衰落环境下高速铁路基站配置标准研究

李 颖 张 闯

1(兰州工业学院电子信息工程学院 甘肃 兰州 730050)2(清华大学电子工程系 北京 100084)



衰落环境下高速铁路基站配置标准研究

李 颖1，2张 闯2

1(兰州工业学院电子信息工程学院 甘肃 兰州 730050)2(清华大学电子工程系 北京 100084)

针对大尺度衰落和小尺度衰落共同作用的信道，从信息流的角度，研究离散时间加性高斯白噪声干扰场景下的信道容量与总服务量之间的关系。从理论上推导出高速铁路基站的服务量比率与基站间距的关系，为高速铁路基站的合理配置提供行之有效的方法和依据。最后，在给定服务量比率的条件下，将大尺度衰落信道基站的配置间距和增加了小尺度衰落的基站配置间距进行仿真实验对比分析。结果显示：服务量比率η<0.9时，小尺度衰落相对于大尺度衰落对系统设计的影响可以近似忽略；0.9<η<1时，小尺度衰落对系统设计产生较大的影响。

高速铁路 衰落 标准 服务量比率 基站间距

0 引 言

近年来，随着京沪线、哈大线等高铁线路的开通，高速铁路的最高时速一次次被刷新。新型列车和速度的提升带来舒适、高效乘车环境的同时，也对铁路无线通信提出了更高的要求[1]。目前，我国高铁的主流系统是GSM-R，传输速率小于200 kbps，由于自身窄带的带宽限制，它无法承载大量宽带数据的传输，而且由于GSM-R属于开放的无线系统，较容易受到外界的干扰，其局限性已无法适合现代无线通信发展的需求[2]。因此，为了向乘客提供稳定的宽带数据服务，保证乘客在高速移动环境中的正常通信，铁路基站的合理配置至关重要。

无论是优化GSM-R系统，还是开发设计更优的高速铁路通信系统，首先需要解决几个基本问题：1) 高铁的快速移动会产生严重的多普勒效应，例如，车速为70 m/s，载频为1.8 GHz，产生的多普勒频移高达420 Hz。2) 由于高铁车厢的封闭性，信号穿透高速列车金属车厢导致严重的信号衰耗，高达20 dB以上[3]。3)高速铁路的沿线地形复杂，如高山、峡谷、隧道等，无线通信环境较为恶劣。

针对问题1)，因为高铁的运行速度趋于恒定，产生的多普勒频移可以较为精确估算，很多新的研究均忽略了高铁环境下的多普勒频移问题，认为多普勒频偏可以得到完美补偿。如文献[4]提出的基于无线环境图的算法，对信道中的多普勒频偏有效地进行补偿。针对问题2)，文献[5,6]提出了两跳的传输模型，即在车厢上装载一个车载接入点AP。该模型有两个优点：一是用户的数据信息通过AP传至基站，避免了用户终端与基站的直接通信，有效地防止了车体损耗，避免能量损失；二是基站一次只需处理一个AP的切换，无需针对大量用户终端，丢包率明显下降，网络传输性能得到提升。本文的研究也将采用上述两跳结构。

无线移动通信信道通常将衰落划分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落损耗是由于电波在传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗；小尺度衰落损耗主要是由多径传播而产生的衰落，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从Rayleigh或Rician分布，其变化率比慢衰耗快，所以称为小尺度衰落[7]。高铁的运行环境包罗万象，因此，针对问题3)，本文同时考虑了大尺度衰落LSF和小尺度衰落SSF对高铁无线信道的影响，并利用Nakagami衰落描述信道的小尺度衰落。

综上所述，本文从信息流的角度，研究了离散时间加性高斯白噪声干扰场景下的信道容量与总服务量之间的关系[8]；从理论上提出了高速铁路基站的服务量比率与基站间距的关系。并在给定服务量比率的条件下，将大尺度衰落下基站的配置间距和增加了小尺度衰落的基站配置间距进行仿真实验对比分析。结果表明：在恒定发送功率条件下，1)SNR0相同，对于不同的列车速度v，服务量比率η相同；2) 对于相同的服务间距ds，SNR0越小，服务量比率η越大；3)SNR0越大，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差的变化趋于平缓，差距小于10 m，与列车速度v无关。4)SNR0越小，如果给定服务量比率η(η<0.9)，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差的变化趋于平缓，差距小于10 m，与列车速度v无关；如果给定服务量比率η(0.9<η<1)，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差迅速增大，可达100 m以上，并且与列车速度v无关。

本文在给定服务量比率的条件下，从理论上提出了基站间距与服务量比率之间的关系，分析提出的基站配置标准，在保证总服务量最大化的同时，能够为高速铁路基站的合理配置提供行之有效的方法和依据。

1 系统模型

一个两跳结构的传输模型如图1所示。假定有一辆快速移动的列车，车厢上装载了一个车载接入点AP，AP通过天线从基站接收到信号,再将信号传递给车厢内的用户，避免了用户终端与基站的直接通信。

图1 两跳结构的传输模型

在t时刻，假定输入信号为X(t)，在加性高斯白噪声干扰场景下，大小尺度衰落环境中的输出信号Y(t)为：

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

(1)

图2 基站覆盖模型

在大尺度衰落下，t时刻的信道容量为：

(2)

(3)

SNR0表示原点O处的平均接收信噪比：

(4)

2 定 义

2.1 信道服务量的定义

定义1服务量：信道的服务量是信道的平均容量在给定时间段内的积分。

由于列车的快速移动，信道是快衰落信道，因此，由信道的平均容量(以下简称信道容量)代替实际信道的传输容量，则单基站的平均服务量(以下简称服务量)表示为：

(5)

2.2 基站服务距离的定义

定义2服务距离：设基站的服务距离是ds，则ds是对称于基站两侧的服务距离之和，且相邻基站的ds之间互不相交。

假定从时刻-ts到ts，列车以速度v在基站服务区域内运行，则服务距离ds为：

ds=2vts

(6)

如果相邻基站的服务距离分别是ds1和ds2，则基站间距为：

(7)

在本文的分析中，假定基站的服务距离等于基站间距，均用ds表示。

3 衰落环境下，基于服务量的高速铁路基站配置标准

列车距离基站越远，信道容量越小。然而，为了给乘客提供稳定的服务，要求基站能够提供一定比率的服务量，因此，基站间距就与服务量比率密切相关。

假设基站提供的服务量占总服务量的比率(设为η，η∈[0,1])是个定值，则基站的服务距离，即基站间距可以唯一确定，则基站的最小信道容量也可以唯一确定。从时刻-ts到ts：

(8)

将式(3)代入式(8)，可以得到增加了小尺度衰落的服务量比率，见式(9)。hs(x)对不同的点x是独立同分布的，因此，在给定时间域内的积分是个常数。

(9)

将式(9)变形，并将x=vτ，ds=2vts代入，得：

(10)

在给定平均发送信噪比γ，路径损耗指数α和列车与铁路间距d0的条件下，随着基站间距ds增大，式(10)的左侧单调递增，记为f1(ds)，式(10)右侧的积分是个定值，记为C1，则式(10)简化为：

f1(ds)=C1η

(11)

f1(ds)可逆，则：

(12)

因此，由式(10)和式(12)可得：如果给定平均发送信噪比γ，路径损耗指数α和列车与铁路间距d0的条件下：1) 基站间距ds仅与服务量比率η相关，与列车速度v无关。2) 在服务量需求比率η一定的条件下，基站间距ds可以唯一确定，并且与列车速度v无关。

图3给出了在恒定发送功率条件下，原点O处的平均接收信噪比为SNR0为10dB、25dB，列车速度为250km/h和360km/h(约为70m/s、100m/s)，大小尺度衰落信道的服务量比率和大尺度衰落信道的服务量比率与基站间距关系对比图。由图3可知：1) 大小尺度衰落信道的服务量比率和基站间距关系的理论结果与仿真结果一致；2) 大小尺度衰落信道的服务量比率随基站间距变化趋势与大尺度衰落信道的服务量比率变化趋势相同；3) SNR0相同，对于不同的列车速度v，服务量比率η相同；4) 对于相同的服务间距ds，SNR0越小，服务量比率η越大。

图3 服务量比率与基站间距关系图

为了更加直观地表示增加了小尺度衰落后，与只有大尺度衰落下的基站间距随服务量比率η变化的差别。图4给出了在恒定发送功率的条件下，原点O处的平均接收信噪比SNR0为10dB、25dB，列车速度为70m/s、100m/s，大小尺度衰落下的基站间距和只有大尺度衰落下的基站间距之间的差值随服务量比率η变化图。

设大尺度衰落下基站间距为dL，大小尺度衰落下基站间距为ds，基站间距差值为ξd，则：

ξd=|dS-dL|

(13)

图4 服务量比率和基站间距差值关系图

由图4可知，1) 原点O处的平均接收信噪比SNR0越大，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差的变化趋于平缓，差距小于10m，与列车速度v无关。2) SNR0越小，如果给定服务量比率η(η<0.9)，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差的变化趋于平缓，差距小于10m，与列车速度v无关；如果给定服务量比率η(0.9<η<1)，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差迅速增大，可达100m以上，并且与列车速度v无关。

4 结 语

针对大尺度衰落和小尺度衰落共同作用的信道，本文从信息流的角度，研究了离散时间加性高斯白噪声干扰场景下的信道容量与总服务量之间的关系；从理论上提出了高速铁路基站的服务量比率与基站间距的关系。并在给定服务量比率的条件下，将大尺度衰落下基站的配置间距和增加了小尺度衰落的基站配置间距进行仿真实验对比分析。结果表明：在恒定发送功率条件下，1)SNR0相同，对于不同的列车速度v，服务量比率η相同；2) 对于相同的服务间距ds，SNR0越小，服务量比率η越大；3)SNR0越大，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差的变化趋于平缓，差距小于10 m，与列车速度v无关。4)SNR0越小，如果给定服务量比率η(η<0.9)，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差的变化趋于平缓，差距小于10 m，与列车速度v无关；如果给定服务量比率η(0.9<η<1)，大小尺度衰落信道与大尺度衰落信道的基站间距之差迅速增大，可达100 m以上，并且与列车速度v无关。

本文在给定服务量比率的条件下，从理论上提出了基站间距与服务量比率之间的关系，对于不同的基站配置，都可以通过本文提出的定量分析，找到满足要求的合理的基站配置间距。因此，本文对基站配置标准的分析，在保证总服务量最大化的同时，能够为高速铁路基站的合理配置提供行之有效的方法和依据。

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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。国家自然科学基金项目(61171064)；国家重点基础研究发展计划项目(2012CB316100(2))；国家科技重大项目(2010ZX03003-003)。李颖，讲师，主研领域：移动通信与无线技术。张闯，博士生。

TP311.52

A

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