高铁LTE网络中DUSTC结合协作通信的研究

2017-09-15党刚屈彬彬孙宜军

移动通信 2017年16期

党刚，屈彬彬，孙宜军

党刚，屈彬彬，孙宜军

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南郑州 450000）

针对高铁LTE网络中的多普勒效应，研究了小区合并的方法，提出了差分酉空时码（DUSTC）结合协作通信的方法。该方法基于广义平稳非线性散射模型（WSSUS），调制解调采用DUSTC调制，中继点使用循环冗余编码（CRC）提高系统可靠性，手持终端使用最大化合并的方案以抵抗多径干扰，保证通信质量。仿真数据分析，与传统的小区合并方法对比，在BER为10-5处增加了约5 dB的编码增益。

差分酉空时码协作通信广义平稳非相关散射模型小区合并

1 引言

高速铁路作为重要的交通方式和主要的国民经济形式，在许多国家的社会生活中占有非常重要的地位。运营商、通信设备厂商、科研学者等研究人员对高铁通信做了大量的新技术研究，而高铁车体损耗值较高、多普勒效应明显、投资效益高等问题，仍然难以解决。LTE网络中高铁通信的覆盖多是专网1.9G的F频段，该频段多发生散射、折射，高铁车体损耗平均达到24 dB，在高铁时速达到350 km/h的情况下，多普勒频移的正交时间达到3.35Δτ，此时会产生严重的多普勒频移。本文相对传统的Cost231-Hata模型，首次改用WSSUS模型[1]，该模型更能准确反映多普勒频移。同时在高铁“之”字型布局中灵活运用协作通信[2-3]，减少切换时间过短造成的掉话和断网。在调制解调中将信号编制为差分酉空时码（DUSTC）[3]，其本身是正交编码，该特性就有效克服了干扰情况下的OFDM[4]中非线性不能正交的现象。差分酉空时码结合协作通信的方法能在铁路LTE环境中广泛使用，无需专门采购专项设备，无需组建铁路专网，从而减少高铁LTE网络的投资，并且有利于公网优化。

2 协作通信模型

文献[5]系统描述过差分酉空时码的协作通信方法，本文系统模型如图1所示的三个发射台协作通信方式，发射台S和发射台D为发射信源，发射台R是中继点，三个发射台可以互为中继进行通信。本文以发射台S到发射台D为直接链路，发射台S、发射台R和发射台D是协作链路。考虑WSSUS模型是分场景模型，该模型适合山地、平原、森林和密集城区等多种场景。编码协作协议[6]的信息传送分为两个时隙，为避免两个时隙传输时产生的码间干扰，根据OFDM特性建模成两个正交的时隙。

图1 三个发射台协作通信系统拓扑结构

图1 是三个发射台协作通信系统拓扑结构，假设发射台S是M副天线，发射台D是N副天线，S处发射的信号是差分编码调制符号Xτ，τ是信号发射时间间隔。本文两个时隙分别表示为：

时隙1，发射台S到发射台D和发射台R的接收信号分别表示：

式中，Wτs,r和Wτs,d是零方差为N0的加性高斯白噪声，P1是发射台S的发射功率。Hs,d和Hs,r是高铁LTE网络的信道衰落系数。

时隙2，发射台R到发射台D的接收信号表示为：

式中，Wrτ

,d是零方差为N0的加性高斯白噪声；P2是中继节点R处的发射功率；Hr,d是高铁LTE网络的信道衰落系数；Xˆτ是中继节点编码解调后的信号。

在重叠切换区域的移动终端采用最大化合并技术[7]（MRC），合并权重系数分别表示为小区切换区域的接收信号表达式为：

Xτ可以表示为T×M的矩阵，T是OFDM正交相关时间间隔；由于信号是酉矩阵，则Xτ可以标准化表示为信道衰落系数H表示为M×N的矩阵，干扰信号和接收信号表示为T×N的矩阵。

3 解码转发的DUSTC传输方案

3.1 移动通信中传统的小区合并方法

中国铁塔公司【2015】39号文详细讲解了高铁组网的主导意见，指出高铁两侧基站建设布局遵循相邻站点交错分布于铁路的两侧，形成“之”字型布局，此布局有助于改善切换区域。对于铁路弯道，站址宜设置在弯道的内侧，可提高入射角，保证覆盖的均衡性。当信号与列车入射角大于10°时，基站到铁轨的距离应该控制在100 m至500 m之内；合理重叠覆盖切换区域的取值区间是139 m～215 m，在同一逻辑小区内无需考虑重叠覆盖区。高铁LTE网络站间距在1.8 km至2.5 km，RRU采用双通道高增益天线，RRU发射功率是43 dBm。

小区合并方法是以双RRU背靠背共一个小区，下行两个天线发送相同的数据，上行2个RRU的信号作为1个小区的多个天线信号处理，没有噪声叠加。

3.2 差分酉空时码的调制解调方法

差分酉空时调制最早由Hochwald提出，文献[8]详细描述了DUSTC的推导过程。在多天线基础上差分相乘的酉矩阵调制与信息的比特序列一一对应，并且编译为酉矩阵的多天线发射信号是逐块传输，设L是逐块传输的信号符号数，L=2R×M，高铁通信的频带利用率是R bit/s·Hz-1。DUSTC是单天线DPSK方案的理论扩展，每个差分酉空时码利用奇异值分解可表示为，设计时信息符号块Vl是一个M×M的矩阵，并作为发射信号的参数传输到下一符号块，推理得出T=2M。奇异值分解后的Vl是典型对角酉矩阵，即VlVH

l=IM，Vl的表达式为：

式中，u1, u2, …, uM是对角酉矩阵中的标准正交基的优化整数形式[9]，u1, u2, …, uM∈[0, …, L-1]。

差分酉空时码的调制方案中，第一个发射信号作为保护序列，其酉矩阵的表达式为：X0=IM。根据酉矩阵逐块传输的原则，调制解调中的酉矩阵表达式为：

把(6)式代入(1)式得：

由于衰落信道是WSSUS模型，则调制方案的连续两个正交相关时间内信道模型一致，即在连续两个正交相关时间内的信道衰落系数H可以正交，式(7)也可以表示为：

将式(8)代入式(7)，Yτs,r另一种表达式为：

3.3 调制解调方案的协作处理方法

本文采用每三个发射台为参考对象，各个发射台配置多副天线以便组成MIMO形式。差分酉空时码结合中继协作通信，天线数量多于2时保证各天线的信号符号相互正交，并且保证传输码速率为1[10]。由文献[10]中表2.2的表述可知，差分酉空时码的正交时间大于载频相干时间的2倍，即在所有移动通信网络中能设置多副天线，并且能达到增加空间增益的作用。另外，DUSTC的星座图具有群结构特性，该结构有利于数据推导的快速性以及简化实际工程建设中的实现过程。

在协作中继节点的差分酉空时码，经过预估计解调的最大似然函数[11]（ML）表达式是：

由公式(10)可知，ML译码会产生译码错误，整个调制解调过程中没有检测误码的过程，接收后的通信终端将会出现明显的误码。而循环冗余检查码（CRC）是一种常用的校验码，并且可以方便快捷地和其它码混合编译，在调制前加入CRC检测器，则解调后可以进一步有效地降低误码率。

CRC校验码是一种在数据传输过程中针对数据多项式检错的码，根据计算出的余数多项式判断传输信息码的正确性和完整性。本文在协作中继点接收前加入CRC码，并与Xτ编码，之后将CRC码产生的校验序列插在Xτ序列的后面，经中继点的协作操作后，得出携带CRC码的接收信号与接收前信号做校验对比，依据差错控制理论得出校验结果。

采用CRC码的协作通信方案中，解调正确的信号表达式为：

当CRC码校验出误码时q(Xτ)=0。

4 仿真结果与性能指标分析

4.1 仿真结果与分析

假设差分酉空时编码结合协作通信的信道环境是在T=2M的相关时间内近似保持不变，不同相关时间内衰落系数相互独立，在相关时间中信道传输前后连续。仿真中，利用文献[5]中的信道衰落系数WSSUS的数学表达式，设高铁速度是350 km/h，载波频率为F频段1.9 GHz，高铁车体损耗是24 dB。本文提出的方法与双RRU背靠背小区合并方法对比，仿真天线矩阵数量为M=N=2，检错校验码是CRC-16码。发射台S与发射台R之间采用平均功率分配的方法，即P1=P2。

图2中，本文提出DUSTC结合协作通信的方法在多天线情形下，与传统小区合并方法在误码率方面的比较。仿真过程中以小区之间重叠切换区为对象。从图2可以看出，多天线的DUSTC结合协作通信和小区合并的方法，两者信噪比均在100以下，两种方法降低误码率的曲线趋势基本一致。多天线DUSTC和OFDM在理论设计时，调制星座图的原理一致。在信噪比较低的情况下，DUSTC编码结构较为复杂，频谱利用率低，则该方法误码率与传统小合并方法的曲线大致相同。随着信噪比的增加，DUSTC结合协作通信的编码增益的提高，以及CRC码的校错检验功能，致使降低误码率的能力显著加快。在BER=10-5处，DUSTC结合协作通信的方法比传统小区合并方法有5 dB编码增益的提高。

图2 DUSTC结合协作通信与传统小区合并方法的性能比（T=4，M=2，N=2）

4.2 性能指标分析

高速专网小区合并的方法较为普遍，实际测试比非小区合并的效果要好。但是小区合并需要高铁专网做基础，这样在专网与公网接口、专网优化等方面都需要专门配置。专网增加了维护和优化的难度，同时也增加了运营商的产品投资，但是网络覆盖较好。DUSTC结合协作通信的方法有效利用公网资源和新技术克服了高铁专网单独组网、单独配置接口等难题，提高了经济效益，更能在不同覆盖场景中减少小区切换失败率。表1详细列举了两种方案的性能指标。

表1 DUSTC-协作方法公网和小区合并专网性能指标对比

5 结束语

本文针对高铁LTE网络中多天线差分酉空时编码结合协作通信的应用，在调制解调中采用差分酉空时编码克服多普勒效应造成的信道衰落，提出协作通信中结合差分酉空时编码的方法。该方法适用于高速移动场景的高铁通信，克服了快衰落相干调制造成的接收信号端无法准确估计信道衰落系数的问题。同时也得出该方法在高铁小区切换区域中能有效降低误码率，配置多天线提高了分集增益和传输质量。在经济投资方面，DUSTC结合协作通信的方法可以利用公网的现网资源共同完成信息协作传输，减少无线主设备和相关配套的投资，有利于加强高铁通信的用户感知和市场竞争力。

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Research on DUSTC Combined with Cooperative Communication in the High-Speed Railway LTE Network

DANG Gang, QU Binbin, SUN Yijun
(The 4th Branch of China International Telecommunication Construction Corporation, Zhengzhou 450000, China)

In the light of Doppler effect in the high-speed railway LTE network, the cell merge method was investigated to propose the method of DUSTC combined with cooperative communication. Based on the wide-sense stationaryuncorrelated scattering (WSSUS) model, the proposed method uses DUSTC as the modem scheme, cyclic redundancy check (CRC) in the relay point to enhance the system reliability and the maximal-ratio combining (MRC) at the handset terminal to combat multipath interference and guarantee communication quality. Simulation data show that compared with the traditional cell merge method, the proposed method increases about 5 dB gain at the BER of 10-5.

DUSTC cooperative communication WSSUS cell merge