多點協作技術在戰術數據鏈中的應用

魏龍飛

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安710068)

多點協作技術在戰術數據鏈中的應用

魏龍飛

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安710068)

摘要：為了提高戰術數據鏈地面站點的上行覆蓋能力，將多點協作技術應用于戰術數據鏈系統，在給出多點協作模型的基礎上，提出了一種基于信號干擾噪聲比(SINR)的數據檢測算法。該模型利用多個站點之間的空間分集增益，提高邊緣數據鏈終端的信號檢測質量，從而提高了地面站點的上行覆蓋性能。仿真結果表明，該多點協作模型在較低系統復雜度增加的前提下大大提高了地面站點的邊緣吞吐量和上行覆蓋能力。

關鍵詞：數據鏈；多點協作；數據合并；信號干擾噪聲比

0引言

當今戰場敵我態勢瞬息萬變、稍縱即逝，傳統的語音通信已經不能滿足高速機動作戰的需要，因此戰術數據鏈應運而生。戰術數據鏈使用數據通信將各個平臺探測到的戰場信息在各個作戰單元之間共享，且可以實現指控命令在各個作戰單元與武器平臺進行傳輸與交換。數據鏈一般由地面站點和數據鏈終端組成，站點的覆蓋能力在一定程度上就影響了數據鏈的性能[1-2]。地面站點與數據鏈終端之間的通信分為上行和下行，地面站點可以通過增大發射功率來提高站點的下行覆蓋，但是數據鏈終端由于體積、功耗各方面受限，無法簡單通過增大發射功率提高上行覆蓋。因此，有必要研究一種提高站點覆蓋能力、改善站點邊緣覆蓋的方法。

在移動通信中，改善小區邊緣終端的性能，提高邊緣區域吞吐量是一個研究的熱點。其中，多點協作技術被看作是最有前途的突破口，通過多小區間的協作調度或聯合處理降低小區間的干擾，達到提升邊緣用戶的傳輸性能，提高小區吞吐量的效果[3]。本文將該多點協作技術應用至戰術數據鏈系統中，利用多個地面站點與數據鏈終端之間的空間分集增益，提高數據鏈終端數據的檢測質量，從而改善站點邊緣的吞吐量，達到改善站點邊緣覆蓋的目的。

本文首先給出了戰術數據鏈系統中上行多點協作系統模型；接下來針對戰術數據鏈與該協作模型的特點，設計了基于信干噪比(SINR)的數據檢測算法，該檢測算法根據SINR值對多個站點接收的數據進行適當的合并，以較小的復雜度增加換取較好的性能；然后對該協作模型的吞吐量進行了仿真，并進行了結果分析；最后給出了研究和分析的結論。

1上行多點協作數據鏈模型

1.1　上行多點協作技術

上行多點協作指地理位置上分離的多個站點聯合接收一個終端發送的數據，同時站點之間利用有線鏈路交互終端業務信息、控制信息等，通過站點之間的數據合并與聯合檢測來實現[4-5]。因為多個站點在地理上是分離的，利用多個站點與終端之間的空間分集增益，可以提高終端數據的檢測質量，尤其可以改善站點邊緣的吞吐量和覆蓋能力。本文將該多點協作技術應用于戰術數據鏈，通過地面站點之間的聯合處理，提高地面站點的上行覆蓋問題。

1.2　上行多點協作模型

在本模型中，將地面站覆蓋邊緣區域的數據鏈終端簡稱邊緣終端；反之，與地面站點較近的數據鏈終端簡稱中心終端。中心終端由于離站點較近，站點接收到終端信號較強，終端信息正確接收的概率較高；反之，邊緣終端由于離站點較遠，信息正確接收的概率不能保證。本文采用邊緣終端與中心終端之間的協作，因為中心終端的性能較好，協作方式能夠利用中心終端性能帶動邊緣終端性能。

圖1給出了多點協作模型。A、B和C是3個兩兩相鄰的站點，終端a、b和c分別在站點A、B和C的覆蓋范圍內，因此A、B和C分別給終端a、b和c提供服務。終端a為邊緣終端，位置局限于圖1中上面六邊形的邊緣區域，終端b和c分別為各自所在站點的中心終端。因為本階段主要考察協作對邊緣終端性能的提高，所以邊緣終端a是關注的焦點，在以下敘述中，A站點稱為服務站點，B和C站點稱為協作站點。

圖1　多點協作模型

對于3站點協作的情況，每個站點在同一頻帶上可能存在多個終端，本階段的研究先假定各個站點在同一頻帶上只有1個終端的情況。對于站點A調度1個邊緣終端，站點B和C分別調度與A站點終端同頻帶的1個中心終端。為了不失一般性且較好地體現多點協作技術的優勢，假設每個站點有4根天線，終端有1根天線，站點和終端之間構成了一個簡單的多輸入多輸出(MIMO)模型。則服務站點A的接收信號為

(1)

協作站點B的接收信號為：

(2)

協作站點C的接收信號為：

(3)

式中：RXk為站點X的第k個天線上接收到的信號；HXyk為終端y與站點X的第k個天線之間的信道；xy為終端y的發送信號；IXk為站點X的第k個天線接收到的干擾信號；NXk為站點X的第k個天線接收到的噪聲信號。

2數據合并與聯合檢測算法

對于非協作模式，服務站點對本站點4根天線接收到的終端數據進行合并，然后直接對該數據進

行解碼，其他站點接收到數據直接丟棄[5]。對于上行多點協作模式，多個站點同時接收終端數據，同時多個站點利用有線鏈路交互控制信息以及終端的業務數據，通過站點之間的數據合并與聯合檢測來實現。因為多個站點在地理上是分離的，利用多個站點與終端之間的空間分集增益，可以提高終端數據的檢測質量，改善站點覆蓋能力。

本文針對數據鏈與多點協作技術特點，提出了基于SINR的數據檢測算法，該算法通過計算服務站點、協作站點與邊緣終端之間的SINR值，對多個站點接收的數據進行適當的合并，以較小的復雜度增加換取較好的性能。

從上一節的公式看以看出，當對終端a進行信號檢測時，服務站點A和協作站點B、C收到終端b，c的信號是干擾信號。在該多點協作模型中，因為中心終端性能較好，假設協作站點可以正確檢測中心終端的數據。因此，在服務小區與協作小區進行數據合并之前，協作小區先減去本小區中心終端的數據，即協作小區需要先進行干擾抵消。

一般情況下，邊緣終端離協作站點比較遠，但是當協作站點與邊緣終端之間的信道比較好時，如協作站點接收端的干擾比較小時，協作站點正確檢測終端a的數據概率有可能大于服務站點。因此，在上行多點協作系統中，可以先計算服務站點、協作站點到終端的SINR，然后根據站點到終端SINR值從大到小的順序，依次對終端數據進行檢測。若檢測失敗，進入站點間數據合并過程，優先選擇服務站點和SINR較大的協作站點進行合并。以圖1上行多點協作模型為例，具體實現過程如下：

(1) 協作站點B、C對本站點內中心終端b、c進行信號檢測，然后協作站點B、C對邊緣終端a的干擾信號進行干擾抵消。

(2) 計算服務站點、協作站點與邊緣終端a之間的SINR，得到其SINR分別為：RA、RB、RC。

(3) 對RA、RB、RC由大到小進行排序，依次選擇對應的站點對邊緣終端a的數據進行檢測。若檢測正確，則檢測結束；若檢測失敗，執行步驟(4)。

(4)SINR值較大的協作站點在干擾抵消后與服務站點A進行數據合并，然后對邊緣終端a的數據進行檢測。若檢測成功，則檢測結束；若檢測失敗則執行步驟(5)。

(5) 將服務站點A和協作站點B、C 3個站點干擾抵消后的數據進行合并，然后對邊緣終端a的數據進行檢測。若檢測成功，則檢測結束；否則，檢測失敗。

基于SINR的數據合并與聯合檢測算法處理流程圖如圖2所示。

圖2　基于SINR數據檢測算法流程圖

3仿真結果

這一節對基于SINR的數據檢測算法進行了仿真，并給出了仿真分析。圖3給出了仿真模型，該模型仿真了虛線圍繞區域內，A站點邊緣終端和B站點、C站點中心終端協作的情況。對于站點A來說，其干擾來自于以A為中心的2圈共18個站點。

在該信道模型下，每個站點有500個終端，則A站點協作區域內有10個終端(邊緣終端)，B和C站點各有10個對應的中心終端，每隔一定的調度周期(4 ms)，各個站點從這10個終端中輪詢選擇1個終端。仿真參數如表1所示。

多點協作模式與非協作模式下頻譜效率比較如圖4所示。

圖3　數據鏈系統仿真模型

從圖4中可以看出上行多點協作模式頻譜效率相對于非協作模式大概有0.20 bps/Hz的提高，提高的這部分頻譜效率正是由邊緣區域頻譜效率提高所致的。

表1　仿真參數

因此，協作模式可以顯著提升站點邊緣的速率，提高站點邊緣吞吐量，改善了站點邊緣覆蓋。多點協作模式的缺點是，在提高了地面站點上行覆蓋性能的同時，增加了系統信令的開銷和系統復雜度的提升，且信令的設計和交互將是另一個需要進一步研究的問題。

4結束語

圖 4　協作模式與非協作模式頻譜效率比較

本文將多點協作技術應用于戰術數據鏈系統，給出了戰術數據鏈上行多點協作模型，接下來針對該協作模型特點，設計了基于SINR的數據檢測算法。該模型能夠利用多個地面站點之間的空間分集增益，提高邊緣終端數據的檢測質量，仿真結果證明，該模型較好地改善了站點邊緣覆蓋，可以顯著增強地面站點的上行覆蓋能力，從而提高戰術數據鏈的性能。

參考文獻

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[2]楊光，周經倫，羅鵬程.JTIDS數據鏈在部分頻帶干擾下的性能分析[J].國防科技大學學報，2010,32(1)：122-126.

[3]Yong Li.Performance of LTE-A uplink with joint reception and inter-cell interference coordination[A].2013 IEEE 11th International Conference on Autonomic and Secure Computing (DASC)[C],2013:492- 496.

[4]郭健．LTE-A上行鏈路CoMP關鍵技術研究[D].北京：北京交通大學，2013.

[5]劉晶，常永宇，潘峮，等.LTE-A系統協作多點傳輸技術的性能分析和算法研究[J].現代電信科技，2010,40(2)：85-90.

Application of Coordinated Multi-point Technology to Tactical Data Link

WEI Long-fei

(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Abstract:In order to improve the up-link coverage capacity of tactical data link in the ground sites,this paper applies the coordinated multi-point technology to tactical data link system,brings forward a data detection algorithm based on signal to interference and noise ratio (SINR) on the basis of giving coordinated multi-point model.The model uses the space diversity gain among multiple sites to advance the signal detection quality of edge data terminal,thereby improves the up-link coverage capacity of the ground sites.The simulation results show that the edge throughput and up-link coverage capacity of ground sites can be improved greatly by using the coordinated multi-point model under the premise of system complexity increasing relatively low.

Key words:data link;coordinated multi-point;data merging;signal to interference and noise ratio

收稿日期:2015-03-13

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.012

中圖分類號：TN929.53

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0043-04