鐵路車站通信信道資源智能分配的研究

摘要：近幾年隨著鐵路車站的不斷擴(kuò)大重建，移動(dòng)終端的迅速增加，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多元化，用戶對(duì)高速度、大容量的通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要的增大，對(duì)車站移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量、質(zhì)量提出了更高的要求，給車站移動(dòng)通信造成了巨大壓力。本文在分布式天線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析天線分布，建立信道模型，并利用中斷概率，提出了基于中斷概率的信道分配算法，并設(shè)計(jì)出策略流程圖。該算法能夠降低天線系統(tǒng)的發(fā)射功率，提高信道利用率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)隙資源的智能靈活分配。

引言

　　近年來(lái)，我國(guó)的鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，逐漸成為人們出門旅行首選的出行方式。這也導(dǎo)致火車站人流密度迅速增大，特別是站臺(tái)在上下車時(shí)人員流動(dòng)迅速，存在人流高峰，例如北京站在客流高峰期日客流量會(huì)超過(guò)20萬(wàn)人^[1]。隨著車站用戶需求的不斷增長(zhǎng)，話務(wù)密度和覆蓋要求也不斷上升，對(duì)頻率干擾控制、系統(tǒng)間互操作、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面都提出了很高的要求。用戶密度大，基站信道擁擠，移動(dòng)通信信號(hào)減弱，手機(jī)無(wú)法正常使用，給車站通信造成了巨大壓力。能夠在人流高峰時(shí)提供暢通、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的通信服務(wù)是鐵路車站通信系統(tǒng)面臨的重要問(wèn)題。

　　本文研究在鐵路車站人流密度大，移動(dòng)速度快的情況下，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)通信信道的智能分配，改善車站的通信質(zhì)量。由于分布式天線系統(tǒng)在信號(hào)覆蓋范圍、功率以及頻譜效率等方面的諸多優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越多地用于大型場(chǎng)館的室內(nèi)通信[2]。本文也在分布式天線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析天線分布、信道模型，利用中斷概率，提出了基于中斷概率的信號(hào)智能分配算法，該算法能對(duì)信道資源實(shí)行智能分配，改善無(wú)線信號(hào)弱覆蓋區(qū)域的覆蓋效果，提高網(wǎng)絡(luò)尋呼成功率，減少掉話率，改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞率，一個(gè)小區(qū)中使用相同信道而不至于帶來(lái)嚴(yán)重的同信道干擾。最后設(shè)計(jì)出了基于中斷概率的信號(hào)智能分配策略流程圖。

1 系統(tǒng)模型圖

　　現(xiàn)在新型火車站都向著簡(jiǎn)潔化、緊湊化、立體化和細(xì)微化的方向發(fā)展。雖然各大型火車站的外觀有所不同，但各大型火車站的主要構(gòu)造都有著共同之處。由于火車站功能的特殊性，車站大都依鐵道而建，主要包括站房和站臺(tái)。人流密集及流動(dòng)量大的區(qū)域主要包括站房?jī)?nèi)的候車大廳和站臺(tái)。火車站人流的集散組織為進(jìn)站人流由廣場(chǎng)到候車大廳再到站臺(tái);出站人流由出站口至集散廣場(chǎng)直到自選交通分流。

　　根據(jù)火車站的建筑及人員分布特點(diǎn)，建立如圖1所示的分布式天線系統(tǒng)，使信號(hào)的覆蓋范圍呈帶狀分布。分布式天線系統(tǒng)將天線在地理上分開放置，不僅能提高接受信噪比，降低發(fā)送功率，提高分集度，而且還能減少切換次數(shù)，從而大大改善系統(tǒng)性能^[4];另外，它還具有成本低，部署靈活，易于升級(jí)，廣泛適用的特點(diǎn)，特別適用于火車站這種復(fù)雜的通信環(huán)境。在該系統(tǒng)中，信號(hào)處理中心(即基站)位于小區(qū)的中心位置，基站處的天線記為A，其它天線都分布在基站周圍，分別記為a_i(i=1、2、3……n)，每個(gè)分布式天線通過(guò)光纖或同軸電纜與信號(hào)處理中心相連。

　　假設(shè)小區(qū)為圓形小區(qū)，且半徑為R。利用極坐標(biāo)(ρ,θ)表示移動(dòng)臺(tái)的位置，ρ和θ分別表示移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于小區(qū)中心即信號(hào)處理中心的距離與方位角，如圖2所示。

　　本文只考慮分布式天線系統(tǒng)的上行傳輸。基站和所有分布式天線接收到來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的上行信號(hào)可以用以下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：

　　式中yi表示第i個(gè)天線ai所接收到的信號(hào)，E為移動(dòng)臺(tái)的上行信號(hào)發(fā)射功率，hi表示a_i與移動(dòng)臺(tái)之間傳輸鏈路的信道增益，x則為移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的上行信號(hào)，而Z為夾雜在信號(hào)中的噪聲矢量。在本文中，假設(shè)噪聲矢量Z 中的每一個(gè)元素均為相互獨(dú)立的均值為零、方差為N0的復(fù)高斯隨機(jī)變量。該數(shù)學(xué)表達(dá)式，Y表示車站分布式天線系統(tǒng)中小區(qū)基站接收到的來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的上行信號(hào)，該信號(hào)由各天線a_i所接收的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)與噪聲組成的矩陣表示。

2 系統(tǒng)中移動(dòng)臺(tái)的中斷概率

　　在無(wú)線通信系統(tǒng)中，中斷概率是反應(yīng)用戶會(huì)話接入性能的重要指標(biāo)，與信道容量、誤符號(hào)率等指標(biāo)都是信噪比的函數(shù)。系統(tǒng)的中斷概率與移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)的分布有關(guān)，將中斷概率作為優(yōu)化目標(biāo)可以直觀地反映出移動(dòng)臺(tái)周圍的信號(hào)覆蓋情況^[3]。因此我們使用移動(dòng)臺(tái)在系統(tǒng)中的中斷概率作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來(lái)反映移動(dòng)臺(tái)周圍的信號(hào)覆蓋情況。

　　中斷概率的定義：在小區(qū)內(nèi)不能達(dá)到接收信噪比門限r(nóng)th的區(qū)域面積與小區(qū)面積的比值稱為系統(tǒng)的中斷概率^[4]。理論上，系統(tǒng)中斷概率與移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)中的位置有關(guān)。本節(jié)將介紹小區(qū)中移動(dòng)臺(tái)的上行信號(hào)中斷概率。分布式天線ai所接收上行信號(hào)的信噪比為：

　　其中g(shù)_i為小尺度衰落的影響，其包絡(luò)服從零均值的Rayleigh分布，Ω_i表示陰影衰落的影響。

　　位于(ρ,θ)處的移動(dòng)臺(tái)的上行中斷概率可以表示為：

　　其中r_th為信噪比門限，r=max{r₀,r₁,…,r_N }表示經(jīng)過(guò)信噪比最大的天線接收后接收端輸出的信噪比的最大值，這就使得選中天線的信噪比最大。

　　位于(ρ,θ)處移動(dòng)臺(tái)的中斷概率為:

　　式中t_n和H_n分別是N_p階Hermite多項(xiàng)式的權(quán)值，u_i (ρ,θ)=ω_i (ρ,θ)+10 lg(E/N₀ )，ω_i(ρ,θ)(單位dB)和σ_i(單位dB)分別為10lgΩi的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。上式表示單個(gè)移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)中的中斷概率。由上式可以看出單個(gè)移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)中的中斷概率只與移動(dòng)臺(tái)的位置(ρ,θ)有關(guān)。根據(jù)該公式可以先計(jì)算出系統(tǒng)中移動(dòng)臺(tái)的中斷概率，將其與事先設(shè)置的門限值比較，可判斷出該移動(dòng)臺(tái)能否正常通信。若小于門限值，則中斷該移動(dòng)臺(tái)的通信;若不小于門限值，則準(zhǔn)許該移動(dòng)臺(tái)通信，繼續(xù)為該移動(dòng)臺(tái)分配信道。這樣可以避免所有移動(dòng)臺(tái)同時(shí)占用信道而降低信道利用率。

3 基于中斷概率的信道智能分配算法

　　基于中斷概率的信道智能分配算法(Channel Intelligent Allocation Algorithm based on Outage Probability，CIAAOP)首先需判斷移動(dòng)臺(tái)能否正常通信，即根據(jù)移動(dòng)臺(tái)的中斷概率公式計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的中斷概率，將其與設(shè)定門限值比較，若不大于門限值則表示該移動(dòng)臺(tái)可以被分配信道;接下來(lái)只需在所有天線(天線總數(shù)量用N_total表示)中選擇移動(dòng)臺(tái)周圍信噪比最大的天線，運(yùn)用動(dòng)態(tài)信道分配算法分配合適信道。基于中斷概率的信道智能分配算法流程圖如圖3所示。 該算法會(huì)定期檢測(cè)每個(gè)分布天線中所有可選信道的平均干擾量，并將平均共信道干擾量(Co-Channel Interference, CCI)存儲(chǔ)在每個(gè)天線相對(duì)的共信道干擾表中，當(dāng)有信道請(qǐng)求時(shí)，所有空閑信道中共信道干擾量最低的信道將會(huì)被分配。在分布式天線系統(tǒng)中運(yùn)用動(dòng)態(tài)信道分配算法，使得在一個(gè)蜂窩小區(qū)內(nèi)同一條信道能夠重復(fù)利用，相對(duì)于傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)，該算法能顯著提高頻譜的利用效率。

　　本文中采用頻分多址技術(shù)，可用信道數(shù)量用S_ch表示，假設(shè)第m(m=0~N_total-1)個(gè)分布天線被選中了，接下來(lái)我們將對(duì)共信道干擾表的更新和信道智能分配過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3.1 CCI表更新

　　動(dòng)態(tài)信道分配算法對(duì)每個(gè)天線的所有可用信道的平均CCI能量進(jìn)行檢測(cè)，并不斷更新^[5]。設(shè)第一階濾波是對(duì)平均CCI能量的測(cè)量。在t時(shí)刻第m個(gè)分布天線的第k條信道的CCI量即平均共信道干擾量的表達(dá)式如下：

I_n,k (t)和β(0≤β<1)分別是t時(shí)刻瞬時(shí)共信道干擾量和過(guò)濾遺忘因子。傳輸過(guò)程中瞬時(shí)CCI量在不斷改變。其中β取值應(yīng)適中，若太小，則會(huì)導(dǎo)致CCI的檢測(cè)區(qū)間變小，這就會(huì)使信道分配不穩(wěn)定。

3.2 信道智能分配算法

　　假設(shè)第m條天線被選中了，圖3為信道分配流程圖，當(dāng)t時(shí)刻向信道發(fā)送請(qǐng)求，信道分配算法就會(huì)更新該天線所對(duì)應(yīng)的CCI量，并分配該天線所有空閑信道中平均CCI量最低的信道K_n進(jìn)行通信，其中K_n表達(dá)式為:

　　令A_n (t)表示t時(shí)刻第n條天線的空閑信道條數(shù)，如果沒(méi)有信道是空閑的，此次信道分配就會(huì)失敗，并且發(fā)出信道請(qǐng)求的移動(dòng)臺(tái)也不會(huì)得到任何數(shù)據(jù)。利用該算法使得在一個(gè)小區(qū)中的同一個(gè)信道能重復(fù)利用，相對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這能提高頻譜利用率。

4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

　　針對(duì)以上理論分析，本節(jié)將運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證基于中斷概率的信道智能分配算法在信道利用率上的優(yōu)勢(shì)。不失一般性地，假設(shè)測(cè)試小區(qū)是一個(gè)半徑為R的圓形區(qū)域。在該區(qū)域中，分布式天線均勻分布在半徑為R/2的圓上，基站位于小區(qū)中央。設(shè)天線總數(shù)為N_total，移動(dòng)臺(tái)均勻分布在小區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)允許的信道衰落門限值為145，移動(dòng)用戶的最大發(fā)射功率為22dBmw。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在選擇一定中斷概率門限值的情況下，通過(guò)選擇運(yùn)用和不運(yùn)用基于中斷概率的信道智能分配算法，對(duì)實(shí)驗(yàn)小區(qū)的吞吐量進(jìn)行模擬仿真，得出如圖5所示仿真結(jié)果。從圖5可以看出，未使用該智能分配算法時(shí)，在5-9S區(qū)間產(chǎn)生較大幅度抖動(dòng)，系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，吞吐量小;在使用了本文所使用的基于中斷概率的信道智能分配算法后，系統(tǒng)性能獲得了提高，穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

　　本文主要介紹了一種鐵路車站通信信道資源智能分配策略。首先介紹了該分布式天線系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)分布式天線系統(tǒng)的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了系統(tǒng)中移動(dòng)臺(tái)的中斷概率，并得出計(jì)算公式;接下來(lái)在移動(dòng)臺(tái)中斷概率的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)態(tài)信道分配算法，設(shè)計(jì)出在分布式天線系統(tǒng)中的基于中斷概率的動(dòng)態(tài)信道分配算法流程圖，不僅可以降低移動(dòng)臺(tái)的發(fā)送功率，減少切換次數(shù)，還能提高信道的利用率，提高小區(qū)的吞吐量，能有效改善車站特殊通信環(huán)境的通信質(zhì)量。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第53頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。