目前,城市轨道交通主要依靠基于通信的列车控制(Communication Based Train Control,CBTC)系统保证其运行控制,在CBTC系统的发展过程中,车-地之间的高效率、高可靠性通信是信息传输、列车运行控制的重要保证[1-2],在CBTC的基础上,下一代基于车-车通信的列车运行控制系统的智能化和自动化程度将会提高[3],列车之间的可靠信息传输是实现高效列车运行控制的基础。车-车(Train-to-Train, T2T)通信的技术实现方式分为2种:一是通过传统车-地链路的改进,间接实现T2T通信;二是利用专用铁路通信频段,配合天线技术,建立T2T空口无线链路,实现列车间的直接通信。在T2T的通信方案研究上,SONG等[4]提出了一个T2T数据通信系统的系统结构,该系统不仅可以实现数据通信,还可以提供训练距离测量的列车。徐纪康[5]提出的VBTC系统改进了列车的自动控制方式,降低了系统控制模块间的耦合,提高了系统运行效率,降低了成本。WANG等[6]介绍了利用LTE-T2T通信的城市轨道交通系统的通信策略,系统以列车为控制中心,新的on-ZC取代传统的区域控制器,成为信息中转的关键。这些都是利用地面设备作为信息中转,先完成T2X,再去完成T2T的通信,陈启香等[7]基于超短波实现了列车间的直接通信。未来在B5G(Beyond 5th Generation)/6G(6th Generation)通信技术应用过程中,会出现商用频谱资源紧缺的情况,因此将重点研究基于通信感知一体化实现的城市轨道交通列车运行控制[8]。考虑到由于列车高速移动产生的多普勒频移问题,基于正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space, OTFS)的T2T无线通信系统是有效的解决方案之一。在OTFS应用方面,RANGAMGARI等[9]将OTFS的使用环境置于高速车辆的通信场景,从OFDM的角度可视化OTFS,仿真结果验证OTFS在开销和抗子载波干扰方面都优于块OFDM。RAVITEJA等[10]在OTFS单帧的末端只添加了一个循环前缀,显著降低了导频开销。WANG等[11]在传统OTFS调制的基础上,提出了一种基于加权型分数傅里叶变换的具有二维可调参数和强可扩展性的集成波形框架。HOSSAIN等[12]基于窗口重组设计了OTFS系统,保证了通信质量和效率的同时,有更好的高迁移率场景适应性。而T2T无线通信过程,其中一项特征就是高迁移率场景,OTFS已被证明比OFDM更适用于B5G/6G通信场景。基于通信的通感一体化信号设计,近些年的多数研究工作都集中在基于4G的OFDM调制系统方面。谷亚彬等[13]选用基于通信的OFDM雷达-通信一体化信号模型,仿真验证相关函数共享信号处理算法在高多普勒频移环境下,对调制信号主、旁瓣峰值的积极影响。余显斌等[14]分别从感知和通信的角度讨论了一体化波形设计及优化策略,提出太赫兹波段基于OFDM的一体化信号,通过实验对测速、测距和无线通信性能进行测试。GAUDIO等[15]对基于OTFS调制的通感一体化系统的雷达参数估计部分,推导了一个有效的近似极大似然算法和相应的距离和速度估计的下界,仿真证明OTFS等多载波数字格式可以实现与最先进的雷达波形一样精确的雷达参数估计。在OFDM和OTFS调制信号的传输性能指标方面,高峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)会造成传输过程中的信号畸变,信号非线性失真,从而导致系统性能下降。针对上述问题,NAVEEN等[16]基于
1) 设计以通信为基础的,基于OTFS调制的通感一体化信号。对OTFS信号的单符号及多符号信号进行雷达模糊性仿真。仿真验证单符号OTFS信号的速度模糊性的缺失,但距离模糊性良好;多符号OTFS信号在速度模糊性和距离模糊性上均有良好表现,具备作为城轨T2T通感一体化信号的能力。
2) 提出一种蚁群优化(Ant Colony Optimization, ACO)算法与经典SLM算法相结合的ACO-SLM算法,对发射机的OTFS调制信号进行PAPR优化,抑制PAPR对时域信号传输的影响,并与其他现有研究的PAPR抑制算法结果进行仿真对比,以此验证该算法抑制PAPR能力的突出。
3) 将经过ACO-SLM算法处理的时域信号再次进行模糊性分析,验证优化后的OTFS信号的距离和速度模糊性仍旧良好。通过对信号传输误比特率(Bit Error Rate, BER)的对比分析,说明ACO-SLM算法处理后的信号,其误比特率仍能保持较优水平。
1 通感一体化信号模型与模糊性分析
1.1 OTFS信号模型
图1展示了OTFS调制的发射端和接收端二维变换的级联关系[21]。

若待发送信息为

其中,

其中,
1.2 OTFS信号模糊性分析
为实现城轨T2T的通感一体化,需验证OTFS信号的速度模糊性和距离模糊性[22]。若式(2)是基于通信的通感一体化OTFS时域信号,设其复模糊函数为

其中,
1.2.1 单符号OTFS信号模糊性分析
将式(2)代入式(3)中,令

设时延



图2对单符号OTFS信号模糊函数进行仿真。当时延

1.2.2 多符号OTFS信号模糊性分析
设加窗函数为矩形脉冲,即



其中,




图3对多符号OTFS信号模糊函数进行仿真。当

2 OTFS一体化信号优化
2.1 OTFS信号的PAPR

其中,
时域信号

其中,

式(10)中:PAPR的上限随着OTFS信号的多普勒网格数N,即符号数线性增长。在实践过程中N过大将导致严重的解码延迟,故一般选择
瞬时平均功率比(instantaneous-to-average power ratio, IAPR)为指数分布,设其阈值为

上述CCDF只是近似值,但当
2.2 经典SLM
经典SLM是将输入发射机的正交调幅(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)信号进行转置,并与转向向量点乘,然后逐个对处理后的每个符号进行OTFS调制,调制后的时域信号进入SLM模块进行筛选,最后选择最低的PAPR信号从末端发出[17]。设

相位序列


其中,
2.3 ACO-SLM算法对最优PAPR时域信号的确定
将蚁群算法与经典的SLM相结合,对进入信道的OTFS时域信号进行PAPR优化。经典蚁群算法是蚂蚁用“信息素”标记行走路径,随着时间推移,蚁群逐渐选择被标记次数最多的路径,即“信息素”浓度最高的路径,进行食物搜索,整个搜索过程是一个正反馈的机制,最终的目标是搜索获得食物的最佳路径。图4为本文采取的ACO-SLM算法OTFS信号发射机的结构。

2.3.1 ACO算法模块对最优相位因子组的选择
QAM符号经过序列复制后,再通过S/P模块输出至ACO算法模块,求解使每次迭代后的全局最优PAPR的相位因子,经过多轮的迭代搜索之后,找到利于SLM寻找全局最优PAPR时域信号的最优解,确定最优相位因子。在进入OTFS调制前的信号矩阵可表示为

其中,相位序列
步骤1:初始化set
步骤2:随机生成蚁群的初始位置,信息素

步骤3:进行蚂蚁的位置更新。当状态转移概率小于概率常数


步骤4:计算新的蚂蚁位置的适应度函数值,判断蚂蚁是否继续移动,更新信息素

步骤5:判断是否满足终止条件(适应度函数值收敛稳定或达到最大迭代次数
2.3.2 ACO-SLM联合算法
发射机ACO-SLM联合算法的步骤如下。
输入:原始QAM信号
输出:输出最优相位因子
步骤1:将
步骤2:将上述符号向量输入ACO算法模块,设定相位因子
步骤3:将信号矩阵
步骤4:计算步骤3中各输出时域信号的
步骤5:进行迭代计算,并在每次计算后,更新全局最优
步骤6:将所计算所得的各PAPR值输入SLM的选择模块,选择全局最优解的
2.3.3 算法复杂度分析
图4所示基于ACO-SLM算法的发射机OTFS信号计算复杂度主要取决于逆辛有限傅里叶变换(ISFFT)、海森堡变换、ACO算法、SLM算法的计算复杂度。传统SLM算法中,若有
ACO算法需要大量的蚂蚁和迭代来提高解决方案的质量,并获得资源分配的最终解决方案,也就是寻求符合设计方案的近似最优解,而不是精确最优解的过程。因此,与其他元启发式算法类似,ACO优化的时间复杂度大于传统算法,但与需要指数时间的最优穷举搜索相比,ACO策略的时间复杂度要小得多。在迭代次数同为
3 仿真分析
仿真环境设定为城轨T2T通信模型,发送机加窗脉冲和信道脉冲函数均为理想矩形单位脉冲函数,配合实验的接收机采用最小均方误差的方法对信号进行检测。表1是仿真实验参数具体设置。
实验参数 | 赋值 |
---|---|
星座调制 | 16QAM |
两列车相对移动速度v/(km∙h-1) | 120 |
输入信号帧数 | 500 |
单帧符号数N,子载波数M | 8,128 |
载波频率/GHz | 4 |
子载波间距/kHz | 15 |
蚁群算法蚂蚁个数![]() | 50 |
最大迭代次数![]() | 200 |
信息素因子![]() | 1 |
启发因子![]() | 5 |
信息素挥发因子![]() | 0.5 |
最大信息素量![]() | 1 000 |
3.1 PAPR优化分析
如图5所示,为三种星座调制信号的PAPR对比,分别用了4QAM、16QAM和64QAM调制信号作为发射机输入信号,横轴是PAPR的阈值

如图6所示,为采用不同相位因子组数,即

图7展示了不同OTFS信号PAPR抑制算法的性能对比。PSO-SLM算法[19]与本文提出的ACO-SLM算法对比,两者均采用了仿生算法来对最优相位因子进行搜索,在参数选择合适的前提下,仿生算法具有较好的全局搜索结果和鲁棒性。当继续试探ACO-SLM算法的优化极限时,将最大迭代次数提升至

表2中对比了两种算法模式接近的仿生算法,即ACO-SLM与PSO-SLM算法,在不同的迭代次数下PAPR结果。可以看到,ACO-SLM算法在
iter | ACO-SLM | PSO-SLM |
---|---|---|
50 | 8.068 4 | 8.141 2 |
100 | 7.578 5 | 7.871 1 |
150 | 7.024 7 | 7.365 2 |
200 | 6.037 5 | 6.578 9 |
250 | 5.735 7 | 6.265 7 |
300 | 4.265 8 | 5.045 2 |
350 | 3.856 1 | 4.863 2 |
400 | 3.698 5 | 5.069 6 |
450 | 3.869 8 | 4.824 8 |
500 | 3.646 7 | 5.081 1 |
3.2 ACO-SLM算法对OTFS通感一体化信号的影响
在利用ACO-SLM算法对OTFS调制后的时域信号
图8展示了对经过ACO-SLM算法处理后的OTFS时域信号的模糊函数进行仿真分析,图8中OTFS信号旁瓣值得到明显抑制。图8(a)中在时延轴0点处,出现了单峰,说明处理后的时域信号有良好的测距性能;图8(b)中在频移轴0点处,出现了单峰,说明处理后的时域信号有良好的测速性能。

图9对几种调制算法处理后的时域信号在接收端检测出的误比特率性能进行了对比,随着


4 结论
1) 单符号OTFS调制信号具有良好的距离模糊性,即测距性能,可用于面向T2T的列车运行控制中的列车定位作用,但几乎没有测速能力;多符号OTFS信号在距离模糊性和速度模糊性方面表现良好,具备较好的测距、测速能力。多符号OTFS信号可作为基于OTFS调制的通感一体化信号的设计基础,但需对其性能进行干预优化。
2) 在实验室PAPR抑制过程中,16QAM信号作为输入序列,结合ACO-SLM算法在对OTFS信号进行PAPR抑制方面,对比传统算法,表现出较好的抑制能力,ACO-SLM算法在相位因子组数
3) ACO-SLM算法处理后的OTFS信号,展现出良好的距离模糊性和速度模糊性,T2T通信中对列车的实时位置和速度进行感知获取,在系统接收端检测误比特率,与原始OTFS信号接近,ACO-SLM算法并没有降低OTFS信号在多径衰落时变信道中的传输性能。上述实验证明,ACO-SLM OTFS信号可作为B5G/6G环境下城轨T2T通感一体化的基础信号。
杨骞,苏宏升,刘大为等.基于OTFS的城轨T2T通感一体化信号设计与优化[J].铁道科学与工程学报,2024,21(12):5209-5220.
YANG Qian,SU Hongsheng,LIU Dawei,et al.Design and optimization of ISAC signal for urban railway T2T based on OTFS[J].Journal of Railway Science and Engineering,2024,21(12):5209-5220.