自適應(yīng)OFDM算法在礦井無線通信中的應(yīng)用研究

張 楠,高 磊

（1.山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同037003；2.西山晟聚煤業(yè)有限公司，山西呂梁033200）

OFDM的基本原理是將通信信道劃分為多個(gè)子載波信道，傳輸數(shù)據(jù)被分配到這些子信道上傳輸，在接收端再將這些被分割的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，這樣就可以保證無線數(shù)據(jù)在傳輸過程中能夠獲得較高的傳輸率[1]。由于OFDM技術(shù)在信道傳輸方面具有較好的抗時(shí)延擴(kuò)展的性能，從而得到了新時(shí)代寬帶通信系統(tǒng)的認(rèn)可，自適應(yīng)OFDM技術(shù)就是寬帶通信系統(tǒng)和最先進(jìn)的通信融合的表現(xiàn)[2]。自適應(yīng)OFDM技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在無線信道衰減比較嚴(yán)重時(shí)，可以有效提高數(shù)據(jù)信息通過率和信道頻譜利用率，以及降低誤碼率，這在高速數(shù)據(jù)通信的研究和應(yīng)用方面有十分重要的價(jià)值[3-4]。

1 自適應(yīng)OFDM技術(shù)的研究與仿真

傳統(tǒng)OFDM仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖1，假設(shè)通信信道最初發(fā)送的信息是正確的。本文主要研究的內(nèi)容就是如何將系統(tǒng)的調(diào)制方式和發(fā)射功率能夠自適應(yīng)的改變，通常情況下調(diào)制參數(shù)的設(shè)定一般都采用固定門限法[5]。

圖1 傳統(tǒng)OFDM仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文章所涉及的固定門限法主要在程序初始化過程中，提前確定采用不同調(diào)制方式下，調(diào)制參數(shù)所需的SNR門限。對子載波n，SNR(n)＜5時(shí)，發(fā)送機(jī)停止發(fā)送 ；5＜SNR(n)＜8時(shí)選擇BPSK，8＜SNR(n)＜12時(shí)選擇 QPSK，12＜SNR(n)＜18時(shí)選擇16QAM，依此類推，發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)制，建立在比特調(diào)制的基礎(chǔ)之上。每個(gè)子信道上獲得的功率受該子信道上獲得的比特?cái)?shù)和該子信道的SNR情況有關(guān)。

上述對礦井巷道內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸分析的結(jié)論如下:

（1）由于礦井巷道的多徑傳輸導(dǎo)致通信信道表現(xiàn)出頻率選擇性。

（2）相對于無線數(shù)據(jù)通信過程，一個(gè)時(shí)變參數(shù)對其影響是緩慢，并且可以找到變化規(guī)律。

（3）在巷道出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、分叉以及橫截面積發(fā)生變化等情況下，無線信號極有可能會在短距離傳輸時(shí)因信道衰減作用而發(fā)生波動(dòng)。

OFDM系統(tǒng)中的任意一個(gè)子信道的頻率響應(yīng)都是不相同的，而且是一個(gè)時(shí)變的系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)子載波的調(diào)制方式是固定的，單純依據(jù)衰減最快的子信道來選擇調(diào)制方式，這是一個(gè)很大的浪費(fèi)，使得其頻譜效率不夠高，基于此本文考慮在OFDM中引入自適應(yīng)比特?cái)?shù)和功率分配的概念。

圖2 自適應(yīng)OFDM與傳統(tǒng)OFDM的誤碼率曲線

由圖2誤碼率曲線可知，采用自適應(yīng)OFDM算法，無線信道傳輸數(shù)據(jù)所需的功率要小很多。參照圖中給定的調(diào)制方式的OFDM系統(tǒng)誤碼率曲線，傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)誤碼率明顯高于自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)。

由此可以得到結(jié)論，我們所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)OFDM算法可以極大地改善OFDM系統(tǒng)的性能和提高傳輸速率。

2 礦井無線信道模型的結(jié)構(gòu)

我們知道礦井通信系統(tǒng)具有顯著的特點(diǎn)，例如瓦斯、溫度、濕度等這些被監(jiān)測量變化較小，一個(gè)工作日內(nèi)僅需測幾個(gè)數(shù)值；話音信號的傳輸速率在幾十kbit/s左右；圖像信息的傳輸速率卻可高可達(dá)數(shù)百M(fèi)bit/s，所以為了提高礦井各種數(shù)據(jù)的傳輸速率，克服干擾，將自適應(yīng)OFDM技術(shù)應(yīng)用到礦井無線通信中來就顯得很有必要了。礦井無線通信的自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)，見圖3。

3 仿真及結(jié)果分析

由于本文建立的無線信道是基于時(shí)變系統(tǒng)的，而且多徑信道的時(shí)變沖激響應(yīng)有多種變化，所以我們要驗(yàn)證自適應(yīng)OFDM算法在時(shí)變信道上分配比特?cái)?shù)和功率的能力。

圖3 礦井無線通信的自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)框圖

由圖4可以看出:

（1）在頻域內(nèi)無論通信信道的增益如何改變，任意一個(gè)OFDM幀中所傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)維持不變。

（2）由于無線信道衰減的變化，信道增益較小的子載波獲得較少比特?cái)?shù)，而信道增益大的子載波獲得的比特?cái)?shù)卻較多。

（3）無線信道在傳輸相等的數(shù)據(jù)量時(shí)，各個(gè)子載波所需要的功率是不一樣的，信道增益大的子載波所

需功率較小，而增益較小的子載波卻需要較大的功率。

圖4 自適應(yīng)比特?cái)?shù)、功率示意圖

上述結(jié)論完全滿足礦井無線通信的需求，所以本文所設(shè)計(jì)的OFDM的自適應(yīng)算法在井下巷道無線通信中是可行的

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)相比，本文提出的OFDM的比特、功率自適應(yīng)算法既降低了系統(tǒng)的誤碼率又提高了信道頻率利用率。在模擬井下巷道數(shù)據(jù)傳輸仿真時(shí)，可以看出通過使用本算法，既可以在數(shù)據(jù)傳輸過程中提高抗干擾性能，也可以增大信道容量的利用率。