高鐵LTE網絡中DUSTC結合協作通信的研究

黨剛，屈彬彬，孫宜軍

高鐵LTE網絡中DUSTC結合協作通信的研究

黨剛，屈彬彬，孫宜軍

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450000）

針對高鐵LTE網絡中的多普勒效應，研究了小區合并的方法，提出了差分酉空時碼（DUSTC）結合協作通信的方法。該方法基于廣義平穩非線性散射模型（WSSUS），調制解調采用DUSTC調制，中繼點使用循環冗余編碼（CRC）提高系統可靠性，手持終端使用最大化合并的方案以抵抗多徑干擾，保證通信質量。仿真數據分析，與傳統的小區合并方法對比，在BER為10-5處增加了約5 dB的編碼增益。

差分酉空時碼 協作通信 廣義平穩非相關散射模型 小區合并

1 引言

高速鐵路作為重要的交通方式和主要的國民經濟形式，在許多國家的社會生活中占有非常重要的地位。運營商、通信設備廠商、科研學者等研究人員對高鐵通信做了大量的新技術研究，而高鐵車體損耗值較高、多普勒效應明顯、投資效益高等問題，仍然難以解決。LTE網絡中高鐵通信的覆蓋多是專網1.9G的F頻段，該頻段多發生散射、折射，高鐵車體損耗平均達到24 dB，在高鐵時速達到350 km/h的情況下，多普勒頻移的正交時間達到3.35Δτ，此時會產生嚴重的多普勒頻移。本文相對傳統的Cost231-Hata模型，首次改用WSSUS模型[1]，該模型更能準確反映多普勒頻移。同時在高鐵“之”字型布局中靈活運用協作通信[2-3]，減少切換時間過短造成的掉話和斷網。在調制解調中將信號編制為差分酉空時碼（DUSTC）[3]，其本身是正交編碼，該特性就有效克服了干擾情況下的OFDM[4]中非線性不能正交的現象。差分酉空時碼結合協作通信的方法能在鐵路LTE環境中廣泛使用，無需專門采購專項設備，無需組建鐵路專網，從而減少高鐵LTE網絡的投資，并且有利于公網優化。

2 協作通信模型

文獻[5]系統描述過差分酉空時碼的協作通信方法，本文系統模型如圖1所示的三個發射臺協作通信方式，發射臺S和發射臺D為發射信源，發射臺R是中繼點，三個發射臺可以互為中繼進行通信。本文以發射臺S到發射臺D為直接鏈路，發射臺S、發射臺R和發射臺D是協作鏈路。考慮WSSUS模型是分場景模型，該模型適合山地、平原、森林和密集城區等多種場景。編碼協作協議[6]的信息傳送分為兩個時隙，為避免兩個時隙傳輸時產生的碼間干擾，根據OFDM特性建模成兩個正交的時隙。

圖1 三個發射臺協作通信系統拓撲結構

圖1 是三個發射臺協作通信系統拓撲結構，假設發射臺S是M副天線，發射臺D是N副天線，S處發射的信號是差分編碼調制符號Xτ，τ是信號發射時間間隔。本文兩個時隙分別表示為：

時隙1，發射臺S到發射臺D和發射臺R的接收信號分別表示：

式中，Wτs,r和Wτs,d是零方差為N0的加性高斯白噪聲，P1是發射臺S的發射功率。Hs,d和Hs,r是高鐵LTE網絡的信道衰落系數。

時隙2，發射臺R到發射臺D的接收信號表示為：

式中，Wrτ

,d是零方差為N0的加性高斯白噪聲；P2是中繼節點R處的發射功率；Hr,d是高鐵LTE網絡的信道衰落系數；X?τ是中繼節點編碼解調后的信號。

在重疊切換區域的移動終端采用最大化合并技術[7]（MRC），合并權重系數分別表示為小區切換區域的接收信號表達式為：

Xτ可以表示為T×M的矩陣，T是OFDM正交相關時間間隔；由于信號是酉矩陣，則Xτ可以標準化表示為信道衰落系數H表示為M×N的矩陣，干擾信號和接收信號表示為T×N的矩陣。

3 解碼轉發的DUSTC傳輸方案

3.1 移動通信中傳統的小區合并方法

中國鐵塔公司【2015】39號文詳細講解了高鐵組網的主導意見，指出高鐵兩側基站建設布局遵循相鄰站點交錯分布于鐵路的兩側，形成“之”字型布局，此布局有助于改善切換區域。對于鐵路彎道，站址宜設置在彎道的內側，可提高入射角，保證覆蓋的均衡性。當信號與列車入射角大于10°時，基站到鐵軌的距離應該控制在100 m至500 m之內；合理重疊覆蓋切換區域的取值區間是139 m～215 m，在同一邏輯小區內無需考慮重疊覆蓋區。高鐵LTE網絡站間距在1.8 km至2.5 km，RRU采用雙通道高增益天線，RRU發射功率是43 dBm。

小區合并方法是以雙RRU背靠背共一個小區，下行兩個天線發送相同的數據，上行2個RRU的信號作為1個小區的多個天線信號處理，沒有噪聲疊加。

3.2 差分酉空時碼的調制解調方法

差分酉空時調制最早由Hochwald提出，文獻[8]詳細描述了DUSTC的推導過程。在多天線基礎上差分相乘的酉矩陣調制與信息的比特序列一一對應，并且編譯為酉矩陣的多天線發射信號是逐塊傳輸，設L是逐塊傳輸的信號符號數，L=2R×M，高鐵通信的頻帶利用率是R bit/s·Hz-1。DUSTC是單天線DPSK方案的理論擴展，每個差分酉空時碼利用奇異值分解可表示為，設計時信息符號塊Vl是一個M×M的矩陣，并作為發射信號的參數傳輸到下一符號塊，推理得出T=2M。奇異值分解后的Vl是典型對角酉矩陣，即VlVH

l=IM，Vl的表達式為：

式中，u1, u2, …, uM是對角酉矩陣中的標準正交基的優化整數形式[9]，u1, u2, …, uM∈[0, …, L-1]。

差分酉空時碼的調制方案中，第一個發射信號作為保護序列，其酉矩陣的表達式為：X0=IM。根據酉矩陣逐塊傳輸的原則，調制解調中的酉矩陣表達式為：

把(6)式代入(1)式得：

由于衰落信道是WSSUS模型，則調制方案的連續兩個正交相關時間內信道模型一致，即在連續兩個正交相關時間內的信道衰落系數H可以正交，式(7)也可以表示為：

將式(8)代入式(7)，Yτs,r另一種表達式為：

3.3 調制解調方案的協作處理方法

本文采用每三個發射臺為參考對象，各個發射臺配置多副天線以便組成MIMO形式。差分酉空時碼結合中繼協作通信，天線數量多于2時保證各天線的信號符號相互正交，并且保證傳輸碼速率為1[10]。由文獻[10]中表2.2的表述可知，差分酉空時碼的正交時間大于載頻相干時間的2倍，即在所有移動通信網絡中能設置多副天線，并且能達到增加空間增益的作用。另外，DUSTC的星座圖具有群結構特性，該結構有利于數據推導的快速性以及簡化實際工程建設中的實現過程。

在協作中繼節點的差分酉空時碼，經過預估計解調的最大似然函數[11]（ML）表達式是：

由公式(10)可知，ML譯碼會產生譯碼錯誤，整個調制解調過程中沒有檢測誤碼的過程，接收后的通信終端將會出現明顯的誤碼。而循環冗余檢查碼（CRC）是一種常用的校驗碼，并且可以方便快捷地和其它碼混合編譯，在調制前加入CRC檢測器，則解調后可以進一步有效地降低誤碼率。

CRC校驗碼是一種在數據傳輸過程中針對數據多項式檢錯的碼，根據計算出的余數多項式判斷傳輸信息碼的正確性和完整性。本文在協作中繼點接收前加入CRC碼，并與Xτ編碼，之后將CRC碼產生的校驗序列插在Xτ序列的后面，經中繼點的協作操作后，得出攜帶CRC碼的接收信號與接收前信號做校驗對比，依據差錯控制理論得出校驗結果。

采用CRC碼的協作通信方案中，解調正確的信號表達式為：

當CRC碼校驗出誤碼時q(Xτ)=0。

4 仿真結果與性能指標分析

4.1 仿真結果與分析

假設差分酉空時編碼結合協作通信的信道環境是在T=2M的相關時間內近似保持不變，不同相關時間內衰落系數相互獨立，在相關時間中信道傳輸前后連續。仿真中，利用文獻[5]中的信道衰落系數WSSUS的數學表達式，設高鐵速度是350 km/h，載波頻率為F頻段1.9 GHz，高鐵車體損耗是24 dB。本文提出的方法與雙RRU背靠背小區合并方法對比，仿真天線矩陣數量為M=N=2，檢錯校驗碼是CRC-16碼。發射臺S與發射臺R之間采用平均功率分配的方法，即P1=P2。

圖2中，本文提出DUSTC結合協作通信的方法在多天線情形下，與傳統小區合并方法在誤碼率方面的比較。仿真過程中以小區之間重疊切換區為對象。從圖2可以看出，多天線的DUSTC結合協作通信和小區合并的方法，兩者信噪比均在100以下，兩種方法降低誤碼率的曲線趨勢基本一致。多天線DUSTC和OFDM在理論設計時，調制星座圖的原理一致。在信噪比較低的情況下，DUSTC編碼結構較為復雜，頻譜利用率低，則該方法誤碼率與傳統小合并方法的曲線大致相同。隨著信噪比的增加，DUSTC結合協作通信的編碼增益的提高，以及CRC碼的校錯檢驗功能，致使降低誤碼率的能力顯著加快。在BER=10-5處，DUSTC結合協作通信的方法比傳統小區合并方法有5 dB編碼增益的提高。

圖2 DUSTC結合協作通信與傳統小區合并方法的性能比（T=4，M=2，N=2）

4.2 性能指標分析

高速專網小區合并的方法較為普遍，實際測試比非小區合并的效果要好。但是小區合并需要高鐵專網做基礎，這樣在專網與公網接口、專網優化等方面都需要專門配置。專網增加了維護和優化的難度，同時也增加了運營商的產品投資，但是網絡覆蓋較好。DUSTC結合協作通信的方法有效利用公網資源和新技術克服了高鐵專網單獨組網、單獨配置接口等難題，提高了經濟效益，更能在不同覆蓋場景中減少小區切換失敗率。表1詳細列舉了兩種方案的性能指標。

表1 DUSTC-協作方法公網和小區合并專網性能指標對比

5 結束語

本文針對高鐵LTE網絡中多天線差分酉空時編碼結合協作通信的應用，在調制解調中采用差分酉空時編碼克服多普勒效應造成的信道衰落，提出協作通信中結合差分酉空時編碼的方法。該方法適用于高速移動場景的高鐵通信，克服了快衰落相干調制造成的接收信號端無法準確估計信道衰落系數的問題。同時也得出該方法在高鐵小區切換區域中能有效降低誤碼率，配置多天線提高了分集增益和傳輸質量。在經濟投資方面，DUSTC結合協作通信的方法可以利用公網的現網資源共同完成信息協作傳輸，減少無線主設備和相關配套的投資，有利于加強高鐵通信的用戶感知和市場競爭力。

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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

黨剛：工程師，碩士畢業于鄭州大學，現任職于中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，主要研究方向為移動通信多普勒效應和協作通信，從事無線通信工程咨詢規劃設計工作。

屈彬彬：工程師，學士畢業于河南農業大學，現任職于中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，主要研究方向為無線接入網，從事無線通信工程咨詢規劃設計工作。

孫宜軍：高級工程師，學士畢業于南京郵電大學，現任職于中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，主要研究方向為無線接入網，從事無線通信工程咨詢規劃設計工作。

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.16.011

TN929.53

A

1006-1010(2017)16-0055-05

黨剛,屈彬彬,孫宜軍. 高鐵LTE網絡中DUSTC結合協作通信的研究[J]. 移動通信, 2017,41(16): 55-59.

2016-11-23

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn