礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配

許晶晶,楊 維,張琳園

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100044)

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礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配

許晶晶,楊 維,張琳園

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100044)

摘 要:礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸當(dāng)目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴的發(fā)送功率之和為定值時(shí),因目標(biāo)用戶、協(xié)作伙伴與基站間的信道增益會隨用戶位置變化而變化,在目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴間采用等功率分配方案會造成功率資源的浪費(fèi)。為充分利用有限的功率,保證目標(biāo)用戶的無線通信性能,在目標(biāo)用戶、協(xié)作伙伴和基站處設(shè)置接收信噪比門限,目標(biāo)用戶功率對總功率的功率分配比例ρ需滿足目標(biāo)用戶、協(xié)作伙伴和基站接收的信噪比高于該接收信噪比門限。推導(dǎo)出了礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA功率分配比例范圍,并取分配比例范圍的中間值作為目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴之間的功率分配比例。推導(dǎo)結(jié)果顯示,功率分配比例隨總功率和平均信道增益變化而變化,從而在用戶位置改變或總功率變化時(shí)能動態(tài)地為目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴分配功率,實(shí)現(xiàn)了功率的自適應(yīng)分配。仿真結(jié)果表明,與等功率分配方案相比,無論是目標(biāo)用戶位置變化還是總功率變化,采用所提出的自適應(yīng)功率分配方案顯著地減小了礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA目標(biāo)用戶誤比特率性能。

關(guān)鍵詞:礦井巷道;編碼協(xié)作;多載波碼分多址;自適應(yīng)功率分配

責(zé)任編輯:許書閣

許晶晶,楊 維,張琳園.礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1969-1976.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1391

礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC -CDMA(Multiple Carrier-Code Division Multiple Access,多載波碼分多址)無線傳輸可充分利用礦井巷道中開放的空時(shí)頻資源來提高用戶抗多徑衰落能力,通過時(shí)頻編碼協(xié)作同時(shí)獲取空間分集增益和編碼增益,減小了基站與用戶無線傳輸對信道狀況變化的敏感度,從而有效地提高了礦井無線通信系統(tǒng)的魯棒性[1-4]。

礦井巷道時(shí)刻受到瓦斯等易燃易爆有害氣體的威脅,礦井巷道中的無線通信系統(tǒng)必然為功率受限系統(tǒng),提高礦井巷道中無線傳輸設(shè)備的功率效率,可進(jìn)一步降低無線設(shè)備的發(fā)射功率,避免無線設(shè)備可能引起的易燃易爆等有害氣體爆炸,杜絕事故的發(fā)生。對于功率受限系統(tǒng),目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的功率分配會影響無線系統(tǒng)的誤比特率及中斷概率等[5-6]。如文獻(xiàn)[7]提出了在瑞利衰落信道下,每個(gè)時(shí)間周期目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的總功率為定值,第1時(shí)隙按固定比例為目標(biāo)用戶分配功率,第2時(shí)隙目標(biāo)用戶及其協(xié)作伙伴平分剩余功率的功率分配策略,實(shí)現(xiàn)了中斷概率的最小化。

礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配是在目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴總功率為定值時(shí)或目標(biāo)用戶在礦井巷道中的位置變化時(shí)基站動態(tài)地為目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴分配功率來保證信道狀況較差的目標(biāo)用戶的無線通信性能。為使目標(biāo)用戶解碼后的誤比特率性能滿足一定的要求,提出在目標(biāo)用戶、協(xié)作伙伴及基站處設(shè)置接收信噪比門限,當(dāng)目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴各自分得的功率使對方接收到信號的信噪比高于該信噪比門限時(shí),目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴可相互正確解碼實(shí)現(xiàn)相互協(xié)作[8]。基站在合并第1時(shí)隙目標(biāo)用戶和第2時(shí)隙協(xié)作伙伴兩個(gè)獨(dú)立衰落信道傳輸信號后的信噪比高于該門限時(shí)可正確解碼目標(biāo)用戶的信息[9]?；谶@一策略,推導(dǎo)出了在礦井巷道信道下目標(biāo)用戶功率/總功率的功率分配比例ρ的范圍,選取功率分配比例范圍兩邊界的中間值作為目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴之間的功率分配比例,實(shí)現(xiàn)了基站根據(jù)目標(biāo)用戶在礦井巷道中的位置或目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴總功率的變化自適應(yīng)地為目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴分配功率。與等功率分配方案相比,采用所提出的自適應(yīng)功率分配方案進(jìn)一步改善了礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)無線傳輸性能,提高了系統(tǒng)的功率效率,也為進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功率創(chuàng)造了條件。

1 礦井MC-CDMA編碼協(xié)作系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)模型

圖1(a)為礦井巷道的信道模型,將礦井巷道等效為寬2a,高2b,長D的長方體,為便于分析,假設(shè)基站位于所考慮小區(qū)巷道的中部,以長方體中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。假設(shè)系統(tǒng)中有N個(gè)用戶隨機(jī)地分布在礦井巷道中,各用戶之間和各用戶到基站之間的信道相互獨(dú)立[9],基站可利用RSSI等定位方法得到目標(biāo)用戶的位置信息。圖1(b),(c)分別為一個(gè)周期的兩個(gè)時(shí)隙目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的傳輸情況。

圖1　系統(tǒng)模型Fig.1 System model

圖2 ( a), ( b)分別是礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配發(fā)射機(jī)和接收機(jī),基站和各移動用戶均為單天線,且收發(fā)雙方均已知信道狀態(tài)信息[10]。圖2(a)中V1s和V1p分別為目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的原始分組比特流經(jīng)過BPSK調(diào)制、加CRC校驗(yàn)位和卷積編碼后形成信道編碼幀,分別作為目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴信道碼的第1部分,用于第1時(shí)隙的傳輸;再對第1部分的信道碼和進(jìn)行時(shí)頻編碼形成目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴信道碼的第2部分和,用于第2時(shí)隙的傳輸。信道碼和(t = 1,2) 經(jīng)MC-CDMA調(diào)制后所得信號和經(jīng)自適應(yīng)功率分配后由天線進(jìn)行信號發(fā)射。

在圖2(b)自適應(yīng)功率分配接收框圖中,目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴接收時(shí),目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴對所接收到的信號和進(jìn)行MC-CDMA解調(diào)得到協(xié)作伙伴和目標(biāo)用戶對應(yīng)信道編碼幀的估計(jì)值和;在基站接收時(shí),基站對第1時(shí)隙接收到的信號與第2時(shí)隙接收到的信號進(jìn)行等增益合并所得信號yd進(jìn)行MC-CDMA解調(diào),得到對應(yīng)信道編碼幀的估計(jì)值和。

圖2　自適應(yīng)功率分配MC-CDMA發(fā)射機(jī)和接收機(jī)Fig.2 Transmitter and receiver of MC-CDMA system with adaptive power allocation

1.2 信道模型

礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)自適應(yīng)功率分配需基于目標(biāo)用戶、協(xié)作伙伴和基站間的信道增益,而信道增益取決于礦井巷道中電磁波傳播特性。礦井巷道信道模型可采用由幾何光學(xué)(geometrical optical,GO)模型和波導(dǎo)(Waveguide)模型組成的混合模型[12],所以礦井巷道信道模型相當(dāng)于具有多個(gè)模式的波導(dǎo)模型。利用邊界條件解波導(dǎo)的麥克斯韋方程,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)傳播模式(m,n),m和n為模式階數(shù),分別表示電磁波經(jīng)巷道垂直墻壁和水平墻壁反射的次數(shù),m,n越大傳播模式的階數(shù)越高。每種傳播模式的場強(qiáng)分布、衰減系數(shù)及相移系數(shù)分別[11]為

式中,m為偶數(shù)時(shí),φx= 0;m為奇數(shù)時(shí),φx= p/2;n為偶數(shù)時(shí),φy=p/2;n為奇數(shù)時(shí),φy=0;和分別為巷道水平和垂直墻壁的電參數(shù);k為巷道電磁波數(shù)。

式中,εa,εh,εv分別為巷道中空氣、水平墻壁和垂直墻壁的相對介電常數(shù);σa,σh,σv分別為它們的電導(dǎo)率;ε0為真空介電常數(shù);μ0為巷道中空氣、水平墻壁和垂直墻壁的磁導(dǎo)率;f為電磁波載波頻率,對于礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)f分別對應(yīng)第nc個(gè)子載波的中心頻率fnc。

對于礦井巷道中電磁波的多模傳輸,把不同傳播模式對應(yīng)的不同電磁波強(qiáng)度作為模式強(qiáng)度,那么每個(gè)傳播模式(m,n)的模式強(qiáng)度Cmn為

用hi,j表示礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)任意的發(fā)送端i(x0,y0,z0)和接收端j(x,y,z)之間的信道增益,如圖1(a)礦井巷道模型所示。由于每個(gè)子載波的信道增益可由m+n<10即較強(qiáng)的前50個(gè)模式的場強(qiáng)之和得到[12],則礦井巷道內(nèi)點(diǎn)i與點(diǎn)j之間第nc個(gè)子載波對應(yīng)的信道增益可表示為

其中,Gt,Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的增益; Nmode為50個(gè)模式的集合。式(1)各模式的場強(qiáng)分布顯示各模式場強(qiáng)取決于接收端的橫坐標(biāo)x和縱坐標(biāo)y,各模式的模式強(qiáng)度計(jì)算式(7)顯示各模式強(qiáng)度取決于發(fā)送端橫坐標(biāo)x0和縱坐標(biāo)y0。因此,從式(8)子載波信道增益公式可以看出,當(dāng)收發(fā)天線增益確定后,礦井巷道中用戶的每個(gè)子載波信道增益取決于其坐標(biāo)即用戶的位置。當(dāng)用戶間的距離變化即用戶的坐標(biāo)變化時(shí),由于式(8)中的負(fù)指數(shù)函數(shù)是關(guān)于|z-z0|單調(diào)遞減的,所以在用戶間的距離變大時(shí),用戶間的信道增益在整體上是呈衰減趨勢的,但由于各模式場強(qiáng)關(guān)于x,y為非單調(diào)函數(shù),所以當(dāng)用戶間的距離變大時(shí)在某些位置信道增益會出現(xiàn)增大的波動現(xiàn)象。

2 自適應(yīng)功率分配

礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)自適應(yīng)功率分配是在目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的總功率或目標(biāo)用戶位置發(fā)生變化時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)目標(biāo)用戶和協(xié)伙伴戶間的功率分配比例,保證協(xié)作伙伴與目標(biāo)用戶能相互正確譯碼從而實(shí)現(xiàn)全分集增益[13],改善目標(biāo)用戶的通信性能。

假設(shè)圖1(a)礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)每個(gè)用戶一個(gè)周期的平均發(fā)送功率為P,每個(gè)用戶同一周期的2個(gè)時(shí)隙平分該周期的功率,2P為目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴一個(gè)周期的總功率。設(shè)基站為目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴分配的功率分別為P1和P2,則圖2(a)自適應(yīng)功率分配環(huán)節(jié)后,目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴每個(gè)時(shí)隙的發(fā)送功率分別為0.5P1和0.5P2。

如圖1(b),(c)所示,當(dāng)?shù)V井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)中目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴相互解碼正確,實(shí)現(xiàn)全分集增益時(shí):

(1)在第1時(shí)隙即t =1,目標(biāo)用戶以功率0.5P1廣播信號,協(xié)作伙伴以功率0.5P2廣播信號。目標(biāo)用戶接收到協(xié)作伙伴的信號為,協(xié)作伙伴接收到目標(biāo)用戶的信號為,基站在第1時(shí)隙接收到的信號為。

其中,hs,p,hs,d,hp,s和hp,d分別為圖1(a)中目標(biāo)用戶到協(xié)作伙伴、目標(biāo)用戶到基站、協(xié)作伙伴到目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴到基站的信道增益,它們均是Nc維列向量,包含Nc個(gè)子載波信道增益,每個(gè)子載波的信道增益可由子載波信道增益公式即式(8)得到。np,s,ns,p和n0為礦井巷道中的信道噪聲,不失一般性可假設(shè)是均值為0,方差為σ2的高斯白噪聲。目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴對接收到的信號和按圖2(b)礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA解調(diào)過程分別得協(xié)作伙伴和目標(biāo)用戶信道編碼幀的估計(jì)值和并對和進(jìn)行CRC檢驗(yàn),基站將第1時(shí)隙接收到來自目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的信號后進(jìn)行緩存,等待與第2時(shí)隙的信號合并。

(2)在第2時(shí)隙即t=2,協(xié)作伙伴相互合作,目標(biāo)用戶試圖用自己的信道傳輸協(xié)作伙伴信道碼的第2部分,協(xié)作伙伴試圖在自己的信道上傳輸目標(biāo)用戶信道碼的第2部分。如果在第1時(shí)隙雙方CRC校驗(yàn)無誤,則目標(biāo)用戶以功率0.5P1發(fā)送協(xié)作伙伴信號,協(xié)作伙伴以功率0.5P2發(fā)送目標(biāo)用戶信號?；驹诘?時(shí)隙收到的信號為

將合并后的信號yd按圖2(b)礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA解調(diào)過程解調(diào),得目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴信道編碼幀的估計(jì)值和。

礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配系統(tǒng)中,定義功率分配比例ρ(0≤ρ≤1)[14]為

故有

為提高信道增益可能較差的目標(biāo)用戶的性能,目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴各自分得的功率應(yīng)保證目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴間能夠相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)全分集增益,從而使目標(biāo)用戶的通信性能得到改善。因?yàn)樾盘柕竭_(dá)接收端時(shí)的信噪比越高,解碼成功的概率就越高,為保證目標(biāo)用戶的誤比特率性能,即解碼后誤比特率滿足一定要求,在目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴處設(shè)置接收信噪比門限η,當(dāng)目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴間接收到對方的信噪比高于門限η時(shí)可相互成功解碼,實(shí)現(xiàn)相互協(xié)作。為使基站最終能夠正確解碼目標(biāo)用戶的信息,基站處也設(shè)置接收信噪比門限η,只要第1時(shí)隙目標(biāo)用戶傳送和第2時(shí)隙協(xié)作伙伴傳送的兩路獨(dú)立信號合并后的信號信噪比高于該門限就可正確解碼目標(biāo)用戶信息。綜上,分配給目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的功率應(yīng)滿足

式(17)~(19)左邊分別為協(xié)作伙伴接收到目標(biāo)用戶的信號、目標(biāo)用戶接收到協(xié)作伙伴的信號和基站最終得到目標(biāo)用戶信號的信噪比。表示發(fā)送端i到接收端j共Nc個(gè)子載波的平均信道增益

聯(lián)立式(15)~(16)以及式(17)~(19)可得功率分配比例ρ的范圍:

其中

取分配比例范圍邊界值的中間值為具體的功率分配比例ρ,則

因?yàn)棣?+ρ3=1,如果式(22)的右邊界取ρ2,ρ3中的較小者滿足式(17)~(19),但得出功率分配比例總是小于等于0.5,這使得目標(biāo)用戶分得的功率不超過P,加之目標(biāo)用戶信道狀況可能較差,可能會導(dǎo)致目標(biāo)用戶的性能得不到提升反而會下降,使功率分配失去了意義。取ρ2,ρ3中的較大值,目標(biāo)用戶就會分配到較多的功率,從而避免了這一情況的發(fā)生。

由式(22)~(25)功率分配比例的計(jì)算式可得當(dāng)噪聲功率和接收信噪比門限一定時(shí),功率分配比例取決于總的發(fā)送功率及目標(biāo)用戶到協(xié)作伙伴、目標(biāo)用戶到基站、協(xié)作伙伴到目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴到基站的平均信道增益,和。由子載波信道增益式(8)和平均信道增益式(20)可知礦井巷道中用戶的平均信道增益取決于用戶所處的位置,則功率分配比例直接與目標(biāo)用戶的位置相關(guān),而采用等功率分配方案時(shí)由于沒有考慮用戶位置變化及目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴總功率的變化,就會導(dǎo)致功率浪費(fèi),降低了功率效率。因此,當(dāng)目標(biāo)用戶位置變化或目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴總功率變化時(shí),采用所提出的自適應(yīng)功率分配方案,基站能夠根據(jù)目標(biāo)用戶位置和總功率自適應(yīng)分配功率,這樣就提高了功率效率,使目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴能夠相互協(xié)作,實(shí)現(xiàn)全分集增益,提高了基站解碼目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴信息的正確率,改善了巷道中位置較差目標(biāo)用戶的通信性能。

當(dāng)基站檢測到目標(biāo)用戶移動或總功率變化時(shí),基站按一定規(guī)則重新為目標(biāo)用戶選定協(xié)作伙伴[8],并根據(jù)所提的礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配算法為目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴分配功率?；痉峙涔β实木唧w步驟為

①根據(jù)目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴在巷道中的位置即坐標(biāo),依據(jù)子載波信道增益式(8)和平均信道增益式(20)計(jì)算出目標(biāo)用戶到協(xié)作伙伴、目標(biāo)用戶到基站、協(xié)作伙伴到目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴到基站的平均信道增益,和;

②根據(jù)所得到的平均信道增益及目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴的總功率計(jì)算出式(22)~(24)的功率分配比例的邊界值,進(jìn)而計(jì)算出式(25)的功率分配比例ρ;

③基站按比例為目標(biāo)用戶分配2ρP的功率,為協(xié)作伙伴分配2(ρ-1)P的功率。

3 仿真結(jié)果

為評估所提礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配算法的性能,采用Matlab對用戶誤比特率性能進(jìn)行了蒙特卡洛仿真。假設(shè)圖1所示的礦井巷道,寬2a=10 m,高2b=6 m,長D=1 200 m,不失一般性,以長方體中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系,基站的坐標(biāo)為(2.5,-1.5,0),礦井巷道中用戶坐標(biāo)為(2.5,1.5,d),d為用戶在z軸上的坐標(biāo),0

圖3(a)給出了依據(jù)子載波信道增益式(8)和平均信道增益式(20)計(jì)算出的礦井巷道中用戶到基站的平均信道增益隨用戶到基站距離變化的情況。圖3(a)顯示距離基站150 m左右的用戶到基站的信道增益較大,距離基站350 m左右的用戶到基站的信道增益較小,不妨假設(shè)目標(biāo)用戶距離基站350 m,協(xié)作伙伴距離基站150 m。

圖3　用戶到基站平均信道增益及接收信噪比隨距離的變化Fig.3 Average channel gain and SNR changes with thedistance between user and base station

圖4為距離基站350 m的目標(biāo)用戶和距離基站150 m的協(xié)作伙伴在等功率分配下的誤比特率性能。由圖4可以得到,當(dāng)目標(biāo)用戶的誤比特率為1%時(shí)目標(biāo)用戶的發(fā)射信噪比至少為44 dB。根據(jù)基站接收到目標(biāo)用戶信噪比式(19)得對應(yīng)的接收信噪比為25 dB。不失一般性,為使目標(biāo)用戶誤比特率低于1%,式(17)~(19)中對應(yīng)的協(xié)作伙伴、目標(biāo)用戶和基站處的接收信噪比門限η都設(shè)為25 dB。

圖4　目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的誤比特率性能Fig.4 BER performance of target user and cooperative partner

礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA系統(tǒng)中把到基站的信噪比高于門限η的用戶作為協(xié)作伙伴備選組,例如圖1系統(tǒng)模型中橢圓內(nèi)的用戶,目標(biāo)用戶在協(xié)作伙伴備選組中選取到目標(biāo)用戶信道增益最大的用戶作為協(xié)作伙伴。圖3(b)為目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴總功率與噪聲功率之比2P/σ2為55 dB且目標(biāo)用戶位于基站的右側(cè)并向遠(yuǎn)離基站的方向移動時(shí),到達(dá)基站的接收信噪比情況,“0”表示接收信噪比高于25 dB,不需要其他用戶協(xié)作;“1”表示接收信噪比低于25 dB,需要選取協(xié)作伙伴。

由于礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配系統(tǒng)目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的功率分配比例取決于目標(biāo)用戶的位置和目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴的總功率2P,因此仿真分別討論了目標(biāo)用戶位置和目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴總功率對功率分配比例的影響,進(jìn)而討論它們對用戶誤比特率的影響,并用分配比例P1/ 2P=0.5和P1/2P = 0.4作對比,從而更好的評估礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配方案的效果。

當(dāng)目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴的總功率保持不變時(shí),目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴間的功率分配比例只取決于目標(biāo)用戶和所選協(xié)作伙伴的位置。圖3(a)到基站的平均信道增益隨用戶位置變化曲線顯示當(dāng)目標(biāo)用戶位于距基站240~400 m和480~600 m時(shí),信道狀況較差,由圖3(b)也可以看出,目標(biāo)用戶移動到距基站240~400 m和480~600 m時(shí),到基站的接收信噪比低于門限25 dB,需要通過協(xié)作伙伴的協(xié)作來提高目標(biāo)用戶的誤比特率性能。不妨假設(shè)目標(biāo)用戶從距離基站右側(cè)240 m處開始向遠(yuǎn)離基站方向移動到400 m,表1為目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴的總功率與噪聲功率之比2P/σ2為55 dB時(shí),目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴間功率分配比例ρ隨目標(biāo)用戶到基站距離的變化情況。由表1可以看出,目標(biāo)用戶到基站信道增益越小,功率分配比例越大,但分配比例隨目標(biāo)用戶到基站的距離呈非線性變化,這與圖3(a)信道增益隨距離的變化情況基本一致。

表1　分配比例隨距離的變化Table 1 Distribution ratio changes with distance

圖5給出了目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴總功率不變時(shí),按照上表中的比例進(jìn)行礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MCCDMA自適應(yīng)功率分配與等功率分配及分配比例小于0.5時(shí)目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴的誤比特率隨距離變化的對比情況。由圖5可以看出,目標(biāo)用戶在所提的自適應(yīng)功率分配方案下的誤比特率最低,除個(gè)別位置外如距離基站380 m左右的位置,目標(biāo)用戶的誤比特率均保持在0.02以下。當(dāng)分配比例取0.4時(shí),由于目標(biāo)用戶分得的功率太少而導(dǎo)致其誤比特率性能大大下降,如目標(biāo)用戶位于距基站380 m時(shí),采用自適應(yīng)功率分配的誤比特率比分配比例為0.4時(shí)的誤比特率降低了0.08,所以式(21)功率分配比例ρ的右邊界應(yīng)取ρ2,ρ3中的較大者,從而避免了功率分配比例低于0.5的情況。

圖5　誤比特率性能隨目標(biāo)用戶位置變化情況Fig.5 Bit error rate varies with the location of target user

圖3(b)的基站接收隨距離的變化顯示,位于距離基站較遠(yuǎn)480~600 m用戶的平均信道增益較小,需要選取協(xié)作伙伴。假設(shè)目標(biāo)用戶位于距基站550 m的位置處,功率分配比例ρ的計(jì)算式(22)~(25)顯示目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴之間的功率分配比例與兩者的總功率有關(guān)。表2為目標(biāo)用戶距基站550 m時(shí),按式(25)得到的目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴間功率分配比例ρ隨總功率與噪聲功率之比2P/σ2的變化情況。表2顯示總體上功率分配比例隨總功率增加而非線性遞減,這主要是由于功率分配比例不僅與總功率有關(guān),還與圖3(a)信道增益隨距離的變化情況有關(guān)。

圖6為目標(biāo)用戶距離基站550 m時(shí),按照表2中的比例進(jìn)行礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配與采用等功率分配及分配比例小于0.5時(shí)相比,目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴的誤比特率隨2P/σ2變化的對比情況。由圖6可以看出,相比于等功率分配及分配比例小于0.5時(shí)的功率分配方案,采用所提出的自適應(yīng)功率分配方案時(shí)目標(biāo)用戶的誤比特率性能最好,分配比例為0.4時(shí)目標(biāo)用戶的誤比特率性能最差。在目標(biāo)用戶具有相同誤比特率下,如目標(biāo)用戶的誤比特率為0.45時(shí),采用所提自適應(yīng)功率分配方案所對應(yīng)的總功率與噪聲功率之比2P/σ2比等功率分配少2 dB左右,比分配比例為0.4時(shí)少4 dB左右。

表2　分配比例隨2P/σ2的變化Table 2 Distribution ratio changes with 2P/σ2

圖6　誤比特率性能隨2P/σ2變化情況Fig.6 Bit error rate varies with 2P/σ2

4 結(jié) 論

針對礦井巷道下用戶間信道增益隨用戶位置變化的特性,提出了礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA自適應(yīng)功率分配方案。當(dāng)目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的總功率受限時(shí),目標(biāo)用戶和協(xié)作伙伴的功率分配比例隨目標(biāo)用戶位置和目標(biāo)用戶與協(xié)作伙伴發(fā)送總功率變化而變化,從而實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)用戶自適應(yīng)分配功率。蒙特卡洛仿真結(jié)果表明,礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MCCDMA采用所提出的自適應(yīng)功率分配方案可有效地改善信道條件較差目標(biāo)用戶的誤比特率性能,進(jìn)而有效地改善了礦井巷道時(shí)頻編碼協(xié)作MC-CDMA無線傳輸?shù)恼w性能,提高了系統(tǒng)的功率效率,也為進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功率創(chuàng)造了條件。

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Adaptive power allocation for time-frequency coded cooperation MC-CDMA system in mine roadway

XU Jing-jing,YANG Wei,ZHANG Lin-yuan

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

Abstract:The sum of transmission power of the target user and collaborative partner is a fixed value in the system.As the channel gains among target users,collaborative partner and base station vary with the changes of the location of users,the equal power allocation scheme between target user and collaborative partner for the time-frequency coded cooperation MC-CDMA may result in the waste of power resource.In order to make full use of the limited power and ensure the performance of wireless communication of target users,a SNR (signal-to-noise ratio) threshold at the target user,collaborative partner and base station was set up.It should be guaranteed that the received SNRs at the target user,collaborative partner and base station were larger than the threshold with the power distribution ratio ρ which was the power of target user to that of total power.The range of power distribution ratio for the time-frequency coded cooperation MC-CDMA was deduced,and the median value of the range was taken as the ratio between target user and collaborative partner.Since the power distribution ratio varies with the total power and average channel gain,the power of target user and collaborative partner can be allocated dynamically to achieve the adaptive allocation of power.Simula-book=1970,ebook=265tion results show that,whether the position of target user changes or the total power changes,the BER (bit error rate) performance of target user for the coded cooperation MC-CDMA is improved significantly with the proposed adaptive power allocation scheme compared with the equal power allocation scheme.

Key words:mine tunnels;coded cooperation;multiple carrier-code division multiple access (MC-CDMA);adaptive power allocation

通訊作者:楊 維(1964—), 男,北京人,教授。Tel:010-51682162,E-mail:wyang@ bjtu.edu.cn

作者簡介:許晶晶(1990—),女,河北邢臺人,碩士研究生。Tel:010-51466854,E-mail:13120150@ bjtu.edu.cn。

基金項(xiàng)目: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)

收稿日期:2014-10-20

中圖分類號:TD655

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1969-08