張琳園,楊 維

(北京交通大學電子信息工程學院,北京 100044)

礦井巷道時頻編碼協(xié)作MC-CDMA伙伴選擇與子載波分配

張琳園,楊 維

(北京交通大學電子信息工程學院,北京 100044)

針對礦井巷道的帶狀結構特點,提出一種基于基站瞬時接收信噪比和用戶位置的礦井巷道時頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸協(xié)作伙伴選擇策略,由基站為信道狀況較差的用戶選擇協(xié)作伙伴。由于相鄰子載波信道的相關性較大,為擴頻支路分配相鄰的子載波,可能會導致礦井MCCDMA一些擴頻支路傳輸質量偏低,影響無線傳輸?shù)男阅?。為?提出了一種為礦井MC-CDMA每個擴頻支路按固定間隔分配離散子載波的次優(yōu)子載波輪轉分配算法。在次優(yōu)分配方案中,不考慮各子載波瞬時信道增益,可簡化按用戶各子載波瞬時信道狀況分配子載波的最優(yōu)子載波分配算法。仿真結果表明,采用所提出的協(xié)作伙伴選擇策略以及子載波分配算法顯著提高了礦井巷道時頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸用戶的信道容量和誤碼率性能,增強了礦井巷道時頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸系統(tǒng)信道容量的魯棒性和通信的可靠性。

礦井巷道;編碼協(xié)作;多載波碼分多址;協(xié)作伙伴選擇;子載波分配

為充分利用礦井巷道開放的頻率資源[1-2],文獻[3]提出在上行鏈路采用協(xié)作分集的多載波碼分多址(multiple carrier-code division multiple access,MCCDMA)無線傳輸方案。該傳輸方案既可以克服多徑衰落嚴重對礦井巷道無線傳輸造成不利的影響,又可以通過為與基站間信道狀況較差用戶尋找一個與基站間信道狀況較好的協(xié)作伙伴,顯著提高信道狀況較差用戶的信道容量和誤碼率性能。這樣就不會因為用戶移動到信道狀況較差的地點,而導致基站與用戶間的信道容量衰減過大、通信質量很差甚至通信中斷等情況的發(fā)生。因此,該傳輸方案可以減小基站與用戶無線傳輸對信道狀況變化的敏感度[4-5],從而可保證用戶高速、高可靠性的無線數(shù)據(jù)傳輸[6-7]。

協(xié)作分集的一個關鍵問題是如何從小區(qū)內其他用戶中為與基站間信道狀況較差的目標用戶選擇協(xié)作伙伴[8]。協(xié)作伙伴的選擇要綜合考慮基站與小區(qū)內其他用戶及目標用戶與小區(qū)內其他用戶之間的信道狀況,如文獻[9-10]。文獻[9]提出了兩種協(xié)作伙伴選擇方案。一種是對用戶間平均接收信噪比設置一個門限值,使目標用戶接收到的平均信噪比大于該門限值的用戶即為目標用戶的鄰近用戶。目標用戶再從鄰近用戶中選取使目的節(jié)點接收到的平均信噪比最大的用戶為協(xié)作伙伴。另一種是基于用戶間瞬時接收信噪比確定協(xié)作伙伴備選組,然后目標用戶從中選擇使目的節(jié)點接收到的瞬時信噪比最大的用戶為協(xié)作伙伴。文獻[10]提出基于用戶間瞬時接收信噪比尋找協(xié)作伙伴備選組,再從中隨機或按優(yōu)先級選取協(xié)作伙伴的方案。

文獻[9-10]都是針對無線自組網(wǎng)或無線傳感網(wǎng)的分布式協(xié)作伙伴選擇策略。對于蜂窩網(wǎng)絡,由于基站具有強大處理的能力,適宜采用集中式選擇策略,由基站為與基站間的信道狀況較差的用戶分配一個與基站間的信道狀況較好的協(xié)作伙伴。如文獻[11]提出了一種針對蜂窩網(wǎng)絡的集中式協(xié)作伙伴選擇方案,基站首先為各用戶隨機分配協(xié)作伙伴,然后基于基站與用戶之間以及各用戶之間信道信息計算所有用戶的平均中斷概率,并嘗試為各個用戶交換協(xié)作伙伴使得平均中斷概率最小。該方案要經過多次計算才能得到最終的分配方案,算法復雜度很高。

煤礦井下巷道為典型的帶狀結構,用戶之間的信道狀況與用戶之間的距離有很大的相關性[3,12]。這樣,基站可以基于用戶的位置信息對用戶之間的信道狀況進行度量,基于接收到用戶的瞬時信噪比對自身與用戶間的信道狀況進行判斷。為此,提出了一種基于基站接收到用戶的瞬時信噪比和用戶位置信息,由基站為信道狀況較差用戶動態(tài)分配協(xié)作伙伴的策略,可保證基站與用戶間的信道容量和誤碼率不會因基站與用戶間信道狀況變化而劇烈波動。

為克服礦井巷道多徑衰落嚴重,文獻[3]采用了MC-CDMA無線傳輸方案。在任一傳輸時刻,MCCDMA一個擴頻支路對應一個傳輸符號,即擴頻支路各子載波承載的信息相同。由于礦井巷道各子載波信道狀況與子載波頻率有很大的相關性[3,12],相鄰子載波信道狀況的相關性較大。為擴頻支路分配相鄰的子載波,當擴頻支路分得的相鄰子載波信道狀況同時較差時,該擴頻支路的傳輸質量會偏低,影響系統(tǒng)的信道容量和總體誤碼率性能,造成木桶效應。

為平衡各擴頻支路的傳輸能力,提高用戶信道容量,解決相鄰子載波信道狀況相關性較大,可能出現(xiàn)通信質量下降的問題,提出為每個擴頻支路按固定間隔分配離散子載波的次優(yōu)子載波輪轉分配算法,來提高礦井巷道無線傳輸?shù)馁|量。

1 系統(tǒng)模型

圖1為礦井巷道時頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線通信系統(tǒng)[3]。假設將礦井巷道等價成如圖1所示寬為2a,高為2b的長方體,巷道長度為L,巷道中隨機分布有N個用戶,基站位于巷道中部。以巷道中心點為原點建立笛卡爾坐標系?；疽阎湫^(qū)范圍內所有用戶的位置信息,如用戶位于其哪一側以及距離信息等。所有用戶都有數(shù)據(jù)要發(fā)[11,13],收發(fā)雙方均已知信道的狀態(tài)信息。

考慮目標用戶在圖1中基站右側,并向遠離基站的方向移動。圖1(a)給出了當基站與目標用戶間的信道狀況較好時,目標用戶不需要基站分配協(xié)作伙伴的情況。圖1(b)給出了當基站與目標用戶間的信道狀況較差時,基站按一定規(guī)則為其分配一個與基站間信道狀況較好協(xié)作伙伴的情況。圖1(c)給出了當基站與目標用戶間的信道狀況較差時,由于礦井巷道內隨機分布的用戶太少,基站未能成功為目標用戶分配與基站間信道狀況較好協(xié)作伙伴的情況。

圖1 系統(tǒng)模型Fig．1 The model of system

圖2給出了目標用戶傳輸數(shù)據(jù)時,首先將數(shù)據(jù)進行時頻編碼,然后在第1個時間周期傳輸自身時頻編碼碼字的第1部分,在第2個時間周期傳輸協(xié)作伙伴或自身碼字的第2部分。圖2(a)給出了目標用戶如圖1(a)和圖1(c)所示,沒有協(xié)作伙伴時,在第1,2時間周期分別傳輸自身碼字第1,2部分的情況。圖2(b)給出了目標用戶如圖1(b)所示,成功分得協(xié)作伙伴,與協(xié)作伙伴正常協(xié)作時,在第1個時間周期傳輸自身碼字的第1部分,在第2個時間周期傳輸其協(xié)作伙伴碼字第2部分的情況。

圖2 時頻編碼與時頻編碼協(xié)作Fig．2 Time-frequency coding only and with coded cooperative

基站或協(xié)作伙伴接收時,對MC-CDMA攜帶同一符號子載波上的信號進行正交恢復合并或最大比值合并,得到所傳輸各符號的估計值。前者適用于用戶較多,多址干擾較強的情況;后者適用于用戶較少,加性噪聲影響占主導的情況[14]。

2 協(xié)作伙伴選擇策略

2.1 選擇依據(jù)

針對圖1(b)和(c)基站與目標用戶間信道狀況較差的情況,在為目標用戶從小區(qū)其他用戶中選擇協(xié)作伙伴時,要綜合考慮基站與小區(qū)其他用戶之間的信道狀況以及目標用戶與小區(qū)其他用戶之間的信道狀況。前者決定協(xié)作分集的效果,而后者則決定協(xié)作能否正常進行。例如,當圖1(b)中目標用戶與協(xié)作伙伴間的信道狀況太差,導致協(xié)作伙伴不能成功譯碼目標用戶碼字的第1部分時,協(xié)作伙伴在第2個時間周期會發(fā)送自身碼字第2部分[15]。這樣,協(xié)作將無法正常進行,也就無法通過協(xié)作提高目標用戶的信道容量和誤碼率性能。

對于圖1給出的礦井巷道帶狀結構,基站可根據(jù)接收到用戶的瞬時信噪比,判斷自身與各用戶間的信道狀況。然而,由于用戶數(shù)目及所處位置的隨機性,基站很難獲知各用戶之間的瞬時接收信噪比。因而,基站難以利用各用戶之間的瞬時接收信噪比判斷各用戶之間的信道狀況。但對帶狀結構的煤礦井下巷道而言,用戶之間的信道狀況通常決定于用戶之間的距離[3,12],為此提出了基站基于用戶位置信息對用戶之間信道狀況進行度量的策略。這樣,基站就可以基于接收到用戶的瞬時信噪比和用戶位置信息,動態(tài)為與基站間信道狀況較差的用戶選擇一個與基站間信道狀況較好的用戶作為協(xié)作伙伴來保證通信質量。

2.2 選擇策略

基于上述選擇依據(jù)的礦井巷道協(xié)作無線傳輸集中式協(xié)作伙伴選擇策略的具體步驟如下：

(1)對基站接收到用戶的瞬時信噪比設置一個門限值η。

(2)當基站接收到用戶的瞬時信噪比大于門限值η時,該用戶進入?yún)f(xié)作伙伴備選組,如圖1中橢圓內的用戶;當基站接收到用戶的瞬時信噪比小于門限值η時,需要基站為其選擇協(xié)作伙伴,如圖1中橢圓外的用戶。

(3)對于圖1中橢圓外需要分配協(xié)作伙伴的用戶,基站根據(jù)用戶位置信息,從協(xié)作伙伴備選組為該用戶選擇一個距其最近的用戶,作為其協(xié)作伙伴。

3 子載波分配算法

礦井巷道MC-CDMA不同子載波對應的信道狀況不同,MC-CDMA擴頻支路子載波分配算法對系統(tǒng)性能具有重要影響。

圖3給出了擴頻支路子載波的連續(xù)分配算法,圖中Nc表示MC-CDMA子載波總數(shù)Nc=PG;P表示擴頻支路總數(shù);G表示擴頻增益。在任一傳輸時刻,一個擴頻支路對應一個傳輸符號。在圖3擴頻支路子載波連續(xù)分配的情況下,任一擴頻支路p將分得G個相鄰的子載波(p-1)G+1,(p-1)G+2,…,(p-1)G+G,1≤p≤P。

圖3 擴頻支路子載波連續(xù)分配Fig．3 Subcarrier contiguous allocation for spread branches

礦井巷道MC-CDMA相鄰子載波信道狀況的相關性較大,它們可能同時較好或較差。為擴頻支路連續(xù)分配子載波,當擴頻支路分得的相鄰子載波信道狀況同時較差時,會導致一些擴頻支路傳輸質量偏低。根據(jù)文獻[3]信道容量公式,用戶信道容量是由最差擴頻支路對應的信道容量決定的,傳輸質量偏低的擴頻支路會帶低用戶的總體信道容量,因而連續(xù)分配此時會造成木桶效應。

針對連續(xù)分配可能會導致個別擴頻支路傳輸質量偏低,帶低用戶總體信道容量的問題,為平衡各擴頻支路的傳輸能力,提高用戶的信道容量,可以根據(jù)各子載波瞬時信道狀況,動態(tài)為MC-CDMA各擴頻支路分配子載波。通過動態(tài)分配,可以把信道狀況較差的相鄰子載波離散開,即分配給不同的擴頻支路。這樣,就使得各擴頻支路子載波的衰落狀況均衡化,避免個別擴頻支路帶低用戶總體信道容量的問題。

但是,由于基站與不同用戶間的無線信道狀況不同,不同用戶MC-CDMA子載波的相對衰落程度不同。與其他子載波相比,同一個子載波對一個用戶來說信道狀況是較好的,但對另一個用戶來說信道狀況可能是較差的。為保護礦井巷道MC-CDMA無線傳輸系統(tǒng)用戶間的正交性,不同用戶擴頻支路子載波的分配要相同。要為系統(tǒng)找到最優(yōu)子載波分配方案,不僅計算量大,成本高,還可能無法找到閉合解。

為此,提出一種不依據(jù)各子載波瞬時信道增益,為每個擴頻支路按固定間隔分配離散子載波的次優(yōu)子載波輪轉分配算法。算法具有簡單、實用的特點。圖4給出了輪轉分配的具體步驟：

(1)將圖4(a)中的MC-CDMA子載波1,…,子載波Nc按順序分成G組,每組有P個子載波。如圖4(b)所示,第1組為子載波1,…,子載波P;第2組為子載波P+1,…,子載波2P;…第G組為子載波(G-1)P+1,…,子載波GP。

(2)對步驟1分好的G組子載波,將各組中第1個子載波分配給用戶1,…,第P個子載波分配給用戶P。這樣,得到了圖4(c)任一擴頻支路p分得p, P+p,…,(G-1)P+p等G個離散子載波,1≤p≤P。

圖4 擴頻支路子載波輪轉分配Fig．4 Subcarrier rotary allocation for spread branches

對比圖4的子載波輪轉分配與圖3的子載波連續(xù)分配,可以看出,前者將礦井巷道MC-CDMA相鄰的子載波分配給不同的擴頻支路,這樣就避免了相鄰子載波的信道狀況同時較差時,分得這些子載波的某一擴頻支路傳輸質量偏低,帶低用戶總體信道容量的問題。

4 仿真結果與分析

采用所提出的協(xié)作伙伴選擇策略與擴頻支路子載波分配算法,對礦井巷道時頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸系統(tǒng)的信道容量進行了計算,對系統(tǒng)的誤比特率進行蒙特卡洛仿真。如圖1所示,假設巷道寬度2a為10 m,高度2b為6 m,基站和用戶移動臺均處于巷道1/4軸線上,則基站在礦井巷道笛卡爾坐標系中的坐標為(2．5,1．5,0),各移動臺的坐標為(2．5, -1．5,z),z為移動臺距原點或基站的軸向距離。巷道長度L為1 200 m,這決定了目標用戶在基站右側,并向遠離基站方向移動時的最大軸向移動距離為600 m。瞬時接收信噪比的門限值η為35 dB,各擴頻支路子載波上的信息采用正交恢復合并,其他仿真參數(shù)詳見文獻[3]的表1。

圖5,6分別給出了當巷道小區(qū)中隨機分布的用戶數(shù)分別取120個和24個,采用所提出的協(xié)作伙伴選擇策略,目標用戶在基站右側并向遠離基站的方向移動時,傳輸方式、信道容量及誤比特率隨目標用戶距基站距離即目標用戶z坐標的變化情況。傳輸方式描述的是目標用戶是否與其他用戶協(xié)作傳輸信息。當目標用戶如圖1(a)所示,與基站間的瞬時接收信噪比大于門限值η,不需要協(xié)作伙伴時,采用圖2(a)的傳輸方式,用0表示;當目標用戶如圖1(b)所示,與基站間的瞬時接收信噪比小于門限值η,并成功分得協(xié)作伙伴時,采用圖2(b)的傳輸方式,用1表示。

圖5 巷道中隨機分布有120個用戶的性能Fig．5 Performance with 120 users in tunnel

圖6 巷道中隨機分布有24個用戶的性能Fig．6 Performance with 24 users in tunnel

從圖5(a)和圖6(a)以看出,當目標用戶移動到距基站240 m的位置時,基站與目標用戶間的信道狀況開始變差,需要通過協(xié)作來提高基站與目標用戶間的信道容量和誤碼率性能,即圖5(a)和圖6(a)當目標用戶移動到距基站240 m以外的位置時,其傳輸方式主要是標號為“1”的協(xié)作傳輸。僅在部分位置,如距基站450 m的位置,由于與基站間距離雖較大,信道狀況卻較好,傳輸方式是標號為“0”的非協(xié)作傳輸。從圖5(b)和圖6(b)可以看出,通過采用所提出的協(xié)作伙伴選擇算法,目標用戶的信道容量一直保持在5 Mbps以上。而圖5(c)和圖6(c)則表明了除在極個別位置外,目標用戶的誤比特率一直趨于0。可見,所提出的協(xié)作伙伴選擇策略簡單、有效,保證了基站與目標用戶間的信道容量和誤比特率不會因目標用戶移動到距基站較遠的位置,與基站間的信道狀況變差而產生劇烈的波動。從而有效保證了目標用戶信道容量的魯棒性和通信的可靠性。

從圖5,6還可以看出,礦井巷道中隨機分布的用戶數(shù)無論是120個還是24個,對該協(xié)作伙伴選擇策略有效性的影響不大。原因在于,只有在巷道中用戶非常少時才會出現(xiàn)圖1(c)目標用戶需要協(xié)作伙伴,卻分配不到的情況。

為考察所提出擴頻支路子載波輪轉分配方案的性能,將目標用戶和協(xié)作伙伴的z坐標分別取為200和100,子載波間隔取為35 kHz,在分別采用子載波連續(xù)分配與子載波輪轉分配的情況下,對基站與目標用戶及協(xié)作伙伴間的信道容量和誤碼率進行了仿真計算。

圖7,8分別給出了當擴頻支路各子載波上的信息分別采用最大比值合并和正交恢復合并時,擴頻支路子載波采用簡單的連續(xù)分配與輪轉分配目標用戶及其協(xié)作伙伴到基站的信道容量及誤碼率隨發(fā)射信噪比變化情況的對比。從圖7可以看出,當擴頻支路各子載波上的信息采用最大比值合并時,與連續(xù)分配相比采用輪轉分配在相同發(fā)射信噪比下,信道容量提高了2 Mbps;在相同誤碼率下,發(fā)射信噪比降低了1 dB。從圖8可以看出,當擴頻支路各子載波上的信息采用正交恢復合并時,在相同發(fā)射信噪比下,與連續(xù)分配相比采用輪轉分配信道容量提高了1．25 Mbps,誤碼率狀況基本相同。

因此,無論擴頻支路各子載波上的信號采用最大比值合并還是正交恢復合并,在相同發(fā)射信噪比下,與連續(xù)分配相比采用輪轉分配對信道容量都有明顯提升。

5 結 論

圖7 最大比值合并對應子載波分配性能對比Fig．7 Performance comparison of two subcarrier allocation protocol with maximal ratio combining

圖8 正交恢復合并對應子載波分配性能對比Fig．8 Performance comparison of two subcarrier allocation protocol with orthogonality restoring combining

(1)針對礦井巷道的帶狀結構特點,提出了一種基于基站瞬時接收信噪比和用戶位置的礦井巷道時頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸協(xié)作伙伴選擇策略。通過對目標用戶信道容量的計算以及對其誤比特率的蒙特卡洛仿真,可以看出采用所提出的協(xié)作伙伴選擇策略,保證了基站與目標用戶間的信道容量和誤比特率不會因目標用戶移動到距基站較遠的位置即與基站間的信道狀況變差而產生劇烈的波動。

(2)為解決礦井巷道相鄰子載波的相關性較大,為擴頻支路分配相鄰的子載波,可能會導致MC-CDMA一些擴頻支路傳輸質量偏低,影響系統(tǒng)性能的問題,提出了一種為每個擴頻支路按固定間隔分配離散子載波的次優(yōu)子載波輪轉分配算法。仿真結構表明,在相同發(fā)射信噪比下,與連續(xù)分配相比采用所提出的子載波分配算法可以明顯提升用戶的信道容量。

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Partner selection and subcarrier allocation of time-frequency coded cooperation MC-CDMA in mine tunnel

ZHANG Lin-yuan,YANG Wei

(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

In terms of the banded structure of underground mine roadways,a cooperative partner selection protocol was proposed for time-frequency coded cooperation MC-CDMA wireless transmission,which is based on the instantaneous signal to noise ratio(SNR)

by base station(BS)and the location of users,and the cooperative partner selected by BS．Due to the channel relativity for neighboring subcarrier,it may cause reduced transmission quality for some spread branches of mine MC-CDMA to allocate subcarrier contiguously,which will affect the performance of wireless transmission．Therefore,a suboptimal subcarrier allocation scheme called subcarrier rotary allocation was proposed,which allocates discrete subcarrier to spread branches with fixed interval．Since the subcarrier’s instantaneous channel condition was not taken into account in the suboptimum scheme,it was much simpler than the optimal protocol which allocates subcarrier according to the instantaneous channel condition of subcarrier．Simulation results show that the channel capacity and bit error rate(BER)performance of users are improved significantly with the proposed cooperative partner selection protocol and the subcarrier allocation scheme for the time-frequency coded cooperation MC-CDMA wireless transmission．In this way,the robustness of channel capacity and the reliability of underground wireless communication are enhanced significantly．

mine roadway;coded cooperation;multiple carrier-code division multiple access(MC-CDMA);cooperative partner selection;subcarrier allocation

TD655

A

0253-9993(2014)10-2141-06

2013-10-09 責任編輯：許書閣

張琳園(1990—),女,山東鄒城人,碩士研究生。Tel：010-51466854,E-mail：12120182@bjtu．edu．cn。通訊作者：楊 維(1964—),男,北京人,教授。Tel：010-51682162,E-mail：wyang@bjtu．edu．cn

張琳園,楊 維．礦井巷道時頻編碼協(xié)作MC-CDMA伙伴選擇與子載波分配[J]．煤炭學報,2014,39(10)：2141-2146．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1448

Zhang Linyuan,Yang Wei．Partner selection and subcarrier allocation of time-frequency coded cooperation MC-CDMA in mine tunnel[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2141-2146．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1448