變高。eMBB適用于提高乘客乘車體驗(yàn)的場(chǎng)景，主要特點(diǎn)為超高的數(shù)據(jù)傳輸速率和廣覆蓋下的移動(dòng)性保證，5G-R專網(wǎng)下的車站將利用這一技術(shù)為高速鐵路乘客提供大帶寬無(wú)線服務(wù)、實(shí)時(shí)信息發(fā)布服務(wù)、應(yīng)急告警服務(wù)等用以滿足旅客多種多樣的通信服務(wù)需求。同時(shí)，高速鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)業(yè)務(wù)的智能化要求也越來(lái)越高，URLLC場(chǎng)景在滿足毫秒級(jí)低時(shí)延的同時(shí)能夠保證列車高速移動(dòng)情況下設(shè)備的高可靠性連接，5G-R專網(wǎng)下的未來(lái)高速鐵路軌將利用這一技術(shù)采集高清的軌道線路圖像，地面鐵路綜合監(jiān)控中心可定點(diǎn)運(yùn)算調(diào)取前方軌道情況視頻并進(jìn)行智能分析，列車接收到分析結(jié)果后進(jìn)行危情預(yù)警，從而能夠有效地檢測(cè)異物入侵、隧道結(jié)構(gòu)、鐵軌等病害。此外，我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，鐵路覆蓋范圍廣，沿線場(chǎng)景繁多復(fù)雜，鐵路的圍欄與出入口較多，若要實(shí)現(xiàn)智能鐵路的全覆蓋，必須配備并應(yīng)用大規(guī)模的傳感器節(jié)點(diǎn)。mMTC場(chǎng)景包含大規(guī)模的設(shè)備，設(shè)備間的通信主要以小數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行，主要應(yīng)用在通信活躍度低及設(shè)備功耗低的環(huán)境中，所有設(shè)備并不會(huì)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，具有零星傳輸?shù)奶攸c(diǎn)[7]，適用于5G-R系統(tǒng)中使能未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)中大規(guī)模的小型化傳感及作動(dòng)設(shè)備。

在高速軌道交通中，海量的機(jī)器設(shè)備形成的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)可以應(yīng)用于設(shè)備故障檢測(cè)、列車狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、旅客上網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)，是實(shí)現(xiàn)高速鐵路與軌道運(yùn)營(yíng)維護(hù)智能化的關(guān)鍵，但海量接入設(shè)備為多址技術(shù)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。在mMTC中，為盡可能減少或消除基于授權(quán)的隨機(jī)接入帶來(lái)的控制信令和開(kāi)銷巨大等不足，研究人員將目光轉(zhuǎn)向免授權(quán)隨機(jī)接入技術(shù)。然而，由于免授權(quán)隨機(jī)接入技術(shù)中接入點(diǎn)與用戶之間缺乏協(xié)作、不再進(jìn)行信令交互，接入點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包都是匿名的，因此接入點(diǎn)需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶識(shí)別。同時(shí)，高速鐵路的迅猛發(fā)展使得用戶數(shù)量急劇增加，然而受限于有限的無(wú)線電資源[8]，mMTC系統(tǒng)不能滿足海量用戶的激活與接入。為解決此類問(wèn)題，各界學(xué)者針對(duì)mMTC免授權(quán)隨機(jī)接入過(guò)程提出了若干實(shí)現(xiàn)在碼域上的非正交多址技術(shù)[9]，主要包含基于碼本、交織及擴(kuò)頻序列這三類多址技術(shù)[10]。圖樣分割多址(Patten Division Multiple Access, PDMA)技術(shù)是一種滿足5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)大容量、大連接數(shù)的多樣化需求而提出的一種基于碼本的非正交多址接入方案。這一技術(shù)利用圖樣矩陣來(lái)表示數(shù)據(jù)與資源間的稀疏映射關(guān)系，模式的稀疏性直接影響到系統(tǒng)的容量性能和檢測(cè)復(fù)雜度[11]。稀疏碼分多址(Sparse Code Multiple Access, SCMA)是一種很有前景的基于碼本的非正交多址技術(shù)，它可以提供更高的頻譜效率和大規(guī)模連接，滿足5G無(wú)線通信系統(tǒng)的要求[12]。交織分割多址(Interleaved-Division Multiple Access, IDMA)技術(shù)是一種支持同一帶寬內(nèi)大量用戶多址接入的基于交織的多址技術(shù)[13]。基于壓縮感知的多用戶檢測(cè)(Compressive Sensing Based Multi-User Detection, CSMUD)技術(shù)是一種基于擴(kuò)頻序列的多址技術(shù)，它利用壓縮感知理論有效地緩解了非正交擴(kuò)頻序列間的互相關(guān)對(duì)用戶識(shí)別和數(shù)據(jù)檢測(cè)的影響[14]。但上述多址技術(shù)解決接收端碰撞的算法具有局限性，且未能解決多種系統(tǒng)性能需求的兼顧和權(quán)衡問(wèn)題。此外，高速軌道交通中列車的超高速移動(dòng)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響不可忽視。

最近，一種新興的面向mMTC場(chǎng)景的基于免授權(quán)隨機(jī)接入的多址方案被提出，稱為串聯(lián)擴(kuò)頻多址(Tandem Spreading Multiple Access，TSMA)[15]。TSMA解決了mMTC場(chǎng)景中大規(guī)模用戶免授權(quán)隨機(jī)接入與有限的無(wú)線電資源這一矛盾，它將用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段，位于各個(gè)數(shù)據(jù)段上的經(jīng)過(guò)調(diào)制后的符號(hào)將利用若干正交的擴(kuò)展序列進(jìn)行串聯(lián)擴(kuò)展。TSMA利用有限的正交擴(kuò)展序列生成大量的串聯(lián)擴(kuò)展組合，將非正交的串聯(lián)擴(kuò)展組合隨機(jī)分配給大規(guī)模的機(jī)器用戶，系統(tǒng)中所有用戶都將獲得一個(gè)非正交的串聯(lián)擴(kuò)展組合。串聯(lián)擴(kuò)展碼是TSMA通過(guò)特定的算法來(lái)篩選相應(yīng)的序列組合形成的一個(gè)集合，該碼本內(nèi)包含的串聯(lián)擴(kuò)展組合具有一定特性，使其能夠保證大規(guī)模連接用戶在進(jìn)行零星匿名上行傳輸時(shí)的用戶識(shí)別及數(shù)據(jù)檢測(cè)性能。高速軌道交通中利用海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)列車進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這些大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有稀疏零星傳輸、小數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)、設(shè)備功耗較小及活躍度較低等特點(diǎn)?；诙尉幋a及串聯(lián)擴(kuò)展，TSMA通過(guò)犧牲一定程度的用戶速率實(shí)現(xiàn)了mMTC系統(tǒng)中更高的連接性及可靠性，這與高速軌道交通中海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信需求相吻合。因此，TSMA具有支撐高速軌道交通場(chǎng)景中大規(guī)模終端可靠接入的潛力。

然而，在高速移動(dòng)場(chǎng)景下系統(tǒng)不可避免地會(huì)受到多普勒效應(yīng)的影響，目前TSMA尚未考慮到高速軌道交通中多普勒效應(yīng)所帶來(lái)的載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)，因而本文在TSMA的基礎(chǔ)上研究面向5G-R大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下高速移動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。本文首先在正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)的基礎(chǔ)上介紹了多載波串聯(lián)擴(kuò)展多址接入(Multi-Carrier Tandem Spreading Multiple Access，MC-TSMA)；同時(shí)研究了高速軌道交通中CFO對(duì)MC-TSMA性能的影響，得出每個(gè)子載波上CFO干擾的閉式表達(dá)式，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案；最后，基于高速移動(dòng)對(duì)MC-TSMA進(jìn)行了性能評(píng)估。結(jié)果表明，所提出方案可以有效地緩解高速軌道場(chǎng)景中由CFO引起的MC-TSMA性能下降。

1 系統(tǒng)模型

針對(duì)上述高速軌道交通mMTC場(chǎng)景，本文考慮一個(gè)單小區(qū)上行免授權(quán)隨機(jī)接入系統(tǒng)，包含單個(gè)車載基站及K個(gè)地面用戶終端?；九c用戶都配備了單天線，且以時(shí)隙的方式進(jìn)行傳輸。由于mMTC業(yè)務(wù)中零星傳輸與小尺寸數(shù)據(jù)包傳輸特性，假設(shè)單個(gè)時(shí)隙內(nèi)所有用戶激活的概率為pa且pa<<1，激活用戶將進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸且數(shù)據(jù)包的尺寸要小于時(shí)隙長(zhǎng)度。因此每個(gè)時(shí)隙內(nèi)活躍用戶的數(shù)量是遵循二項(xiàng)分布B(K;pa)的。此外，MC-TSMA考慮單個(gè)用戶僅占用單個(gè)子載波，不同的用戶可占用相同的子載波，其數(shù)據(jù)的擴(kuò)展在時(shí)域上進(jìn)行，即時(shí)域擴(kuò)展。因而，假設(shè)該系統(tǒng)在頻域中占用Nc個(gè)子載波，且Ka(i)表示第i個(gè)子載波上的激活用戶數(shù)，i=1,2,…,Nc，則全部的激活用戶Ka可以表示為

( 1 )

針對(duì)第i個(gè)子載波上第k個(gè)激活用戶，k=1,2,…,Ka(i)，考慮用戶數(shù)據(jù)傳輸將利用TSMA方案進(jìn)行處理，因而單個(gè)子載波內(nèi)能夠支持的最大用戶數(shù)量等于TSMA中串聯(lián)擴(kuò)展碼本的尺寸。另外對(duì)于第l個(gè)OFDM符號(hào)，其所經(jīng)歷的信道衰落表示為

hi,k,l=[hi,k,l,0hi,k,l,1…h(huán)i,k,l,Lh-10]T

( 2 )

式中：Lh為信道抽頭數(shù)。由于假設(shè)一個(gè)編碼段的用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于信道的相干時(shí)間，因而同一段中的數(shù)據(jù)符號(hào)所經(jīng)歷的信道衰落是相同的?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，開(kāi)闊空間、路塹、高架橋、丘陵等不同場(chǎng)景下的高速軌道交通信道衰落隨機(jī)特性均利用萊斯分布刻畫(huà)[16-17]。此類模型下所經(jīng)歷的信道衰落為

( 3 )

此外，在上行數(shù)據(jù)傳輸中，第i個(gè)子載波上第k個(gè)激活用戶所受到的歸一化CFOεi,k表示為

(4)

式中：fc為載波頻率；μ為高速列車移動(dòng)速度；c為光速；Δf為子載波間隔；αi,k為該用戶與列車接收天線的角度。本文假設(shè)αi,k服從[-π,π]上的均勻分布，且CFO的幅度|εi,k|<1。這里若考慮窄子載波間隔Δf=3.75 kHz，載波頻率fc=2 GHz，在列車移動(dòng)速度為500 km/h時(shí)|εi,k|僅約為0.25，因此對(duì)于CFO的假設(shè)合理。OFDM框架中的多址系統(tǒng)對(duì)小數(shù)量級(jí)的εi,k很敏感，其所帶來(lái)的載波間干擾(Inter-Carrier Interference，ICI)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生明顯影響[18]。在原先OFDM框架下的擴(kuò)頻系統(tǒng)中，ICI會(huì)破壞大量用戶擴(kuò)頻碼片的正交性，從而嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能。同時(shí)，在這種條件下進(jìn)行CFO估計(jì)和估計(jì)復(fù)雜度很高。因而如前文所述，本文中系統(tǒng)采用時(shí)域擴(kuò)展形式生成碼片，從而更易于保持?jǐn)U頻碼片的正交性。

2 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

MC-TSMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 MC-TSMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 段編碼

( 5 )

2.2 串聯(lián)擴(kuò)展

在串聯(lián)擴(kuò)展中，串聯(lián)擴(kuò)展碼本C由廣義里德所羅門(mén)(General Reed-Solomon，GRS)碼生成[16]。設(shè)q為擴(kuò)展因子，r表示碼本中任意兩兩串聯(lián)擴(kuò)展組合能發(fā)生碰撞的最大次數(shù)，則碼本的最大尺寸為qr+1[16]。同時(shí)MC-TSMA在時(shí)域上進(jìn)行擴(kuò)展，因此每個(gè)子載波上可以支持最多qr+1個(gè)用戶。針對(duì)子載波i上激活用戶k第j段編碼段上的數(shù)據(jù)符號(hào)si,k,j，j=1,2,…,n，發(fā)射機(jī)根據(jù)擴(kuò)展碼本C從正交擴(kuò)展序列集合E選取相應(yīng)的擴(kuò)展序列進(jìn)行擴(kuò)展，其擴(kuò)展后的碼片表示為

ζi,k,j=Ci,k,jsi,k,j

( 6 )

式中：Ci,k,j∈Cq(bm+Lp)×(bm+Lp)表示為

( 7 )

其中，ci,k,j為針對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)si,k,j所選取的擴(kuò)展序列。

完成串聯(lián)擴(kuò)展后，發(fā)射機(jī)將n段數(shù)據(jù)段的擴(kuò)展碼片進(jìn)行合并，而后將其映射至第i個(gè)子載波以生成頻域發(fā)送信號(hào)Xi,k∈CNc×qn(bm+Lp)，即矩陣Xi,k的第i行為擴(kuò)展碼片。將Xi,k的第l列表示為Xi,k,l∈CNc×1，l=1,2,…,qn(bm+Lp)，即第l個(gè)OFDM符號(hào)，為了對(duì)抗符號(hào)間干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)，發(fā)射機(jī)對(duì)Xi,k執(zhí)行反快速傅里葉變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，并添加長(zhǎng)度為L(zhǎng)CP>Lh的循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)。

3 接收機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 接收信號(hào)

在接收端，本文假設(shè)全部激活用戶的信號(hào)同步到達(dá)接收機(jī)，異步到達(dá)的情況已在文獻(xiàn)[19]中進(jìn)行了詳細(xì)研究。接收的合成信號(hào)可以寫(xiě)為Y=[Y:,1Y:,2…Y:,qn(bm+Lp)]。在高速移動(dòng)場(chǎng)景下，針對(duì)第l個(gè)OFDM符號(hào)的合成信號(hào)，即Y的第l列，將依次執(zhí)行去CP操作和FFT后，可表示為

( 8 )

式中：Y:,l∈CNc×1，l=1,2,…,qn(bm+Lp)。Hi,k,l為第l個(gè)OFDM符號(hào)的信道卷積的矩陣形式，由于CP的添加，Hi,k,l為循環(huán)矩陣；F和FH分別表示FFT矩陣和IFFT矩陣，(·)H表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置操作；n:,l為加性高斯白噪聲，其分布為CN(0,σ2)，σ2為噪聲功率；Δi,k為CFO對(duì)角矩陣，其第u個(gè)對(duì)角元素可以表示為

( 9 )

3.2 用戶識(shí)別

公式(8)可以重寫(xiě)為

(10)

其中

Yi,k,l=FHi,k,lΔi,kFHXi,k,l

(11)

(12)

(13)

其中,

(14)

式中:Ii,l為在第l個(gè)OFDM符號(hào)上第i個(gè)子載波受到的干擾，其來(lái)自相鄰子載波的數(shù)據(jù)，表示為

(15)

另外，在高速移動(dòng)中，用戶識(shí)別必須考慮來(lái)自CFO的影響。對(duì)于BPSK調(diào)制系統(tǒng)而言，公式(15)中Ii,l的上界可以表達(dá)為

(16)

由于用戶激活服從伯努利分布，信道服從萊斯分布，則Ii,l服從伯努利高斯分布[20]。對(duì)于其他調(diào)制方式，也可根據(jù)Xi,k,l的調(diào)制符號(hào)值得出相應(yīng)上界。綜上，基于高斯分布的累加特性，式(16)的期望可以寫(xiě)為

(17)

式(17)即為CFO干擾的一個(gè)期望上界值。在能量檢測(cè)過(guò)程中減去正交擴(kuò)展序列集合E與Bi的相關(guān)值便可得到新的檢測(cè)門(mén)限，從而消除了CFO對(duì)用戶識(shí)別的影響。

3.3 數(shù)據(jù)檢測(cè)

(18)

(19)

此后，利用所插入的導(dǎo)頻符號(hào)sp進(jìn)行信道估計(jì)和信道補(bǔ)償。在信道估計(jì)中，本文基于最小二乘估計(jì)(Least Square Estimation，LSE)[21]得出

(20)

(21)

(22)

4 性能評(píng)估

考慮在郊區(qū)環(huán)境下，列車在高架橋上高速移動(dòng)時(shí)，由列控中心、軌旁電子單元、調(diào)度集中、站間通信及安全數(shù)據(jù)網(wǎng)等組成的地面大規(guī)模設(shè)備與車載設(shè)備間的通信，通過(guò)鏈路級(jí)仿真來(lái)評(píng)估MC-TSMA的用戶識(shí)別性能和數(shù)據(jù)檢測(cè)性能。在本仿真中，地面設(shè)備用戶數(shù)量規(guī)模遠(yuǎn)小于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中單個(gè)基站可承載的百萬(wàn)級(jí)別連接用戶數(shù)量規(guī)模，大規(guī)模特性主要體現(xiàn)在設(shè)備用戶數(shù)量和擴(kuò)展因子的比值。綜合前文所述，亦考慮列車可能處于富散射體環(huán)境的通信場(chǎng)景，故分別基于萊斯分布和瑞利分布的信道模型進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)關(guān)注用戶識(shí)別和數(shù)據(jù)檢測(cè)的性能。此外，在相同資源分配和傳輸環(huán)境下，選取了“未進(jìn)行CFO干擾估計(jì)和消除的MC-TSMA方案”(以下簡(jiǎn)稱“原方案”)和“接收端已知信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)的MC-TSMA方案”(以下簡(jiǎn)稱“CSI已知方案”)作為所提改進(jìn)方案的性能比較基準(zhǔn)。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

高速移動(dòng)場(chǎng)景下，用戶接收到的有用信號(hào)和噪聲都在不斷變化，因此，本節(jié)評(píng)估了改進(jìn)方案在不同信噪比下的用戶識(shí)別性能和數(shù)據(jù)檢測(cè)性能，系統(tǒng)的用戶激活概率設(shè)定為pa=0.02。

圖2評(píng)估了改進(jìn)方案在不同信噪比下的用戶識(shí)別性能。觀察可知，隨著SNR變大，噪聲對(duì)系統(tǒng)的干擾逐漸變?nèi)?，原方案漏警概率、改進(jìn)方案虛警概率和漏警概率也隨之減小。但在不同SNR下，原方案虛警概率持續(xù)較高且不隨SNR而變化，這是由于原方案進(jìn)行用戶識(shí)別時(shí)所設(shè)判決門(mén)限未考慮列車高速移動(dòng)的影響，故出現(xiàn)了大量虛警用戶。此外，對(duì)比不同SNR下原方案和所提方案性能發(fā)現(xiàn)，所提方案較大改善了MC-TSMA系統(tǒng)在高速移動(dòng)下的用戶識(shí)別性能，也反映出所提CFO估計(jì)方案和改進(jìn)的用戶識(shí)別方式的可行性。

圖2 用戶激活概率pa=0.02時(shí)不同SNR下的用戶識(shí)別性能

圖3評(píng)估了改進(jìn)方案在不同信噪比下的數(shù)據(jù)檢測(cè)性能。值得注意的是這里誤碼率定義為：當(dāng)激活用戶的身份被正確識(shí)別且其數(shù)據(jù)包被完全正確解碼才被認(rèn)定為該激活用戶被正確檢測(cè)，否則均記為誤碼。觀察可知，隨著SNR升高，三種方案的誤碼率均不斷降低，且在不同SNR下，所提出的CFO估計(jì)和用戶識(shí)別方式使得改進(jìn)方案與原方案相比實(shí)現(xiàn)了較大的性能增益。在低SNR區(qū)域，所提方案的誤碼率略優(yōu)于CSI已知的方案，這是由降低的判決門(mén)限帶來(lái)的，使得噪聲對(duì)用戶識(shí)別的影響得以減弱。然而，在高SNR區(qū)域，改進(jìn)方案要達(dá)到足夠小的誤碼率的速度比CSI已知方案慢得多，這是因?yàn)楦倪M(jìn)方案沒(méi)有完全消除深衰落片段對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)的影響，導(dǎo)致存在深衰落片段的用戶數(shù)據(jù)恢復(fù)失敗。這可以在之后工作中通過(guò)改進(jìn)信道均衡方式和段解碼方式加以完善。與此同時(shí)，圖2和圖3說(shuō)明，基于萊斯分布信道模型的系統(tǒng)性能優(yōu)于基于瑞利分布的方案性能，這是由于主徑分量降低了信道深衰落的概率。

此外，基于5G-R大規(guī)模設(shè)備通信零星傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，用戶激活概率不是一成不變的。因此，在固定信噪比為30 dB的條件下，本節(jié)評(píng)估了改進(jìn)方案在不同用戶激活概率下的數(shù)據(jù)檢測(cè)性能，見(jiàn)圖4。這里誤碼率定義與圖3一致。觀察可知，在不同pa下原方案誤碼率均較高且在0.5附近，這反映出原方案不具備對(duì)高速場(chǎng)景下大量用戶接入的魯棒性。然而，改進(jìn)方案和CSI已知方案在低pa區(qū)域誤碼率表現(xiàn)均較低，說(shuō)明在所設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)下，改進(jìn)MC-TSMA方案能夠?qū)崿F(xiàn)高速移動(dòng)場(chǎng)景下pa較低時(shí)大量用戶可靠接入。此外，pa較低時(shí)，改進(jìn)方案的誤碼率略高于CSI已知方案，與在圖3中的性能差距成因相同，是由深度衰落導(dǎo)致的。隨著pa升高，改進(jìn)方案和CSI已知方案的誤碼率均逐漸升高，這是因?yàn)镸C-TSMA所能支持用戶數(shù)受限于有限的碼本容量。由于激活用戶數(shù)目增加，不同用戶間的碰撞段不斷增多，由段解碼理論可知，若碰撞段數(shù)目超過(guò)n-m則該用戶即無(wú)法識(shí)別和正?；謴?fù)，這可以在之后工作中通過(guò)增大碼本容量和n-m加以改進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在串聯(lián)擴(kuò)展多址的基礎(chǔ)上針對(duì)高速軌道交通中由高速移動(dòng)引起的多普勒頻移進(jìn)行了研究。基于多載波形式的串聯(lián)擴(kuò)展多址接入方案，本文分析了由高速移動(dòng)帶來(lái)的載波間干擾，提出相應(yīng)的適應(yīng)性方案，并利用數(shù)值仿真進(jìn)行了性能評(píng)估。結(jié)果表明，所提出方案可以有效地緩解載波頻偏對(duì)多載波串聯(lián)擴(kuò)展多址方案的影響，從而使串聯(lián)擴(kuò)展多址具有潛力支撐5G大規(guī)模機(jī)器通信系統(tǒng)在高速軌道交通中的應(yīng)用。