自适应OFDM算法在矿井无线通信中的应用研究

张 楠,高 磊

（1.山西大同大学机电工程学院，山西大同037003；2.西山晟聚煤业有限公司，山西吕梁033200）

OFDM的基本原理是将通信信道划分为多个子载波信道，传输数据被分配到这些子信道上传输，在接收端再将这些被分割的数据进行合并，这样就可以保证无线数据在传输过程中能够获得较高的传输率[1]。由于OFDM技术在信道传输方面具有较好的抗时延扩展的性能，从而得到了新时代宽带通信系统的认可，自适应OFDM技术就是宽带通信系统和最先进的通信融合的表现[2]。自适应OFDM技术最大的优点主要体现在无线信道衰减比较严重时，可以有效提高数据信息通过率和信道频谱利用率，以及降低误码率，这在高速数据通信的研究和应用方面有十分重要的价值[3-4]。

1 自适应OFDM技术的研究与仿真

传统OFDM仿真的系统结构，见图1，假设通信信道最初发送的信息是正确的。本文主要研究的内容就是如何将系统的调制方式和发射功率能够自适应的改变，通常情况下调制参数的设定一般都采用固定门限法[5]。

图1 传统OFDM仿真的系统结构

文章所涉及的固定门限法主要在程序初始化过程中，提前确定采用不同调制方式下，调制参数所需的SNR门限。对子载波n，SNR(n)＜5时，发送机停止发送 ；5＜SNR(n)＜8时选择BPSK，8＜SNR(n)＜12时选择 QPSK，12＜SNR(n)＜18时选择16QAM，依此类推，发射功率的自适应调制，建立在比特调制的基础之上。每个子信道上获得的功率受该子信道上获得的比特数和该子信道的SNR情况有关。

上述对矿井巷道内无线数据传输分析的结论如下:

（1）由于矿井巷道的多径传输导致通信信道表现出频率选择性。

（2）相对于无线数据通信过程，一个时变参数对其影响是缓慢，并且可以找到变化规律。

（3）在巷道出现转弯、分叉以及横截面积发生变化等情况下，无线信号极有可能会在短距离传输时因信道衰减作用而发生波动。

OFDM系统中的任意一个子信道的频率响应都是不相同的，而且是一个时变的系统，但是传统的OFDM系统子载波的调制方式是固定的，单纯依据衰减最快的子信道来选择调制方式，这是一个很大的浪费，使得其频谱效率不够高，基于此本文考虑在OFDM中引入自适应比特数和功率分配的概念。

图2 自适应OFDM与传统OFDM的误码率曲线

由图2误码率曲线可知，采用自适应OFDM算法，无线信道传输数据所需的功率要小很多。参照图中给定的调制方式的OFDM系统误码率曲线，传统OFDM系统误码率明显高于自适应OFDM系统。

由此可以得到结论，我们所设计的自适应OFDM算法可以极大地改善OFDM系统的性能和提高传输速率。

2 矿井无线信道模型的结构

我们知道矿井通信系统具有显著的特点，例如瓦斯、温度、湿度等这些被监测量变化较小，一个工作日内仅需测几个数值；话音信号的传输速率在几十kbit/s左右；图像信息的传输速率却可高可达数百Mbit/s，所以为了提高矿井各种数据的传输速率，克服干扰，将自适应OFDM技术应用到矿井无线通信中来就显得很有必要了。矿井无线通信的自适应OFDM系统，见图3。

3 仿真及结果分析

由于本文建立的无线信道是基于时变系统的，而且多径信道的时变冲激响应有多种变化，所以我们要验证自适应OFDM算法在时变信道上分配比特数和功率的能力。

图3 矿井无线通信的自适应OFDM系统框图

由图4可以看出:

（1）在频域内无论通信信道的增益如何改变，任意一个OFDM帧中所传输的比特数维持不变。

（2）由于无线信道衰减的变化，信道增益较小的子载波获得较少比特数，而信道增益大的子载波获得的比特数却较多。

（3）无线信道在传输相等的数据量时，各个子载波所需要的功率是不一样的，信道增益大的子载波所

需功率较小，而增益较小的子载波却需要较大的功率。

图4 自适应比特数、功率示意图

上述结论完全满足矿井无线通信的需求，所以本文所设计的OFDM的自适应算法在井下巷道无线通信中是可行的

4 结论

与传统OFDM系统相比，本文提出的OFDM的比特、功率自适应算法既降低了系统的误码率又提高了信道频率利用率。在模拟井下巷道数据传输仿真时，可以看出通过使用本算法，既可以在数据传输过程中提高抗干扰性能，也可以增大信道容量的利用率。