張琳園,楊 維

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100044)

礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸

張琳園,楊 維

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100044)

相比于地面無線信道,礦井巷道無線信道多徑衰落更加嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了煤礦井下無線通信系統(tǒng)的性能。高效綜合地利用煤礦井下通信系統(tǒng)的空間、時(shí)間和頻率等各種資源,可以使煤礦井下無線通信系統(tǒng)的無線覆蓋性能、容量和速率等得到顯著地提高。在煤礦井下無線傳輸信道與帶狀受限空間結(jié)構(gòu)的條件下,提出了在上行鏈路中采用協(xié)作分集的多載波碼分多址(MC-CDMA)無線傳輸方案。設(shè)計(jì)了方案的時(shí)頻編碼協(xié)作協(xié)議,推導(dǎo)了方案的信道容量公式,并對誤比特率進(jìn)行了蒙特卡洛仿真。理論分析和仿真結(jié)果表明,采用所提出的礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸方案和時(shí)頻編碼協(xié)作協(xié)議,通過信道狀況較好與較差用戶間的協(xié)作,顯著提高了系統(tǒng)中信道狀況較差用戶的信道容量和誤碼率性能,從而增強(qiáng)了井下無線通信系統(tǒng)信道容量的魯棒性和通信的可靠性,使井下無線通信系統(tǒng)的性能得到顯著改善。

礦井安全;礦井巷道;編碼協(xié)作;多載波碼分多址;時(shí)頻編碼

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

由于巷道墻壁對信號的密集反射、散射與繞射,礦井巷道無線信道多徑衰落非常嚴(yán)重,巷道的截面、彎曲、傾斜等對電磁波傳播衰落也有很大的影響,這些都對礦井巷道無線傳輸造成不利的影響。但另一方面,礦井巷道的頻率資源是開放的,礦井巷道下布設(shè)的無線通信系統(tǒng)可能僅有一個(gè),系統(tǒng)可利用的空、時(shí)、頻域資源又十分充足,這對構(gòu)建礦井巷道無線移動通信系統(tǒng)又提供了十分有利的條件[1-2]。

多載波調(diào)制即正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)能有效抗多徑衰落,為在移動環(huán)境所帶來的高度不利的無線信道條件下傳輸高速數(shù)據(jù)提供了一種好的解決辦法。而碼分多址(code division multiple access,CDMA)具有抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低和抗多經(jīng)衰落的突出優(yōu)點(diǎn)。礦井巷道頻率資源是開放的,以多載波技術(shù)融合CDMA技術(shù)是礦井巷道無線通信的理想基礎(chǔ)調(diào)制技術(shù)之一[3-4]。

協(xié)作分集利用無線信道的廣播特性[5],通過單天線的多個(gè)移動用戶相互協(xié)作獲得上行鏈路發(fā)射分集,可以有效對抗無線信道多徑衰落,提高數(shù)據(jù)速率[6-7]。礦井巷道空間是受限的帶狀空間,非常適宜采用協(xié)作多跳的無線通信方式。協(xié)作分集的方式主要有放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify and forward,AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode and forward,DF)和編碼協(xié)作(coded cooperation,CC)等3種方式[8]。放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)只是重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)所接收到的信息比特,效率較低。而編碼協(xié)作在本質(zhì)上是將碼字分為2個(gè)部分,每一個(gè)部分都由協(xié)作伙伴之一進(jìn)行傳送,不僅獲得了編碼增益,而且還可以在協(xié)作伙伴之間十分靈活地分配信道編碼符號,編碼效率很高。

為克服礦井巷道無線信道多徑衰落嚴(yán)重等問題,充分利用礦井巷道開放的頻率資源,提出在上行鏈路中采用協(xié)作分集的多載波碼分多址(multiple carriercode division multiple access,MC-CDMA)無線傳輸方案,設(shè)計(jì)了方案的時(shí)頻編碼協(xié)議。采用所提出的無線傳輸方案和時(shí)頻編碼協(xié)議,通過信道狀況較好與較差用戶間的協(xié)作,可以提高信道狀況差用戶的信道容量,從而增強(qiáng)了系統(tǒng)信道容量的魯棒性以及通信的可靠性,防止用戶因?yàn)橐苿拥叫诺罓顩r差的地點(diǎn)而導(dǎo)致信道容量衰減過大,使得通信質(zhì)量很差,甚至造成通信中斷的問題。

1 時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)模型

圖1為采用時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線通信系統(tǒng),考慮用戶1的信道狀況較差,但其可按一定的規(guī)則尋找了一個(gè)信道狀況較好協(xié)作伙伴如用戶2。圖2是MC-CDMA系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模型,基站和各移動用戶均為單個(gè)天線,假設(shè)收發(fā)端均已知信道的狀態(tài)信息[9]。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 Themodel of system

圖2 系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模型Fig.2 Themodel of transm itter and receiver

1.2 信道模型

為研究信道容量和誤比特率,首先建立MC-CDMA系統(tǒng)信道模型。假設(shè)系統(tǒng)工作在UHF頻段,這時(shí)礦井巷道壁可視為低損耗介質(zhì),其電導(dǎo)率σ一般在10-2～10-3量級,介電常數(shù)一般在5～10,巷道可視為非理想空心介質(zhì)矩形波導(dǎo)[10]?？紤]寬帶MCCDMA系統(tǒng),由于各子載波是窄帶的,因此對各子載波可采用文獻(xiàn)[11]的礦井巷道單載波窄帶信道模型。

假設(shè)將巷道等價(jià)成如圖1所示寬為2a m、高為2b m的長方體,以巷道中心點(diǎn)為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系。利用邊界條件解麥克斯韋方程,可以得到電磁場分布的多個(gè)解,每個(gè)解對應(yīng)于一個(gè)傳播模型(m, n),m和n為模型階數(shù),分別表示經(jīng)巷道垂直墻壁和水平墻壁反射的次數(shù)。這里,水平墻壁指的是地面和頂板。考慮發(fā)射天線為x極化,每個(gè)傳播模型對應(yīng)不同的電磁場分布和衰減速率,分別用電磁場波動方程對應(yīng)的特征方程和衰減系數(shù)及相移系數(shù)來表示,分別為

其中,x,y為所描述點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo);當(dāng)m為偶數(shù)時(shí), φx=0;當(dāng)m為奇數(shù)時(shí),φx=π/2;當(dāng)n為奇數(shù)時(shí),φy= 0;當(dāng)n為偶數(shù)時(shí),φy=π/2。式(1)～(3)中,電磁波波數(shù)和巷道墻壁相對電氣參數(shù)分別為

式中,εv,εh,εa分別為垂直墻壁、水平墻壁和巷道中空氣相對介電常數(shù);σv,σh,σa分別為垂直墻壁、水平墻壁和巷道中空氣電導(dǎo)率;fnc為MC-CDMA第nc個(gè)窄帶子載波的中心頻率。

巷道內(nèi)發(fā)射點(diǎn)(x0,y0,z0)與接收點(diǎn)(x,y,z)之間第nc個(gè)子載波對應(yīng)信道增益,可以通過接收點(diǎn)處所有強(qiáng)度足夠大的傳播模型的增益的疊加得到,大多數(shù)情況下,考慮前50個(gè)模型即m+n＜10即可[12]。

這樣,第nc個(gè)子載波對應(yīng)的信道增益為

式中,Gt,Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的增益;Cmn為傳播模型(m,n)的強(qiáng)度:

1.3 時(shí)頻編碼協(xié)作協(xié)議

考慮圖1顯示的時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸系統(tǒng),用戶1的信道狀況較差,其按一定的規(guī)則尋找了一個(gè)信道狀況較好協(xié)作伙伴用戶2?，F(xiàn)在考慮用戶1和用戶2同時(shí)有信息傳送,圖3給出了時(shí)頻編碼過程,首先對分組信息比特流,進(jìn)行循環(huán)冗余編碼即插入幀檢驗(yàn)序列(frame check sequence,FCS),然后進(jìn)行卷積編碼,每個(gè)編碼幀作為信道碼的第1部分,最后對卷積碼編碼幀進(jìn)行時(shí)頻編碼,形成信道碼的第2部分。

圖3 時(shí)頻編碼過程Fig.3 The process of time-frequency coding

圖4(a)給出僅進(jìn)行時(shí)頻編碼,不采用編碼協(xié)作的發(fā)送方式,用戶1和用戶2在第1,2時(shí)間周期分別發(fā)送自身時(shí)頻碼的第1部分和第2部分。圖4(b)為時(shí)頻編碼協(xié)作的發(fā)送方式,用戶1和用戶2在第1個(gè)時(shí)間周期傳送自身碼字的第1部分,在第2個(gè)時(shí)間周期傳送協(xié)作伙伴或自身的第2部分。為告知基站第2個(gè)周期傳送的是協(xié)作伙伴還是自身的第2部分,需要在數(shù)據(jù)分組頭部添加一個(gè)標(biāo)志位[13]。

假定由卷積碼編碼形成的編碼幀為

那么,經(jīng)過時(shí)頻編碼后,時(shí)頻碼字可以表示為

1.4 接收信號模型

假定MC-CDMA符號的循環(huán)前綴足夠長,能夠完全消除符號間干擾,那么,如圖2(b)所示,接收機(jī)移去循環(huán)前綴并經(jīng)過FFT變換后,協(xié)作伙伴和基站接收到的信號ytj為:

圖4 時(shí)頻編碼非協(xié)作與時(shí)頻編碼協(xié)作Fig.4 Time-frequency coding with and without coded cooperative

(1)用戶i第1個(gè)時(shí)間周期t=1,傳送自身碼字的第1部分,圖2(a)中IFFT前的信號為自身碼字的第1部分乘以自身擴(kuò)頻碼xt=stG:

i i i

(2)用戶i第2個(gè)時(shí)間周期t=2,若能成功譯碼協(xié)作伙伴碼字的第1部分,則傳送協(xié)作伙伴碼字的第2部分,即圖2(a)中IFFT前的信號為協(xié)作伙伴碼字的第2部分乘以自身擴(kuò)頻碼=×Gi;若不能成功譯碼,傳送自身碼字的第2部分,即圖2(a)中IFFT前的信號為自身碼字的第2部分乘以自身擴(kuò)頻碼=

其中,i取值為{1,2},j取值為{1,2,d},而1,2,d分別代表用戶1,用戶2和基站;t取值為{1,2},代表是第幾個(gè)傳送時(shí)間周期。式(11)～(14)中Es代表發(fā)射用戶每個(gè)子載波上的平均發(fā)送功率,(nc)代表接收用戶j子載波nc第t個(gè)周期上疊加的高斯白噪聲,其方差為σ2,均值為0。

然后,如圖2(b)所示,對攜帶同一符號的子載波上的信號進(jìn)行正交恢復(fù)合并,得到傳送的各符號的估計(jì)值。

2 信道容量分析

為說明時(shí)頻編碼協(xié)作能增強(qiáng)信道容量的魯棒性,如圖4所示,選取采用相同時(shí)頻編碼的非協(xié)作通信為基準(zhǔn),進(jìn)行對比分析。

2.1 時(shí)頻編碼非協(xié)作

對圖4(a)的時(shí)頻編碼非協(xié)作情況,用戶1和用戶2在第1,2時(shí)間周期分別發(fā)送自身時(shí)頻碼的第1部分和第2部分。如圖2(b)所示,基站對用戶i第t周期攜帶第p個(gè)符號的G個(gè)子載波上的信號進(jìn)行正交恢復(fù)合并,合并后接收信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)為,p=1,2,…,P;然后根據(jù)時(shí)頻編碼的表達(dá)式即式(10),將第1,2時(shí)間周期攜帶圖3中卷積編碼后符號S0,S1,…,SP-1的信號分別進(jìn)行等增益合并,利用香農(nóng)公式C(γ)=log2(1+γ)可得到圖3中卷積編碼后符號S0,S1,…,SP-1時(shí)頻編碼非協(xié)作情況對應(yīng)的信道容量[14]為

用戶i的信道容量為圖3中卷積編碼后符號S0,S1,…,SP-1時(shí)頻編碼非協(xié)作情況對應(yīng)的信道容量的最小值乘以圖4中比特流分組的長度F,即為

式中,系數(shù)K=FΔF,其中,F比特流分組的長度,ΔF為MC-CDMA子載波間隔。

2.2 時(shí)頻編碼協(xié)作

對圖4(b)的時(shí)頻編碼協(xié)作情況,用戶1和用戶2在第1個(gè)時(shí)間周期分別發(fā)送自身時(shí)頻碼的第1部分;在第2個(gè)時(shí)間周期,根據(jù)兩個(gè)用戶能否成功解碼協(xié)作伙伴的第1時(shí)間周期的信號,有4種可能的情況,對應(yīng)4種不同的信道容量,分析過程同2.1節(jié)。

(1)2個(gè)用戶都成功譯碼協(xié)作伙伴第1個(gè)時(shí)間周期的信號,用戶1和用戶2的信道容量分別為

(2)2個(gè)用戶都未成功譯碼協(xié)作伙伴第1個(gè)時(shí)間周期的信號,用戶1和用戶2的信道容量分別為

(3)用戶2成功譯碼,用戶1未成功譯碼協(xié)作伙伴第1個(gè)時(shí)間周期的信號,用戶1和用戶2的信道容量分別為

(4)用戶1成功譯碼,用戶2未成功譯碼協(xié)作伙伴第1個(gè)時(shí)間周期的信號,用戶1和用戶2的信道容量分別為

3 仿真結(jié)果

為評估所提出的礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸方案的信道容量魯棒性和通信可靠性,本節(jié)利用前面推導(dǎo)的信道容量公式,對信道容量進(jìn)行仿真計(jì)算,并對誤比特率進(jìn)行蒙特卡洛仿真。如圖1所示,設(shè)基站和用戶移動臺均處于巷道1/4軸線上,取載波中心頻率為900 MHz。圖3中進(jìn)行循環(huán)冗余編碼即插入FCS的生成多項(xiàng)式為G(x)=x3+x2+1,卷積編碼的生成器為(7,[171,133])。系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

圖5給出了窄帶子載波中心頻率為900 MHz時(shí),信道增益隨收發(fā)天線之間距離變化情況。由圖6可以看出,收發(fā)天線之間距離為100 m與收發(fā)天線之間距離為200 m信道增益相差較大,不妨假設(shè)用戶1距基站200 m,用戶2距基站100 m即取基站、用戶1和用戶2的z坐標(biāo)分別為0,200和100。

圖5 900 MHz載頻信道增益隨距離的變化Fig.5 Channel gain with different distance forcarrier frequency 900 MHz

根據(jù)式(7),礦井巷道MC-CDMA系統(tǒng)各子載波中心頻率不同,信道增益也不同,因此采用發(fā)射信噪比表述信道容量及誤比特率更為合理與簡便。

圖6顯示了在不同發(fā)射信噪比下,采用時(shí)頻編碼協(xié)作與采用時(shí)頻編碼非協(xié)作不同情況下,用戶1和用戶2信道容量對比情況。從圖6可以看出,編碼協(xié)作雖犧牲了信道狀況較好的用戶2的一部分信道容量,但顯著提高了信道狀況較差的用戶1的信道容量,即保證了信道容量不會因不同用戶信道衰減變化而劇烈波動,從而有效保證了移動用戶信道容量的魯棒性。

圖6 信道容量隨發(fā)射信噪比的變化Fig.6 Channel capacity with different transmitted SNR

圖7顯示了在不同發(fā)射信噪比下,采用時(shí)頻編碼協(xié)作與采用時(shí)頻編碼非協(xié)作時(shí),用戶1和用戶2誤碼率對比情況。從圖7可以看出在非協(xié)作情況下,由于用戶1信道條件較差,即使在發(fā)射信噪比很大的情況BER性能都很差,無法正常工作。但采用協(xié)作方式,當(dāng)發(fā)射信噪比提高到34 dB,用戶1的BER性能顯著改善,而用戶2的BER性能損失并不很大?？梢?采用編碼協(xié)作方式,犧牲信道狀況較好的用戶2的一小部分誤碼性能,但能顯著提高信道狀況較差的用戶1的誤碼性能,即保證誤碼性能不會因不同用戶信道衰減變化而劇烈波動,從而有效保證了移動用戶通信的可靠性。

圖7 各用戶誤比特率隨發(fā)射信噪比的變化Fig.7 Bit error rate per user with different transmitted SNR

4 結(jié) 語

針對礦井巷道無線信道多徑衰落嚴(yán)重的問題,充分利用礦井巷道開放的頻率資源,提出了一種在上行鏈路中采用協(xié)作分集的多載波碼分多址(MC-CDMA)無線傳輸方案,設(shè)計(jì)了方案的時(shí)頻編碼協(xié)議。通過對協(xié)作用戶信道容量的推導(dǎo)和仿真計(jì)算,以及對協(xié)作用戶誤比特率的蒙特卡洛仿真,可以看出采用所提出的時(shí)頻編碼MC-CDMA無線傳輸方案,可以顯著改善信道條件較差用戶的信道容量與BER性能,有效提高系統(tǒng)的信道容量的魯棒性以及通信的可靠性。

協(xié)作伙伴選擇具體策略,以及在多用戶條件下協(xié)作用戶間的利益關(guān)系,將是下一步的研究重點(diǎn)。

[1] 楊 維,程時(shí)昕,孫繼平.礦井無線通信與頻率資源利用[J].煤炭學(xué)報(bào),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] 楊 維,馮錫生,程時(shí)昕.新一代全礦井無線信息系統(tǒng)理論與關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),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] 楊 維,周青青.典型頻域擴(kuò)頻多載波CDMA調(diào)制在礦井巷道信道下的性能分析[J].煤炭學(xué)報(bào),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] 張 玉,楊 維.礦井巷道綜合衰減模型與無線傳輸誤碼率性能綜合比較[J].煤炭學(xué)報(bào),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

張琳園,楊 維.礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸[J].煤炭學(xué)報(bào),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 責(zé)任編輯:許書閣

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAK06B03);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274018)

張琳園(1990—),女,山東鄒城人,碩士研究生。Tel:010-51466854,E-mail:12120182@bjtu.edu.cn