矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输

张琳园,杨 维

(北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输

张琳园,杨 维

(北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)

相比于地面无线信道,矿井巷道无线信道多径衰落更加严重,严重影响了煤矿井下无线通信系统的性能。高效综合地利用煤矿井下通信系统的空间、时间和频率等各种资源,可以使煤矿井下无线通信系统的无线覆盖性能、容量和速率等得到显著地提高。在煤矿井下无线传输信道与带状受限空间结构的条件下,提出了在上行链路中采用协作分集的多载波码分多址(MC-CDMA)无线传输方案。设计了方案的时频编码协作协议,推导了方案的信道容量公式,并对误比特率进行了蒙特卡洛仿真。理论分析和仿真结果表明,采用所提出的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输方案和时频编码协作协议,通过信道状况较好与较差用户间的协作,显著提高了系统中信道状况较差用户的信道容量和误码率性能,从而增强了井下无线通信系统信道容量的鲁棒性和通信的可靠性,使井下无线通信系统的性能得到显著改善。

矿井安全;矿井巷道;编码协作;多载波码分多址;时频编码

Key words:mining safety;mine tunnels;coded cooperation;multiple carrier-code division multiple access(MC-CDMA);time-frequency coding

由于巷道墙壁对信号的密集反射、散射与绕射,矿井巷道无线信道多径衰落非常严重,巷道的截面、弯曲、倾斜等对电磁波传播衰落也有很大的影响,这些都对矿井巷道无线传输造成不利的影响。但另一方面,矿井巷道的频率资源是开放的,矿井巷道下布设的无线通信系统可能仅有一个,系统可利用的空、时、频域资源又十分充足,这对构建矿井巷道无线移动通信系统又提供了十分有利的条件[1-2]。

多载波调制即正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)能有效抗多径衰落,为在移动环境所带来的高度不利的无线信道条件下传输高速数据提供了一种好的解决办法。而码分多址(code division multiple access,CDMA)具有抗干扰能力强、误码率低和抗多经衰落的突出优点。矿井巷道频率资源是开放的,以多载波技术融合CDMA技术是矿井巷道无线通信的理想基础调制技术之一[3-4]。

协作分集利用无线信道的广播特性[5],通过单天线的多个移动用户相互协作获得上行链路发射分集,可以有效对抗无线信道多径衰落,提高数据速率[6-7]。矿井巷道空间是受限的带状空间,非常适宜采用协作多跳的无线通信方式。协作分集的方式主要有放大转发(amplify and forward,AF)、解码转发(decode and forward,DF)和编码协作(coded cooperation,CC)等3种方式[8]。放大转发和解码转发只是重复转发所接收到的信息比特,效率较低。而编码协作在本质上是将码字分为2个部分,每一个部分都由协作伙伴之一进行传送,不仅获得了编码增益,而且还可以在协作伙伴之间十分灵活地分配信道编码符号,编码效率很高。

为克服矿井巷道无线信道多径衰落严重等问题,充分利用矿井巷道开放的频率资源,提出在上行链路中采用协作分集的多载波码分多址(multiple carriercode division multiple access,MC-CDMA)无线传输方案,设计了方案的时频编码协议。采用所提出的无线传输方案和时频编码协议,通过信道状况较好与较差用户间的协作,可以提高信道状况差用户的信道容量,从而增强了系统信道容量的鲁棒性以及通信的可靠性,防止用户因为移动到信道状况差的地点而导致信道容量衰减过大,使得通信质量很差,甚至造成通信中断的问题。

1 时频编码协作MC-CDMA系统

1.1 系统模型

图1为采用时频编码协作MC-CDMA无线通信系统,考虑用户1的信道状况较差,但其可按一定的规则寻找了一个信道状况较好协作伙伴如用户2。图2是MC-CDMA系统发射机和接收机模型,基站和各移动用户均为单个天线,假设收发端均已知信道的状态信息[9]。

图1 系统模型Fig.1 Themodel of system

图2 系统发射机和接收机模型Fig.2 Themodel of transm itter and receiver

1.2 信道模型

为研究信道容量和误比特率,首先建立MC-CDMA系统信道模型。假设系统工作在UHF频段,这时矿井巷道壁可视为低损耗介质,其电导率σ一般在10-2～10-3量级,介电常数一般在5～10,巷道可视为非理想空心介质矩形波导[10]。考虑宽带MCCDMA系统,由于各子载波是窄带的,因此对各子载波可采用文献[11]的矿井巷道单载波窄带信道模型。

假设将巷道等价成如图1所示宽为2a m、高为2b m的长方体,以巷道中心点为原点建立笛卡尔坐标系。利用边界条件解麦克斯韦方程,可以得到电磁场分布的多个解,每个解对应于一个传播模型(m, n),m和n为模型阶数,分别表示经巷道垂直墙壁和水平墙壁反射的次数。这里,水平墙壁指的是地面和顶板。考虑发射天线为x极化,每个传播模型对应不同的电磁场分布和衰减速率,分别用电磁场波动方程对应的特征方程和衰减系数及相移系数来表示,分别为

其中,x,y为所描述点的笛卡尔坐标;当m为偶数时, φx=0;当m为奇数时,φx=π/2;当n为奇数时,φy= 0;当n为偶数时,φy=π/2。式(1)～(3)中,电磁波波数和巷道墙壁相对电气参数分别为

式中,εv,εh,εa分别为垂直墙壁、水平墙壁和巷道中空气相对介电常数;σv,σh,σa分别为垂直墙壁、水平墙壁和巷道中空气电导率;fnc为MC-CDMA第nc个窄带子载波的中心频率。

巷道内发射点(x0,y0,z0)与接收点(x,y,z)之间第nc个子载波对应信道增益,可以通过接收点处所有强度足够大的传播模型的增益的叠加得到,大多数情况下,考虑前50个模型即m+n＜10即可[12]。

这样,第nc个子载波对应的信道增益为

式中,Gt,Gr分别为发射天线和接收天线的增益;Cmn为传播模型(m,n)的强度:

1.3 时频编码协作协议

考虑图1显示的时频编码协作MC-CDMA无线传输系统,用户1的信道状况较差,其按一定的规则寻找了一个信道状况较好协作伙伴用户2。现在考虑用户1和用户2同时有信息传送,图3给出了时频编码过程,首先对分组信息比特流,进行循环冗余编码即插入帧检验序列(frame check sequence,FCS),然后进行卷积编码,每个编码帧作为信道码的第1部分,最后对卷积码编码帧进行时频编码,形成信道码的第2部分。

图3 时频编码过程Fig.3 The process of time-frequency coding

图4(a)给出仅进行时频编码,不采用编码协作的发送方式,用户1和用户2在第1,2时间周期分别发送自身时频码的第1部分和第2部分。图4(b)为时频编码协作的发送方式,用户1和用户2在第1个时间周期传送自身码字的第1部分,在第2个时间周期传送协作伙伴或自身的第2部分。为告知基站第2个周期传送的是协作伙伴还是自身的第2部分,需要在数据分组头部添加一个标志位[13]。

假定由卷积码编码形成的编码帧为

那么,经过时频编码后,时频码字可以表示为

1.4 接收信号模型

假定MC-CDMA符号的循环前缀足够长,能够完全消除符号间干扰,那么,如图2(b)所示,接收机移去循环前缀并经过FFT变换后,协作伙伴和基站接收到的信号ytj为:

图4 时频编码非协作与时频编码协作Fig.4 Time-frequency coding with and without coded cooperative

(1)用户i第1个时间周期t=1,传送自身码字的第1部分,图2(a)中IFFT前的信号为自身码字的第1部分乘以自身扩频码xt=stG:

i i i

(2)用户i第2个时间周期t=2,若能成功译码协作伙伴码字的第1部分,则传送协作伙伴码字的第2部分,即图2(a)中IFFT前的信号为协作伙伴码字的第2部分乘以自身扩频码=×Gi;若不能成功译码,传送自身码字的第2部分,即图2(a)中IFFT前的信号为自身码字的第2部分乘以自身扩频码=

其中,i取值为{1,2},j取值为{1,2,d},而1,2,d分别代表用户1,用户2和基站;t取值为{1,2},代表是第几个传送时间周期。式(11)～(14)中Es代表发射用户每个子载波上的平均发送功率,(nc)代表接收用户j子载波nc第t个周期上叠加的高斯白噪声,其方差为σ2,均值为0。

然后,如图2(b)所示,对携带同一符号的子载波上的信号进行正交恢复合并,得到传送的各符号的估计值。

2 信道容量分析

为说明时频编码协作能增强信道容量的鲁棒性,如图4所示,选取采用相同时频编码的非协作通信为基准,进行对比分析。

2.1 时频编码非协作

对图4(a)的时频编码非协作情况,用户1和用户2在第1,2时间周期分别发送自身时频码的第1部分和第2部分。如图2(b)所示,基站对用户i第t周期携带第p个符号的G个子载波上的信号进行正交恢复合并,合并后接收信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)为,p=1,2,…,P;然后根据时频编码的表达式即式(10),将第1,2时间周期携带图3中卷积编码后符号S0,S1,…,SP-1的信号分别进行等增益合并,利用香农公式C(γ)=log2(1+γ)可得到图3中卷积编码后符号S0,S1,…,SP-1时频编码非协作情况对应的信道容量[14]为

用户i的信道容量为图3中卷积编码后符号S0,S1,…,SP-1时频编码非协作情况对应的信道容量的最小值乘以图4中比特流分组的长度F,即为

式中,系数K=FΔF,其中,F比特流分组的长度,ΔF为MC-CDMA子载波间隔。

2.2 时频编码协作

对图4(b)的时频编码协作情况,用户1和用户2在第1个时间周期分别发送自身时频码的第1部分;在第2个时间周期,根据两个用户能否成功解码协作伙伴的第1时间周期的信号,有4种可能的情况,对应4种不同的信道容量,分析过程同2.1节。

(1)2个用户都成功译码协作伙伴第1个时间周期的信号,用户1和用户2的信道容量分别为

(2)2个用户都未成功译码协作伙伴第1个时间周期的信号,用户1和用户2的信道容量分别为

(3)用户2成功译码,用户1未成功译码协作伙伴第1个时间周期的信号,用户1和用户2的信道容量分别为

(4)用户1成功译码,用户2未成功译码协作伙伴第1个时间周期的信号,用户1和用户2的信道容量分别为

3 仿真结果

为评估所提出的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输方案的信道容量鲁棒性和通信可靠性,本节利用前面推导的信道容量公式,对信道容量进行仿真计算,并对误比特率进行蒙特卡洛仿真。如图1所示,设基站和用户移动台均处于巷道1/4轴线上,取载波中心频率为900 MHz。图3中进行循环冗余编码即插入FCS的生成多项式为G(x)=x3+x2+1,卷积编码的生成器为(7,[171,133])。系统仿真参数见表1。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

图5给出了窄带子载波中心频率为900 MHz时,信道增益随收发天线之间距离变化情况。由图6可以看出,收发天线之间距离为100 m与收发天线之间距离为200 m信道增益相差较大,不妨假设用户1距基站200 m,用户2距基站100 m即取基站、用户1和用户2的z坐标分别为0,200和100。

图5 900 MHz载频信道增益随距离的变化Fig.5 Channel gain with different distance forcarrier frequency 900 MHz

根据式(7),矿井巷道MC-CDMA系统各子载波中心频率不同,信道增益也不同,因此采用发射信噪比表述信道容量及误比特率更为合理与简便。

图6显示了在不同发射信噪比下,采用时频编码协作与采用时频编码非协作不同情况下,用户1和用户2信道容量对比情况。从图6可以看出,编码协作虽牺牲了信道状况较好的用户2的一部分信道容量,但显著提高了信道状况较差的用户1的信道容量,即保证了信道容量不会因不同用户信道衰减变化而剧烈波动,从而有效保证了移动用户信道容量的鲁棒性。

图6 信道容量随发射信噪比的变化Fig.6 Channel capacity with different transmitted SNR

图7显示了在不同发射信噪比下,采用时频编码协作与采用时频编码非协作时,用户1和用户2误码率对比情况。从图7可以看出在非协作情况下,由于用户1信道条件较差,即使在发射信噪比很大的情况BER性能都很差,无法正常工作。但采用协作方式,当发射信噪比提高到34 dB,用户1的BER性能显著改善,而用户2的BER性能损失并不很大。可见,采用编码协作方式,牺牲信道状况较好的用户2的一小部分误码性能,但能显著提高信道状况较差的用户1的误码性能,即保证误码性能不会因不同用户信道衰减变化而剧烈波动,从而有效保证了移动用户通信的可靠性。

图7 各用户误比特率随发射信噪比的变化Fig.7 Bit error rate per user with different transmitted SNR

4 结 语

针对矿井巷道无线信道多径衰落严重的问题,充分利用矿井巷道开放的频率资源,提出了一种在上行链路中采用协作分集的多载波码分多址(MC-CDMA)无线传输方案,设计了方案的时频编码协议。通过对协作用户信道容量的推导和仿真计算,以及对协作用户误比特率的蒙特卡洛仿真,可以看出采用所提出的时频编码MC-CDMA无线传输方案,可以显著改善信道条件较差用户的信道容量与BER性能,有效提高系统的信道容量的鲁棒性以及通信的可靠性。

协作伙伴选择具体策略,以及在多用户条件下协作用户间的利益关系,将是下一步的研究重点。

[1] 杨 维,程时昕,孙继平.矿井无线通信与频率资源利用[J].煤炭学报,2001,26(5):535-538.

Yang Wei,Cheng Shixin,Sun Jiping.Themine wireless communication and frequency resource utilization[J].Journalof China Coal Society,2001,26(5):535-538.

[2] 杨 维,冯锡生,程时昕.新一代全矿井无线信息系统理论与关键技术[J].煤炭学报,2004,29(4):506-509.

Yang Wei,Feng Xisheng,Cheng Shixin.The theories and key technologies for the new generation mine wireless information system [J].Journal of China Coal Society,2004,29(4):506-509.

[3] 杨 维,周青青.典型频域扩频多载波CDMA调制在矿井巷道信道下的性能分析[J].煤炭学报,2010,35(5):865-870.

Yang Wei,Zhou Qingqing.Performance analysis of typical frequency domain spreading multicarrier CDMA modulation in mine tunnel [J].Journal of China Coal Society,2010,35(5):865-870.

[4] 张 玉,杨 维.矿井巷道综合衰减模型与无线传输误码率性能综合比较[J].煤炭学报,2011,36(9):1581-1586.

Zhang Yu,Yang Wei.Integrated attenuation model and BER performance analysis of typical wireless transmission technologies inmine tunnel[J].Journal of China Coal Society,2011,36(9):1581-1586.

[5] Scaglione A,Goeckel D L,Laneman JN.Cooperative communications in mobile ad hoc networks[J].IEEE Signal Proc.Mag., 2006,23:18-29.

[6] Permuter H H,Shamai S,Somekh-Baruch A.Message and state cooperation in multiple access channels[J].IEEE T.Inform.Theory, 2011,57(10):6379-6396.

[7] Steiner A,Sanderovich A,Shamai S.Broadcast cooperation strategies for two colocated users[J].IEEE T.Inform.Theory,2007,53(10): 3394-3412.

[8] Nosratinia A,Hunter T E,Hedayat A.Dallas,cooperative communication in wireless networks[J].IEEE Comm.Mag.,2004(10):74-80.

[9] Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User cooperation diversity,Part I:system description[J].IEEE Trans.Commun.,2003,51(1): 1927-1938.

[10] Emslie A,Lagace R,Strong P.Theory of the propagation of UHF radiowaves in coalmine tunnels[J].IEEEAntennas Propag.,1975, 23:192-205.

[11] Zhi Sun,Akyildiz IF.Channelmodeling and analysis for wireless networks in underground mines and road tunnels[J].IEEE Trans.Commun.,2010,58(6):1758-1768.

[12] Zhi Sun,Akyildiz I F.A mode-based approach for channelmodeling in underground tunnels under the impact of vehicular traffic flow[J].IEEE Trans.Commun.,2011,10(10):3222-3231.

[13] Hunter T E,Nosratinia A.Distributed protocols for user cooperation in multi-user wireless networks[J].IEEE Globecom’04,2004,6: 3788-3792.

[14] Tian Hui,Xu Youyun,XieWei,et al.Outage probability analysis of opportunistic cooperativemulticastbased on coded cooperation[J].IEEE ICCT,2010:1035-1038.

The wireless transm ission of time-frequency coded cooperation MC-CDMA in m ine tunnel

ZHANG Lin-yuan,YANGWei

(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

In undergroundmine tunnels,multipath fading ismuchmore severe than that in the terrestrialwireless channels,which would do harm to the performance of underground wireless communication.However,if the abundant resources such as space,time and frequency could be utilized efficiently and synthetically,the performance of underground wireless communication such as overlay,capacity and data rate could be improved significantly.Under the condition of wireless transmission channel and the confined space structure of underground coalmine,an uplink wireless transmission schemeswhich combinesmultiple carrier-code divisionmultiple access(MC-CDMA)with cooperative diversity was proposed.The coded time-frequency cooperative protocol was designed,the channel capacity was derived and the bit error rate(BER)was simulated by Monte Carlo method for the proposed wireless scheme.Theoretical analysis and simulation results show that the channel capacity and BER performance for the mobile user with poor channel condition are improved significantly by the cooperation between the mobile user with poor channel condition and themobile userwith better channel condition.By thisway,the robustness of the channel capacity and the reliability of underground wireless communication are both enhanced obviously which certainly will improve the global performance of underground wireless communication system.

TD655

A

0253-9993(2014)06-1177-07

张琳园,杨 维.矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输[J].煤炭学报,2014,39(6):1177-1183.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0924

Zhang Linyuan,Yang Wei.The wireless transmission of time-frequency coded cooperation MC-CDMA in mine tunnel[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1177-1183.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0924

2013-07-04 责任编辑:许书阁

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2013BAK06B03);国家自然科学基金资助项目(51274018)

张琳园(1990—),女,山东邹城人,硕士研究生。Tel:010-51466854,E-mail:12120182@bjtu.edu.cn