鐵路車(chē)站通信信道資源智能分配的研究

摘要：近幾年隨著(zhù)鐵路車(chē)站的不斷擴大重建，移動(dòng)終端的迅速增加，數據業(yè)務(wù)的多元化，用戶(hù)對高速度、大容量的通信數據業(yè)務(wù)需要的增大，對車(chē)站移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò )覆蓋、容量、質(zhì)量提出了更高的要求，給車(chē)站移動(dòng)通信造成了巨大壓力。本文在分布式天線(xiàn)系統的基礎上，通過(guò)分析天線(xiàn)分布，建立信道模型，并利用中斷概率，提出了基于中斷概率的信道分配算法，并設計出策略流程圖。該算法能夠降低天線(xiàn)系統的發(fā)射功率，提高信道利用率，實(shí)現系統時(shí)隙資源的智能靈活分配。

引言

　　近年來(lái)，我國的鐵路建設發(fā)展迅速，逐漸成為人們出門(mén)旅行首選的出行方式。這也導致火車(chē)站人流密度迅速增大，特別是站臺在上下車(chē)時(shí)人員流動(dòng)迅速，存在人流高峰，例如北京站在客流高峰期日客流量會(huì )超過(guò)20萬(wàn)人^[1]。隨著(zhù)車(chē)站用戶(hù)需求的不斷增長(cháng)，話(huà)務(wù)密度和覆蓋要求也不斷上升，對頻率干擾控制、系統間互操作、運行穩定性等方面都提出了很高的要求。用戶(hù)密度大，基站信道擁擠，移動(dòng)通信信號減弱，手機無(wú)法正常使用，給車(chē)站通信造成了巨大壓力。能夠在人流高峰時(shí)提供暢通、優(yōu)質(zhì)、穩定的通信服務(wù)是鐵路車(chē)站通信系統面臨的重要問(wèn)題。

　　本文研究在鐵路車(chē)站人流密度大，移動(dòng)速度快的情況下，通過(guò)算法實(shí)現通信信道的智能分配，改善車(chē)站的通信質(zhì)量。由于分布式天線(xiàn)系統在信號覆蓋范圍、功率以及頻譜效率等方面的諸多優(yōu)勢，被越來(lái)越多地用于大型場(chǎng)館的室內通信[2]。本文也在分布式天線(xiàn)系統的基礎上，通過(guò)分析天線(xiàn)分布、信道模型，利用中斷概率，提出了基于中斷概率的信號智能分配算法，該算法能對信道資源實(shí)行智能分配，改善無(wú)線(xiàn)信號弱覆蓋區域的覆蓋效果，提高網(wǎng)絡(luò )尋呼成功率，減少掉話(huà)率，改善網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量，減少網(wǎng)絡(luò )擁塞率，一個(gè)小區中使用相同信道而不至于帶來(lái)嚴重的同信道干擾。最后設計出了基于中斷概率的信號智能分配策略流程圖。

1 系統模型圖

　　現在新型火車(chē)站都向著(zhù)簡(jiǎn)潔化、緊湊化、立體化和細微化的方向發(fā)展。雖然各大型火車(chē)站的外觀(guān)有所不同，但各大型火車(chē)站的主要構造都有著(zhù)共同之處。由于火車(chē)站功能的特殊性，車(chē)站大都依鐵道而建，主要包括站房和站臺。人流密集及流動(dòng)量大的區域主要包括站房?jì)鹊暮蜍?chē)大廳和站臺?；疖?chē)站人流的集散組織為進(jìn)站人流由廣場(chǎng)到候車(chē)大廳再到站臺;出站人流由出站口至集散廣場(chǎng)直到自選交通分流。

　　根據火車(chē)站的建筑及人員分布特點(diǎn)，建立如圖1所示的分布式天線(xiàn)系統，使信號的覆蓋范圍呈帶狀分布。分布式天線(xiàn)系統將天線(xiàn)在地理上分開(kāi)放置，不僅能提高接受信噪比，降低發(fā)送功率，提高分集度，而且還能減少切換次數，從而大大改善系統性能^[4];另外，它還具有成本低，部署靈活，易于升級，廣泛適用的特點(diǎn)，特別適用于火車(chē)站這種復雜的通信環(huán)境。在該系統中，信號處理中心(即基站)位于小區的中心位置，基站處的天線(xiàn)記為A，其它天線(xiàn)都分布在基站周?chē)?，分別記為a_i(i=1、2、3……n)，每個(gè)分布式天線(xiàn)通過(guò)光纖或同軸電纜與信號處理中心相連。

　　假設小區為圓形小區，且半徑為R。利用極坐標(ρ,θ)表示移動(dòng)臺的位置，ρ和θ分別表示移動(dòng)臺相對于小區中心即信號處理中心的距離與方位角，如圖2所示。

　　本文只考慮分布式天線(xiàn)系統的上行傳輸?；竞退蟹植际教炀€(xiàn)接收到來(lái)自移動(dòng)臺的上行信號可以用以下數學(xué)表達式表示：

　　式中yi表示第i個(gè)天線(xiàn)ai所接收到的信號，E為移動(dòng)臺的上行信號發(fā)射功率，hi表示a_i與移動(dòng)臺之間傳輸鏈路的信道增益，x則為移動(dòng)臺發(fā)射的上行信號，而Z為夾雜在信號中的噪聲矢量。在本文中，假設噪聲矢量Z 中的每一個(gè)元素均為相互獨立的均值為零、方差為N0的復高斯隨機變量。該數學(xué)表達式，Y表示車(chē)站分布式天線(xiàn)系統中小區基站接收到的來(lái)自移動(dòng)臺的上行信號，該信號由各天線(xiàn)a_i所接收的移動(dòng)臺信號與噪聲組成的矩陣表示。

2 系統中移動(dòng)臺的中斷概率

　　在無(wú)線(xiàn)通信系統中，中斷概率是反應用戶(hù)會(huì )話(huà)接入性能的重要指標，與信道容量、誤符號率等指標都是信噪比的函數。系統的中斷概率與移動(dòng)臺在小區內的分布有關(guān)，將中斷概率作為優(yōu)化目標可以直觀(guān)地反映出移動(dòng)臺周?chē)男盘柛采w情況^[3]。因此我們使用移動(dòng)臺在系統中的中斷概率作為優(yōu)化目標函數來(lái)反映移動(dòng)臺周?chē)男盘柛采w情況。

　　中斷概率的定義：在小區內不能達到接收信噪比門(mén)限rth的區域面積與小區面積的比值稱(chēng)為系統的中斷概率^[4]。理論上，系統中斷概率與移動(dòng)臺在小區中的位置有關(guān)。本節將介紹小區中移動(dòng)臺的上行信號中斷概率。分布式天線(xiàn)ai所接收上行信號的信噪比為：

　　其中g(shù)_i為小尺度衰落的影響，其包絡(luò )服從零均值的Rayleigh分布，Ω_i表示陰影衰落的影響。

　　位于(ρ,θ)處的移動(dòng)臺的上行中斷概率可以表示為：

　　其中r_th為信噪比門(mén)限，r=max{r₀,r₁,…,r_N }表示經(jīng)過(guò)信噪比最大的天線(xiàn)接收后接收端輸出的信噪比的最大值，這就使得選中天線(xiàn)的信噪比最大。

　　位于(ρ,θ)處移動(dòng)臺的中斷概率為:

　　式中t_n和H_n分別是N_p階Hermite多項式的權值，u_i (ρ,θ)=ω_i (ρ,θ)+10 lg(E/N₀ )，ω_i(ρ,θ)(單位dB)和σ_i(單位dB)分別為10lgΩi的均值和標準差。上式表示單個(gè)移動(dòng)臺在小區中的中斷概率。由上式可以看出單個(gè)移動(dòng)臺在小區中的中斷概率只與移動(dòng)臺的位置(ρ,θ)有關(guān)。根據該公式可以先計算出系統中移動(dòng)臺的中斷概率，將其與事先設置的門(mén)限值比較，可判斷出該移動(dòng)臺能否正常通信。若小于門(mén)限值，則中斷該移動(dòng)臺的通信;若不小于門(mén)限值，則準許該移動(dòng)臺通信，繼續為該移動(dòng)臺分配信道。這樣可以避免所有移動(dòng)臺同時(shí)占用信道而降低信道利用率。

3 基于中斷概率的信道智能分配算法

　　基于中斷概率的信道智能分配算法(Channel Intelligent Allocation Algorithm based on Outage Probability，CIAAOP)首先需判斷移動(dòng)臺能否正常通信，即根據移動(dòng)臺的中斷概率公式計算出移動(dòng)臺的中斷概率，將其與設定門(mén)限值比較，若不大于門(mén)限值則表示該移動(dòng)臺可以被分配信道;接下來(lái)只需在所有天線(xiàn)(天線(xiàn)總數量用N_total表示)中選擇移動(dòng)臺周?chē)旁氡茸畲蟮奶炀€(xiàn)，運用動(dòng)態(tài)信道分配算法分配合適信道?；谥袛喔怕实男诺乐悄芊峙渌惴鞒虉D如圖3所示。 該算法會(huì )定期檢測每個(gè)分布天線(xiàn)中所有可選信道的平均干擾量，并將平均共信道干擾量(Co-Channel Interference, CCI)存儲在每個(gè)天線(xiàn)相對的共信道干擾表中，當有信道請求時(shí)，所有空閑信道中共信道干擾量最低的信道將會(huì )被分配。在分布式天線(xiàn)系統中運用動(dòng)態(tài)信道分配算法，使得在一個(gè)蜂窩小區內同一條信道能夠重復利用，相對于傳統的蜂窩系統，該算法能顯著(zhù)提高頻譜的利用效率。

　　本文中采用頻分多址技術(shù)，可用信道數量用S_ch表示，假設第m(m=0~N_total-1)個(gè)分布天線(xiàn)被選中了，接下來(lái)我們將對共信道干擾表的更新和信道智能分配過(guò)程進(jìn)行詳細的分析。

3.1 CCI表更新

　　動(dòng)態(tài)信道分配算法對每個(gè)天線(xiàn)的所有可用信道的平均CCI能量進(jìn)行檢測，并不斷更新^[5]。設第一階濾波是對平均CCI能量的測量。在t時(shí)刻第m個(gè)分布天線(xiàn)的第k條信道的CCI量即平均共信道干擾量的表達式如下：

I_n,k (t)和β(0≤β<1)分別是t時(shí)刻瞬時(shí)共信道干擾量和過(guò)濾遺忘因子。傳輸過(guò)程中瞬時(shí)CCI量在不斷改變。其中β取值應適中，若太小，則會(huì )導致CCI的檢測區間變小，這就會(huì )使信道分配不穩定。

3.2 信道智能分配算法

　　假設第m條天線(xiàn)被選中了，圖3為信道分配流程圖，當t時(shí)刻向信道發(fā)送請求，信道分配算法就會(huì )更新該天線(xiàn)所對應的CCI量，并分配該天線(xiàn)所有空閑信道中平均CCI量最低的信道K_n進(jìn)行通信，其中K_n表達式為:

　　令A_n (t)表示t時(shí)刻第n條天線(xiàn)的空閑信道條數，如果沒(méi)有信道是空閑的，此次信道分配就會(huì )失敗，并且發(fā)出信道請求的移動(dòng)臺也不會(huì )得到任何數據。利用該算法使得在一個(gè)小區中的同一個(gè)信道能重復利用，相對于蜂窩網(wǎng)絡(luò )，這能提高頻譜利用率。

4 系統仿真與結果分析

　　針對以上理論分析，本節將運用計算機仿真，驗證基于中斷概率的信道智能分配算法在信道利用率上的優(yōu)勢。不失一般性地，假設測試小區是一個(gè)半徑為R的圓形區域。在該區域中，分布式天線(xiàn)均勻分布在半徑為R/2的圓上，基站位于小區中央。設天線(xiàn)總數為N_total，移動(dòng)臺均勻分布在小區內，系統允許的信道衰落門(mén)限值為145，移動(dòng)用戶(hù)的最大發(fā)射功率為22dBmw。

　　實(shí)驗過(guò)程中在選擇一定中斷概率門(mén)限值的情況下，通過(guò)選擇運用和不運用基于中斷概率的信道智能分配算法，對實(shí)驗小區的吞吐量進(jìn)行模擬仿真，得出如圖5所示仿真結果。從圖5可以看出，未使用該智能分配算法時(shí)，在5-9S區間產(chǎn)生較大幅度抖動(dòng)，系統性能不穩定，吞吐量小;在使用了本文所使用的基于中斷概率的信道智能分配算法后，系統性能獲得了提高，穩定性得到了增強。

5 結語(yǔ)

　　本文主要介紹了一種鐵路車(chē)站通信信道資源智能分配策略。首先介紹了該分布式天線(xiàn)系統的系統模型，在此基礎上，根據分布式天線(xiàn)系統的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了系統中移動(dòng)臺的中斷概率，并得出計算公式;接下來(lái)在移動(dòng)臺中斷概率的基礎上，結合動(dòng)態(tài)信道分配算法，設計出在分布式天線(xiàn)系統中的基于中斷概率的動(dòng)態(tài)信道分配算法流程圖，不僅可以降低移動(dòng)臺的發(fā)送功率，減少切換次數，還能提高信道的利用率，提高小區的吞吐量，能有效改善車(chē)站特殊通信環(huán)境的通信質(zhì)量。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第53頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。