OFDM自適應(yīng)算法在煤礦井下的應(yīng)用研究

摘要：根據(jù)煤礦井下無(wú)線通信特性，建立了服從瑞利分布的具有頻率選擇性衰落的信道模型，研究了動(dòng)態(tài)改變傳輸比特與功率分配的自適應(yīng)正交頻分復(fù)用(OFDM)算法。仿真結(jié)果表明：自適應(yīng)比特與功率分配算法的誤碼率性能明顯好于固定調(diào)制；多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的誤碼率明顯好于單輸入單輸出(SISO)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)OFDM；比特與功率分配算法；井下無(wú)線通信；MIMO；SISO

O 引 言
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple―xing)是一種高效的多載波復(fù)用技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落的能力。
傳統(tǒng)的OFDM調(diào)制方式，為了保證系統(tǒng)的誤碼性能，只能根據(jù)最惡劣的信道情況選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式。但是信道情況最差的時(shí)段在整個(gè)傳輸時(shí)段內(nèi)是非常短的，這就造成了極大的浪費(fèi)。因此，自適應(yīng)OFDM應(yīng)運(yùn)而生。自適應(yīng)OFDM基本原理是：改變調(diào)制方式，在理想信道條件下用較高階的調(diào)制方式，而在不太理想的信道條件下則用較低階的調(diào)制方式，使傳輸能力與信道條件相適應(yīng)，來(lái)保證通信的可靠性和有效性。
這里介紹了煤礦井下無(wú)線信道特性，建立相應(yīng)的模型，詳細(xì)闡述了一種自適應(yīng)OFDM比特與功率分配算法，最后結(jié)合信道模型對(duì)算法進(jìn)行了仿真，并對(duì)固定調(diào)試方式的OFDM、單輸入單輸出(SISO)OFDM和多輸入多輸出(MIMO)OFDM的誤碼率情況做了比較。

1 自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)模型
OFDM的基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸，從而使子載波的符號(hào)速率大幅度降低，符號(hào)持續(xù)時(shí)間大大加長(zhǎng)，因而對(duì)時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力。自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)先估計(jì)出所有子信道的狀況，然后自適應(yīng)算法據(jù)此計(jì)算出各個(gè)子信道應(yīng)分配的比特與功率，最后映射模塊根據(jù)各子信道的比特與功率分配信息把輸入比特流映射成調(diào)制信號(hào)，送入IFFT模塊轉(zhuǎn)換成已調(diào)信號(hào)。同樣，接收端也需要根據(jù)相應(yīng)的子信道比特與功率分配信息對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得輸出比特流。

2 自適應(yīng)比特與功率分配算法
2．1 問(wèn)題描述
OFDM系統(tǒng)把信道劃分為若干個(gè)子信道，每個(gè)子信道都相當(dāng)窄，衰落起伏不大，可以認(rèn)為在整個(gè)子信道內(nèi)都處于平坦衰落。當(dāng)不考慮信道干擾時(shí)，平坦衰落信道的信噪比可以表達(dá)為：

其中：hn表示信道增益，N0表示加性噪聲的單邊功率譜密度，г為一定誤比特率下的信噪比間隔，它反映了實(shí)際傳輸速率和理論傳輸速率的差額，一系列的г可以反映系統(tǒng)不同條件下的誤碼率情況。г與BERtarget之間的關(guān)系為：г=一ln(5BERtarget)／1．5。
bn，en分別表示分配在第n個(gè)子載波上的比特?cái)?shù)和功率，bn與en的關(guān)系如下：

當(dāng)高斯白噪聲均值為O，方差為σ2=1時(shí)，式(2)、式(3)結(jié)合式(1)，可得bn，en與SNR(n)的關(guān)系如下：

2．2 優(yōu)化準(zhǔn)則
OFDM自適應(yīng)基本思想就是自適應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸?shù)膮?shù)來(lái)充分利用當(dāng)前信道環(huán)境。本文的思想是在給定誤碼率和總傳輸比特的條件下，使總的發(fā)射功率最小。
2．3 分配算法描述
研究了一種自適應(yīng)比特及功率分配方法，該算法的表述如下：

其中：bn表示在第n個(gè)子信道上所需傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，bn∈Z，bn≥O，n=1，2，…，N，N為子信道總數(shù)；B為在一個(gè)OFDM符號(hào)中一共可以傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)；en(bn)表示在給定的編碼方案與滿足一定誤碼率要求的條件下子信道n上傳輸bn比特所必需的能量數(shù)。假定en(0)=0，在一個(gè)OFDM符號(hào)中，由于每個(gè)子載波的時(shí)間長(zhǎng)度都一樣，不同子載波間功率的比較與能量的比較是一致的，因此后面的論述對(duì)此不再區(qū)分。