王 娟, 付家才

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

煤礦井下OFDM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)

王 娟, 付家才

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

煤礦井下環(huán)境惡劣,多徑效應(yīng)帶來噪聲增加和誤碼率上升,使通信質(zhì)量下降。針對(duì)這一情況,將正交頻分復(fù)用(OFDM)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)引入井下無線通信系統(tǒng),選擇瑞利衰落信道模型,采用 SVD算法和低通濾波、三次樣條插值算法進(jìn)行信道估計(jì)和插值,并對(duì)OFDM自適應(yīng)調(diào)制算法進(jìn)行性能仿真。結(jié)果表明,自適應(yīng)調(diào)制算法的誤碼率性能明顯優(yōu)于固定調(diào)制;SBLA自適應(yīng)調(diào)制算法比 Greedy、Fishcher和 Chow算法更易實(shí)現(xiàn);低通濾波插值算法比三次樣條插值法更能準(zhǔn)確估計(jì)信道特性。該研究為煤礦井下信息的實(shí)時(shí)、高速、準(zhǔn)確傳輸提供了技術(shù)參考。

正交頻分復(fù)用;井下無線通信;自適應(yīng)調(diào)制

煤礦井下瓦斯、溫度、風(fēng)量等安全參數(shù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸與處理,是保障煤礦井下安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。目前,煤礦井下的信息傳輸仍以有線方式為主,存在性價(jià)比低、線路復(fù)雜、依賴性強(qiáng)且不易維護(hù)等缺點(diǎn),尤其在出現(xiàn)爆炸、塌垮等危險(xiǎn)事故時(shí),傳輸系統(tǒng)中的硬件設(shè)備,如傳感器、傳輸線纜等易受損,導(dǎo)致無法為搶險(xiǎn)和搜救工作等提供準(zhǔn)確信息[1]。煤礦井下通信環(huán)境空間有限、非自由,巷道壁粗糙且機(jī)電設(shè)備多,電磁波在傳播過程中易發(fā)生反射或散射,以致到達(dá)接收設(shè)備的信號(hào)是來自不同傳播路徑的信號(hào)合成,而產(chǎn)生多徑傳播現(xiàn)象[2]。多徑干擾信號(hào)的頻率選擇性衰落和路徑差引起的傳播時(shí)延,會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真和波形展寬,導(dǎo)致碼間串?dāng)_,不但會(huì)引起噪聲增加和誤碼率上升,甚至有可能使某些通信系統(tǒng)無法正常工作。因此,尋找適合于煤礦井下信道特性的無線調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)井下無線通信的關(guān)鍵。

筆者將OFDM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于井下無線通信系統(tǒng)。在保持傳輸速率恒定的前提下,根據(jù)礦井傳輸信道的具體特點(diǎn),選擇適合各載波的調(diào)制方案,可實(shí)現(xiàn)井下信息的高速和準(zhǔn)確傳輸。

1 調(diào)制模型

煤礦井下OFDM自適應(yīng)調(diào)制模型如圖 1所示。由圖 1可見,該模型主要由信道估計(jì)、自適應(yīng)比特和功率的分配與提取、調(diào)制與解調(diào)、IFFT與 FFT變換等單元組成。其工作原理為:由動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)比特和功率算法對(duì)并行的二進(jìn)制并行信息比特流進(jìn)行比特和功率的分配,在每個(gè) OFDM周期內(nèi),由調(diào)制器得到頻域符號(hào),經(jīng)過 IFFT和插入循環(huán)前綴后,得到時(shí)域信號(hào)。這些時(shí)域信號(hào)經(jīng)頻率選擇性衰落的井下信道送到接收端,在接收端去除循環(huán)前綴后經(jīng)過FFT得到頻域信號(hào),再由解調(diào)器和比特分配信息提取出二進(jìn)制比特流。

圖1 井下OFDM自適應(yīng)調(diào)制模型Fig.1 M odel of underground adaptive OFDM

2 信道模型選擇與估計(jì)

不同的信道模型對(duì)仿真結(jié)果有直接影響,為使OFDM自適應(yīng)調(diào)制模型更接近煤礦井下的實(shí)際工況,需依據(jù)井下信道的傳輸特性,建立正確的井下信道模型。常見的無線通信系統(tǒng)中,由發(fā)射機(jī)發(fā)出的射頻信號(hào)在傳播過程中經(jīng)常受到各種障礙物和其他移動(dòng)物體的影響,導(dǎo)致接收端收到的信號(hào)是來自不同傳播路徑的信號(hào)疊加。瑞利分布是用于描述平坦衰落或者獨(dú)立多徑分量情況下接收信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性的一種典型分布。如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的多徑傳播中存在一個(gè)主要的靜態(tài)信號(hào)分量,還存在視距傳播路徑,接收信號(hào)的包絡(luò)則服從萊斯分布[3]。與地面的無線信道相比,煤礦井下多徑傳播現(xiàn)象嚴(yán)重,因而從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)基本不存在直射信號(hào),信號(hào)幅度會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的隨機(jī)性衰落。顯然,經(jīng)井下無線信道傳輸后到達(dá)接收端的信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布,故文中首選瑞利衰落信道作為煤礦井下的信道模型。

煤礦井下的信道具有多徑衰落和時(shí)變特性,為獲得實(shí)時(shí)的信道特性,必須對(duì)所建立的瑞利信道模型進(jìn)行準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)的信道估計(jì)。信道估計(jì)應(yīng)用基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法,具體分為兩步:一是在接收端對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)特性進(jìn)行估計(jì),一般采用奇異值分解(SVD)算法;二是在得到導(dǎo)頻估計(jì)信息后進(jìn)行插值算法處理,得到所有傳輸數(shù)據(jù)信息的子載波的信道特性[4]。在常用的插值算法中,線性內(nèi)插算法比較簡單但估計(jì)誤差大,而低通濾波和三次樣條插值算法一般具有較高的估計(jì)精度,因此,文中選用后兩者。

3 調(diào)制算法

比特與功率分配算法是煤礦井下實(shí)現(xiàn)OFDM自適應(yīng)調(diào)制的關(guān)鍵,其基本思想是根據(jù)所檢測到子載波的瞬時(shí)性能,確定各子載波采用何種調(diào)制方式,以達(dá)到在滿足一定傳輸性能要求的前提下,使系統(tǒng)總的發(fā)射功率最低。較經(jīng)典的自適應(yīng)調(diào)制算法有注水算法、Greedy算法、Chow算法以及 Fischer算法等[5],但這些算法較為復(fù)雜,作為比特加載算法計(jì)算量大,很難保證時(shí)變信道下傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

簡單分組比特分配算法(SBLA)簡化了比特分配算法,將子載波成組的捆綁在一起,根據(jù)每組子載波的平均信噪比來確定采用何種調(diào)制方式。這種算法計(jì)算復(fù)雜度降低,主要緣于預(yù)先確定了采用不同調(diào)制方案所需的信噪比閥值。信噪比閥值的絕對(duì)值是可變的,但各個(gè)閥值之間的間隔是不變的,就像一個(gè)標(biāo)尺上面排列著等距的數(shù)值一樣。這個(gè)“標(biāo)尺”的絕對(duì)位置由全部子載波的平均信噪比決定,“標(biāo)尺”上各個(gè)閥值的間隔是由高斯白噪聲信道下,各種調(diào)制方式的誤比特率(BER)曲線在同一處的值得到的。將所有子載波分成 7組,且選定BER曲線為 10-3處,則信噪比(SNR)閥值間隔如圖2所示。

圖2 信噪比閥值間隔Fig.2 Threshold interval of signal to noise ratio

SBLA算法的具體處理步驟為:

(1)求解信噪比。將OFDM信號(hào)的子載波分成N個(gè)子帶,計(jì)算各組子載波的信噪比γi,i=1,2,…, N。由于每個(gè)子載波的噪聲能量獨(dú)立于信道的傳遞函數(shù),故第i個(gè)子載波的信噪比γi可表示為

(2)設(shè)置信噪比閥值。計(jì)算每一區(qū)間段信噪比的平均值,并記為γstd。由各種調(diào)制方式在高斯白噪聲信道下的BER曲線可得γstd=[0 3 6.5 10.2 13.1 15.8 18.8],其提供了7種可供選擇的調(diào)制方式,分別是不使用、BPSK、QPSK、8-PSK、16-QAM、32-QAM、64-QAM。全部子載波的平均信噪比γmean為

(3)設(shè)置目標(biāo)調(diào)制深度Rtarget。假設(shè)系統(tǒng)采用固定調(diào)制,且調(diào)制方式為 QPSK,則Rtarget=2。根據(jù)γmean和Rtarget,可得平移后的平均信噪比閥值γ′std:

可見,“標(biāo)尺”上的目標(biāo)調(diào)制方式的位置恰好與平均信噪比重合,如圖 2所示。

(4)確定調(diào)制方式。根據(jù)信噪比閥值和各組γi,從備選的 7種調(diào)制方式中確定相應(yīng)的調(diào)制方式,可得

(5)調(diào)整Ri。設(shè)等待分配的比特總數(shù)為RT,若Rsum=RT,則轉(zhuǎn)到步驟 (6);否則調(diào)整Ri。調(diào)整方法為:若Rsum>RT,應(yīng)找到最小的ΔRi,且Ri>0,調(diào)整R′i=Ri-1,R′sum=Rsum-1,ΔR′i=ΔRi+1;若Rsum

(6)處理信號(hào)功率。應(yīng)用子載波歸一化方法,給所有已使用子載波的信號(hào)乘以一個(gè)比例因子,使得總的信號(hào)功率等于設(shè)定的信號(hào)功率。

4 仿真與性能分析

應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)基于瑞利信道模型的OFDM自適應(yīng)調(diào)制算法進(jìn)行性能仿真,其中 SBLA算法參照?qǐng)D 2中的閥值間隔對(duì)各子載波進(jìn)行分組,并提供 5種調(diào)制方式,分別為固定調(diào)制、BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM,對(duì)應(yīng)的比特分配數(shù)目集B={0,1,2,4,6}。另外,設(shè)OFDM固定調(diào)制系統(tǒng)中各子載波均采用 QPSK調(diào)制方式,得到的誤碼率(P)性能曲線如圖 3所示。

圖 3 固定調(diào)制和自適應(yīng)調(diào)制的性能曲線Fig.3 Performance curves of fixed modulation and adaptive modulation

由圖3可知,在煤礦井下傳輸模型中,自適應(yīng)調(diào)制比固定調(diào)制具有更優(yōu)越的抗噪聲性能,且這種優(yōu)越性隨信噪比的提高而愈加明顯。在誤碼率相同的條件下,使用自適應(yīng)調(diào)制所需的發(fā)射功率比固定調(diào)制低。與 Greedy、Fischer和 Chow算法相比,S BLA在進(jìn)行比特的初始分配時(shí)只需估計(jì)出各個(gè)子帶的γmean,然后根據(jù)預(yù)先確定的 S NR門限選定相應(yīng)的調(diào)制級(jí)別,即完成初始化比特分配,降低了計(jì)算復(fù)雜度。因此,在煤礦井下OFDM自適應(yīng)算法的應(yīng)用中,S BLA算法減少了系統(tǒng)的信令開銷和運(yùn)算量,在信噪比較高的子信道傳輸較多的比特,在信噪比較低的子信道傳輸較少的比特,從而使得絕大多數(shù)發(fā)射信號(hào)的功率集中在信道衰減較小的頻帶范圍內(nèi),可極大提高OFDM系統(tǒng)的吞吐量。

圖4 不同差值算法的性能曲線Fig.4 Performance curves of different algorithm

為了描述不同插值算法對(duì)信道估計(jì)誤差的影響,文中分別給出了三次樣條插值算法和低通濾波插值算法時(shí)固定調(diào)制及自適應(yīng)調(diào)制的性能曲線,如圖4所示。經(jīng)過比較,在信噪比相同的條件下,采用低通濾波插值算法時(shí)系統(tǒng)的誤比特率更低;在誤比特率相同的條件下,低通濾波插值算法比三次樣條插值算法的信噪比更低。所以,采用低通濾波插值算法能夠更準(zhǔn)確的估計(jì)信道特性、減小誤差、提高系統(tǒng)性能。

5 結(jié)束語

煤礦井下 OFDM自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)以井下無線通信信道模型為基礎(chǔ),由 SVD信道估計(jì)算法和低通濾波插值算法及 SBLA自適應(yīng)比特和功率分配算法構(gòu)建而成。該系統(tǒng)既可以解決煤礦井下多徑干擾嚴(yán)重的問題,又可以提高井下通信的抗噪性和實(shí)時(shí)性,使礦井安全參數(shù)等數(shù)據(jù)在井下穩(wěn)定可靠地傳輸,保證了通信質(zhì)量,有利于煤礦安全生產(chǎn)。

[1] 楊 維,程時(shí)聽,孫繼平.礦井無線通信與頻率資源利用[J].煤炭學(xué)報(bào),2001,26(5):535-538.

[2] 王文博,鄭 侃.寬帶無線通信OFDM技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[3] 李 子,蔡躍明.Rayleigh衰落信道的仿真模型[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,5(2):1-8.

[4] 裴紅霞,徐 釗,張曉光.OFDM自適應(yīng)算法在煤礦井下的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,9(1):43-46.

[5] 陳浩氓,徐巧勇,王宗欣.一種新的OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制算法[J].復(fù)旦學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,(1):75-79.

OFDM adaptive techniques in coalm ine

WANG Juan,FU Jiacai
(College of Electric&Infor mation Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

The response to the communication quality degradation resulting from increasing noise and bit error rate due to the hostile communication environment of coal mine and occurrence of multi-path effect in underground mines leads to the use of OFDM of adaptive modulation to underground wireless communication systems,as dictated by featuresof the coalminewireless communication,selection of rayleigh fading channelmodel,and use of SVD algorithm,low-pass filter interpolation algorithm and cubic spline interpolation algorithm for channel estimation and simulation of the system perfo rmance.The results show thatBER of adaptive modulation algorithm is superior to the fixed modulation;SBLA adaptive modulation algorithm is easier to achieve than the Greedy,Fishcher and Chow algorithm;Low-pass filter interpolation algorithm givesmore accurate estimation of channel characteristics than Cubic spline interpolation.The study provides a technical reference for real-time,high-speed and accurate transmission of information in underground coalmine.

OFDM;underground wireless communication;adaptive modulation

TN914

A

1671-0118(2010)02-0135-03

2010-03-02

王 娟(1981-),女,黑龍江省佳木斯人,講師,碩士,研究方向:信息傳輸與處理,E-mail:mermaid_wj@sina.com。

(編輯荀海鑫)