王維

（四川師范大學(xué) 信息中心 四川 成都 610000）

正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)優(yōu)化在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

王維

（四川師范大學(xué) 信息中心 四川 成都 610000）

針對(duì)多模光纖高頻區(qū)深衰落點(diǎn)對(duì)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)性能的影響，采用光信噪比門限的分配算法的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)算法與調(diào)制過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出：設(shè)計(jì)的算法有效地實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)制選擇，在信道特性較好時(shí)使用高階調(diào)制多傳信息，在出現(xiàn)的信道特性較差時(shí)降低調(diào)制階數(shù)少傳甚至不傳信息，減少了系統(tǒng)誤碼率。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：在相同誤碼率條件下，與不使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)相比改進(jìn)系統(tǒng)光信噪比要低2 dB左右；改進(jìn)系統(tǒng)傳輸性能更好，實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。將算法系統(tǒng)應(yīng)用到火災(zāi)報(bào)警當(dāng)中，得出：多模光纖傳輸能夠有效的檢測(cè)能量損失及損耗點(diǎn)的大體位置，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)火情的傳輸。這一研究對(duì)于我國(guó)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有一定的實(shí)際意義。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；多模光纖；結(jié)構(gòu)工程；多模光纖；深衰落點(diǎn)

正交頻分復(fù)用 （OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）思想可以追溯到上世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)人們對(duì)多載波調(diào)制和解調(diào)做了很多理論上的探究，論證了在存在符號(hào)間干擾信道上采用多載波調(diào)制和解調(diào)可優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸性能[1-2]；1970年1月，有關(guān)OFDM的專利首次發(fā)表；進(jìn)入上世紀(jì)90年代，伴隨著DSP處理技術(shù)以及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM技術(shù)在高速傳輸領(lǐng)域受到了各國(guó)人員的廣泛關(guān)注。如今OFDM已經(jīng)在歐洲數(shù)字音視頻廣播 （如DAB和DVB）、北美的高速無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng) （如HIPERLAN2、IEEE 802.11a）、高比特率數(shù)字用戶線（如ADSL、VDSL）和電力線載波通信（PLC）中得到了很好的應(yīng)用[3-4]。進(jìn)入了21世紀(jì)以后的最近6、7年[5-7]，OFDM技術(shù)與相干光檢測(cè)技術(shù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中不斷發(fā)揮著重要的重要，我國(guó)比較典型的有浙大、武漢光電以及電子科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)相關(guān)進(jìn)行進(jìn)行了深入研究[8-11]。伴隨著CO-OFDM技術(shù)在MMF（多模光纖，Multi-Mode Fiber）無(wú)線系統(tǒng)的不斷發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：CO-OFDM技術(shù)并不能克服多模光纖高頻區(qū)存在的深衰落點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響[12-15]。且當(dāng)子載波處在深衰落點(diǎn)區(qū)域情況下，其信道的傳輸誤碼率不斷提高。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)（AM）是當(dāng)前提高深衰落信道傳輸性能的應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中的傳輸信道里面的各子信道的所有考慮因素進(jìn)行綜合分析，自適應(yīng)的優(yōu)化改變各子載波的調(diào)制方式、發(fā)射功率、和傳輸比特?cái)?shù)等性能，這樣可以導(dǎo)致使得信道的頻譜利用率不斷更高，且同時(shí)提高信道傳輸容量?；谏鲜霰尘?，為了解決MMF系統(tǒng)出現(xiàn)的高頻區(qū)深衰落點(diǎn)對(duì)性能參數(shù)的影響，課題組基于對(duì)自適應(yīng)算法的深入研究，在前人的基礎(chǔ)上，依據(jù)COOFDM多模光纖通信系統(tǒng)的性能參數(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的自適應(yīng)調(diào)制算法，新算法能夠有效的改進(jìn)和增強(qiáng)系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)MMF高頻區(qū)的深衰落點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響降低到最少。

1 優(yōu)化的自適應(yīng)的OFDM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

圖1 自適應(yīng)調(diào)制的OFDM系統(tǒng)的基本原理

圖1 為本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)調(diào)制OFDM系統(tǒng)框圖，這里的發(fā)送端需要率先獲取各個(gè)子載波的信道狀態(tài)信息，通過(guò)接收端來(lái)做進(jìn)行信道估計(jì)，并通過(guò)反饋信道的來(lái)通知系統(tǒng)的發(fā)送端，或者在時(shí)分多址TDD方式下，依據(jù)信道互易特性認(rèn)定發(fā)送信道與接收信道的特性是完全一致。而后發(fā)送端依據(jù)一定相應(yīng)算法來(lái)確定各個(gè)子載波分配的比特?cái)?shù)以及功率分配（即調(diào)制方式），進(jìn)而將數(shù)據(jù)比特進(jìn)行相應(yīng)星座點(diǎn)映射，同時(shí)也把功率分配加載到子載波上，隨后再進(jìn)行IFFT變換，并串變換（P/S）和添加循環(huán)前綴（CP）。其次各子載波調(diào)制方式作為信令信息也將同時(shí)發(fā)送，接收端需要先進(jìn)行OFDM解調(diào)，即去掉CP，串并變換（S/P）和FFT。最后依據(jù)信息對(duì)子載波實(shí)現(xiàn)解調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息反饋回反饋端口。

1.2 自適應(yīng)算法設(shè)計(jì)

1.2.1 優(yōu)化的調(diào)制技術(shù)

依據(jù)MMF系統(tǒng)的性能特性，需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一定頻率以及信息速率下的誤差率盡可能的降到最低，并且實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)足夠簡(jiǎn)單的基于光信噪比 Optical Signal Noise Ratio，OSNR）門限的分配算法的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在CO-OFDM多模光纖通信系統(tǒng)采用的是MQAM星座圖，由圖中可以發(fā)現(xiàn)高階調(diào)制情況下抗噪聲能力明顯較弱，各比特?cái)?shù)據(jù)之間的最短距離明顯較小，而在低階的調(diào)制情況則相反。從中我們可以發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)在OSNR較大的條件下進(jìn)行提高調(diào)制階數(shù) （常見(jiàn)的如16QAM，64QAM）。而在OSNR較小的條件下進(jìn)行降低調(diào)制階數(shù)（常見(jiàn)的如BPSK，4QAM）實(shí)現(xiàn)盡可能少的信息傳輸，降低誤碼率，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

圖2 MQAM星座圖

1.2.2 調(diào)制過(guò)程

在一個(gè)基于子帶自適應(yīng)調(diào)制的CO-OFDM系統(tǒng)中，已知一個(gè)OFDM符號(hào)中的子載波數(shù)為N，共分成k個(gè)子帶，子帶寬寬度為N/k。此時(shí)對(duì)于第i個(gè)子帶，通過(guò)OSNR門限分配算法得到確定調(diào)制級(jí)別mi（即第i個(gè)子帶中每個(gè)子載波上的比特?cái)?shù)）。這樣系統(tǒng)可以對(duì)給定的帶寬效率E（每個(gè)子載波上的凈比特?cái)?shù)），碼率r，滿足下列等式進(jìn)行計(jì)算：

因?yàn)楦髯有诺乐g的OSNR存在相關(guān)性，所以只要子帶寬度小于信道的相干帶寬，基于子帶的自適應(yīng)調(diào)制就不會(huì)比基于子載波的自適應(yīng)調(diào)制有太大的性能損失。本文采用的調(diào)制方式如表1所示，可以通過(guò)以下表達(dá)式：

本文研究的AM-CO-OFDM系統(tǒng)共有4種備選的調(diào)制方式，分別為不傳輸、4QAM、16QAM和64QAM，分別對(duì)應(yīng)的調(diào)制級(jí)別mi為0、2、4和6。

表1 采用不同調(diào)制方式的OSNR門限

這里設(shè)計(jì)的基于OSNR門限分配算法的子帶自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，具體可以分為如下幾個(gè)步驟。

2 自適應(yīng)調(diào)制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)的特性結(jié)果

在上述系統(tǒng)的仿真流程中，采用10 GS/s的模擬發(fā)生信號(hào)，激光為0.12 MHz，光功率采用-3.3 dBm，傳輸流程的距離為200公里，采用自適應(yīng)調(diào)制的子帶波數(shù)定為3，每個(gè)子載波通過(guò)OSNRmin實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)制，調(diào)制方式來(lái)源于以下自集合

仿真結(jié)果如圖4、5所示。其中圖4為系統(tǒng)兩偏振模信道在多模光纖中傳輸200公里以后接收端檢測(cè)到的信號(hào)頻譜。從中可以發(fā)現(xiàn)，信道出現(xiàn)了明顯的失真情況，這是由于多模光纖的模間色散引起，多模光纖信道在高頻區(qū)出現(xiàn)了很多深衰落點(diǎn)，這是系統(tǒng)頻率選擇性的多徑衰落信道，信號(hào)在深衰落頻率附近的信道中傳輸會(huì)有嚴(yán)重相位和幅度失真。為了最大優(yōu)化系統(tǒng)的頻譜資源，根據(jù)OSNR門限分配算法的通信原則，需要盡可能減少處在深衰落區(qū)的子信道上的傳輸比特?cái)?shù)，優(yōu)化算法改進(jìn)的結(jié)果如圖5所示。我們可以看出，自適應(yīng)算法有效地實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)制選擇，能夠根據(jù)子載波信道特性合理選擇調(diào)制方式，在信道特性較好時(shí)使用高階調(diào)制多傳信息，在信道特性較差時(shí)降低調(diào)制階數(shù)少傳甚至不傳信息，減少系統(tǒng)誤碼率。

{不傳輸，4QAM，16QAM，64QAM}。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖4 系統(tǒng)不采用算法接收端接收到的OFDM信號(hào)頻譜圖

圖5 系統(tǒng)算法優(yōu)化后的各子載波比特?cái)?shù)分配結(jié)果

2.3 系統(tǒng)對(duì)比優(yōu)勢(shì)

圖6給出了21.4 Gb/s CO-OFDM多模光纖通信系統(tǒng)傳輸200 km后的OSNR與BER得關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在滿足的系統(tǒng)誤碼率條件下，系統(tǒng)不使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)時(shí)比使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)時(shí)多了超過(guò)2 dB的OSNR代價(jià)。無(wú)論是使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)還是不使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，經(jīng)過(guò)200 km多模光纖傳輸，兩偏振信道的性能幾乎相同。從以上結(jié)果可以看出，本文的優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸性能的提高，且算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程明顯方便、簡(jiǎn)單具有一定應(yīng)用前景。

圖6 改進(jìn)系統(tǒng)的OSNR與BER得關(guān)系曲線

3 火災(zāi)報(bào)警應(yīng)用

圖7為為火災(zāi)報(bào)警應(yīng)用下的光譜視圖，主要是利用檢測(cè)能量損失及損耗點(diǎn)的大體位置通過(guò)設(shè)計(jì)算法的多模光纖傳輸來(lái)判定其工作狀態(tài)的，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)溫度的變化進(jìn)而來(lái)探測(cè)火災(zāi)的情況。利用圖7軟件運(yùn)行可以較快的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)裝置或是人工手動(dòng)報(bào)警，負(fù)責(zé)發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域的控制器會(huì)接受報(bào)警信號(hào)進(jìn)行綜合調(diào)配，時(shí)刻監(jiān)測(cè)火情，發(fā)出連續(xù)的報(bào)警訊息。從實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看能夠較好、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)火情的傳輸。

圖7 道監(jiān)控的分區(qū)長(zhǎng)度180米

4 結(jié)論

CO-OFDM技術(shù)是近幾年來(lái)的熱點(diǎn)研究方向，他優(yōu)化了相干以及正交波分復(fù)用的優(yōu)勢(shì)，且還能實(shí)現(xiàn)技術(shù)的互補(bǔ)。文中針對(duì)多模光纖高頻區(qū)深衰落點(diǎn)對(duì)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)性能的影響，采用光信噪比門限的分配算法的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在相同誤碼率條件下，與不使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)相比改進(jìn)系統(tǒng)光信噪比要低2 dB左右；改進(jìn)系統(tǒng)傳輸性能更好，實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。這一研究對(duì)于我國(guó)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有一定的實(shí)際意義。

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Adaptive modulation technology of orthogonal frequency division multiplexing system optimization in the application of the wireless network

WANG Wei
（Sichuan Normal University Information Center，Chengdu 610000，China）

In view of the multimode optical fiber high frequency area deep decline point for orthogonal frequency division multiplexing （CO-OFDM system performance and the effect of using the distribution of the optical signal to noise ratio threshold algorithm of adaptive modulation technology was improved，through the experimental results of the algorithm and the modulation process，it is concluded that:the design of the algorithm effectively realizes the adaptive modulation to choose，when the channel characteristic is better to use higher-order modulation transmission more information，when the channel characteristic is poorer lower modulation order preach not even less information，reduce the system ber.Comparative experiments show that under the condition of the same bit error rate，compared with the system without the use of adaptive modulation technique to improve system light about 2 db lower signal-to-noise ratio；To improve the system transmission performance better，achieve more simple.The algorithm is applied to the fire alarm system，it is concluded that:multimode optical fiber transmission can effectively detect the general positioning of the energy loss and loss，can achieve accurate transmission of the fire.The study of practical significance for structural engineering safety.

wireless network；multimode fiber；structural engineering；multimode fiber；deep decline point

TN011

A

1674－6236（2016）15-0174-04

2015-11-23 稿件編號(hào)：201511211

王 維 （1981—），男，四川遂寧人，碩士，工程師。研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程。