衰落環境下高速鐵路基站配置標準研究

李 穎 張 闖

1(蘭州工業學院電子信息工程學院 甘肅 蘭州 730050)2(清華大學電子工程系 北京 100084)

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衰落環境下高速鐵路基站配置標準研究

李 穎1，2張 闖2

1(蘭州工業學院電子信息工程學院 甘肅 蘭州 730050)2(清華大學電子工程系 北京 100084)

針對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，研究離散時間加性高斯白噪聲干擾場景下的信道容量與總服務量之間的關系。從理論上推導出高速鐵路基站的服務量比率與基站間距的關系，為高速鐵路基站的合理配置提供行之有效的方法和依據。最后，在給定服務量比率的條件下，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行仿真實驗對比分析。結果顯示：服務量比率η<0.9時，小尺度衰落相對于大尺度衰落對系統設計的影響可以近似忽略；0.9<η<1時，小尺度衰落對系統設計產生較大的影響。

高速鐵路 衰落 標準 服務量比率 基站間距

0 引 言

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

無論是優化GSM-R系統，還是開發設計更優的高速鐵路通信系統，首先需要解決幾個基本問題：1) 高鐵的快速移動會產生嚴重的多普勒效應，例如，車速為70 m/s，載頻為1.8 GHz，產生的多普勒頻移高達420 Hz。2) 由于高鐵車廂的封閉性，信號穿透高速列車金屬車廂導致嚴重的信號衰耗，高達20 dB以上[3]。3)高速鐵路的沿線地形復雜，如高山、峽谷、隧道等，無線通信環境較為惡劣。

針對問題1)，因為高鐵的運行速度趨于恒定，產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境下的多普勒頻移問題，認為多普勒頻偏可以得到完美補償。如文獻[4]提出的基于無線環境圖的算法，對信道中的多普勒頻偏有效地進行補償。針對問題2)，文獻[5,6]提出了兩跳的傳輸模型，即在車廂上裝載一個車載接入點AP。該模型有兩個優點：一是用戶的數據信息通過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AP的切換，無需針對大量用戶終端，丟包率明顯下降，網絡傳輸性能得到提升。本文的研究也將采用上述兩跳結構。

無線移動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生的陰影效應而產生的損耗；小尺度衰落損耗主要是由多徑傳播而產生的衰落，它反映微觀小范圍內數十波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，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]。高鐵的運行環境包羅萬象，因此，針對問題3)，本文同時考慮了大尺度衰落LSF和小尺度衰落SSF對高鐵無線信道的影響，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，研究了離散時間加性高斯白噪聲干擾場景下的信道容量與總服務量之間的關系[8]；從理論上提出了高速鐵路基站的服務量比率與基站間距的關系。并在給定服務量比率的條件下，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行仿真實驗對比分析。結果表明：在恒定發送功率條件下，1)SNR0相同，對于不同的列車速度v，服務量比率η相同；2) 對于相同的服務間距ds，SNR0越小，服務量比率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無關。4)SNR0越小，如果給定服務量比率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無關；如果給定服務量比率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100 m以上，并且與列車速度v無關。

本文在給定服務量比率的條件下，從理論上提出了基站間距與服務量比率之間的關系，分析提出的基站配置標準，在保證總服務量最大化的同時，能夠為高速鐵路基站的合理配置提供行之有效的方法和依據。

1 系統模型

一個兩跳結構的傳輸模型如圖1所示。假定有一輛快速移動的列車，車廂上裝載了一個車載接入點AP，AP通過天線從基站接收到信號,再將信號傳遞給車廂內的用戶，避免了用戶終端與基站的直接通信。

圖1 兩跳結構的傳輸模型

在t時刻，假定輸入信號為X(t)，在加性高斯白噪聲干擾場景下，大小尺度衰落環境中的輸出信號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時刻的信道容量為：

(2)

(3)

SNR0表示原點O處的平均接收信噪比：

(4)

2 定 義

2.1 信道服務量的定義

定義1服務量：信道的服務量是信道的平均容量在給定時間段內的積分。

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

(5)

2.2 基站服務距離的定義

定義2服務距離：設基站的服務距離是ds，則ds是對稱于基站兩側的服務距離之和，且相鄰基站的ds之間互不相交。

假定從時刻-ts到ts，列車以速度v在基站服務區域內運行，則服務距離ds為：

ds=2vts

(6)

如果相鄰基站的服務距離分別是ds1和ds2，則基站間距為：

(7)

在本文的分析中，假定基站的服務距離等于基站間距，均用ds表示。

3 衰落環境下，基于服務量的高速鐵路基站配置標準

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

假設基站提供的服務量占總服務量的比率(設為η，η∈[0,1])是個定值，則基站的服務距離，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量比率，見式(9)。hs(x)對不同的點x是獨立同分布的，因此，在給定時間域內的積分是個常數。

(9)

將式(9)變形，并將x=vτ，ds=2vts代入，得：

(10)

在給定平均發送信噪比γ，路徑損耗指數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)的左側單調遞增，記為f1(ds)，式(10)右側的積分是個定值，記為C1，則式(10)簡化為：

f1(ds)=C1η

(11)

f1(ds)可逆，則：

(12)

因此，由式(10)和式(12)可得：如果給定平均發送信噪比γ，路徑損耗指數α和列車與鐵路間距d0的條件下：1) 基站間距ds僅與服務量比率η相關，與列車速度v無關。2) 在服務量需求比率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無關。

圖3給出了在恒定發送功率條件下，原點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量比率和大尺度衰落信道的服務量比率與基站間距關系對比圖。由圖3可知：1) 大小尺度衰落信道的服務量比率和基站間距關系的理論結果與仿真結果一致；2) 大小尺度衰落信道的服務量比率隨基站間距變化趨勢與大尺度衰落信道的服務量比率變化趨勢相同；3) SNR0相同，對于不同的列車速度v，服務量比率η相同；4) 對于相同的服務間距ds，SNR0越小，服務量比率η越大。

圖3 服務量比率與基站間距關系圖

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量比率η變化的差別。圖4給出了在恒定發送功率的條件下，原點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量比率η變化圖。

設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 服務量比率和基站間距差值關系圖

由圖4可知，1) 原點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無關。2) SNR0越小，如果給定服務量比率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無關；如果給定服務量比率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100m以上，并且與列車速度v無關。

4 結 語

針對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，研究了離散時間加性高斯白噪聲干擾場景下的信道容量與總服務量之間的關系；從理論上提出了高速鐵路基站的服務量比率與基站間距的關系。并在給定服務量比率的條件下，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行仿真實驗對比分析。結果表明：在恒定發送功率條件下，1)SNR0相同，對于不同的列車速度v，服務量比率η相同；2) 對于相同的服務間距ds，SNR0越小，服務量比率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無關。4)SNR0越小，如果給定服務量比率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無關；如果給定服務量比率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100 m以上，并且與列車速度v無關。

本文在給定服務量比率的條件下，從理論上提出了基站間距與服務量比率之間的關系，對于不同的基站配置，都可以通過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，本文對基站配置標準的分析，在保證總服務量最大化的同時，能夠為高速鐵路基站的合理配置提供行之有效的方法和依據。

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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。國家自然科學基金項目(61171064)；國家重點基礎研究發展計劃項目(2012CB316100(2))；國家科技重大項目(2010ZX03003-003)。李穎，講師，主研領域：移動通信與無線技術。張闖，博士生。

TP311.52

A

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