多点协作技术在战术数据链中的应用

魏龙飞

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安710068)

多点协作技术在战术数据链中的应用

魏龙飞

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安710068)

摘要：为了提高战术数据链地面站点的上行覆盖能力，将多点协作技术应用于战术数据链系统，在给出多点协作模型的基础上，提出了一种基于信号干扰噪声比(SINR)的数据检测算法。该模型利用多个站点之间的空间分集增益，提高边缘数据链终端的信号检测质量，从而提高了地面站点的上行覆盖性能。仿真结果表明，该多点协作模型在较低系统复杂度增加的前提下大大提高了地面站点的边缘吞吐量和上行覆盖能力。

关键词：数据链；多点协作；数据合并；信号干扰噪声比

0引言

当今战场敌我态势瞬息万变、稍纵即逝，传统的语音通信已经不能满足高速机动作战的需要，因此战术数据链应运而生。战术数据链使用数据通信将各个平台探测到的战场信息在各个作战单元之间共享，且可以实现指控命令在各个作战单元与武器平台进行传输与交换。数据链一般由地面站点和数据链终端组成，站点的覆盖能力在一定程度上就影响了数据链的性能[1-2]。地面站点与数据链终端之间的通信分为上行和下行，地面站点可以通过增大发射功率来提高站点的下行覆盖，但是数据链终端由于体积、功耗各方面受限，无法简单通过增大发射功率提高上行覆盖。因此，有必要研究一种提高站点覆盖能力、改善站点边缘覆盖的方法。

在移动通信中，改善小区边缘终端的性能，提高边缘区域吞吐量是一个研究的热点。其中，多点协作技术被看作是最有前途的突破口，通过多小区间的协作调度或联合处理降低小区间的干扰，达到提升边缘用户的传输性能，提高小区吞吐量的效果[3]。本文将该多点协作技术应用至战术数据链系统中，利用多个地面站点与数据链终端之间的空间分集增益，提高数据链终端数据的检测质量，从而改善站点边缘的吞吐量，达到改善站点边缘覆盖的目的。

本文首先给出了战术数据链系统中上行多点协作系统模型；接下来针对战术数据链与该协作模型的特点，设计了基于信干噪比(SINR)的数据检测算法，该检测算法根据SINR值对多个站点接收的数据进行适当的合并，以较小的复杂度增加换取较好的性能；然后对该协作模型的吞吐量进行了仿真，并进行了结果分析；最后给出了研究和分析的结论。

1上行多点协作数据链模型

1.1　上行多点协作技术

上行多点协作指地理位置上分离的多个站点联合接收一个终端发送的数据，同时站点之间利用有线链路交互终端业务信息、控制信息等，通过站点之间的数据合并与联合检测来实现[4-5]。因为多个站点在地理上是分离的，利用多个站点与终端之间的空间分集增益，可以提高终端数据的检测质量，尤其可以改善站点边缘的吞吐量和覆盖能力。本文将该多点协作技术应用于战术数据链，通过地面站点之间的联合处理，提高地面站点的上行覆盖问题。

1.2　上行多点协作模型

在本模型中，将地面站覆盖边缘区域的数据链终端简称边缘终端；反之，与地面站点较近的数据链终端简称中心终端。中心终端由于离站点较近，站点接收到终端信号较强，终端信息正确接收的概率较高；反之，边缘终端由于离站点较远，信息正确接收的概率不能保证。本文采用边缘终端与中心终端之间的协作，因为中心终端的性能较好，协作方式能够利用中心终端性能带动边缘终端性能。

图1给出了多点协作模型。A、B和C是3个两两相邻的站点，终端a、b和c分别在站点A、B和C的覆盖范围内，因此A、B和C分别给终端a、b和c提供服务。终端a为边缘终端，位置局限于图1中上面六边形的边缘区域，终端b和c分别为各自所在站点的中心终端。因为本阶段主要考察协作对边缘终端性能的提高，所以边缘终端a是关注的焦点，在以下叙述中，A站点称为服务站点，B和C站点称为协作站点。

图1　多点协作模型

对于3站点协作的情况，每个站点在同一频带上可能存在多个终端，本阶段的研究先假定各个站点在同一频带上只有1个终端的情况。对于站点A调度1个边缘终端，站点B和C分别调度与A站点终端同频带的1个中心终端。为了不失一般性且较好地体现多点协作技术的优势，假设每个站点有4根天线，终端有1根天线，站点和终端之间构成了一个简单的多输入多输出(MIMO)模型。则服务站点A的接收信号为

(1)

协作站点B的接收信号为：

(2)

协作站点C的接收信号为：

(3)

式中：RXk为站点X的第k个天线上接收到的信号；HXyk为终端y与站点X的第k个天线之间的信道；xy为终端y的发送信号；IXk为站点X的第k个天线接收到的干扰信号；NXk为站点X的第k个天线接收到的噪声信号。

2数据合并与联合检测算法

对于非协作模式，服务站点对本站点4根天线接收到的终端数据进行合并，然后直接对该数据进

行解码，其他站点接收到数据直接丢弃[5]。对于上行多点协作模式，多个站点同时接收终端数据，同时多个站点利用有线链路交互控制信息以及终端的业务数据，通过站点之间的数据合并与联合检测来实现。因为多个站点在地理上是分离的，利用多个站点与终端之间的空间分集增益，可以提高终端数据的检测质量，改善站点覆盖能力。

本文针对数据链与多点协作技术特点，提出了基于SINR的数据检测算法，该算法通过计算服务站点、协作站点与边缘终端之间的SINR值，对多个站点接收的数据进行适当的合并，以较小的复杂度增加换取较好的性能。

从上一节的公式看以看出，当对终端a进行信号检测时，服务站点A和协作站点B、C收到终端b，c的信号是干扰信号。在该多点协作模型中，因为中心终端性能较好，假设协作站点可以正确检测中心终端的数据。因此，在服务小区与协作小区进行数据合并之前，协作小区先减去本小区中心终端的数据，即协作小区需要先进行干扰抵消。

一般情况下，边缘终端离协作站点比较远，但是当协作站点与边缘终端之间的信道比较好时，如协作站点接收端的干扰比较小时，协作站点正确检测终端a的数据概率有可能大于服务站点。因此，在上行多点协作系统中，可以先计算服务站点、协作站点到终端的SINR，然后根据站点到终端SINR值从大到小的顺序，依次对终端数据进行检测。若检测失败，进入站点间数据合并过程，优先选择服务站点和SINR较大的协作站点进行合并。以图1上行多点协作模型为例，具体实现过程如下：

(1) 协作站点B、C对本站点内中心终端b、c进行信号检测，然后协作站点B、C对边缘终端a的干扰信号进行干扰抵消。

(2) 计算服务站点、协作站点与边缘终端a之间的SINR，得到其SINR分别为：RA、RB、RC。

(3) 对RA、RB、RC由大到小进行排序，依次选择对应的站点对边缘终端a的数据进行检测。若检测正确，则检测结束；若检测失败，执行步骤(4)。

(4)SINR值较大的协作站点在干扰抵消后与服务站点A进行数据合并，然后对边缘终端a的数据进行检测。若检测成功，则检测结束；若检测失败则执行步骤(5)。

(5) 将服务站点A和协作站点B、C 3个站点干扰抵消后的数据进行合并，然后对边缘终端a的数据进行检测。若检测成功，则检测结束；否则，检测失败。

基于SINR的数据合并与联合检测算法处理流程图如图2所示。

图2　基于SINR数据检测算法流程图

3仿真结果

这一节对基于SINR的数据检测算法进行了仿真，并给出了仿真分析。图3给出了仿真模型，该模型仿真了虚线围绕区域内，A站点边缘终端和B站点、C站点中心终端协作的情况。对于站点A来说，其干扰来自于以A为中心的2圈共18个站点。

在该信道模型下，每个站点有500个终端，则A站点协作区域内有10个终端(边缘终端)，B和C站点各有10个对应的中心终端，每隔一定的调度周期(4 ms)，各个站点从这10个终端中轮询选择1个终端。仿真参数如表1所示。

多点协作模式与非协作模式下频谱效率比较如图4所示。

图3　数据链系统仿真模型

从图4中可以看出上行多点协作模式频谱效率相对于非协作模式大概有0.20 bps/Hz的提高，提高的这部分频谱效率正是由边缘区域频谱效率提高所致的。

表1　仿真参数

因此，协作模式可以显著提升站点边缘的速率，提高站点边缘吞吐量，改善了站点边缘覆盖。多点协作模式的缺点是，在提高了地面站点上行覆盖性能的同时，增加了系统信令的开销和系统复杂度的提升，且信令的设计和交互将是另一个需要进一步研究的问题。

4结束语

图 4　协作模式与非协作模式频谱效率比较

本文将多点协作技术应用于战术数据链系统，给出了战术数据链上行多点协作模型，接下来针对该协作模型特点，设计了基于SINR的数据检测算法。该模型能够利用多个地面站点之间的空间分集增益，提高边缘终端数据的检测质量，仿真结果证明，该模型较好地改善了站点边缘覆盖，可以显著增强地面站点的上行覆盖能力，从而提高战术数据链的性能。

参考文献

[1]夏林英.战术数据链技术研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[2]杨光，周经伦，罗鹏程.JTIDS数据链在部分频带干扰下的性能分析[J].国防科技大学学报，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上行链路CoMP关键技术研究[D].北京：北京交通大学，2013.

[5]刘晶，常永宇，潘峮，等.LTE-A系统协作多点传输技术的性能分析和算法研究[J].现代电信科技，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

中图分类号：TN929.53

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0043-04