井巷BD-TFS-OFCDM无线通信系统性能仿真

张晓光,李蕾蕾,高 芳,鲁 坤,徐 钊

(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221008)

矿井巷道中的无线通信,对保障矿井安全生产和抢险救灾具有十分重要的作用[1,2]。由于井巷通信环境复杂,密集多径造成严重的频率选择性衰落,电机车等移动物体也会给无线信道带来时间选择性衰落,致使井巷中电磁波传播衰耗严重,增加了井下可靠通信的难度,即便将地面上先进的无线通信技术应用到井下,原本在地面上能够传输几公里甚至几十公里的无线收发信机,在井下也仅能传输几十米至几百米。可见,研究适合井下的通信技术是有效建立矿井无线通信系统的关键。

为解决这一问题,国内外很多学者对电磁波在矿井巷道中的传播特性进行了深入的研究,并取得了一系列成果[1-3];也有很多学者根据电磁波在井巷中的传播特性,有针对性地将地面上一些高新无线调制技术如：CDMA,OFDM及 OFDM-CDMA(OFCDM)应用到井巷中来,进行理论研究,文献[4,5]分别指出“DS-CDMA和OFDM技术具有较好的抗多径干扰及抗脉冲干扰能力”;文献[6]指出“与CDMA和OFDM相比,OFCDM系统抵抗井下各种信号干扰的性能更强”,OFCDM系统被认为是未来宽带无线通信系统的优秀候选[7-10]。目前,传统OFCDM方案主要有MC-DS-CDMA和MC-CDMA两类,其能使用的最大用户数只有K(正交扩频码长)个;所有用户共用整个带宽,来自于所有用户的多址干扰(MAI,multiple access interference)会比较强;同时时域扩展的MC-DS-CDMA无法实现频域分集,频域扩展的MC-CDMA无法实现时域分集。文献[7-8]基于传统OFCDM系统方案提出二维(2D,2 Dimension)扩频思想,扩展同时发生在时域和频域;文献[9]提出频率交错的2D扩频方法,即通过分离携带相同信息的子载波从而获得更大的频率分集增益;文献[10]将K个OFDM符号作为一个基本帧,将某个调制符号扩展为多个子段信息,再将各个子段信息分别分布到某个OFDM符号的某个子载波上,较文献[7-9]更好地实现了单用户上的2D扩频。但上述文献所述的2D扩频均属于OFCDM方案范畴,仅考虑了系统中子载波数目和扩频序列长度相等的情况,而忽略了绝大多数实际系统中子载波数目均大于扩频序列长度的情况;另外,它们均未实现严格的时频2D扩展,在同时具有频率和时间选择性衰落的信道中应用会有局限性。基于此,针对煤矿井巷复杂的通信环境,笔者提出一种能实现严格时频二维扩展的块分集(BD,Block Diversity)OFCDM系统方案。

1 系统方案

1.1 井巷BD-OFCDM系统

在实际系统中,一般可用子载波数目N大于扩频序列长度K,即 N=KB,B为整数,可以先将 N个子载波分成B个块单元,每个块的子载波个数为K,每个块单元相当于传统OFCDM系统,因此每个块单元能使用的最大用户数也为K个,BD-OFCDM系统同时可用的最大用户数为K⋅B,B为总块数,与传统OFCDM系统相比,容量大了B倍。而且,传统OFCDM系统所有用户共用整个带宽,MAI很强,而BD-OFCDM系统所有用户不再共用整个带宽,多址干扰只来自于块单元内部,因此多址干扰被明显降低。同时,BD-OFCDM系统有利于用户自适应选择信道状况好的子块,可以提高系统传输的可靠性。显然,BD-OFCDM与传统OFCDM系统相比,在频率选择性信道上可以获得更好的频率分集增益。考虑井巷空间受限,密集的多径会造成严重的频率选择性衰落,因此BD-OFCDM系统较传统OFCDM更适合井巷无线通信环境。

1.2 井巷TFS-OFCDM系统

下面以单个用户为例讨论适合于井巷无线通信环境的二维时频扩展OFCDM(2D-TFS-OFCDM)系统方案,该方案基于MC-DS-CDMA时频域分布,使同一调制符号的信息分布到各个OFDM符号的各个子载波上,其帧结构简图如图1-a所示,帧结构分解图如图1-b所示。按照BD-OFCDM系统,每个用户被分配的子载波数目与扩频序列长度应该相等,即将K个OFDM符号作为一个基本处理时间单元,每个用户使用一组K×K的正交扩频码组。在图1-a,1-b中,横轴表示时间,即某一子载波上不同OFDM符号的序号,纵轴表示频率,即同一时刻不同子载波的序号。

图1 井巷TFS-OFCDM系统方案帧结构

假设某一用户输入的调制符号序列为{d1,d2,…,d k},根据 MC-DS-CDMA时频域分布,在第0个OFDM符号周期内：调制符号d 1通过该用户的1号正交Walsh-Hadmard序列扩展到帧结构图中的第0个载波上,扩展得到的K个码片共用第0个载波频段,调制符号d 2通过该用户的2号Walsh序列扩展到帧结构图中的第1个载波上,扩展得到的K个码片共用第1个载波频段,…,调制符号dk通过该用户的K号Walsh序列扩展到帧结构图中的第(K-1)个载波上,扩展得到的K个码片共用第(K-1)个载波频段;同理,在第1个OFDM 符号周期内：调制符号d1通过该用户的1号Walsh序列扩展到帧结构图中的第1个载波上,扩展得到的K个码片共用第1个载波频段,…,调制符号dk通过该用户的K 号Walsh序列扩展到帧结构图中的第0个载波上,扩展得到的K个码片共用第 0个载波频段;一直到在第(K-1)个OFDM符号周期内：调制符号 d1通过该用户的K号Walsh序列扩展到帧结构图中的第(K-2)个载波上,扩展得到的K个码片共用第(K-1)个载波频段,…,调制符号d k通过该用户的K号Walsh序列扩展到帧结构图中的第(K-2)个载波上,扩展得到的K个码片共用第(K-2)个载波频段。至此,共K个OFDM符号周期,完成图1所示的严格的2D时频扩展。可见,每个用户使用一组扩频长度为K的正交扩频序列码组。对于其它用户而言,扩频方法相同,只是需要使用这组正交扩频码组的其它排列组合。这样,严格地实现了时频2D扩展,对抗同时具有频率和时间选择性衰落信道的能力更强,更利于井巷复杂信道环境。

2 系统模型

2.1 井巷BD-TFS-OFCDM发射系统

图2所示为井巷BD-TFS-OFCDM发射系统框图。系统中,整个带宽被分成B个子块,其中每个子块的序号为b,b=(0,1,…,Nb-1),Nb=B.同时每个子块有K个子载波,即Nb=N c/K,N c是整个带宽被划分的子载波个数,每个用户依次被分配给第b个子块,每个用户使用的正交扩频码长度为K,因此被每个用户使用的子载波数为K个。

图2 井巷BD-TFS-OFCDM发射系统框图

首先,每个用户数据进行数字调制,已调数据符号通过块选择器分配给每一块,规则为：假设系统中总块数为3,并且系统需要容纳第4个用户的数据,此时,前3个用户数据分别被分配给第1子块、第2子块、第3子块;第4个用户数据将被分配给第1子块,通过选择由第一组正交Walsh-Hadmard扩频码矩阵W1循环移位一次得到的第二组扩频码W2,而与第1个用户数据共同复用第1子块。因为每个子块包括K个用户,因此,每个子块的最大用户数是K,系统能达到的最大用户数是KB。然后已调数据通过一个K×K维的正交扩频码组矩阵Wk=(u表示第几个用户,表示对 u除以总块数得到的商向上取整),用户1到用户B重复使用同一个K×K维的正交扩频码组矩阵W1,用户B+1到用户2B重复使用同一个K×K维的正交扩频码组矩阵W2,直到用户(K-1)B+1到用户KB重复使用同一个K×K维的正交扩频码组矩阵W k,其中W k表示为然后按照图1所示帧结构规则进行严格2D扩展,其中1)表示第几个子载波块,N u=KB,u=(0,1,…,N u-1)表示第几个用户;k=0,1,…,K-1,上角标k表示扩频码组的第几号扩频序列,下角标k表示一个扩频序列的第几个扩频码片。

最后进行IFFT变换生成一个正交多载波信号,同时为了避免多径衰落信道引起的ISI、ICI在系统中插入循环前缀,作为保护间隔。发射系统发送出的信号数学描述如下：

式中,T s,T g分别为符号周期,保护间隔;Δf表示子载波频率间隔;P s(t)为脉冲成形函数,定义为：

2.2 井巷BD-TFS-OFCDM接收系统

图3所示为井巷BD-TFS-OFCDM接收系统框图。发送信号s(t)经过井巷无线信道,接收系统通过接收天线接收的到的信号r(t)表示为：

图3 井巷BD-TFS-OFCDM接收系统框图

接收信号r(t)首先去除保护间隔,进行FFT变换,然后进行2D解扩,数字信号解调,最后各个用户输出相应的数据符号。其中的2D解扩思路为：利用扩频码重用函数寻找每个用户的解扩码矩阵,即用户(k-1)B+1到用户kB重复使用同一个K×K维的正交扩频码组矩阵W k,其中1≤k≤K;根据2D-TFS扩展原理,对于每个用户的某个帧结构,每一个子载波都携带了一帧中的所有数据,即每个子载波都需用整个扩频码组矩阵W k来解扩,从而得到K个不同的数据符号,每帧共有K个子载波,因此每个数据符号被解扩输出K次。但由于每个子载波所在的信道呈现不同的频率选择性衰落,致使只有一个解扩输出更接近于发送数据,该方案中,通过比较接收端星座图中K个数据映射信号的坐标位置,找到一个经历相对平坦信道的最优输出,这样能够提高系统传输的可靠性,此即为图3所示的最优数据选择模块。

3 性能分析

3.1 仿真参数

井巷无线通信中,密集多径会造成严重的频率选择性衰落,电机车等物体的移动会带来时间选择性衰落,致使井巷中电磁波传播衰耗严重。笔者利用具有3个多径分组(3个组内的多径条数分别设为(1,6,6)),最大时延为100 ns[11],最大多普勒频移为18 Hz[12]的信道环境来模拟井巷无线通信环境,运用Matlab仿真,对本文提出的BD-TFS-OFDMA系统进行性能评估。

3.2 仿真结果分析

图4为单用户情况 MC-CDMA、MC-DS-CDMA、ZK TFS-OFCDM[10]及本文推荐的 TFS-OFCDM四种系统在AWGN信道上的误码率曲线;图5为单用户情况时这四种系统在井巷衰落信道上的误码率曲线。

由图4和图5可以看出：

图4 AWGN信道四种系统性能比较

图5 井巷衰落信道四种系统性能比较

表1 系统仿真参数

1)无论是AWGN信道,还是具有多径和多普勒干扰的井巷信道,笔者提出的TFS-OFCDM系统性能均强于其他三种;

2)在AWGN信道上,MC-CDMA,MC-DSCDMA,ZK TFS-OFCDM表现出了相似的性能,本文方案在此仿真参数设置中相当于重传了4次后择优解调,因此误码率较低,但代价是数据率较前3种系统下降了4倍;

3)在具有多径和多普勒干扰的井巷信道上,ZK TFS-OFCDM系统优于MC-CDMA和MC-DSCDMA系统,因为具有时域、频域分集作用,而MCCDMA只有频域分集作用,MC-DS-CDMA只有时域分集作用,本文方案最优,原因是与ZK方案相比实现了严格意义上的时域频域分集,但代价是数据率下降。考虑实际井巷无线通信环境,在信息率和信息传输的可靠性不能并重时更倾向于可靠传输,因此本文推荐方案更优。

图6为 ZK TFS-OFCDM 、本文 TFS-OFCDM与BD-TFS-OFCDM系统误码率曲线比较。由图可以看出：

图6 ZK TFS与本文TFS、BD-TFS OFCDM系统性能比较

1)对于三种方案中的每一种来说,都是用户数越多,误码率性能越坏,这主要是由多址干扰造成的;

2)相同用户数时,本文TFS-OFCDM 误码率性能优于ZK TFS-OFCDM,这是因为ZK TFS-OFCDM系统只是将调制符号在时域和频域扩展为多个子段信息,而不像本文TFS-OFCDM系统将调制符号在时域频域严格分集,但本文 TFS-OFCDM系统付出的代价是数据率较低;

3)在相同用户数时,BD-TFS-OFCDM系统误码率效果优于本文TFS-OFCDM和ZK TFS-OFCDM,原因是本文 TFS-OFCDM 和ZK TFS-OFCDM系统均是所有用户共用整个带宽,多址干扰很强,而BD-TFS-OFCDM系统所有用户不再共用整个带宽,多址干扰只来自于块单元内部,因此多址干扰被明显降低;

4)用户数相同时,BD-TFS-OFCDM所用扩频码数是本文TFS-OFCDM和ZK TFS-OFCDM方案的1/B,说明在扩频码长度相同的情况下,BDTFS-OFCDM系统用户容量最大。

4 结束语

为了改善由密集多径和多普勒效应导致的井巷可靠通信困难的问题,本文在ZK TFS-OFCDM[10]基础上提出一种新的TFS-OFCDM方案。当信道中子载波数目大于正交扩频序列长度时,本文的TFS-OFCDM发展为BD-TFS-OFCDM方案,仿真结果表明：相同条件下,本文TFS-OFCDM误码率性能优于ZK TFS-OFCDM;用户数相同时,BD-TFS-OFCDM 性能最好,抗多址干扰能力最强;扩频码长度相同的情况下,BD-TFS-OFCDM系统用户容量最大,但与ZK TFS-OFCDM相比,数据率有所下降。

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