铁路车站通信信道资源智能分配的研究

摘要：近几年随着铁路车站的不断扩大重建，移动终端的迅速增加，数据业务的多元化，用户对高速度、大容量的通信数据业务需要的增大，对车站移动通信的网络覆盖、容量、质量提出了更高的要求，给车站移动通信造成了巨大压力。本文在分布式天线系统的基础上，通过分析天线分布，建立信道模型，并利用中断概率，提出了基于中断概率的信道分配算法，并设计出策略流程图。该算法能够降低天线系统的发射功率，提高信道利用率，实现系统时隙资源的智能灵活分配。

引言

　　近年来，我国的铁路建设发展迅速，逐渐成为人们出门旅行首选的出行方式。这也导致火车站人流密度迅速增大，特别是站台在上下车时人员流动迅速，存在人流高峰，例如北京站在客流高峰期日客流量会超过20万人^[1]。随着车站用户需求的不断增长，话务密度和覆盖要求也不断上升，对频率干扰控制、系统间互操作、运行稳定性等方面都提出了很高的要求。用户密度大，基站信道拥挤，移动通信信号减弱，手机无法正常使用，给车站通信造成了巨大压力。能够在人流高峰时提供畅通、优质、稳定的通信服务是铁路车站通信系统面临的重要问题。

　　本文研究在铁路车站人流密度大，移动速度快的情况下，通过算法实现通信信道的智能分配，改善车站的通信质量。由于分布式天线系统在信号覆盖范围、功率以及频谱效率等方面的诸多优势，被越来越多地用于大型场馆的室内通信[2]。本文也在分布式天线系统的基础上，通过分析天线分布、信道模型，利用中断概率，提出了基于中断概率的信号智能分配算法，该算法能对信道资源实行智能分配，改善无线信号弱覆盖区域的覆盖效果，提高网络寻呼成功率，减少掉话率，改善网络质量，减少网络拥塞率，一个小区中使用相同信道而不至于带来严重的同信道干扰。最后设计出了基于中断概率的信号智能分配策略流程图。

1 系统模型图

　　现在新型火车站都向着简洁化、紧凑化、立体化和细微化的方向发展。虽然各大型火车站的外观有所不同，但各大型火车站的主要构造都有着共同之处。由于火车站功能的特殊性，车站大都依铁道而建，主要包括站房和站台。人流密集及流动量大的区域主要包括站房内的候车大厅和站台。火车站人流的集散组织为进站人流由广场到候车大厅再到站台;出站人流由出站口至集散广场直到自选交通分流。

　　根据火车站的建筑及人员分布特点，建立如图1所示的分布式天线系统，使信号的覆盖范围呈带状分布。分布式天线系统将天线在地理上分开放置，不仅能提高接受信噪比，降低发送功率，提高分集度，而且还能减少切换次数，从而大大改善系统性能^[4];另外，它还具有成本低，部署灵活，易于升级，广泛适用的特点，特别适用于火车站这种复杂的通信环境。在该系统中，信号处理中心(即基站)位于小区的中心位置，基站处的天线记为A，其它天线都分布在基站周围，分别记为a_i(i=1、2、3……n)，每个分布式天线通过光纤或同轴电缆与信号处理中心相连。

　　假设小区为圆形小区，且半径为R。利用极坐标(ρ,θ)表示移动台的位置，ρ和θ分别表示移动台相对于小区中心即信号处理中心的距离与方位角，如图2所示。

　　本文只考虑分布式天线系统的上行传输。基站和所有分布式天线接收到来自移动台的上行信号可以用以下数学表达式表示：

　　式中yi表示第i个天线ai所接收到的信号，E为移动台的上行信号发射功率，hi表示a_i与移动台之间传输链路的信道增益，x则为移动台发射的上行信号，而Z为夹杂在信号中的噪声矢量。在本文中，假设噪声矢量Z 中的每一个元素均为相互独立的均值为零、方差为N0的复高斯随机变量。该数学表达式，Y表示车站分布式天线系统中小区基站接收到的来自移动台的上行信号，该信号由各天线a_i所接收的移动台信号与噪声组成的矩阵表示。

2 系统中移动台的中断概率

　　在无线通信系统中，中断概率是反应用户会话接入性能的重要指标，与信道容量、误符号率等指标都是信噪比的函数。系统的中断概率与移动台在小区内的分布有关，将中断概率作为优化目标可以直观地反映出移动台周围的信号覆盖情况^[3]。因此我们使用移动台在系统中的中断概率作为优化目标函数来反映移动台周围的信号覆盖情况。

　　中断概率的定义：在小区内不能达到接收信噪比门限rth的区域面积与小区面积的比值称为系统的中断概率^[4]。理论上，系统中断概率与移动台在小区中的位置有关。本节将介绍小区中移动台的上行信号中断概率。分布式天线ai所接收上行信号的信噪比为：

　　其中g_i为小尺度衰落的影响，其包络服从零均值的Rayleigh分布，Ω_i表示阴影衰落的影响。

位于(ρ,