OFDM自適應算法在煤礦井下的應用研究

摘要：根據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，只能根據最惡劣的信道情況選擇適當的調制方式。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據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)信號傳輸的參數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的比特數，bn∈Z，bn≥O，n=1，2，…，N，N為子信道總數；B為在一個OFDM符號中一共可以傳輸的比特數；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。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。