OFDM自適應算法在煤礦井下的應用研究

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

O 引 言
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple―xing)是一種高效的多載波復用技術，具有很強的抗頻率選擇性衰落的能力。
傳統(tǒng)的OFDM調制方式，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?shù)恼{制方式。但是信道情況最差的時段在整個傳輸時段內是非常短的，這就造成了極大的浪費。因此，自適應OFDM應運而生。自適應OFDM基本原理是：改變調制方式，在理想信道條件下用較高階的調制方式，而在不太理想的信道條件下則用較低階的調制方式，使傳輸能力與信道條件相適應，來保證通信的可靠性和有效性。
這里介紹了煤礦井下無線信道特性，建立相應的模型，詳細闡述了一種自適應OFDM比特與功率分配算法，最后結合信道模型對算法進行了仿真，并對固定調試方式的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)流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使子載波的符號速率大幅度降低，符號持續(xù)時間大大加長，因而對時延擴展有較強的抵抗力。自適應OFDM系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)先估計出所有子信道的狀況，然后自適應算法據(jù)此計算出各個子信道應分配的比特與功率，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制信號，送入IFFT模塊轉換成已調信號。同樣，接收端也需要根據(jù)相應的子信道比特與功率分配信息對信號進行解調，獲得輸出比特流。

2 自適應比特與功率分配算法
2．1 問題描述
OFDM系統(tǒng)把信道劃分為若干個子信道，每個子信道都相當窄，衰落起伏不大，可以認為在整個子信道內都處于平坦衰落。當不考慮信道干擾時，平坦衰落信道的信噪比可以表達為：

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之間的關系為：г=一ln(5BERtarget)／1．5。
bn，en分別表示分配在第n個子載波上的比特數(shù)和功率，bn與en的關系如下：

當高斯白噪聲均值為O，方差為σ2=1時，式(2)、式(3)結合式(1)，可得bn，en與SNR(n)的關系如下：

2．2 優(yōu)化準則
OFDM自適應基本思想就是自適應調節(jié)信號傳輸?shù)膮?shù)來充分利用當前信道環(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個子信道上所需傳輸?shù)谋忍財?shù)，bn∈Z，bn≥O，n=1，2，…，N，N為子信道總數(shù)；B為在一個OFDM符號中一共可以傳輸?shù)谋忍財?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OFDM符號中，由于每個子載波的時間長度都一樣，不同子載波間功率的比較與能量的比較是一致的，因此后面的論述對此不再區(qū)分。