矿井巷道时频编码协作MC-CDMA伙伴选择与子载波分配

张琳园,杨 维

(北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA伙伴选择与子载波分配

张琳园,杨 维

(北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)

针对矿井巷道的带状结构特点,提出一种基于基站瞬时接收信噪比和用户位置的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输协作伙伴选择策略,由基站为信道状况较差的用户选择协作伙伴。由于相邻子载波信道的相关性较大,为扩频支路分配相邻的子载波,可能会导致矿井MCCDMA一些扩频支路传输质量偏低,影响无线传输的性能。为此,提出了一种为矿井MC-CDMA每个扩频支路按固定间隔分配离散子载波的次优子载波轮转分配算法。在次优分配方案中,不考虑各子载波瞬时信道增益,可简化按用户各子载波瞬时信道状况分配子载波的最优子载波分配算法。仿真结果表明,采用所提出的协作伙伴选择策略以及子载波分配算法显著提高了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输用户的信道容量和误码率性能,增强了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输系统信道容量的鲁棒性和通信的可靠性。

矿井巷道;编码协作;多载波码分多址;协作伙伴选择;子载波分配

为充分利用矿井巷道开放的频率资源[1-2],文献[3]提出在上行链路采用协作分集的多载波码分多址(multiple carrier-code division multiple access,MCCDMA)无线传输方案。该传输方案既可以克服多径衰落严重对矿井巷道无线传输造成不利的影响,又可以通过为与基站间信道状况较差用户寻找一个与基站间信道状况较好的协作伙伴,显著提高信道状况较差用户的信道容量和误码率性能。这样就不会因为用户移动到信道状况较差的地点,而导致基站与用户间的信道容量衰减过大、通信质量很差甚至通信中断等情况的发生。因此,该传输方案可以减小基站与用户无线传输对信道状况变化的敏感度[4-5],从而可保证用户高速、高可靠性的无线数据传输[6-7]。

协作分集的一个关键问题是如何从小区内其他用户中为与基站间信道状况较差的目标用户选择协作伙伴[8]。协作伙伴的选择要综合考虑基站与小区内其他用户及目标用户与小区内其他用户之间的信道状况,如文献[9-10]。文献[9]提出了两种协作伙伴选择方案。一种是对用户间平均接收信噪比设置一个门限值,使目标用户接收到的平均信噪比大于该门限值的用户即为目标用户的邻近用户。目标用户再从邻近用户中选取使目的节点接收到的平均信噪比最大的用户为协作伙伴。另一种是基于用户间瞬时接收信噪比确定协作伙伴备选组,然后目标用户从中选择使目的节点接收到的瞬时信噪比最大的用户为协作伙伴。文献[10]提出基于用户间瞬时接收信噪比寻找协作伙伴备选组,再从中随机或按优先级选取协作伙伴的方案。

文献[9-10]都是针对无线自组网或无线传感网的分布式协作伙伴选择策略。对于蜂窝网络,由于基站具有强大处理的能力,适宜采用集中式选择策略,由基站为与基站间的信道状况较差的用户分配一个与基站间的信道状况较好的协作伙伴。如文献[11]提出了一种针对蜂窝网络的集中式协作伙伴选择方案,基站首先为各用户随机分配协作伙伴,然后基于基站与用户之间以及各用户之间信道信息计算所有用户的平均中断概率,并尝试为各个用户交换协作伙伴使得平均中断概率最小。该方案要经过多次计算才能得到最终的分配方案,算法复杂度很高。

煤矿井下巷道为典型的带状结构,用户之间的信道状况与用户之间的距离有很大的相关性[3,12]。这样,基站可以基于用户的位置信息对用户之间的信道状况进行度量,基于接收到用户的瞬时信噪比对自身与用户间的信道状况进行判断。为此,提出了一种基于基站接收到用户的瞬时信噪比和用户位置信息,由基站为信道状况较差用户动态分配协作伙伴的策略,可保证基站与用户间的信道容量和误码率不会因基站与用户间信道状况变化而剧烈波动。

为克服矿井巷道多径衰落严重,文献[3]采用了MC-CDMA无线传输方案。在任一传输时刻,MCCDMA一个扩频支路对应一个传输符号,即扩频支路各子载波承载的信息相同。由于矿井巷道各子载波信道状况与子载波频率有很大的相关性[3,12],相邻子载波信道状况的相关性较大。为扩频支路分配相邻的子载波,当扩频支路分得的相邻子载波信道状况同时较差时,该扩频支路的传输质量会偏低,影响系统的信道容量和总体误码率性能,造成木桶效应。

为平衡各扩频支路的传输能力,提高用户信道容量,解决相邻子载波信道状况相关性较大,可能出现通信质量下降的问题,提出为每个扩频支路按固定间隔分配离散子载波的次优子载波轮转分配算法,来提高矿井巷道无线传输的质量。

1 系统模型

图1为矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线通信系统[3]。假设将矿井巷道等价成如图1所示宽为2a,高为2b的长方体,巷道长度为L,巷道中随机分布有N个用户,基站位于巷道中部。以巷道中心点为原点建立笛卡尔坐标系。基站已知其小区范围内所有用户的位置信息,如用户位于其哪一侧以及距离信息等。所有用户都有数据要发[11,13],收发双方均已知信道的状态信息。

考虑目标用户在图1中基站右侧,并向远离基站的方向移动。图1(a)给出了当基站与目标用户间的信道状况较好时,目标用户不需要基站分配协作伙伴的情况。图1(b)给出了当基站与目标用户间的信道状况较差时,基站按一定规则为其分配一个与基站间信道状况较好协作伙伴的情况。图1(c)给出了当基站与目标用户间的信道状况较差时,由于矿井巷道内随机分布的用户太少,基站未能成功为目标用户分配与基站间信道状况较好协作伙伴的情况。

图1 系统模型Fig．1 The model of system

图2给出了目标用户传输数据时,首先将数据进行时频编码,然后在第1个时间周期传输自身时频编码码字的第1部分,在第2个时间周期传输协作伙伴或自身码字的第2部分。图2(a)给出了目标用户如图1(a)和图1(c)所示,没有协作伙伴时,在第1,2时间周期分别传输自身码字第1,2部分的情况。图2(b)给出了目标用户如图1(b)所示,成功分得协作伙伴,与协作伙伴正常协作时,在第1个时间周期传输自身码字的第1部分,在第2个时间周期传输其协作伙伴码字第2部分的情况。

图2 时频编码与时频编码协作Fig．2 Time-frequency coding only and with coded cooperative

基站或协作伙伴接收时,对MC-CDMA携带同一符号子载波上的信号进行正交恢复合并或最大比值合并,得到所传输各符号的估计值。前者适用于用户较多,多址干扰较强的情况;后者适用于用户较少,加性噪声影响占主导的情况[14]。

2 协作伙伴选择策略

2.1 选择依据

针对图1(b)和(c)基站与目标用户间信道状况较差的情况,在为目标用户从小区其他用户中选择协作伙伴时,要综合考虑基站与小区其他用户之间的信道状况以及目标用户与小区其他用户之间的信道状况。前者决定协作分集的效果,而后者则决定协作能否正常进行。例如,当图1(b)中目标用户与协作伙伴间的信道状况太差,导致协作伙伴不能成功译码目标用户码字的第1部分时,协作伙伴在第2个时间周期会发送自身码字第2部分[15]。这样,协作将无法正常进行,也就无法通过协作提高目标用户的信道容量和误码率性能。

对于图1给出的矿井巷道带状结构,基站可根据接收到用户的瞬时信噪比,判断自身与各用户间的信道状况。然而,由于用户数目及所处位置的随机性,基站很难获知各用户之间的瞬时接收信噪比。因而,基站难以利用各用户之间的瞬时接收信噪比判断各用户之间的信道状况。但对带状结构的煤矿井下巷道而言,用户之间的信道状况通常决定于用户之间的距离[3,12],为此提出了基站基于用户位置信息对用户之间信道状况进行度量的策略。这样,基站就可以基于接收到用户的瞬时信噪比和用户位置信息,动态为与基站间信道状况较差的用户选择一个与基站间信道状况较好的用户作为协作伙伴来保证通信质量。

2.2 选择策略

基于上述选择依据的矿井巷道协作无线传输集中式协作伙伴选择策略的具体步骤如下：

(1)对基站接收到用户的瞬时信噪比设置一个门限值η。

(2)当基站接收到用户的瞬时信噪比大于门限值η时,该用户进入协作伙伴备选组,如图1中椭圆内的用户;当基站接收到用户的瞬时信噪比小于门限值η时,需要基站为其选择协作伙伴,如图1中椭圆外的用户。

(3)对于图1中椭圆外需要分配协作伙伴的用户,基站根据用户位置信息,从协作伙伴备选组为该用户选择一个距其最近的用户,作为其协作伙伴。

3 子载波分配算法

矿井巷道MC-CDMA不同子载波对应的信道状况不同,MC-CDMA扩频支路子载波分配算法对系统性能具有重要影响。

图3给出了扩频支路子载波的连续分配算法,图中Nc表示MC-CDMA子载波总数Nc=PG;P表示扩频支路总数;G表示扩频增益。在任一传输时刻,一个扩频支路对应一个传输符号。在图3扩频支路子载波连续分配的情况下,任一扩频支路p将分得G个相邻的子载波(p-1)G+1,(p-1)G+2,…,(p-1)G+G,1≤p≤P。

图3 扩频支路子载波连续分配Fig．3 Subcarrier contiguous allocation for spread branches

矿井巷道MC-CDMA相邻子载波信道状况的相关性较大,它们可能同时较好或较差。为扩频支路连续分配子载波,当扩频支路分得的相邻子载波信道状况同时较差时,会导致一些扩频支路传输质量偏低。根据文献[3]信道容量公式,用户信道容量是由最差扩频支路对应的信道容量决定的,传输质量偏低的扩频支路会带低用户的总体信道容量,因而连续分配此时会造成木桶效应。

针对连续分配可能会导致个别扩频支路传输质量偏低,带低用户总体信道容量的问题,为平衡各扩频支路的传输能力,提高用户的信道容量,可以根据各子载波瞬时信道状况,动态为MC-CDMA各扩频支路分配子载波。通过动态分配,可以把信道状况较差的相邻子载波离散开,即分配给不同的扩频支路。这样,就使得各扩频支路子载波的衰落状况均衡化,避免个别扩频支路带低用户总体信道容量的问题。

但是,由于基站与不同用户间的无线信道状况不同,不同用户MC-CDMA子载波的相对衰落程度不同。与其他子载波相比,同一个子载波对一个用户来说信道状况是较好的,但对另一个用户来说信道状况可能是较差的。为保护矿井巷道MC-CDMA无线传输系统用户间的正交性,不同用户扩频支路子载波的分配要相同。要为系统找到最优子载波分配方案,不仅计算量大,成本高,还可能无法找到闭合解。

为此,提出一种不依据各子载波瞬时信道增益,为每个扩频支路按固定间隔分配离散子载波的次优子载波轮转分配算法。算法具有简单、实用的特点。图4给出了轮转分配的具体步骤：

(1)将图4(a)中的MC-CDMA子载波1,…,子载波Nc按顺序分成G组,每组有P个子载波。如图4(b)所示,第1组为子载波1,…,子载波P;第2组为子载波P+1,…,子载波2P;…第G组为子载波(G-1)P+1,…,子载波GP。

(2)对步骤1分好的G组子载波,将各组中第1个子载波分配给用户1,…,第P个子载波分配给用户P。这样,得到了图4(c)任一扩频支路p分得p, P+p,…,(G-1)P+p等G个离散子载波,1≤p≤P。

图4 扩频支路子载波轮转分配Fig．4 Subcarrier rotary allocation for spread branches

对比图4的子载波轮转分配与图3的子载波连续分配,可以看出,前者将矿井巷道MC-CDMA相邻的子载波分配给不同的扩频支路,这样就避免了相邻子载波的信道状况同时较差时,分得这些子载波的某一扩频支路传输质量偏低,带低用户总体信道容量的问题。

4 仿真结果与分析

采用所提出的协作伙伴选择策略与扩频支路子载波分配算法,对矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输系统的信道容量进行了计算,对系统的误比特率进行蒙特卡洛仿真。如图1所示,假设巷道宽度2a为10 m,高度2b为6 m,基站和用户移动台均处于巷道1/4轴线上,则基站在矿井巷道笛卡尔坐标系中的坐标为(2．5,1．5,0),各移动台的坐标为(2．5, -1．5,z),z为移动台距原点或基站的轴向距离。巷道长度L为1 200 m,这决定了目标用户在基站右侧,并向远离基站方向移动时的最大轴向移动距离为600 m。瞬时接收信噪比的门限值η为35 dB,各扩频支路子载波上的信息采用正交恢复合并,其他仿真参数详见文献[3]的表1。

图5,6分别给出了当巷道小区中随机分布的用户数分别取120个和24个,采用所提出的协作伙伴选择策略,目标用户在基站右侧并向远离基站的方向移动时,传输方式、信道容量及误比特率随目标用户距基站距离即目标用户z坐标的变化情况。传输方式描述的是目标用户是否与其他用户协作传输信息。当目标用户如图1(a)所示,与基站间的瞬时接收信噪比大于门限值η,不需要协作伙伴时,采用图2(a)的传输方式,用0表示;当目标用户如图1(b)所示,与基站间的瞬时接收信噪比小于门限值η,并成功分得协作伙伴时,采用图2(b)的传输方式,用1表示。

图5 巷道中随机分布有120个用户的性能Fig．5 Performance with 120 users in tunnel

图6 巷道中随机分布有24个用户的性能Fig．6 Performance with 24 users in tunnel

从图5(a)和图6(a)以看出,当目标用户移动到距基站240 m的位置时,基站与目标用户间的信道状况开始变差,需要通过协作来提高基站与目标用户间的信道容量和误码率性能,即图5(a)和图6(a)当目标用户移动到距基站240 m以外的位置时,其传输方式主要是标号为“1”的协作传输。仅在部分位置,如距基站450 m的位置,由于与基站间距离虽较大,信道状况却较好,传输方式是标号为“0”的非协作传输。从图5(b)和图6(b)可以看出,通过采用所提出的协作伙伴选择算法,目标用户的信道容量一直保持在5 Mbps以上。而图5(c)和图6(c)则表明了除在极个别位置外,目标用户的误比特率一直趋于0。可见,所提出的协作伙伴选择策略简单、有效,保证了基站与目标用户间的信道容量和误比特率不会因目标用户移动到距基站较远的位置,与基站间的信道状况变差而产生剧烈的波动。从而有效保证了目标用户信道容量的鲁棒性和通信的可靠性。

从图5,6还可以看出,矿井巷道中随机分布的用户数无论是120个还是24个,对该协作伙伴选择策略有效性的影响不大。原因在于,只有在巷道中用户非常少时才会出现图1(c)目标用户需要协作伙伴,却分配不到的情况。

为考察所提出扩频支路子载波轮转分配方案的性能,将目标用户和协作伙伴的z坐标分别取为200和100,子载波间隔取为35 kHz,在分别采用子载波连续分配与子载波轮转分配的情况下,对基站与目标用户及协作伙伴间的信道容量和误码率进行了仿真计算。

图7,8分别给出了当扩频支路各子载波上的信息分别采用最大比值合并和正交恢复合并时,扩频支路子载波采用简单的连续分配与轮转分配目标用户及其协作伙伴到基站的信道容量及误码率随发射信噪比变化情况的对比。从图7可以看出,当扩频支路各子载波上的信息采用最大比值合并时,与连续分配相比采用轮转分配在相同发射信噪比下,信道容量提高了2 Mbps;在相同误码率下,发射信噪比降低了1 dB。从图8可以看出,当扩频支路各子载波上的信息采用正交恢复合并时,在相同发射信噪比下,与连续分配相比采用轮转分配信道容量提高了1．25 Mbps,误码率状况基本相同。

因此,无论扩频支路各子载波上的信号采用最大比值合并还是正交恢复合并,在相同发射信噪比下,与连续分配相比采用轮转分配对信道容量都有明显提升。

5 结 论

图7 最大比值合并对应子载波分配性能对比Fig．7 Performance comparison of two subcarrier allocation protocol with maximal ratio combining

图8 正交恢复合并对应子载波分配性能对比Fig．8 Performance comparison of two subcarrier allocation protocol with orthogonality restoring combining

(1)针对矿井巷道的带状结构特点,提出了一种基于基站瞬时接收信噪比和用户位置的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输协作伙伴选择策略。通过对目标用户信道容量的计算以及对其误比特率的蒙特卡洛仿真,可以看出采用所提出的协作伙伴选择策略,保证了基站与目标用户间的信道容量和误比特率不会因目标用户移动到距基站较远的位置即与基站间的信道状况变差而产生剧烈的波动。

(2)为解决矿井巷道相邻子载波的相关性较大,为扩频支路分配相邻的子载波,可能会导致MC-CDMA一些扩频支路传输质量偏低,影响系统性能的问题,提出了一种为每个扩频支路按固定间隔分配离散子载波的次优子载波轮转分配算法。仿真结构表明,在相同发射信噪比下,与连续分配相比采用所提出的子载波分配算法可以明显提升用户的信道容量。

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Partner selection and subcarrier allocation of time-frequency coded cooperation MC-CDMA in mine tunnel

ZHANG Lin-yuan,YANG Wei

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

In terms of the banded structure of underground mine roadways,a cooperative partner selection protocol was proposed for time-frequency coded cooperation MC-CDMA wireless transmission,which is based on the instantaneous signal to noise ratio(SNR)

by base station(BS)and the location of users,and the cooperative partner selected by BS．Due to the channel relativity for neighboring subcarrier,it may cause reduced transmission quality for some spread branches of mine MC-CDMA to allocate subcarrier contiguously,which will affect the performance of wireless transmission．Therefore,a suboptimal subcarrier allocation scheme called subcarrier rotary allocation was proposed,which allocates discrete subcarrier to spread branches with fixed interval．Since the subcarrier’s instantaneous channel condition was not taken into account in the suboptimum scheme,it was much simpler than the optimal protocol which allocates subcarrier according to the instantaneous channel condition of subcarrier．Simulation results show that the channel capacity and bit error rate(BER)performance of users are improved significantly with the proposed cooperative partner selection protocol and the subcarrier allocation scheme for the time-frequency coded cooperation MC-CDMA wireless transmission．In this way,the robustness of channel capacity and the reliability of underground wireless communication are enhanced significantly．

mine roadway;coded cooperation;multiple carrier-code division multiple access(MC-CDMA);cooperative partner selection;subcarrier allocation

TD655

A

0253-9993(2014)10-2141-06

2013-10-09 责任编辑：许书阁

张琳园(1990—),女,山东邹城人,硕士研究生。Tel：010-51466854,E-mail：12120182@bjtu．edu．cn。通讯作者：杨 维(1964—),男,北京人,教授。Tel：010-51682162,E-mail：wyang@bjtu．edu．cn

张琳园,杨 维．矿井巷道时频编码协作MC-CDMA伙伴选择与子载波分配[J]．煤炭学报,2014,39(10)：2141-2146．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1448

Zhang Linyuan,Yang Wei．Partner selection and subcarrier allocation of time-frequency coded cooperation MC-CDMA in mine tunnel[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2141-2146．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1448