魏龍飛

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安710068)

多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用

魏龍飛

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安710068)

摘要：為了提高戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈地面站點(diǎn)的上行覆蓋能力，將多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，在給出多點(diǎn)協(xié)作模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于信號干擾噪聲比(SINR)的數(shù)據(jù)檢測算法。該模型利用多個(gè)站點(diǎn)之間的空間分集增益，提高邊緣數(shù)據(jù)鏈終端的信號檢測質(zhì)量，從而提高了地面站點(diǎn)的上行覆蓋性能。仿真結(jié)果表明，該多點(diǎn)協(xié)作模型在較低系統(tǒng)復(fù)雜度增加的前提下大大提高了地面站點(diǎn)的邊緣吞吐量和上行覆蓋能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)鏈；多點(diǎn)協(xié)作；數(shù)據(jù)合并；信號干擾噪聲比

0引言

當(dāng)今戰(zhàn)場敵我態(tài)勢瞬息萬變、稍縱即逝，傳統(tǒng)的語音通信已經(jīng)不能滿足高速機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的需要，因此戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)運(yùn)而生。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂脭?shù)據(jù)通信將各個(gè)平臺探測到的戰(zhàn)場信息在各個(gè)作戰(zhàn)單元之間共享，且可以實(shí)現(xiàn)指控命令在各個(gè)作戰(zhàn)單元與武器平臺進(jìn)行傳輸與交換。數(shù)據(jù)鏈一般由地面站點(diǎn)和數(shù)據(jù)鏈終端組成，站點(diǎn)的覆蓋能力在一定程度上就影響了數(shù)據(jù)鏈的性能[1-2]。地面站點(diǎn)與數(shù)據(jù)鏈終端之間的通信分為上行和下行，地面站點(diǎn)可以通過增大發(fā)射功率來提高站點(diǎn)的下行覆蓋，但是數(shù)據(jù)鏈終端由于體積、功耗各方面受限，無法簡單通過增大發(fā)射功率提高上行覆蓋。因此，有必要研究一種提高站點(diǎn)覆蓋能力、改善站點(diǎn)邊緣覆蓋的方法。

在移動(dòng)通信中，改善小區(qū)邊緣終端的性能，提高邊緣區(qū)域吞吐量是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。其中，多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)被看作是最有前途的突破口，通過多小區(qū)間的協(xié)作調(diào)度或聯(lián)合處理降低小區(qū)間的干擾，達(dá)到提升邊緣用戶的傳輸性能，提高小區(qū)吞吐量的效果[3]。本文將該多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)應(yīng)用至戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，利用多個(gè)地面站點(diǎn)與數(shù)據(jù)鏈終端之間的空間分集增益，提高數(shù)據(jù)鏈終端數(shù)據(jù)的檢測質(zhì)量，從而改善站點(diǎn)邊緣的吞吐量，達(dá)到改善站點(diǎn)邊緣覆蓋的目的。

本文首先給出了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中上行多點(diǎn)協(xié)作系統(tǒng)模型；接下來針對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈與該協(xié)作模型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于信干噪比(SINR)的數(shù)據(jù)檢測算法，該檢測算法根據(jù)SINR值對多個(gè)站點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，以較小的復(fù)雜度增加換取較好的性能；然后對該協(xié)作模型的吞吐量進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行了結(jié)果分析；最后給出了研究和分析的結(jié)論。

1上行多點(diǎn)協(xié)作數(shù)據(jù)鏈模型

1.1　上行多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)

上行多點(diǎn)協(xié)作指地理位置上分離的多個(gè)站點(diǎn)聯(lián)合接收一個(gè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)站點(diǎn)之間利用有線鏈路交互終端業(yè)務(wù)信息、控制信息等，通過站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)合并與聯(lián)合檢測來實(shí)現(xiàn)[4-5]。因?yàn)槎鄠€(gè)站點(diǎn)在地理上是分離的，利用多個(gè)站點(diǎn)與終端之間的空間分集增益，可以提高終端數(shù)據(jù)的檢測質(zhì)量，尤其可以改善站點(diǎn)邊緣的吞吐量和覆蓋能力。本文將該多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，通過地面站點(diǎn)之間的聯(lián)合處理，提高地面站點(diǎn)的上行覆蓋問題。

1.2　上行多點(diǎn)協(xié)作模型

在本模型中，將地面站覆蓋邊緣區(qū)域的數(shù)據(jù)鏈終端簡稱邊緣終端；反之，與地面站點(diǎn)較近的數(shù)據(jù)鏈終端簡稱中心終端。中心終端由于離站點(diǎn)較近，站點(diǎn)接收到終端信號較強(qiáng)，終端信息正確接收的概率較高；反之，邊緣終端由于離站點(diǎn)較遠(yuǎn)，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(xié)作，因?yàn)橹行慕K端的性能較好，協(xié)作方式能夠利用中心終端性能帶動(dòng)邊緣終端性能。

圖1給出了多點(diǎn)協(xié)作模型。A、B和C是3個(gè)兩兩相鄰的站點(diǎn)，終端a、b和c分別在站點(diǎn)A、B和C的覆蓋范圍內(nèi)，因此A、B和C分別給終端a、b和c提供服務(wù)。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(qū)域，終端b和c分別為各自所在站點(diǎn)的中心終端。因?yàn)楸倦A段主要考察協(xié)作對邊緣終端性能的提高，所以邊緣終端a是關(guān)注的焦點(diǎn)，在以下敘述中，A站點(diǎn)稱為服務(wù)站點(diǎn)，B和C站點(diǎn)稱為協(xié)作站點(diǎn)。

圖1　多點(diǎn)協(xié)作模型

對于3站點(diǎn)協(xié)作的情況，每個(gè)站點(diǎn)在同一頻帶上可能存在多個(gè)終端，本階段的研究先假定各個(gè)站點(diǎn)在同一頻帶上只有1個(gè)終端的情況。對于站點(diǎn)A調(diào)度1個(gè)邊緣終端，站點(diǎn)B和C分別調(diào)度與A站點(diǎn)終端同頻帶的1個(gè)中心終端。為了不失一般性且較好地體現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)的優(yōu)勢，假設(shè)每個(gè)站點(diǎn)有4根天線，終端有1根天線，站點(diǎn)和終端之間構(gòu)成了一個(gè)簡單的多輸入多輸出(MIMO)模型。則服務(wù)站點(diǎn)A的接收信號為

(1)

協(xié)作站點(diǎn)B的接收信號為：

(2)

協(xié)作站點(diǎn)C的接收信號為：

(3)

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

2數(shù)據(jù)合并與聯(lián)合檢測算法

對于非協(xié)作模式，服務(wù)站點(diǎn)對本站點(diǎn)4根天線接收到的終端數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后直接對該數(shù)據(jù)進(jìn)

行解碼，其他站點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)直接丟棄[5]。對于上行多點(diǎn)協(xié)作模式，多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)接收終端數(shù)據(jù)，同時(shí)多個(gè)站點(diǎn)利用有線鏈路交互控制信息以及終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)合并與聯(lián)合檢測來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槎鄠€(gè)站點(diǎn)在地理上是分離的，利用多個(gè)站點(diǎn)與終端之間的空間分集增益，可以提高終端數(shù)據(jù)的檢測質(zhì)量，改善站點(diǎn)覆蓋能力。

本文針對數(shù)據(jù)鏈與多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于SINR的數(shù)據(jù)檢測算法，該算法通過計(jì)算服務(wù)站點(diǎn)、協(xié)作站點(diǎn)與邊緣終端之間的SINR值，對多個(gè)站點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，以較小的復(fù)雜度增加換取較好的性能。

從上一節(jié)的公式看以看出，當(dāng)對終端a進(jìn)行信號檢測時(shí)，服務(wù)站點(diǎn)A和協(xié)作站點(diǎn)B、C收到終端b，c的信號是干擾信號。在該多點(diǎn)協(xié)作模型中，因?yàn)橹行慕K端性能較好，假設(shè)協(xié)作站點(diǎn)可以正確檢測中心終端的數(shù)據(jù)。因此，在服務(wù)小區(qū)與協(xié)作小區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)合并之前，協(xié)作小區(qū)先減去本小區(qū)中心終端的數(shù)據(jù)，即協(xié)作小區(qū)需要先進(jìn)行干擾抵消。

一般情況下，邊緣終端離協(xié)作站點(diǎn)比較遠(yuǎn)，但是當(dāng)協(xié)作站點(diǎn)與邊緣終端之間的信道比較好時(shí)，如協(xié)作站點(diǎn)接收端的干擾比較小時(shí)，協(xié)作站點(diǎn)正確檢測終端a的數(shù)據(jù)概率有可能大于服務(wù)站點(diǎn)。因此，在上行多點(diǎn)協(xié)作系統(tǒng)中，可以先計(jì)算服務(wù)站點(diǎn)、協(xié)作站點(diǎn)到終端的SINR，然后根據(jù)站點(diǎn)到終端SINR值從大到小的順序，依次對終端數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。若檢測失敗，進(jìn)入站點(diǎn)間數(shù)據(jù)合并過程，優(yōu)先選擇服務(wù)站點(diǎn)和SINR較大的協(xié)作站點(diǎn)進(jìn)行合并。以圖1上行多點(diǎn)協(xié)作模型為例，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

(1) 協(xié)作站點(diǎn)B、C對本站點(diǎn)內(nèi)中心終端b、c進(jìn)行信號檢測，然后協(xié)作站點(diǎn)B、C對邊緣終端a的干擾信號進(jìn)行干擾抵消。

(2) 計(jì)算服務(wù)站點(diǎn)、協(xié)作站點(diǎn)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(jìn)行排序，依次選擇對應(yīng)的站點(diǎn)對邊緣終端a的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。若檢測正確，則檢測結(jié)束；若檢測失敗，執(zhí)行步驟(4)。

(4)SINR值較大的協(xié)作站點(diǎn)在干擾抵消后與服務(wù)站點(diǎn)A進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，然后對邊緣終端a的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。若檢測成功，則檢測結(jié)束；若檢測失敗則執(zhí)行步驟(5)。

(5) 將服務(wù)站點(diǎn)A和協(xié)作站點(diǎn)B、C 3個(gè)站點(diǎn)干擾抵消后的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后對邊緣終端a的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。若檢測成功，則檢測結(jié)束；否則，檢測失敗。

基于SINR的數(shù)據(jù)合并與聯(lián)合檢測算法處理流程圖如圖2所示。

圖2　基于SINR數(shù)據(jù)檢測算法流程圖

3仿真結(jié)果

這一節(jié)對基于SINR的數(shù)據(jù)檢測算法進(jìn)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(qū)域內(nèi)，A站點(diǎn)邊緣終端和B站點(diǎn)、C站點(diǎn)中心終端協(xié)作的情況。對于站點(diǎn)A來說，其干擾來自于以A為中心的2圈共18個(gè)站點(diǎn)。

在該信道模型下，每個(gè)站點(diǎn)有500個(gè)終端，則A站點(diǎn)協(xié)作區(qū)域內(nèi)有10個(gè)終端(邊緣終端)，B和C站點(diǎn)各有10個(gè)對應(yīng)的中心終端，每隔一定的調(diào)度周期(4 ms)，各個(gè)站點(diǎn)從這10個(gè)終端中輪詢選擇1個(gè)終端。仿真參數(shù)如表1所示。

多點(diǎn)協(xié)作模式與非協(xié)作模式下頻譜效率比較如圖4所示。

圖3　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真模型

從圖4中可以看出上行多點(diǎn)協(xié)作模式頻譜效率相對于非協(xié)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(qū)域頻譜效率提高所致的。

表1　仿真參數(shù)

因此，協(xié)作模式可以顯著提升站點(diǎn)邊緣的速率，提高站點(diǎn)邊緣吞吐量，改善了站點(diǎn)邊緣覆蓋。多點(diǎn)協(xié)作模式的缺點(diǎn)是，在提高了地面站點(diǎn)上行覆蓋性能的同時(shí)，增加了系統(tǒng)信令的開銷和系統(tǒng)復(fù)雜度的提升，且信令的設(shè)計(jì)和交互將是另一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問題。

4結(jié)束語

圖 4　協(xié)作模式與非協(xié)作模式頻譜效率比較

本文將多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，給出了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈上行多點(diǎn)協(xié)作模型，接下來針對該協(xié)作模型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于SINR的數(shù)據(jù)檢測算法。該模型能夠利用多個(gè)地面站點(diǎn)之間的空間分集增益，提高邊緣終端數(shù)據(jù)的檢測質(zhì)量，仿真結(jié)果證明，該模型較好地改善了站點(diǎn)邊緣覆蓋，可以顯著增強(qiáng)地面站點(diǎn)的上行覆蓋能力，從而提高戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的性能。

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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(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0043-04