正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)優(yōu)化在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

王維

（四川師范大學(xué) 信息中心 四川 成都 610000）

正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)優(yōu)化在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

王維

（四川師范大學(xué) 信息中心 四川 成都 610000）

針對多模光纖高頻區(qū)深衰落點對正交頻分復(fù)用系統(tǒng)性能的影響，采用光信噪比門限的分配算法的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過算法與調(diào)制過程的實驗結(jié)果，得出：設(shè)計的算法有效地實現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)制選擇，在信道特性較好時使用高階調(diào)制多傳信息，在出現(xiàn)的信道特性較差時降低調(diào)制階數(shù)少傳甚至不傳信息，減少了系統(tǒng)誤碼率。對比實驗表明：在相同誤碼率條件下，與不使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)相比改進(jìn)系統(tǒng)光信噪比要低2 dB左右；改進(jìn)系統(tǒng)傳輸性能更好，實現(xiàn)更為簡單。將算法系統(tǒng)應(yīng)用到火災(zāi)報警當(dāng)中，得出：多模光纖傳輸能夠有效的檢測能量損失及損耗點的大體位置，能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)火情的傳輸。這一研究對于我國無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有一定的實際意義。

無線網(wǎng)絡(luò)；多模光纖；結(jié)構(gòu)工程；多模光纖；深衰落點

正交頻分復(fù)用 （OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）思想可以追溯到上世紀(jì)60年代，當(dāng)時人們對多載波調(diào)制和解調(diào)做了很多理論上的探究，論證了在存在符號間干擾信道上采用多載波調(diào)制和解調(diào)可優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸性能[1-2]；1970年1月，有關(guān)OFDM的專利首次發(fā)表；進(jìn)入上世紀(jì)90年代，伴隨著DSP處理技術(shù)以及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM技術(shù)在高速傳輸領(lǐng)域受到了各國人員的廣泛關(guān)注。如今OFDM已經(jīng)在歐洲數(shù)字音視頻廣播 （如DAB和DVB）、北美的高速無線局域網(wǎng)系統(tǒng) （如HIPERLAN2、IEEE 802.11a）、高比特率數(shù)字用戶線（如ADSL、VDSL）和電力線載波通信（PLC）中得到了很好的應(yīng)用[3-4]。進(jìn)入了21世紀(jì)以后的最近6、7年[5-7]，OFDM技術(shù)與相干光檢測技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)中不斷發(fā)揮著重要的重要，我國比較典型的有浙大、武漢光電以及電子科技大學(xué)團(tuán)隊對相關(guān)進(jìn)行進(jìn)行了深入研究[8-11]。伴隨著CO-OFDM技術(shù)在MMF（多模光纖，Multi-Mode Fiber）無線系統(tǒng)的不斷發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)存在以下問題：CO-OFDM技術(shù)并不能克服多模光纖高頻區(qū)存在的深衰落點對系統(tǒng)性能的影響[12-15]。且當(dāng)子載波處在深衰落點區(qū)域情況下，其信道的傳輸誤碼率不斷提高。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)（AM）是當(dāng)前提高深衰落信道傳輸性能的應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要是通過對系統(tǒng)中的傳輸信道里面的各子信道的所有考慮因素進(jìn)行綜合分析，自適應(yīng)的優(yōu)化改變各子載波的調(diào)制方式、發(fā)射功率、和傳輸比特數(shù)等性能，這樣可以導(dǎo)致使得信道的頻譜利用率不斷更高，且同時提高信道傳輸容量?；谏鲜霰尘埃瑸榱私鉀QMMF系統(tǒng)出現(xiàn)的高頻區(qū)深衰落點對性能參數(shù)的影響，課題組基于對自適應(yīng)算法的深入研究，在前人的基礎(chǔ)上，依據(jù)COOFDM多模光纖通信系統(tǒng)的性能參數(shù)要求，設(shè)計了一種優(yōu)化的自適應(yīng)調(diào)制算法，新算法能夠有效的改進(jìn)和增強系統(tǒng)性能，實現(xiàn)MMF高頻區(qū)的深衰落點對系統(tǒng)性能的影響降低到最少。

1 優(yōu)化的自適應(yīng)的OFDM的系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

圖1 自適應(yīng)調(diào)制的OFDM系統(tǒng)的基本原理

圖1 為本文設(shè)計的自適應(yīng)調(diào)制OFDM系統(tǒng)框圖，這里的發(fā)送端需要率先獲取各個子載波的信道狀態(tài)信息，通過接收端來做進(jìn)行信道估計，并通過反饋信道的來通知系統(tǒng)的發(fā)送端，或者在時分多址TDD方式下，依據(jù)信道互易特性認(rèn)定發(fā)送信道與接收信道的特性是完全一致。而后發(fā)送端依據(jù)一定相應(yīng)算法來確定各個子載波分配的比特數(shù)以及功率分配（即調(diào)制方式），進(jìn)而將數(shù)據(jù)比特進(jìn)行相應(yīng)星座點映射，同時也把功率分配加載到子載波上，隨后再進(jìn)行IFFT變換，并串變換（P/S）和添加循環(huán)前綴（CP）。其次各子載波調(diào)制方式作為信令信息也將同時發(fā)送，接收端需要先進(jìn)行OFDM解調(diào)，即去掉CP，串并變換（S/P）和FFT。最后依據(jù)信息對子載波實現(xiàn)解調(diào)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息反饋回反饋端口。

1.2 自適應(yīng)算法設(shè)計

1.2.1 優(yōu)化的調(diào)制技術(shù)

依據(jù)MMF系統(tǒng)的性能特性，需要設(shè)計實現(xiàn)一定頻率以及信息速率下的誤差率盡可能的降到最低，并且實現(xiàn)自適應(yīng)算法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)足夠簡單的基于光信噪比 Optical Signal Noise Ratio，OSNR）門限的分配算法的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在CO-OFDM多模光纖通信系統(tǒng)采用的是MQAM星座圖，由圖中可以發(fā)現(xiàn)高階調(diào)制情況下抗噪聲能力明顯較弱，各比特數(shù)據(jù)之間的最短距離明顯較小，而在低階的調(diào)制情況則相反。從中我們可以發(fā)現(xiàn)，可以通過在OSNR較大的條件下進(jìn)行提高調(diào)制階數(shù) （常見的如16QAM，64QAM）。而在OSNR較小的條件下進(jìn)行降低調(diào)制階數(shù)（常見的如BPSK，4QAM）實現(xiàn)盡可能少的信息傳輸，降低誤碼率，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

圖2 MQAM星座圖

1.2.2 調(diào)制過程

在一個基于子帶自適應(yīng)調(diào)制的CO-OFDM系統(tǒng)中，已知一個OFDM符號中的子載波數(shù)為N，共分成k個子帶，子帶寬寬度為N/k。此時對于第i個子帶，通過OSNR門限分配算法得到確定調(diào)制級別mi（即第i個子帶中每個子載波上的比特數(shù)）。這樣系統(tǒng)可以對給定的帶寬效率E（每個子載波上的凈比特數(shù)），碼率r，滿足下列等式進(jìn)行計算：

因為各子信道之間的OSNR存在相關(guān)性，所以只要子帶寬度小于信道的相干帶寬，基于子帶的自適應(yīng)調(diào)制就不會比基于子載波的自適應(yīng)調(diào)制有太大的性能損失。本文采用的調(diào)制方式如表1所示，可以通過以下表達(dá)式：

本文研究的AM-CO-OFDM系統(tǒng)共有4種備選的調(diào)制方式，分別為不傳輸、4QAM、16QAM和64QAM，分別對應(yīng)的調(diào)制級別mi為0、2、4和6。

表1 采用不同調(diào)制方式的OSNR門限

這里設(shè)計的基于OSNR門限分配算法的子帶自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，具體可以分為如下幾個步驟。

2 自適應(yīng)調(diào)制的實驗驗證

2.1 實驗系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的實驗系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 測試系統(tǒng)的特性結(jié)果

在上述系統(tǒng)的仿真流程中，采用10 GS/s的模擬發(fā)生信號，激光為0.12 MHz，光功率采用-3.3 dBm，傳輸流程的距離為200公里，采用自適應(yīng)調(diào)制的子帶波數(shù)定為3，每個子載波通過OSNRmin實現(xiàn)自動調(diào)制，調(diào)制方式來源于以下自集合

仿真結(jié)果如圖4、5所示。其中圖4為系統(tǒng)兩偏振模信道在多模光纖中傳輸200公里以后接收端檢測到的信號頻譜。從中可以發(fā)現(xiàn)，信道出現(xiàn)了明顯的失真情況，這是由于多模光纖的模間色散引起，多模光纖信道在高頻區(qū)出現(xiàn)了很多深衰落點，這是系統(tǒng)頻率選擇性的多徑衰落信道，信號在深衰落頻率附近的信道中傳輸會有嚴(yán)重相位和幅度失真。為了最大優(yōu)化系統(tǒng)的頻譜資源，根據(jù)OSNR門限分配算法的通信原則，需要盡可能減少處在深衰落區(qū)的子信道上的傳輸比特數(shù)，優(yōu)化算法改進(jìn)的結(jié)果如圖5所示。我們可以看出，自適應(yīng)算法有效地實現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)制選擇，能夠根據(jù)子載波信道特性合理選擇調(diào)制方式，在信道特性較好時使用高階調(diào)制多傳信息，在信道特性較差時降低調(diào)制階數(shù)少傳甚至不傳信息，減少系統(tǒng)誤碼率。

{不傳輸，4QAM，16QAM，64QAM}。

圖3 實驗系統(tǒng)框圖

圖4 系統(tǒng)不采用算法接收端接收到的OFDM信號頻譜圖

圖5 系統(tǒng)算法優(yōu)化后的各子載波比特數(shù)分配結(jié)果

2.3 系統(tǒng)對比優(yōu)勢

圖6給出了21.4 Gb/s CO-OFDM多模光纖通信系統(tǒng)傳輸200 km后的OSNR與BER得關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在滿足的系統(tǒng)誤碼率條件下，系統(tǒng)不使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)時比使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)時多了超過2 dB的OSNR代價。無論是使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)還是不使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，經(jīng)過200 km多模光纖傳輸，兩偏振信道的性能幾乎相同。從以上結(jié)果可以看出，本文的優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)傳輸性能的提高，且算法的實現(xiàn)過程明顯方便、簡單具有一定應(yīng)用前景。

圖6 改進(jìn)系統(tǒng)的OSNR與BER得關(guān)系曲線

3 火災(zāi)報警應(yīng)用

圖7為為火災(zāi)報警應(yīng)用下的光譜視圖，主要是利用檢測能量損失及損耗點的大體位置通過設(shè)計算法的多模光纖傳輸來判定其工作狀態(tài)的，進(jìn)而通過檢測溫度的變化進(jìn)而來探測火災(zāi)的情況。利用圖7軟件運行可以較快的實現(xiàn)自動檢測裝置或是人工手動報警，負(fù)責(zé)發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域的控制器會接受報警信號進(jìn)行綜合調(diào)配，時刻監(jiān)測火情，發(fā)出連續(xù)的報警訊息。從實際實驗效果來看能夠較好、準(zhǔn)確實現(xiàn)火情的傳輸。

圖7 道監(jiān)控的分區(qū)長度180米

4 結(jié)論

CO-OFDM技術(shù)是近幾年來的熱點研究方向，他優(yōu)化了相干以及正交波分復(fù)用的優(yōu)勢，且還能實現(xiàn)技術(shù)的互補。文中針對多模光纖高頻區(qū)深衰落點對正交頻分復(fù)用系統(tǒng)性能的影響，采用光信噪比門限的分配算法的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在相同誤碼率條件下，與不使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)相比改進(jìn)系統(tǒng)光信噪比要低2 dB左右；改進(jìn)系統(tǒng)傳輸性能更好，實現(xiàn)更為簡單。這一研究對于我國無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有一定的實際意義。

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Adaptive modulation technology of orthogonal frequency division multiplexing system optimization in the application of the wireless network

WANG Wei
（Sichuan Normal University Information Center，Chengdu 610000，China）

In view of the multimode optical fiber high frequency area deep decline point for orthogonal frequency division multiplexing （CO-OFDM system performance and the effect of using the distribution of the optical signal to noise ratio threshold algorithm of adaptive modulation technology was improved，through the experimental results of the algorithm and the modulation process，it is concluded that:the design of the algorithm effectively realizes the adaptive modulation to choose，when the channel characteristic is better to use higher-order modulation transmission more information，when the channel characteristic is poorer lower modulation order preach not even less information，reduce the system ber.Comparative experiments show that under the condition of the same bit error rate，compared with the system without the use of adaptive modulation technique to improve system light about 2 db lower signal-to-noise ratio；To improve the system transmission performance better，achieve more simple.The algorithm is applied to the fire alarm system，it is concluded that:multimode optical fiber transmission can effectively detect the general positioning of the energy loss and loss，can achieve accurate transmission of the fire.The study of practical significance for structural engineering safety.

wireless network；multimode fiber；structural engineering；multimode fiber；deep decline point

TN011

A

1674－6236（2016）15-0174-04

2015-11-23 稿件編號：201511211

王 維 （1981—），男，四川遂寧人，碩士，工程師。研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程。