井巷BD-TFS-OFCDM無線通信系統(tǒng)性能仿真

張曉光,李蕾蕾,高 芳,魯 坤,徐 釗

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院,江蘇徐州221008)

礦井巷道中的無線通信,對保障礦井安全生產(chǎn)和搶險救災具有十分重要的作用[1,2]。由于井巷通信環(huán)境復雜,密集多徑造成嚴重的頻率選擇性衰落,電機車等移動物體也會給無線信道帶來時間選擇性衰落,致使井巷中電磁波傳播衰耗嚴重,增加了井下可靠通信的難度,即便將地面上先進的無線通信技術應用到井下,原本在地面上能夠傳輸幾公里甚至幾十公里的無線收發(fā)信機,在井下也僅能傳輸幾十米至幾百米?？梢?研究適合井下的通信技術是有效建立礦井無線通信系統(tǒng)的關鍵。

為解決這一問題,國內(nèi)外很多學者對電磁波在礦井巷道中的傳播特性進行了深入的研究,并取得了一系列成果[1-3];也有很多學者根據(jù)電磁波在井巷中的傳播特性,有針對性地將地面上一些高新無線調(diào)制技術如：CDMA,OFDM及 OFDM-CDMA(OFCDM)應用到井巷中來,進行理論研究,文獻[4,5]分別指出“DS-CDMA和OFDM技術具有較好的抗多徑干擾及抗脈沖干擾能力”;文獻[6]指出“與CDMA和OFDM相比,OFCDM系統(tǒng)抵抗井下各種信號干擾的性能更強”,OFCDM系統(tǒng)被認為是未來寬帶無線通信系統(tǒng)的優(yōu)秀候選[7-10]。目前,傳統(tǒng)OFCDM方案主要有MC-DS-CDMA和MC-CDMA兩類,其能使用的最大用戶數(shù)只有K(正交擴頻碼長)個;所有用戶共用整個帶寬,來自于所有用戶的多址干擾(MAI,multiple access interference)會比較強;同時時域擴展的MC-DS-CDMA無法實現(xiàn)頻域分集,頻域擴展的MC-CDMA無法實現(xiàn)時域分集。文獻[7-8]基于傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng)方案提出二維(2D,2 Dimension)擴頻思想,擴展同時發(fā)生在時域和頻域;文獻[9]提出頻率交錯的2D擴頻方法,即通過分離攜帶相同信息的子載波從而獲得更大的頻率分集增益;文獻[10]將K個OFDM符號作為一個基本幀,將某個調(diào)制符號擴展為多個子段信息,再將各個子段信息分別分布到某個OFDM符號的某個子載波上,較文獻[7-9]更好地實現(xiàn)了單用戶上的2D擴頻。但上述文獻所述的2D擴頻均屬于OFCDM方案范疇,僅考慮了系統(tǒng)中子載波數(shù)目和擴頻序列長度相等的情況,而忽略了絕大多數(shù)實際系統(tǒng)中子載波數(shù)目均大于擴頻序列長度的情況;另外,它們均未實現(xiàn)嚴格的時頻2D擴展,在同時具有頻率和時間選擇性衰落的信道中應用會有局限性?；诖?針對煤礦井巷復雜的通信環(huán)境,筆者提出一種能實現(xiàn)嚴格時頻二維擴展的塊分集(BD,Block Diversity)OFCDM系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)方案

1.1 井巷BD-OFCDM系統(tǒng)

在實際系統(tǒng)中,一般可用子載波數(shù)目N大于擴頻序列長度K,即 N=KB,B為整數(shù),可以先將 N個子載波分成B個塊單元,每個塊的子載波個數(shù)為K,每個塊單元相當于傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng),因此每個塊單元能使用的最大用戶數(shù)也為K個,BD-OFCDM系統(tǒng)同時可用的最大用戶數(shù)為K?B,B為總塊數(shù),與傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng)相比,容量大了B倍。而且,傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng)所有用戶共用整個帶寬,MAI很強,而BD-OFCDM系統(tǒng)所有用戶不再共用整個帶寬,多址干擾只來自于塊單元內(nèi)部,因此多址干擾被明顯降低。同時,BD-OFCDM系統(tǒng)有利于用戶自適應選擇信道狀況好的子塊,可以提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。顯然,BD-OFCDM與傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng)相比,在頻率選擇性信道上可以獲得更好的頻率分集增益。考慮井巷空間受限,密集的多徑會造成嚴重的頻率選擇性衰落,因此BD-OFCDM系統(tǒng)較傳統(tǒng)OFCDM更適合井巷無線通信環(huán)境。

1.2 井巷TFS-OFCDM系統(tǒng)

下面以單個用戶為例討論適合于井巷無線通信環(huán)境的二維時頻擴展OFCDM(2D-TFS-OFCDM)系統(tǒng)方案,該方案基于MC-DS-CDMA時頻域分布,使同一調(diào)制符號的信息分布到各個OFDM符號的各個子載波上,其幀結構簡圖如圖1-a所示,幀結構分解圖如圖1-b所示。按照BD-OFCDM系統(tǒng),每個用戶被分配的子載波數(shù)目與擴頻序列長度應該相等,即將K個OFDM符號作為一個基本處理時間單元,每個用戶使用一組K×K的正交擴頻碼組。在圖1-a,1-b中,橫軸表示時間,即某一子載波上不同OFDM符號的序號,縱軸表示頻率,即同一時刻不同子載波的序號。

圖1 井巷TFS-OFCDM系統(tǒng)方案幀結構

假設某一用戶輸入的調(diào)制符號序列為{d1,d2,…,d k},根據(jù) MC-DS-CDMA時頻域分布,在第0個OFDM符號周期內(nèi)：調(diào)制符號d 1通過該用戶的1號正交Walsh-Hadmard序列擴展到幀結構圖中的第0個載波上,擴展得到的K個碼片共用第0個載波頻段,調(diào)制符號d 2通過該用戶的2號Walsh序列擴展到幀結構圖中的第1個載波上,擴展得到的K個碼片共用第1個載波頻段,…,調(diào)制符號dk通過該用戶的K號Walsh序列擴展到幀結構圖中的第(K-1)個載波上,擴展得到的K個碼片共用第(K-1)個載波頻段;同理,在第1個OFDM 符號周期內(nèi)：調(diào)制符號d1通過該用戶的1號Walsh序列擴展到幀結構圖中的第1個載波上,擴展得到的K個碼片共用第1個載波頻段,…,調(diào)制符號dk通過該用戶的K 號Walsh序列擴展到幀結構圖中的第0個載波上,擴展得到的K個碼片共用第 0個載波頻段;一直到在第(K-1)個OFDM符號周期內(nèi)：調(diào)制符號 d1通過該用戶的K號Walsh序列擴展到幀結構圖中的第(K-2)個載波上,擴展得到的K個碼片共用第(K-1)個載波頻段,…,調(diào)制符號d k通過該用戶的K號Walsh序列擴展到幀結構圖中的第(K-2)個載波上,擴展得到的K個碼片共用第(K-2)個載波頻段。至此,共K個OFDM符號周期,完成圖1所示的嚴格的2D時頻擴展。可見,每個用戶使用一組擴頻長度為K的正交擴頻序列碼組。對于其它用戶而言,擴頻方法相同,只是需要使用這組正交擴頻碼組的其它排列組合。這樣,嚴格地實現(xiàn)了時頻2D擴展,對抗同時具有頻率和時間選擇性衰落信道的能力更強,更利于井巷復雜信道環(huán)境。

2 系統(tǒng)模型

2.1 井巷BD-TFS-OFCDM發(fā)射系統(tǒng)

圖2所示為井巷BD-TFS-OFCDM發(fā)射系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)中,整個帶寬被分成B個子塊,其中每個子塊的序號為b,b=(0,1,…,Nb-1),Nb=B.同時每個子塊有K個子載波,即Nb=N c/K,N c是整個帶寬被劃分的子載波個數(shù),每個用戶依次被分配給第b個子塊,每個用戶使用的正交擴頻碼長度為K,因此被每個用戶使用的子載波數(shù)為K個。

圖2 井巷BD-TFS-OFCDM發(fā)射系統(tǒng)框圖

首先,每個用戶數(shù)據(jù)進行數(shù)字調(diào)制,已調(diào)數(shù)據(jù)符號通過塊選擇器分配給每一塊,規(guī)則為：假設系統(tǒng)中總塊數(shù)為3,并且系統(tǒng)需要容納第4個用戶的數(shù)據(jù),此時,前3個用戶數(shù)據(jù)分別被分配給第1子塊、第2子塊、第3子塊;第4個用戶數(shù)據(jù)將被分配給第1子塊,通過選擇由第一組正交Walsh-Hadmard擴頻碼矩陣W1循環(huán)移位一次得到的第二組擴頻碼W2,而與第1個用戶數(shù)據(jù)共同復用第1子塊。因為每個子塊包括K個用戶,因此,每個子塊的最大用戶數(shù)是K,系統(tǒng)能達到的最大用戶數(shù)是KB。然后已調(diào)數(shù)據(jù)通過一個K×K維的正交擴頻碼組矩陣Wk=(u表示第幾個用戶,表示對 u除以總塊數(shù)得到的商向上取整),用戶1到用戶B重復使用同一個K×K維的正交擴頻碼組矩陣W1,用戶B+1到用戶2B重復使用同一個K×K維的正交擴頻碼組矩陣W2,直到用戶(K-1)B+1到用戶KB重復使用同一個K×K維的正交擴頻碼組矩陣W k,其中W k表示為然后按照圖1所示幀結構規(guī)則進行嚴格2D擴展,其中1)表示第幾個子載波塊,N u=KB,u=(0,1,…,N u-1)表示第幾個用戶;k=0,1,…,K-1,上角標k表示擴頻碼組的第幾號擴頻序列,下角標k表示一個擴頻序列的第幾個擴頻碼片。

最后進行IFFT變換生成一個正交多載波信號,同時為了避免多徑衰落信道引起的ISI、ICI在系統(tǒng)中插入循環(huán)前綴,作為保護間隔。發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送出的信號數(shù)學描述如下：

式中,T s,T g分別為符號周期,保護間隔;Δf表示子載波頻率間隔;P s(t)為脈沖成形函數(shù),定義為：

2.2 井巷BD-TFS-OFCDM接收系統(tǒng)

圖3所示為井巷BD-TFS-OFCDM接收系統(tǒng)框圖。發(fā)送信號s(t)經(jīng)過井巷無線信道,接收系統(tǒng)通過接收天線接收的到的信號r(t)表示為：

圖3 井巷BD-TFS-OFCDM接收系統(tǒng)框圖

接收信號r(t)首先去除保護間隔,進行FFT變換,然后進行2D解擴,數(shù)字信號解調(diào),最后各個用戶輸出相應的數(shù)據(jù)符號。其中的2D解擴思路為：利用擴頻碼重用函數(shù)尋找每個用戶的解擴碼矩陣,即用戶(k-1)B+1到用戶kB重復使用同一個K×K維的正交擴頻碼組矩陣W k,其中1≤k≤K;根據(jù)2D-TFS擴展原理,對于每個用戶的某個幀結構,每一個子載波都攜帶了一幀中的所有數(shù)據(jù),即每個子載波都需用整個擴頻碼組矩陣W k來解擴,從而得到K個不同的數(shù)據(jù)符號,每幀共有K個子載波,因此每個數(shù)據(jù)符號被解擴輸出K次。但由于每個子載波所在的信道呈現(xiàn)不同的頻率選擇性衰落,致使只有一個解擴輸出更接近于發(fā)送數(shù)據(jù),該方案中,通過比較接收端星座圖中K個數(shù)據(jù)映射信號的坐標位置,找到一個經(jīng)歷相對平坦信道的最優(yōu)輸出,這樣能夠提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?此即為圖3所示的最優(yōu)數(shù)據(jù)選擇模塊。

3 性能分析

3.1 仿真參數(shù)

井巷無線通信中,密集多徑會造成嚴重的頻率選擇性衰落,電機車等物體的移動會帶來時間選擇性衰落,致使井巷中電磁波傳播衰耗嚴重。筆者利用具有3個多徑分組(3個組內(nèi)的多徑條數(shù)分別設為(1,6,6)),最大時延為100 ns[11],最大多普勒頻移為18 Hz[12]的信道環(huán)境來模擬井巷無線通信環(huán)境,運用Matlab仿真,對本文提出的BD-TFS-OFDMA系統(tǒng)進行性能評估。

3.2 仿真結果分析

圖4為單用戶情況 MC-CDMA、MC-DS-CDMA、ZK TFS-OFCDM[10]及本文推薦的 TFS-OFCDM四種系統(tǒng)在AWGN信道上的誤碼率曲線;圖5為單用戶情況時這四種系統(tǒng)在井巷衰落信道上的誤碼率曲線。

由圖4和圖5可以看出：

圖4 AWGN信道四種系統(tǒng)性能比較

圖5 井巷衰落信道四種系統(tǒng)性能比較

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

1)無論是AWGN信道,還是具有多徑和多普勒干擾的井巷信道,筆者提出的TFS-OFCDM系統(tǒng)性能均強于其他三種;

2)在AWGN信道上,MC-CDMA,MC-DSCDMA,ZK TFS-OFCDM表現(xiàn)出了相似的性能,本文方案在此仿真參數(shù)設置中相當于重傳了4次后擇優(yōu)解調(diào),因此誤碼率較低,但代價是數(shù)據(jù)率較前3種系統(tǒng)下降了4倍;

3)在具有多徑和多普勒干擾的井巷信道上,ZK TFS-OFCDM系統(tǒng)優(yōu)于MC-CDMA和MC-DSCDMA系統(tǒng),因為具有時域、頻域分集作用,而MCCDMA只有頻域分集作用,MC-DS-CDMA只有時域分集作用,本文方案最優(yōu),原因是與ZK方案相比實現(xiàn)了嚴格意義上的時域頻域分集,但代價是數(shù)據(jù)率下降。考慮實際井巷無線通信環(huán)境,在信息率和信息傳輸?shù)目煽啃圆荒懿⒅貢r更傾向于可靠傳輸,因此本文推薦方案更優(yōu)。

圖6為 ZK TFS-OFCDM 、本文 TFS-OFCDM與BD-TFS-OFCDM系統(tǒng)誤碼率曲線比較。由圖可以看出：

圖6 ZK TFS與本文TFS、BD-TFS OFCDM系統(tǒng)性能比較

1)對于三種方案中的每一種來說,都是用戶數(shù)越多,誤碼率性能越壞,這主要是由多址干擾造成的;

2)相同用戶數(shù)時,本文TFS-OFCDM 誤碼率性能優(yōu)于ZK TFS-OFCDM,這是因為ZK TFS-OFCDM系統(tǒng)只是將調(diào)制符號在時域和頻域擴展為多個子段信息,而不像本文TFS-OFCDM系統(tǒng)將調(diào)制符號在時域頻域嚴格分集,但本文 TFS-OFCDM系統(tǒng)付出的代價是數(shù)據(jù)率較低;

3)在相同用戶數(shù)時,BD-TFS-OFCDM系統(tǒng)誤碼率效果優(yōu)于本文TFS-OFCDM和ZK TFS-OFCDM,原因是本文 TFS-OFCDM 和ZK TFS-OFCDM系統(tǒng)均是所有用戶共用整個帶寬,多址干擾很強,而BD-TFS-OFCDM系統(tǒng)所有用戶不再共用整個帶寬,多址干擾只來自于塊單元內(nèi)部,因此多址干擾被明顯降低;

4)用戶數(shù)相同時,BD-TFS-OFCDM所用擴頻碼數(shù)是本文TFS-OFCDM和ZK TFS-OFCDM方案的1/B,說明在擴頻碼長度相同的情況下,BDTFS-OFCDM系統(tǒng)用戶容量最大。

4 結束語

為了改善由密集多徑和多普勒效應導致的井巷可靠通信困難的問題,本文在ZK TFS-OFCDM[10]基礎上提出一種新的TFS-OFCDM方案。當信道中子載波數(shù)目大于正交擴頻序列長度時,本文的TFS-OFCDM發(fā)展為BD-TFS-OFCDM方案,仿真結果表明：相同條件下,本文TFS-OFCDM誤碼率性能優(yōu)于ZK TFS-OFCDM;用戶數(shù)相同時,BD-TFS-OFCDM 性能最好,抗多址干擾能力最強;擴頻碼長度相同的情況下,BD-TFS-OFCDM系統(tǒng)用戶容量最大,但與ZK TFS-OFCDM相比,數(shù)據(jù)率有所下降。

[1] 鄭紅黨.煤礦井巷電波傳播特性和MIMO信道建模關鍵技術研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學,2010.

[2] 張申.帳篷定律與隧道無線數(shù)字通信信道建模[J].通信學報,2002,23(11)：41-50.

[3] 孫繼平,李繼生,雷淑英.煤礦井下無線通信傳輸信號最佳頻率選擇[J].遼寧工程技術大學學報,2005,24(3)：378-380.

[4] 張會清,于洪珍,李佳寧.CDMA技術在井下移動通信中應用的研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2001,30(5)：499-502.

[5] 張靖,姚善化.基于OFDM技術的礦井通信抗多徑衰落方案研究[J].煤炭工程,2009,12：22-24.

[6] 楊維,牛麗.MC-DS-CDMA調(diào)制通信的礦井巷道信道仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學報,2009：4524-4527.

[7] Sumasu A,Nihei T,Kitagawa K,et al.An OFDM-CDM A system using combination of time and frequency domain sp reading[J].Tech Rep IEICE,RCS2000-3,2000.

[8] Persson A,Ottosson T,Strom E.Time-frequency localized CDM A for downlink multi-carrier systems[C]∥IEEE ISSSTA,2002,118-122.

[9] Maeda N,Atarashi H,Sawahashi M.Performance omparison of channel interleaving methodsin frequency domain for VSFOFCDM broadband wireless access in forward link[J].IEICE Trans Commun,2003：300-313.

[10] 鄭侃,曾國燕,王文博.基于時頻聯(lián)合擴頻的OFDM-CDMA性能分析[J].北京郵電大學學報,2004,12：102-106.

[11] 張曉光,朱麗萍,于浩,等.煤礦井巷多徑電波接收信號特性分析[J].太原理工大學學報,2011,41(2)：178-183.

[12] 張申.煤礦井下綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)網(wǎng)絡結構及其無線接入關鍵技術的研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學,2001.