閆嚴(yán)，張福清

（1.中國(guó)電波傳播研究所河南 新鄉(xiāng)453003；2.大慶鉆探測(cè)井公司吉林事業(yè)部吉林 松原138003）

隨著成像測(cè)井技術(shù)的快速發(fā)展，為了滿足成像測(cè)井儀器的需要，高速遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也越來越高。它一方面將下井儀器實(shí)時(shí)采集的大量數(shù)據(jù)高速、準(zhǔn)確地傳送到地面儀器，另一方面將地面儀器對(duì)各種下井儀器的控制信息實(shí)時(shí)地傳給各下井儀器，使其能進(jìn)行正確的操作。同時(shí)還要滿足給下井儀器提供不同的電源、測(cè)量通道等要求。

根據(jù)成像測(cè)井系統(tǒng)的需要，在測(cè)井電纜不變的條件下，電纜傳輸速率要達(dá)到500 kb/s以上，誤碼率不大于10-6。為了實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)目標(biāo)采用了自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)制是智能傳輸技術(shù)中最重要的技術(shù),它是在了解信道信息后,令發(fā)送方和接收方使用一組雙方都認(rèn)可的調(diào)制方案,因此與非自適應(yīng)方案相比,可以提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在保持一定誤比特率的情況下,采用自適應(yīng)調(diào)制可以解決一部分頻譜資源緊張的難題。采用自適應(yīng)調(diào)制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可通過改變期望誤比特率（BER）來控制通信服務(wù)量。

1 OFDM系統(tǒng)模型

OFDM系統(tǒng)首先選定適當(dāng)?shù)念l譜和調(diào)制方法,然后由調(diào)制器將輸入比特流以一定的方式組合起來映射為復(fù)數(shù),接著通過逆快速傅里葉變換（IFFT）將該頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時(shí)域信號(hào),并插入保護(hù)間隔。接收方采用相逆的步驟恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流[1]。

假定無線傳輸信道為一個(gè)時(shí)變的脈沖響應(yīng)h（τ，t），信道的頻域響應(yīng)H（k）等于時(shí)域響應(yīng)的傅里葉變換，則接收信號(hào)y可以表示為

其中x為發(fā)送符號(hào)向量，n為高斯白噪聲。整個(gè)OFDM系統(tǒng)共有N個(gè)子載波，同時(shí)假定信道沖激響應(yīng)在一個(gè)OFDM幀的持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變。定義信道平均信噪比為RSN，那么子載波k上的信噪比為

其中H（k）代表子載波k上的信道頻域增益。

2 OFDM的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)原理

自適應(yīng)調(diào)制的原理就是當(dāng)信道條件好時(shí)，采用高階的調(diào)制方式，當(dāng)信道條件差時(shí)，采用低階的調(diào)制方式。

井下采樣信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行串并變換，然后被送入自適應(yīng)子載波調(diào)制模塊。數(shù)據(jù)在自適應(yīng)載波模塊中根據(jù)自適應(yīng)比特分配算法對(duì)各個(gè)子信道采取相應(yīng)方式的調(diào)制。調(diào)制方式可以采用MQAM或MPSK調(diào)制。調(diào)制后的數(shù)據(jù)經(jīng)IFFT變換將N列的數(shù)據(jù)序列變換為時(shí)域信號(hào)。插入保護(hù)間隔可以有效地消除符號(hào)間干擾（ISI）。在接收端，接收到的信號(hào)經(jīng)去除保護(hù)間隔和分路后進(jìn)行FFT變換，得到N列并行信號(hào)，送入各個(gè)子信道解調(diào)器。調(diào)制參數(shù)由比特分配信息模塊給定。解調(diào)后的數(shù)據(jù)再經(jīng)并串轉(zhuǎn)換還原成井下發(fā)送數(shù)據(jù)[2]。

在信道估計(jì)模塊中，自適應(yīng)OFDM調(diào)制解調(diào)需要對(duì)信道進(jìn)行精確估計(jì)，根據(jù)接收的導(dǎo)頻信號(hào)可對(duì)數(shù)據(jù)子信道的沖激響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)，估計(jì)的結(jié)果可用來確定每個(gè)子信道的信噪比，根據(jù)子信道的信噪比可以確定各個(gè)子信道下一次傳輸采用的基帶調(diào)制方式，從而實(shí)現(xiàn)多載波方式下的自適應(yīng)調(diào)制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1具有自適應(yīng)分配的高速遙測(cè)系統(tǒng)Fig．1High-speed telemetry system with adaptive allocation

3 自適應(yīng)比特算法

本文提出一種適用于OFDM傳輸系統(tǒng)的自適應(yīng)比特分配算法，該算法根據(jù)實(shí)際信道的情況及所需的BER，在發(fā)射總功率受限制的條件下，動(dòng)態(tài)地分配子信道上的比特和功率，使得發(fā)送的每個(gè)符號(hào)的總比特?cái)?shù)最大，從而提高信道的利用率及數(shù)據(jù)傳輸速率。N），定義bi為子載波i上傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，B為每個(gè)符號(hào)包含的最大總比特?cái)?shù)。本算法使用了MQAM調(diào)制，將bi的取值限制為0，4，6，8。它們分別對(duì)應(yīng)于：不傳輸，16QAM，64QAM和256QAM 4種調(diào)制方式。

按照高速遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，高速遙傳系統(tǒng)的子載波間隔為3．125 kHz，根據(jù)測(cè)井電纜的頻率衰減特性，高速遙測(cè)系統(tǒng)的可利用帶寬被限制在200 kHz或64個(gè)子信道。

在子信道分配完成后，首先要對(duì)信道作精確估計(jì)，從而確定每個(gè)子信道的信噪比。然后利用得到的子載波SNR值作為閾值，計(jì)算出在一定誤碼率要求下第k個(gè)子載波的調(diào)制方式。在此定義3個(gè)閾值為SNR16QAM、SNR64QAM、SNR256QAM，根據(jù)閾值來劃分所要分配的比特?cái)?shù)。具體計(jì)算式（3）[3]：

其中，RSNR為子載波信噪比；rber為誤碼率；bk為第k個(gè)子載波預(yù)分配比特?cái)?shù)。

各子信道傳輸bk個(gè)比特所需的功率計(jì)算公式為：

子載波的遞增功率公式為：

其中，e（k）代表傳輸bk（i）個(gè)比特的發(fā)送功率，e（k－1）表示更低一級(jí)傳輸速率bk（i－1）的發(fā)送功率。

在一定誤碼率要求下，可以根據(jù)表1中的RSN值作為閾值計(jì)算出第bk個(gè)子載波的調(diào)制方式，進(jìn)而求出所有的b，得到預(yù)分配的總比特?cái)?shù)Bk[4]。

分配給子信道的實(shí)際比特?cái)?shù)通過以下步驟實(shí)現(xiàn)[5－6]：

1）若Bk＞B，計(jì)算系統(tǒng)的總發(fā)送功率，如果et大于指標(biāo)限制的發(fā)送總功率，則求Δe（k）使達(dá)到最大值的k，并令bk（i）=bk（i－1），et=et－Δe（k），然后再判斷et是否超標(biāo)，如果超標(biāo)重復(fù)以上操作，如不超標(biāo)，則Bk=Bk－[bk（i）－bk（i－1）]。

2）若Bk＜B，則求使Δe（k+1）達(dá)到最小值的k，并令bk（i）=bk（i+1），Bk=Bk+[bk（i+1）－bk（i）]，然后判斷是否仍然Bk＜B，如果是則重復(fù)以上操作。

自適應(yīng)比特算法的特點(diǎn)是能夠利用已有的信道信息快速得到比特分配方案，缺點(diǎn)是如果信道估計(jì)不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能下降。例如：調(diào)制點(diǎn)數(shù)過高會(huì)引起誤碼率偏高，或者調(diào)制點(diǎn)數(shù)過低則會(huì)導(dǎo)致速率偏低。因此為了得到比特最優(yōu)化分配方案，精確的信道估計(jì)是很必要的也是最關(guān)鍵的。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

本文采用7 000 m模擬電纜作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。OFDM系統(tǒng)子載波數(shù)N=64，每個(gè)子載波上都采用MQAM調(diào)制方式，子載波上在每個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)可傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為{0，4，6，8}，即子載波在每個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)最大可傳輸比特?cái)?shù)為Rmax=8 bit。子載波上可用的調(diào)制方式分別為無調(diào)制，16QAM，64QAM，256QAM。每個(gè)OFDM符號(hào)的最低總比特速率為B=256 bit。圖2、圖3為某一次信道仿真中比特分配的情況，其中rber=10－6。由圖2和圖3可知，在信道增益高的子載波的比特?cái)?shù)較多，而增益低的子載波分配的比特?cái)?shù)少，對(duì)于一些處于深衰落的子載波不分配比特。這一系列結(jié)果完全符合理論分析，由此可見該自適應(yīng)調(diào)制算法是行之有效的。

圖2各子載波的信道增益Fig.2Channel plus of each carrier wave

圖3自適應(yīng)比特分配Fig.3Adaptive bit allocation

圖4、圖5分別給出了自適應(yīng)調(diào)制算法和固定調(diào)制算法的誤碼率曲線，由圖4和圖5比較可得，在OFDM系統(tǒng)中使用自適應(yīng)比特分配算法能夠極大地改善誤碼率性能。與調(diào)制方法固定的OFDM系統(tǒng)相比，該算法在誤碼率10處能提供10 dB以上的信噪比改善，隨著誤碼率性能要求的提高，自適應(yīng)分配的信噪比優(yōu)勢(shì)更明顯。當(dāng)子信道平均比特?cái)?shù)增加，在相同的誤碼率情況下，所需的平均比特信噪比升高。即相同信道條件和性能要求下，在增加系統(tǒng)傳輸速率時(shí)，自適應(yīng)比特分配算法可明顯減少系統(tǒng)總的傳輸功率。

圖4采用自適應(yīng)比特算法的誤碼率Fig.4BER with adaptive bit allocation algorithm

圖5采用等比特算法的誤碼率Fig.5BER with equal bit allocation algorithm

5 結(jié) 論

在利用7 000 m模擬電纜進(jìn)行實(shí)際傳輸時(shí)，系統(tǒng)速率能夠在525 k可靠傳輸，達(dá)到了遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)與自適應(yīng)OFDM調(diào)制解調(diào)相關(guān)的信道估計(jì)、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)資源分配等對(duì)于系統(tǒng)性能都有著很大的影響，因此要更加完善的系統(tǒng)，還應(yīng)對(duì)這兩方面做進(jìn)一步的研究，以使算法復(fù)雜度和系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

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