矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配128

1矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配许晶晶，杨维，张琳园（北京交通大学电子信息工程学院，北京100044）摘要：矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输可有效改善矿井巷道中用户的无线通信性能。矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输当目标用户与协作伙伴的发送功率之和为定值时，因目标用户、协作伙伴与基站间的信道增益会随用户位置变化而变化，在目标用户和协作伙伴间采用等功率分配方案会造成功率资源的浪费。为充分利用有限的功率，保证目标用户的无线通信性能，在目标用户、协作伙伴和基站处设置接收信噪比门限，目标用户功率对总功率的功率分配比例ρ需满足目标用户、协作伙伴和基站接收的信噪比高于该接收信噪比门限。推导出了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA功率分配比例范围，并取分配比例范围的中间值作为目标用户与协作伙伴之间的功率分配比例。推导结果显示，功率分配比例随总功率和平均信道增益变化而变化，从而在用户位置改变或总功率变化时能动态地为目标用户和协作伙伴分配功率，实现了功率的自适应分配。仿真结果表明，与等功率分配方案及其他自适应功率分配方案相比，无论是目标用户位置变化还是总功率变化，采用所提出的自适应功率分配方案显著地减小了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA目标用户误比特率性能。关键词：矿井巷道；编码协作；多载波码分多址；自适应功率分配中图分类号：TD65+5文献标识码：AAdaptivepowerallocationfortime-frequencycodedcooperationMC-CDMAsysteminminetunnelXUJingjing,YANGWei,ZHANGLinyuan(SchoolofElectronicandInformationEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:Time-frequencycodedcooperationMC-CDMAimprovestheperformanceofwirelesstransmissionofminetunneleffectively.Thesumoftransmissionpowerofthetargetuserandcollaborativepartnerisafixedvalueinthesystem.Asthechannelgainsamongtargetuser,collaborativepartnerandbasestationvarywiththechangesofthelocationofusers,theequalpowerallocationschemebetweentargetuserandcollaborativepartnerforthetime-frequencycodedcooperationMC-CDMAmayresultinthewasteofpowerresource.Inordertomakefulluseofthelimitedpowerandensuretheperformanceofwirelesscommunicationoftargetusers,aSNR(signal-to-noiseratio)thresholdatthetargetuser,collaborativepartnerandbasestationissetup.ItshouldbeguaranteedthatthereceivedSNRsatthetargetuser,collaborativepartnerandbasestationarelargerthanthethresholdwiththepowerdistributionratioρwhichisthepoweroftargetusertothatoftotalpower.Therangeofpowerdistributionratioforthetime-frequencycodedcooperationMC-CDMAisdeduced,andthemedianvalueoftherangeistakenastheratiobetweentargetuserandcollaborativepartner.Sincethepowerdistributionratiovarieswiththetotalpowerandaveragechannelgain,thepoweroftargetuserandcollaborativepartnercanbeallocateddynamicallytoachievetheadaptiveallocationofpower.Simulationresultsshowthat,whetherthepositionoftargetuserchangesorthetotal2powerchanges,theBER(biterrorrate)performanceoftargetuserforthecodedcooperationMC-CDMAisimprovedsignificantlywiththeproposedadaptivepowerallocationschemecomparedwiththatwithequalpowerallocationschemeandotheradaptivepowerallocationscheme..Keywords:minetunnels;codedcooperation;multiplecarrier-codedivisionmultipleaccess(MC-CDMA);adaptivepowerallocation*收稿日期：XXXX－XX－XX基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题（2013BAK06B03）；国家自然科学基金项目（51274018）作者简介：许晶晶（1990-），女，河北邢台人，硕士研究生。Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]通讯作者：杨维（1964-），男，汉，北京市人，教授，IEEE会员。Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]3矿井巷道时频编码协作MC-CDMA(MultipleCarrier-CodeDivisionMultipleAccess,多载波码分多址)无线传输可充分利用矿井巷道中开放的空时频资源来提高用户抗多径衰落能力，通过时频编码协作同时获取空间分集增益和编码增益，减小了基站与用户无线传输对信道状况变化的敏感度，从而有效地提高了矿井无线通信系统的鲁棒性[1]-[4]。矿井巷道时刻受到瓦斯等易燃易爆有害气体的威胁，矿井巷道中的无线通信系统必然为功率受限系统，提高矿井巷道中无线传输设备的功率效率，可进一步降低无线设备的发射功率，避免无线设备可能引起的易燃易爆等有害气体爆炸，杜绝事故的发生。对于功率受限系统，目标用户和协作伙伴的功率分配会影响无线系统的误比特率及中断概率等[5,6]。如文献[7]提出了在瑞利衰落信道下，每个时间周期目标用户和协作伙伴的总功率为定值，第1时隙按固定比例为目标用户分配功率，第2时隙目标用户及其协作伙伴平分剩余功率的功率分配策略，实现了中断概率的最小化。矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配是在目标用户和协作伙伴总功率为定值时或目标用户在矿井巷道中的位置变化时基站动态地为目标用户和协作伙伴分配功率来保证信道状况较差的目标用户的无线通信性能。为使目标用户解码后的误比特率性能满足一定的要求，提出在目标用户、协作伙伴及基站处设置接收信噪比门限，当目标用户和协作伙伴各自分得的功率使对方接收到信号的信噪比高于该信噪比门限时，目标用户和协作伙伴可相互正确解码实现相互协作[8]。基站在合并第一时隙目标用户和第二时隙协作伙伴两个独立衰落信道传输的信号后的信噪比高于该门限时可正确解码目标用户的信息[9]。基于这一策略，推导出了在矿井巷道信道下目标用户功率/总功率的功率分配比例ρ的范围，选取功率分配比例范围两边界的中间值作为目标用户与协作伙伴之间的功率分配比例，实现了基站根据目标用户在矿井巷道中的位置或目标用户和协作伙伴总功率的变化自适应地为目标用户和协作伙伴分配功率，进一步改善了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统无线传输性能，提高了系统的功率效率，也为进一步降低系统的功率创造了条件。1矿井MC-CDMA编码协作系统1.1系统模型图1(a)是矿井巷道的信道模型，将矿井巷道等效为宽2a，高2b，长D的长方体，为便于分析，假设基站位于所考虑小区巷道的中部，以长方体中心为坐标原点建立直角坐标系。假设系统中有N个用户随机地分布在矿井巷道中，各用户之间和各用户到基站之间的信道相互独立[9]，基站可利用RSSI等定位方法得到目标用户的位置信息。图1(b)(c)分别为一个周期的两个时隙目标用户和协作伙伴的传输情况。D2b2ayxz基站协作伙伴p目标用户s,sdh,pdh,sph,pshyxz基站协作伙伴p目标用户s110.5sPx110.5sPxyxz基站协作伙伴p目标用户s210.5pPx120.5pPx120.5pPx220.5sPx(a)矿井巷道模型(c)第二时隙传输(b)第一时隙传输图1系统模型Fig.1Systemmodel图2(a)和图2(b)分别是矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配发射机和接收机框图，基站和各移动用户均为单天线，且收发双方均已知信道状态信息[10]。图2(a)中Vs1和Vp1分别为目标用户和协作伙伴的原始分组比特流经过BPSK调制、加CRC校验位和卷积编码后形成信道编码帧，分别作为目标用户与协作伙伴信道码的第一部分，用于第一时隙的传输；再对第一部分的信道码Vs1和Vp1进行时频编码形成目标用户和协作伙伴信道码的第二部分Vs2和Vp2，用于第二时隙的传输。信道码Vst和Vpt(t=1,2)经MC-CDMA调制后所得信号xst和xpt经自适应功率分配后由天线进行信号发射。在图2(b)自适应功率分配接收框图中，目标用户和协作伙伴接收时，目标用户和协作伙伴对所接收到的信号yp,s1和ys,p1进行MC-CDMA解调得到协作伙伴和目标用户对应信道编码帧的估计值1pV和1sV；在基站接收时，基站对第一时隙接收到的信号4与第二时隙接收到的信号进行等增益合并所得信号yd进行MC-CDMA解调，得到对应信道编码帧的估计值1sV和1pV。串并转换11spVV或22spVV或11,,sppsyy或dy(a)MC-CDMA自适应功率分配发射机(b)MC-CDMA自适应功率分配接收机复制复制复制扩频支路1扩频支路NS扩频支路2IFFT变换加保护间隔并串转换11spxx或22spxx或自适应功率分配天线天线串并转换去保护间隔FFT变换正交恢复合并2正交恢复合并1正交恢复合并NS并串转换1sV1pV图2自适应功率分配MC-CDMA发射机和接收机Fig.2MC-CDMAadaptivepowerallocationtransmitterandreceiver1.2信道模型矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统自适应功率分配需基于目标用户、协作伙伴和基站间的信道增益，而信道增益取决于矿井巷道中电磁波传播特性。矿井巷道信道模型可采用由几何光学（GeometricalOptical，GO）模型和波导(Waveguide)模型组成的混合模型[12]，所以矿井巷道信道模型相当于具有多个模式的波导模型。利用边界条件解波导的麦克斯韦方程，可以得到电磁场分布的多个解，每个解对应于一个传播模式(m,n)，m和n为模式阶数，分别表示电磁波经巷道垂直墙壁和水平墙壁反射的次数，m、n越大传播模式的阶数越高。每种传播模式的场强分布、衰减系数及相移系数分别为[11])2cos()2sin(~),(,yxeignnmybnxamyxE(1)11Re)2(11Re)2(