自適應(yīng)比特分配算法在高速遙測系統(tǒng)中的應(yīng)用

閆嚴(yán)，張福清

（1.中國電波傳播研究所河南 新鄉(xiāng)453003；2.大慶鉆探測井公司吉林事業(yè)部吉林 松原138003）

隨著成像測井技術(shù)的快速發(fā)展，為了滿足成像測井儀器的需要，高速遙測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也越來越高。它一方面將下井儀器實時采集的大量數(shù)據(jù)高速、準(zhǔn)確地傳送到地面儀器，另一方面將地面儀器對各種下井儀器的控制信息實時地傳給各下井儀器，使其能進(jìn)行正確的操作。同時還要滿足給下井儀器提供不同的電源、測量通道等要求。

根據(jù)成像測井系統(tǒng)的需要，在測井電纜不變的條件下，電纜傳輸速率要達(dá)到500 kb/s以上，誤碼率不大于10-6。為了實現(xiàn)這些設(shè)計目標(biāo)采用了自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)制是智能傳輸技術(shù)中最重要的技術(shù),它是在了解信道信息后,令發(fā)送方和接收方使用一組雙方都認(rèn)可的調(diào)制方案,因此與非自適應(yīng)方案相比,可以提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在保持一定誤比特率的情況下,采用自適應(yīng)調(diào)制可以解決一部分頻譜資源緊張的難題。采用自適應(yīng)調(diào)制的另一個優(yōu)點是可通過改變期望誤比特率（BER）來控制通信服務(wù)量。

1 OFDM系統(tǒng)模型

OFDM系統(tǒng)首先選定適當(dāng)?shù)念l譜和調(diào)制方法,然后由調(diào)制器將輸入比特流以一定的方式組合起來映射為復(fù)數(shù),接著通過逆快速傅里葉變換（IFFT）將該頻域信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時域信號,并插入保護(hù)間隔。接收方采用相逆的步驟恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流[1]。

假定無線傳輸信道為一個時變的脈沖響應(yīng)h（τ，t），信道的頻域響應(yīng)H（k）等于時域響應(yīng)的傅里葉變換，則接收信號y可以表示為

其中x為發(fā)送符號向量，n為高斯白噪聲。整個OFDM系統(tǒng)共有N個子載波，同時假定信道沖激響應(yīng)在一個OFDM幀的持續(xù)時間內(nèi)保持不變。定義信道平均信噪比為RSN，那么子載波k上的信噪比為

其中H（k）代表子載波k上的信道頻域增益。

2 OFDM的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)原理

自適應(yīng)調(diào)制的原理就是當(dāng)信道條件好時，采用高階的調(diào)制方式，當(dāng)信道條件差時，采用低階的調(diào)制方式。

井下采樣信號為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行串并變換，然后被送入自適應(yīng)子載波調(diào)制模塊。數(shù)據(jù)在自適應(yīng)載波模塊中根據(jù)自適應(yīng)比特分配算法對各個子信道采取相應(yīng)方式的調(diào)制。調(diào)制方式可以采用MQAM或MPSK調(diào)制。調(diào)制后的數(shù)據(jù)經(jīng)IFFT變換將N列的數(shù)據(jù)序列變換為時域信號。插入保護(hù)間隔可以有效地消除符號間干擾（ISI）。在接收端，接收到的信號經(jīng)去除保護(hù)間隔和分路后進(jìn)行FFT變換，得到N列并行信號，送入各個子信道解調(diào)器。調(diào)制參數(shù)由比特分配信息模塊給定。解調(diào)后的數(shù)據(jù)再經(jīng)并串轉(zhuǎn)換還原成井下發(fā)送數(shù)據(jù)[2]。

在信道估計模塊中，自適應(yīng)OFDM調(diào)制解調(diào)需要對信道進(jìn)行精確估計，根據(jù)接收的導(dǎo)頻信號可對數(shù)據(jù)子信道的沖激響應(yīng)進(jìn)行估計，估計的結(jié)果可用來確定每個子信道的信噪比，根據(jù)子信道的信噪比可以確定各個子信道下一次傳輸采用的基帶調(diào)制方式，從而實現(xiàn)多載波方式下的自適應(yīng)調(diào)制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1具有自適應(yīng)分配的高速遙測系統(tǒng)Fig．1High-speed telemetry system with adaptive allocation

3 自適應(yīng)比特算法

本文提出一種適用于OFDM傳輸系統(tǒng)的自適應(yīng)比特分配算法，該算法根據(jù)實際信道的情況及所需的BER，在發(fā)射總功率受限制的條件下，動態(tài)地分配子信道上的比特和功率，使得發(fā)送的每個符號的總比特數(shù)最大，從而提高信道的利用率及數(shù)據(jù)傳輸速率。N），定義bi為子載波i上傳輸?shù)谋忍財?shù)，B為每個符號包含的最大總比特數(shù)。本算法使用了MQAM調(diào)制，將bi的取值限制為0，4，6，8。它們分別對應(yīng)于：不傳輸，16QAM，64QAM和256QAM 4種調(diào)制方式。

按照高速遙測系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)要求，高速遙傳系統(tǒng)的子載波間隔為3．125 kHz，根據(jù)測井電纜的頻率衰減特性，高速遙測系統(tǒng)的可利用帶寬被限制在200 kHz或64個子信道。

在子信道分配完成后，首先要對信道作精確估計，從而確定每個子信道的信噪比。然后利用得到的子載波SNR值作為閾值，計算出在一定誤碼率要求下第k個子載波的調(diào)制方式。在此定義3個閾值為SNR16QAM、SNR64QAM、SNR256QAM，根據(jù)閾值來劃分所要分配的比特數(shù)。具體計算式（3）[3]：

其中，RSNR為子載波信噪比；rber為誤碼率；bk為第k個子載波預(yù)分配比特數(shù)。

各子信道傳輸bk個比特所需的功率計算公式為：

子載波的遞增功率公式為：

其中，e（k）代表傳輸bk（i）個比特的發(fā)送功率，e（k－1）表示更低一級傳輸速率bk（i－1）的發(fā)送功率。

在一定誤碼率要求下，可以根據(jù)表1中的RSN值作為閾值計算出第bk個子載波的調(diào)制方式，進(jìn)而求出所有的b，得到預(yù)分配的總比特數(shù)Bk[4]。

分配給子信道的實際比特數(shù)通過以下步驟實現(xiàn)[5－6]：

1）若Bk＞B，計算系統(tǒng)的總發(fā)送功率，如果et大于指標(biāo)限制的發(fā)送總功率，則求Δe（k）使達(dá)到最大值的k，并令bk（i）=bk（i－1），et=et－Δe（k），然后再判斷et是否超標(biāo)，如果超標(biāo)重復(fù)以上操作，如不超標(biāo)，則Bk=Bk－[bk（i）－bk（i－1）]。

2）若Bk＜B，則求使Δe（k+1）達(dá)到最小值的k，并令bk（i）=bk（i+1），Bk=Bk+[bk（i+1）－bk（i）]，然后判斷是否仍然Bk＜B，如果是則重復(fù)以上操作。

自適應(yīng)比特算法的特點是能夠利用已有的信道信息快速得到比特分配方案，缺點是如果信道估計不準(zhǔn)確會導(dǎo)致整個系統(tǒng)性能下降。例如：調(diào)制點數(shù)過高會引起誤碼率偏高，或者調(diào)制點數(shù)過低則會導(dǎo)致速率偏低。因此為了得到比特最優(yōu)化分配方案，精確的信道估計是很必要的也是最關(guān)鍵的。

4 試驗結(jié)果及討論

本文采用7 000 m模擬電纜作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行實驗仿真。OFDM系統(tǒng)子載波數(shù)N=64，每個子載波上都采用MQAM調(diào)制方式，子載波上在每個OFDM符號內(nèi)可傳輸?shù)谋忍財?shù)為{0，4，6，8}，即子載波在每個OFDM符號內(nèi)最大可傳輸比特數(shù)為Rmax=8 bit。子載波上可用的調(diào)制方式分別為無調(diào)制，16QAM，64QAM，256QAM。每個OFDM符號的最低總比特速率為B=256 bit。圖2、圖3為某一次信道仿真中比特分配的情況，其中rber=10－6。由圖2和圖3可知，在信道增益高的子載波的比特數(shù)較多，而增益低的子載波分配的比特數(shù)少，對于一些處于深衰落的子載波不分配比特。這一系列結(jié)果完全符合理論分析，由此可見該自適應(yīng)調(diào)制算法是行之有效的。

圖2各子載波的信道增益Fig.2Channel plus of each carrier wave

圖3自適應(yīng)比特分配Fig.3Adaptive bit allocation

圖4、圖5分別給出了自適應(yīng)調(diào)制算法和固定調(diào)制算法的誤碼率曲線，由圖4和圖5比較可得，在OFDM系統(tǒng)中使用自適應(yīng)比特分配算法能夠極大地改善誤碼率性能。與調(diào)制方法固定的OFDM系統(tǒng)相比，該算法在誤碼率10處能提供10 dB以上的信噪比改善，隨著誤碼率性能要求的提高，自適應(yīng)分配的信噪比優(yōu)勢更明顯。當(dāng)子信道平均比特數(shù)增加，在相同的誤碼率情況下，所需的平均比特信噪比升高。即相同信道條件和性能要求下，在增加系統(tǒng)傳輸速率時，自適應(yīng)比特分配算法可明顯減少系統(tǒng)總的傳輸功率。

圖4采用自適應(yīng)比特算法的誤碼率Fig.4BER with adaptive bit allocation algorithm

圖5采用等比特算法的誤碼率Fig.5BER with equal bit allocation algorithm

5 結(jié) 論

在利用7 000 m模擬電纜進(jìn)行實際傳輸時，系統(tǒng)速率能夠在525 k可靠傳輸，達(dá)到了遙測系統(tǒng)的設(shè)計要求。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)與自適應(yīng)OFDM調(diào)制解調(diào)相關(guān)的信道估計、自適應(yīng)動態(tài)資源分配等對于系統(tǒng)性能都有著很大的影響，因此要更加完善的系統(tǒng)，還應(yīng)對這兩方面做進(jìn)一步的研究，以使算法復(fù)雜度和系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

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