（通信与信息系统专业论文）基于mbofdmuwb的井下多媒体传感器网络物理层自适应技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：多媒体无线传感器网络预计在煤矿井下无线监测中具有重要的应用价 值。m b o f d m u w b 作为一类典型的超宽带技术，具有速率高、功耗低、抗多径 时延等优势，十分适合煤矿井下传输环境的特点。为了提高多媒体无线传感器网 络在煤矿井下无线监测中的性能，本文研究了基于m b o f d m u w b 无线通信技 术的多媒体无线传感器网络在煤矿井下无线监测中所涉及的部分物理层关键技 术。 煤矿井下传输环境是一类典型的受限空间，复杂的多径传播造成了无线信道 的频率选择性衰落。自适应技术能够充分利用无线信道的动态性，通过自适应地 改变系统的某些参数而达到性能优化的目的。本文针对煤矿井下无线信道动态变 化的背景，以提高系统性能为目的，从简单监测情况下单用户自适应调制和复杂 监测情况下多用户动态资源分配2 个方面进行了自适应技术的研究。 本文首先对m b o f d m - u w b 无线通信系统和几类典型的超宽带无线信道进 行分析和建模，并结合煤矿井下传输环境，选择i e e e 8 0 2 1 5 3 a 推荐的c m 3 模式 作为超宽带信号井下传输的信道模型。 针对简单的单用户监测情况，分析并实现了单用户m b o f d m u w b 自适应 调制系统。首先采用复杂度低的固定阈值算法，通过读图的方式分析出在c m 3 超 宽带信道及一定b e r 限定下的固定阈值，然后引入子载波分组的概念，分析了4 种不同的子带信噪比的计算方法，并从b e r 性能和吞吐量2 个方面进行比较分析。 仿真结果表明，任何一种自适应调制方式的系统性能均优于固定调制方式。 针对复杂的多用户监测情况，重点对多用户m b o f d m u w b 系统的动态资 源分配进行了分析和研究。首先深入分析了b a b s 、a c g 和r b s 等几种幅度自适 应分配算法，然后针对超宽带无线传感器网络的设备简单和能量受限等要求提出 了一种r b s 改进算法，仿真结果表明，r 1 3 s 改进算法具有较小的运算复杂度和总 功耗值，且b e r 性能与r b s 算法十分接近。 上述工作提高了基于m b o f d m u w b 无线通信技术的多媒体无线传感器网 络在煤矿井下无线监测中的性能。 本论文共有图3 3 幅，表9 幅，参考文献4 8 篇。 关键词：超宽带；无线传感器网络；自适应调制；动态资源分配 分类号：t d 6 5 + 5 1 3 ；t n 9 2 9 4 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：m u l t i m e d i aw i r e l e s ss e b s o rn e t w o r ki s p r o m i s e dt oh a v eg r e a t a p p l i c a t i o nv a l u ei nt h eu n d e r g r o u n dw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m m b o f d m u w b t e c h n i q u e ，a sat y p i c a lu l t r a - w i d e b a n dt e c h n i q u e ，i sa p p l i c a b l et ou n d e r g r o u n dc o a lm i n e f o rt h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲t r a n s m i s s i o nr a t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g h m u l t i p a t hr e s o l u t i o n t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h em u l t i m e d i aw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ki nt h em i n e ，t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e do ns o m ek e yp h y s i c a l l a y e rt e c h n i q u e so f t h em u l t i m e d i aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nt h eu n d e r g r o u n dw i r e l e s sm o n i t o r i n gb a s e d o nm b o f d m u w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e t h eu n d e r g r o u n dc o a lm i n ei sat y p i c a lc o n f i n e ds p a c ew h e r ec o m p l e xm u l t i p a t h p r o p a g a t i o nw i l l r e s u l ti n f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gi nt h ew i r e l e s sc h a n n e l 1 1 1 e a d a p t i v et e c h n i q u ec a l lt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s s c h a n n e lf o rp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nb yc h a n g i n gs o m ec h a n n e lp a r a m e t e r s ，a c c o r d i n g t ot h ed y n a m i cw i r e l e s sc h a n n e lo ft h eu n d e r g r o u n dc o a lm i n e ，t h ea d a p t i v et e c h n i q u ei s a n a l y z e df o rb e t t e rp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd i s c u s s e da d a p t i v em o d u l a t i o ni ns i n g l e u s e rs y s t e mf o rs i m p l em o n i t o r i n ge n v i r o n m e n ta n dd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o ni n m u l t i u s e rs y s t e mf o rt h ec o m p l e xm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t t h ew i r e l e s s s y s t e mo fm b o f d m u w ba n ds o m et y p i c a l u l t r a - w i d e b a n d w i r e l e s sc h a n n e l sa r ea n a l y z e da n dm o d e l e da tf i r s t ，a n dt h ec m 3m o d er e c o m m e n d e d b yi e e e8 0 2 1 5 3 ai sb r o u g h ti na st h eo p t i m u mp r o p a g a t i o nm o d e lo fc o a tm i n e c o n s i d e r i n gt h ep r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t a st ot h es i m p l em o n i t o r i n ge n v i r o n m e n to fs i n g l eu s e r , t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e d a n di m p l e m e n t e da d a p t i v em o d u l a t i o ni nm b o f d m u w bs y s t e m f i r s t l y , t h ef i x e d t h r e s h o l df o rag i v e nb e ra n dc h a n n e lm o d ec m 3w a so b t a i n e df r o mt h ef i g u r eb a s e d o i lt h ef i x e dt h r e s h o l da d a p t i v ea l g o r i t h mw i t hl o wc o m p l e x i t y t h e nt h eg r o u p e d - s u b - - c a r r i e ra l g o r i t h mw a sp r o p o s e d i n c l u d i n gf o u rs c h e m e st oc a l c u l a t et h es n ri ne a c h s u b b a n d a n dt h ep e r f o r m a n c eo fb e ra n dt h r o u g h p u tw e t ec o m p a r e d t h er e s u l to f s i m u l a t i o ns h o w e dt h a te v e r yk i n do fa d a p t i v em o d u l a t i o ns h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c e t h a nt h ef i x e dm o d eo n e w i mr e s p e c tt ot h ec o m p l e xm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n to fm u l t i - u s e r , t h i sp a p e r f o c u s e do nd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nm b o f d m - u w bs y s t e m f i r s t l y , s o m e a l g o r i t h mb a s e do na m p l i t u d ea d a p t a t i o no p t i m i z a t i o n ，n a m e l yb a b s ，a c ga n dr b s ， 垒呈! ! 坠婴 w e r ei n t r o d u c e d t h e nr b s i m p r o v e da l g o r i t h mw a sp r o p o s e dt om e e tt h ed e m a n d so f u l t r a - w i d e b a n dw i r e l e s ss c u s o fn e t w o r k ，s u c ha sl o w c o m p l e x i t ya n dp o w e rr e s t r i c t i o n a sp r e s e n t e da b o v e ，t h e p e r f o r m a n c eo fm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r ki nt h e u n d e r g r o u n dw i r e l e s sm o n i t o r i n gb a s e do nm b o f d m u w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e i si m p r o v e d t h i sp a p e ri n c l u d e s3 3f i g u r e s ，9t a b l e sa n d4 8r e f e r e n c e si na 1 1 k e yw o r d s ：u l t r a w i d e b a n d ；w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ；a d a p t i v em o d u l a t i o n ； d y n a m i cr e s o u r c e a l l o c a t i o n c l a s s n 0 ：t d 6 5 + 5 3 ：t n 9 2 9 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：型b 撕茬氐 签字日期：四年6 月i , k e i 导师躲锣牡 签字日期：p 叼年6 月f 阴 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：确崔过 签字日期：沙q 7 年月，胡 7 4 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来杨维老 师对我的关心和指导。 杨维教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向杨维老师表示衷心的谢意。 冯锡尘教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张德珍、周青青等同学对我的科研工作和论 文给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 生k 。 引言 1 引言 本章首先分析了煤矿井下监控环境的现状、多媒体传感器网络的必要性以及 超宽带无线电应用于多媒体传感器网络的优势和关键技术，然后阐述了自适应技 术在超宽带传感器网络中的重要意义和研究现状，最后介绍了本论文的主要研究 工作及章节安排。 1 1 选题背景 1 1 1 井下监控环境的现状 近年来，随着我国对煤炭需求的高速增长，煤炭工业得到了很大程度的发展， 但煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾难事故的有效控制。传统的煤矿 安全监控监测系统都是基于有线形式的，有线监控系统带来一系列的问题，包括 布线繁琐、覆盖范围有限、线路依赖性强等明显缺陷，如果遇到塌方、冒顶、火 灾甚至爆炸这些事故，现有的固定通信网络可能遭到破坏，仍然留在矿井中的人 员就会和外界失去联系，人员的位置和情况无法掌握，造成严重的人员伤亡。鉴 于有线监控系统的局限性以及煤矿井下通信环境的复杂性，业内相关学者提出了 一种基于无线传输方式的煤矿监控系统，该系统基于无线传感器网络，并与有线 系统的光纤或电缆结合使用，形成一种有线与无线监控系统相结合的、可同时实 现本地监控和远程监控的综合监控系统。 煤矿安全监控检测系统由传感器、井下分站、地面中心站和信道四部分组成， 它以甲烷、一氧化碳、湿度、温度、气压、风速、设备开停、负压等为检测对象， 是矿山安全生产调度的信息源，为调度指挥、统计和分析提供了基本数据。目前 业内相关学者已提出了多种针对井下瓦斯浓度的无线传感器网络检测体系，对煤 矿井下的安全生产起到了一定的保障作用。文献【4 3 】提出了基于一种层次型的煤矿 瓦斯无线传感器网络检测系统，文献j 针对井下瓦斯检测提出了一种网格型无线 传感器网络检测系统，实验证明两种结构的无线传感器网络对于煤矿井下瓦斯浓 度的检测均具有比较优秀的性能。 目前通用的煤矿安全监控检测系统所采集的环境数据是较为简单的瓦斯浓 度、温度、湿度等，其检测数据的显示基本上都是文本或者表格的形式，未能将 瓦斯浓度等信息与表示空间关系的电子矿图有效地结合起来。此时如果某一个检 测点检测到浓度超标等异常现象，调度人员很难快速地将其与空间地理位置对应 北京交通大学硕士学位论文 起来，这种时间上的拖延可能造成事故扩大等一系列十分危险的后果。同时，煤 矿井下的检测环境日益复杂，传统的传感器网络所获取的简单数据已不能满足人 们对环境检测的全面性需求，迫切需要将数据量大且内容丰富的音频、视频、图 像等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信 息的环境监测。因此，将更加全面、安全的多媒体传感器网络应用井下监控检测 系统具有十分重要的意义。 1 1 2 多媒体传感器网络的提出 多媒体传感器网络是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点 组成的分布式感知网络。一个典型的多媒体传感器网络通常由多媒体传感器节点、 汇聚节点和控制中心等构成【1 1 。多媒体传感器节点散布在指定的感知区域内，采 集的数据沿着其它多媒体传感器节点逐跳传送至汇聚节点，最后通过一定的通信 形式到达控制中心。用户通过控制中心对多媒体传感器网络进行配置和管理、发 布监测任务以及收集监测数据。 多媒体传感器网络主要应用于环境监控，以其直观、方便、信息内容丰富等 特点而广泛应用于军事、民用、商用等诸多领域，并具有广阔的发展前景。中国 科学院计算技术研究所【2 1 研究将一系列便携式、低成本、无线音频传感器节点配合 在矿工身上，在有线系统达不到的地方形成无线感知网络，由此实现井上与井下 语音信号的传输，随时了解工作位置、环境状况、工作进度等。由此可见，在井 下监控环境中引入多媒体传感器网络，借助多媒体传感器节点来感知所在周边环 境的音频、视频、图像等信息，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，汇 聚中心对监测数据进行分析，可以实现全面而有效地监测煤矿生产涉及的多系统、 长战线、综采设备、综掘设备、胶带运输、提升机、辅助运输、系统等，同时可 以对复杂的地质条件、矿山压力、瓦斯、一氧化碳、地下水及煤尘、排水、通风、 供电、供压等系统进行监控。 多媒体传感器网络除了具有无线传感器网络共有的资源受限、自组织结构、 多跳通信、动态性强等特点外，还具有显著的个性特点，具体表现为： ( 1 ) 网络能力增强。由于音频、视频以及图像等媒体信息具有较大的数据量， 多媒体传感器节点及网络能力( 采集、处理、存储、转发等) 显著增强，从而导致网 络带宽资源的增加； ( 2 ) 感知媒体丰富。多媒体传感器网络能够使视频、音频、图像等多种类型的 数据共存，以实现更加全面、准确的场景检测； ( 3 ) 处理任务复杂。多媒体传感器网络的媒体信息丰富且格式复杂，可以利用 2 引言 压缩、识别、融合等多种处理技术以满足多样化的应用需求。 综上所述，多媒体传感器网络具有低功耗、低成本、高速率等重要特征，而 传统的采用正弦载波的通信系统，由于其中频、射频等电路的复杂性而很难达到 无线传感器网络低功耗的要求，并且在实现高速率传输方面也具有一定的难度， 因而国内外相关学者纷纷致力于研究更加优秀的无线通信技术，以适应多媒体传 感器网络的技术要求。 1 1 3 超宽带技术应用于多媒体传感器网络 近年来，超宽带( u w b ) 技术作为短距离无线高速数据传输的一种方案已经引 起人们极大的关注。与传统的无线通信相比，u w b 技术通过发送一系列频谱宽度 高达几g h z 的短脉冲序列进行通信，具有极高的传输速率、极低的功耗和极强的 抗干扰、抗截获等特性。 2 0 0 2 年4 月f c c 公布了超宽带的使用频谱和功率限制，规定室内超宽带通信 的频谱范围为3 1 1 0 6 g h z 的7 5 0 0 m h z ，在该频段内绝对带宽大于5 0 0 m h z 或者 相对带宽超过0 2 的信号都称为超宽带信号。其通信方式主要可分为脉冲方式和载 波调制方式。后者是f c c 规定了u w b 通信的频谱使用范围和功率限制后产生的， 是目前u w b 无线通信系统的主要形式，主要包括两种提案：d s c d m a u w b 和 m b o f d m u w b ，这两个提案形成了u w b 标准的两大阵容，迄今为止，尚未实 现对u w b 标准的统一。 超宽带通信与传统通信技术具有重大的区别，由此带来其独特的优势： ( 1 ) 功耗低、干扰小 民用u w b 设备功率一般是传统移动电话的1 1o o 左右，在电池寿命和电磁辐 射上具有很大的优势；u w b 信号的干扰对于其他通信系统相当于宽带高斯白噪 声，进而能够保持u w b 系统与同频带现有窄带系统的良好共存性。 ( 2 ) 频带宽、传输速率高 超宽带信号具有几百m h z 至几g h z 的频带，且在相同作用范围内，超宽带 速率是8 0 2 1 1 b 系统的1 0 倍以上，而其平均功率仅为后者的1 1 0 , - - 1 1 0 0 。 ( 3 ) 定位精度高、多径分辨能力强 超宽带系统一般具有亚纳秒级的时间分辨率，相应的多径分辨率小于3 0 c m 。 而且实验表明，对常规无线电信号衰落1 0 - - 3 0 d b 的多径环境，对超宽带信号的衰 落最多5 d b 。 ( 4 ) 系统结构的实现比较简单、造价便宜 在工程实现上，超宽带只需要以一定的数学方式产生脉冲并进行调制，可将 3 北京交通人学硕士学位论文 相关电路集成到一个芯片上，因而设备的成本很低。 ( 5 ) 穿透能力强 在具有相同绝对带宽的无线信号中，超宽带信号的频率是最低的，因而具有 更强的穿透能力。 超宽带技术的上述种种优点，使其在无线通信方面具有巨大的潜力，一般适 用于高速无线通信( 速率大于1 0 0 m b p s ) 并且传输距离较近( 一般1 0 - 2 0 米) 的通信 环境，其应用范围包括成像系统、车辆雷达系统以及通信和测量系统等，集中体 现在通信和传感器、定位跟踪以及雷达三个方面。 与传统的正弦载波通信系统相比，超宽带技术具有传输速率高、功耗低、造 价便宜、抗多径干扰等优点。这些优点使得超宽带无线传输技术与多媒体无线传 感器网络形成天然的结合，基于超宽带技术的无线传感器网络的研究和开发得到 越来越广泛的关注。美国军方启动了“超宽带无线传感器网络 ，东南大学的宋淑 琴、徐平平在文献【4 6 】中对超宽带技术的传感器网络媒体接入控制进行了深入的研 究，北京邮电大学的费杰能、崔晓燕文献【4 刀设计了一种基于u w b 的自组织无线传 感器网络，中国科技大学无线网络通信实验室在文献【4 5 1 基于超宽带技术的无线传 感器网络进行了深入分析。国内外相关研究成果表明，将超宽带技术应用于多媒 体传感器网络，能够解决传统正弦载波通信方式在传感器网络中遇到若干问题， 具有特别明显的优势，超宽带多媒体传感器网络的研究和开发具有十分重要的意 义。 1 2 选题意义 将速率高、功耗低的超宽带技术引入多媒体传感器网络，可以更加有效地实 施井下环境的检测和信息的传输。然而井下环境的传播空间具有一定的限定性， 无线电波的传播特性比一般无线通信系统更加复杂，无线信道具有明显的时变性 和频率选择性特征，同时超宽带信号将经历更加严重的多径干扰和频率选择性衰 落，因而十分有必要采取相应的措施以抵消这种信道变化所造成的不利影响。 相关研究机构和学者给出了许多提高无线通信系统性能的技术，如m i m o 技 术、自适应调制以及动态资源分配技术等等【3 】【1 1 i 。自适应调制是一种根据无线信道 的衰落信息动态地改变调制方式的技术，保证系统在任何时刻都能达到容量最大 或者性能最佳，从而获得较高的频谱利用率和信息传输速率；动态资源分配是指 在多用户无线通信系统中，根据不同用户的信道衰落状况动态进行子载波、比特 和功率分配的过程。该类自适应技术能够充分利用无线信道衰落信息，实现无线 资源的优化分配，进而提高无线通信系统的整体性能。 4 引言 目前对传统移动通信系统自适应技术的研究已有较长时间的积累，尤其是 o f d m 系统自适应技术的研究，已得到国内外相关学者日益密切的关注，该方案 充分地利用了各个用户的瞬时信道状态信息，能够以牺牲一定的复杂度为代价更 好地改善系统的性能。而m b o f d m u w b 作为一类新兴的超宽带无线电技术， 由于其具有o f d m 系统的诸多特性和优点，在该系统实施自适应策略具有一定的 可行性。同时，超宽带技术在高速率、短距离无线通信方面具有巨大的潜力，而 且多媒体传感器网络在煤矿井下监控系统中的应用势在必行，因此超宽带传感器 网络中自适应技术的研究具有十分重要的科学意义和实用价值。 1 3 研究现状 针对超宽带无线信号室内传播的信道已有许多不同的模型，典型的为i e e e 8 0 2 1 5 3 a 推荐的基于簇的多径信道模型，该信道具有很强的时变性和频率选择 性。而煤矿井下通信环境作为一类典型的受限空间，由于巷道四壁的反射及折射 作用，具有十分严重的多径传播特性，从而导致频域上的频率选择性衰落，对于 划分为若干子信道的m b o f d m u w b 系统，这种频率选择性表现为不同子信道 对应于不同深度的衰落。如果通信系统的设计是依据最坏的信道情况而定，则对 于信道状态好的子载波会造成一定的浪费。因此，根据信道瞬时信道状态信息进 行动态调制及资源分配的自适应技术十分必要，这种自适应技术能够充分利用时 变且频率选择性的信道信息，使系统性能得到很大程度的提高。 无线自适应技术已在很多实际系统中得到应用。表1 1 列出目前移动通信系统 种主要的自适应技术。 表1 1 白适应技术分类及应用情况 t a b l e1 ls o r ta n da p p l i c a t i o no f a d a p t a t i o nt e c h n i q u e 类别技术名称实际应用系统 自适应接收技术自适应天线阵列t d s c d m a 自适应均衡g s m 、i s 1 3 6 自适应发送技术功率控制i s 9 5 、w c d m 魄、c d 【a 2 0 0 0 等 自适应调制g p r s 、c d m a 2 0 0 0 、8 0 2 1l a 等 自适应编码 同自适应调制( 一般结合使用) 可变扩频增益 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应发射天线分集 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应无线资源动态信道分配 p h s 、d e c t 管理技术 北京交通大学硕士学位论文 1 3 1 自适应调制技术 自适应调制技术的基本思想是动态地调整调制模式以充分利用瞬时信道状态 信息。通过自适应调制技术获得的性能提高是非常明显的，该技术已被广泛得认 定为无线通信系统中有效地提高系统性能的重要手段之一，并已在c d m a 2 0 0 0 、 w c d m a 的第三代移动通信标准中使用。 与传统的单载波系统相比，基于o f d m 的超宽带系统是由大量相互正交的子 载波对数据进行并行传输，而同一时刻各个子载波上的信道衰落却不尽相同。基 于o f d m 的自适应调制技术，是根据瞬时信道状态信息动态地调整各个子载波的 调制方式，对于信道状态好的子载波采用高阶的调制方式，从而提高传输能力； 而对于信道状态差的子载波，采用低阶的调制方式甚至不传输数据，从而满足一 定的可靠性要求。 目前为止，已存在多种针对o f d m 系统的自适应调制算法。主要分为四类： 固定阈值算法、子带b e r 预估计法、常吞吐量自适应算法和比特分配算法。 ( 1 ) 固定阈值算法 该算法是根据系统的误比特率限制，确定相应信道条件下的阈值集合。在下 一时隙传输时，通过比较瞬时信道状态信息与阈值集合，选择最佳的调制方式进 行数据传输。该类算法具有复杂度低、容易实施的优点。 ( 2 ) 子带b e r 预估计法 定义子带b e r 期望值为各个子载波误比特率的算术平均，在b e r 期望值小于 目标b e r 限定条件下，选择各个子载波对应的最高阶调制方式。该类算法一般复 杂度很高，但系统性能较好。 ( 3 ) 比特分配算法 该算法的依据是香农信道容量定理，具有速率最大化和功率最小化两类优化 目标，具有很高的算法复杂度。为降低复杂度， 4 1 提出了分块子载波分配算法，但 存在b e r 性能保证方面的缺陷。 ( 4 ) 常吞吐量自适应算法 在b e r 限定条件下选择最佳的调制方式使得系统吞吐量不变。该类算法适于 实时性要求高且吞吐量要求低的系统。 1 3 2 多用户系统的动态资源分配 对于多用户超宽带无线通信系统，可以采用t d m a 、f d m a 以及c d m a 的任 意一种多址接入策略，形成静态的资源分配方案【5 1 。静态资源分配方案实施简单， 6 引言 但信道利用率很低，预先设定的计划一旦确定，无法在时间和空间上动态地适应 业务量的波动。为克服该种缺陷，引入动态分配技术，可以根据无线信道瞬时的 质量状况自适应地对资源进行分配、调度和切换，以最大限度得满足业务质量要 求 6 1 。 动态资源分配包括子载波分配、比特分配和功率分配三部分。文献h o 4 1 1 ( 4 2 1 证 明了o f d m 系统中不同用户在各个子载波上的衰落是完全独立的，在某用户上衰 落程度较深的子载波对于其他用户来讲不一定处于深度衰落，实验表明，同一子 载波对所有用户都处于深度衰落的几率很小。根据信道瞬时状态信息为各用户进 行资源分配的动态资源分配技术应运而生，首先根据各个用户在不同子载波上的 衰落信息进行子载波分配，然后针对各个用户的信道状态信息进行比特分配，对 信道增益大的子载波分配较多的比特信息，进而分配较大的功率；而对于信道增 益小的子载波分配较少甚至不分配比特信息，相应的功率值也较小。 目前为止，常用的动态资源分配算法主要分为两类：一是余量自适应，即在 一定的数据速率和b e r 限定下使系统的总发射功率最小；二是速率自适应，即在 一定误比特率和功率限定下使系统的总传输速率最大。与此同时，1 1 0 给出了第三 种优化算法误码自适应，即在总数据速率和总发送功率限定下使得系统b e r 性能 最好。 目前存在许多针对o f d m 系统动态资源分配算法，其中有一些比较经典的， 例如： ( 1 ) a c g 动态子载波分配算法【1 2 】 该算法令每个子载波上信道增益最大的用户占用该子载波，一旦某用户分配 到的子载波数已经满足速率要求，将不再要求额外的子载波。其优化准则为在一 定的数据速率和b e r 限制条件下使系统的总发射功率最小。 ( 2 ) 注水功率分配算法 7 1 该算法主要运用注水原理来实现功率分配，在各种功率分配算法中，该算法 是最基本的形式。其优化准则为在一定误比特率和功率限制下使得系统的总传输 速率最大。 ( 3 ) f i s c h e r 算法i l o j f i s c h e r 算法的优化准则是在维持恒定传输速率和给定总发射功率前提下，使 得系统的误比特率达到最优。 ( 4 ) c h o w 算法1 9 】 c h o w 算法是根据各个子信道的信道容量进行比特分配的一种算法。其优化准 则为在一定误比特率限制的前提下使得系统的频谱利用率最优。 7 北京交通人学硕士学位论文 1 4 主要研究工作与论文组织结构 本文针对煤矿井下多媒体传感器网络的具体环境以及性能需求，深入分析了 基于o f d m 的超宽带无线通信系统m b o f d m u w b 。系统采用i e e e8 0 2 1 5 3 a 推荐的超宽带无线信道模型，对自适应技术在超宽带通信系统中的应用进行了深 入的研究。首先针对煤矿井下简单的监测环境，分析并实现了单用户自适应调制 系统，采用基于阈值的自适应调制算法，使得系统吞吐量达到最优；然后针对复 杂的监测环境，深入分析了多用户m b o f d m u w b 系统动态资源分配问题，对 几种经典的子载波分配算法进行研究，并提出一种复杂度更低且功耗更小的r b s 改进算法。最后，对本文选用的m b o f d m u w b 系统、自适应调制算法以及子 载波分配算法，通过m a t l a b 工具进行了仿真验证。 全文共分五章，结构安排如下： 第一章为综述。分析了煤矿井下监控环境的现状、多媒体传感器网络的必要 性以及超宽带无线电应用于多媒体传感器网络的优势和关键技术，同时阐述了自 适应技术在超宽带传感器网络中的重要意义和研究现状。 第二章深入分析了m b o f d m u w b 无线通信系统的基本原理以及典型的超 宽带信道模型，并对超宽带符号的产生和i e e e 8 0 2 1 5 3 a 推荐的4 种常用信道模型 进行仿真分析，结合超宽带无线信号在煤矿井下传输的具体特点，选择c m 3 超宽 带信道模式作为本文仿真的信道模型。 第三章为单用户自适应调制部分的研究。针对简单监测环境下的单用户 m b o f d m u w b 系统，采用复杂度低的基于阈值的自适应调制算法，在i e e e 8 0 2 1 5 3 a 推荐的c m 3 信道下对系统进行仿真分析，并得出了在一定目标误比特率 限制条件下的固定阈值；然后采用子载波分组的自适应调制策略，对4 种不同的 子带信噪比计算方案进行仿真比较和性能分析。 第四章为多用户自适应资源分配部分的研究。针对复杂监测环境下的多用户 m b o f d m u w b 系统，根据不同用户对应超宽带信道的衰落特性，重点进行动态 资源分配策略的研究。首先深入分析了b a b s 、a c g 和r b s 子载波分配算法，然 后以r b s 算法为基础，针对超宽带无线传感器网络的设备简单和能量受限等要求， 提出了一种复杂度低且能耗较小的r b s 改进算法，即采用子载波分组的策略以降 低运算复杂度，并分步执行子载波初始分配和子载波优化分配以降低系统功耗， 最后对几种不同的子载波分配算法进行仿真比较和性能分析。 第五章对全文进行总结，并对未来工作进行展望。 m b o f d m u w b 系统分析 2m b o f d m u w b 系统分析 面对煤矿生产矿难频发的现状，为解决煤矿井下安全生产问题，提高矿井监 测监控能力，井下多媒体传感器网络的研究引起了科研人员的密切关注。这种传 感器网络将信息丰富的图像、音频、视频等媒体引入到环境检测中来，对数据传 输提出高吞吐量、低功耗、短距离通信的要求。而超宽带无线电是最有潜力解决 上述问题的一项技术，超宽带无线通信技术在多媒体传感器网络中的应用将得到 越来越广泛的关注。 目前存在两种主要的超宽带无线通信系统体系：以c d m a 技术为基础的 d s c d m a u w b 和以o f d m 为基础的m b o f d m u w b ，二者在出现超宽带标准之 前将持续对抗【l2 1 。其中m b o f d m u w b 方案采用将整个频带划分为若干子频带的 方式，能够在小得多的带宽上处理信息，具有多载波调制的诸多优点，如：可以 有效地减少由于无线信道多径传播带来的i s i 、可以有效减小接收机的复杂度等。 因此，m b o f d m u w b 是一类十分适合多径传播环境的超宽带方案。 煤矿井下通信环境作为一类典型的受限空间，巷道四壁带来大量的折射和散 射路径，造成矿井巷道复杂的多径传播特点，由多径传播导致的时延扩展在频域 上可以看成频率选择性衰落。为了克服不同频率对应不同深度衰落的影响，自然 联想到将信道在频域上划分为若干子信道的思路，从而将宽带频率选择性信道划 分为窄带平坦衰落子信道。文献1 2 0 】通过深入分析煤矿井下信道环境和多载波调制 的特点，证实了o f d m 是一种十分适合煤矿井下通信环境的技术。 综上所述，m b o f d m u w b 方案具有o f d m 技术的基本特征，是一类十分适 合煤矿井下通信的超宽带技术。本章将重点分析m b o f d m u w b 方案的基本原理 和超宽带信道模型。 2 1m b o f d m u w b 系统方案 在基于o f d m 技术的u w b 方案中，应用最广泛的是m b o f d m u w b 方案。该 方案是由i n t e l 和t i 公司联合提出的，充分利用了o f d m 系统的优越特性，o f d m 超 宽带信号的产生方式与传统o f d m 系统类似，只是符号长度、循环前缀等具体参数 有所不同。在m b o f d m u w b 系统中，将可用的频带划分为多个子频带，每个 子频带的带宽大于5 0 0 m h z ，在各个子频带内分别进行o f d m 调制。o f d m 合成信 号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而实现在不同子带内的传输。 下面将分别介绍o f d m 系统原理、m b o f d m u w b 方案的理论基础以及符号 9 北京交通人学硕士学位论文 实现。 2 1 1o f d m 系统基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波调制( m c m ) 方式，其各个子载波之间均满足正交 关系，因而可以采用f f t 实现调制。近年来，大规模集成电路技术的发展使得f f t 的实现更加便捷，将继续推动o f d m 技术的发展及应用。 o f d m 的基本原理是将一个较宽的频带划分为若干个子频带，即将高速数据 流转化为一系列低速并行的数据流，通过一组子载波并行传输出去。如果各个子 载波所占带宽足够窄，它们将分别经历平坦衰落。而且，通过合理设定子载波之 间的频率间隔，使得o f d m 系统各个子载波之间频谱重叠且满足正交关系。o f d m 把信道划分为若干窄带子信道的另一个好处是可以根据各个子信道的衰落状况进 行动态的资源分配，达到系统性能的最优化。但o f d m 系统存在峰均功率比问题， 对发射机内放大器的线形要求较高。 下面将分别介绍o f d m 系统的调制解调原理、循环前缀和保护间隔以及o f d m 的动态资源分配技术。 lo f d m 系统调制与解调原理 o f d m 系统调制与解调原理如图2 1 所示。 一压一 t e x p ( j 2 x z t ) 串j 呻一 并 并 e x p ( j 2 x f 2 t )串 变变 换换 e x p ( j 2 7 以，) 叫圆一 一9 一酽expt-j上哪iirj 串 一9 酽 并 并 exp(一j2xf2t) 串 变 变 换 换 expt-j2xfnf)一扛圈一 图2 - lo f d m 系统调制与解调原理 f i g2 lt h ep r i n c i p l eo f m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no f o f d m 设n 表示信道个数，t 表示o f d m 符号的时间长度，4 ( i = l ，2 n ) 表示每个 子信道的数据符号，f 为第1 个子载波的载波频率，因而第i 个子载波的载波频率 可以表示为，= + i t 。 经过调制后的数据首先经过串并变换成为n 路，该n 路并行数据可以表示为 1 0 m b o f d m - u w b 系统分析 吐，畋，d u ) ，设数据从t = 开始计时，则此后的o f d m 符号表示为： 即) ：h 喜棚”一扣眦姒+ 扣) ) 吣雠呐( 2 - 。) 【0( t 丁+ ) 在多数文献中，一般采用复等效低通信号来描述o f d m 输出信号： 即) ：i 兰4 r e c ( 一三) e x p j 2 n ；( ) 】 ( t f + n ( 2 - 2 ) 【00 丁+ t ) 式( 2 2 ) 中的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量。在实际应 用的o f d m 系统中，可以将实部和虚部分别于相应子载波的余弦和正弦分量相乘， 构成最终子信道信号合成的o f d m 符号。 接收端对第p 个载波进行解调，并在长度为t 的时间内进行积分运算，可以 得到： o = 打7 e x 州2 万等( ) ) 喜4e x p 【伽扣似 = 吾喜4 卜x p ( 脚字( ) 渺 ( 2 3 ) = d p 根据式( 2 - 3 ) n - i 知，对第p 个子载波解调可以恢复出期望信号d 。，而对于其他子 载波来讲，在该积分间隔内的积分结果为零，这是o f d m 子载波正交性的时域解释。 该正交特性可以由式( 2 4 ) 表示： h ( 删e x p ( - j r o , , , 触= 器2 嚣( 2 - 4 ) 这种正交性也可以从频域解释，o f d m 信号子载波的频谱图如图2 2 所示。 由图2 2 可知，在某个子载波频谱值最大处，所有其他子载波对应子信道的频 谱值恰为零。因而可以从多个相互叠加的子信道符号频谱中提取每个信道符号， 而不受其他子信道的干扰。 o f d m 的一个优点是，对于n 比较大的系统可以用i d f t ( 离散傅里叶逆变换) 来实现o f d m 的等效基带信号。对式( 2 2 ) ，令t s = 0 ，扣k t n ( k = l ，2 ，) 得到 发送信号表达式： 啪) ：s ( k t n ) ：羔te x 吣譬) 1 七( 2 - 5