正交頻分復用系統的自適應調制技術優化在無線網絡中的應用

王維

（四川師范大學 信息中心 四川 成都 610000）

正交頻分復用系統的自適應調制技術優化在無線網絡中的應用

王維

（四川師范大學 信息中心 四川 成都 610000）

針對多模光纖高頻區深衰落點對正交頻分復用系統性能的影響，采用光信噪比門限的分配算法的自適應調制技術進行改進，通過算法與調制過程的實驗結果，得出：設計的算法有效地實現了自適應調制選擇，在信道特性較好時使用高階調制多傳信息，在出現的信道特性較差時降低調制階數少傳甚至不傳信息，減少了系統誤碼率。對比實驗表明：在相同誤碼率條件下，與不使用自適應調制技術的系統相比改進系統光信噪比要低2 dB左右；改進系統傳輸性能更好，實現更為簡單。將算法系統應用到火災報警當中，得出：多模光纖傳輸能夠有效的檢測能量損失及損耗點的大體位置，能夠準確實現火情的傳輸。這一研究對于我國無線網絡的發展有一定的實際意義。

無線網絡；多模光纖；結構工程；多模光纖；深衰落點

正交頻分復用 （OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）思想可以追溯到上世紀60年代，當時人們對多載波調制和解調做了很多理論上的探究，論證了在存在符號間干擾信道上采用多載波調制和解調可優化系統的傳輸性能[1-2]；1970年1月，有關OFDM的專利首次發表；進入上世紀90年代，伴隨著DSP處理技術以及集成電路技術的飛速發展，OFDM技術在高速傳輸領域受到了各國人員的廣泛關注。如今OFDM已經在歐洲數字音視頻廣播 （如DAB和DVB）、北美的高速無線局域網系統 （如HIPERLAN2、IEEE 802.11a）、高比特率數字用戶線（如ADSL、VDSL）和電力線載波通信（PLC）中得到了很好的應用[3-4]。進入了21世紀以后的最近6、7年[5-7]，OFDM技術與相干光檢測技術在無線網絡中不斷發揮著重要的重要，我國比較典型的有浙大、武漢光電以及電子科技大學團隊對相關進行進行了深入研究[8-11]。伴隨著CO-OFDM技術在MMF（多模光纖，Multi-Mode Fiber）無線系統的不斷發展人們發現存在以下問題：CO-OFDM技術并不能克服多模光纖高頻區存在的深衰落點對系統性能的影響[12-15]。且當子載波處在深衰落點區域情況下，其信道的傳輸誤碼率不斷提高。自適應調制技術（AM）是當前提高深衰落信道傳輸性能的應用的關鍵技術之一，其主要是通過對系統中的傳輸信道里面的各子信道的所有考慮因素進行綜合分析，自適應的優化改變各子載波的調制方式、發射功率、和傳輸比特數等性能，這樣可以導致使得信道的頻譜利用率不斷更高，且同時提高信道傳輸容量。基于上述背景，為了解決MMF系統出現的高頻區深衰落點對性能參數的影響，課題組基于對自適應算法的深入研究，在前人的基礎上，依據COOFDM多模光纖通信系統的性能參數要求，設計了一種優化的自適應調制算法，新算法能夠有效的改進和增強系統性能，實現MMF高頻區的深衰落點對系統性能的影響降低到最少。

1 優化的自適應的OFDM的系統設計

1.1 系統框架

圖1 自適應調制的OFDM系統的基本原理

圖1 為本文設計的自適應調制OFDM系統框圖，這里的發送端需要率先獲取各個子載波的信道狀態信息，通過接收端來做進行信道估計，并通過反饋信道的來通知系統的發送端，或者在時分多址TDD方式下，依據信道互易特性認定發送信道與接收信道的特性是完全一致。而后發送端依據一定相應算法來確定各個子載波分配的比特數以及功率分配（即調制方式），進而將數據比特進行相應星座點映射，同時也把功率分配加載到子載波上，隨后再進行IFFT變換，并串變換（P/S）和添加循環前綴（CP）。其次各子載波調制方式作為信令信息也將同時發送，接收端需要先進行OFDM解調，即去掉CP，串并變換（S/P）和FFT。最后依據信息對子載波實現解調實現數據信息反饋回反饋端口。

1.2 自適應算法設計

1.2.1 優化的調制技術

依據MMF系統的性能特性，需要設計實現一定頻率以及信息速率下的誤差率盡可能的降到最低，并且實現自適應算法的系統結構足夠簡單的基于光信噪比 Optical Signal Noise Ratio，OSNR）門限的分配算法的自適應調制技術。

自適應調制技術應用在CO-OFDM多模光纖通信系統采用的是MQAM星座圖，由圖中可以發現高階調制情況下抗噪聲能力明顯較弱，各比特數據之間的最短距離明顯較小，而在低階的調制情況則相反。從中我們可以發現，可以通過在OSNR較大的條件下進行提高調制階數 （常見的如16QAM，64QAM）。而在OSNR較小的條件下進行降低調制階數（常見的如BPSK，4QAM）實現盡可能少的信息傳輸，降低誤碼率，優化系統性能。

圖2 MQAM星座圖

1.2.2 調制過程

在一個基于子帶自適應調制的CO-OFDM系統中，已知一個OFDM符號中的子載波數為N，共分成k個子帶，子帶寬寬度為N/k。此時對于第i個子帶，通過OSNR門限分配算法得到確定調制級別mi（即第i個子帶中每個子載波上的比特數）。這樣系統可以對給定的帶寬效率E（每個子載波上的凈比特數），碼率r，滿足下列等式進行計算：

因為各子信道之間的OSNR存在相關性，所以只要子帶寬度小于信道的相干帶寬，基于子帶的自適應調制就不會比基于子載波的自適應調制有太大的性能損失。本文采用的調制方式如表1所示，可以通過以下表達式：

本文研究的AM-CO-OFDM系統共有4種備選的調制方式，分別為不傳輸、4QAM、16QAM和64QAM，分別對應的調制級別mi為0、2、4和6。

表1 采用不同調制方式的OSNR門限

這里設計的基于OSNR門限分配算法的子帶自適應調制技術，具體可以分為如下幾個步驟。

2 自適應調制的實驗驗證

2.1 實驗系統設計

本文設計的實驗系統如圖3所示。

2.2 測試系統的特性結果

在上述系統的仿真流程中，采用10 GS/s的模擬發生信號，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，采用自適應調制的子帶波數定為3，每個子載波通過OSNRmin實現自動調制，調制方式來源于以下自集合

仿真結果如圖4、5所示。其中圖4為系統兩偏振模信道在多模光纖中傳輸200公里以后接收端檢測到的信號頻譜。從中可以發現，信道出現了明顯的失真情況，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出現了很多深衰落點，這是系統頻率選擇性的多徑衰落信道，信號在深衰落頻率附近的信道中傳輸會有嚴重相位和幅度失真。為了最大優化系統的頻譜資源，根據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的子信道上的傳輸比特數，優化算法改進的結果如圖5所示。我們可以看出，自適應算法有效地實現了自適應調制選擇，能夠根據子載波信道特性合理選擇調制方式，在信道特性較好時使用高階調制多傳信息，在信道特性較差時降低調制階數少傳甚至不傳信息，減少系統誤碼率。

{不傳輸，4QAM，16QAM，64QAM}。

圖3 實驗系統框圖

圖4 系統不采用算法接收端接收到的OFDM信號頻譜圖

圖5 系統算法優化后的各子載波比特數分配結果

2.3 系統對比優勢

圖6給出了21.4 Gb/s CO-OFDM多模光纖通信系統傳輸200 km后的OSNR與BER得關系曲線。從圖中可以看出，在滿足的系統誤碼率條件下，系統不使用自適應調制技術時比使用自適應調制技術時多了超過2 dB的OSNR代價。無論是使用自適應調制技術還是不使用自適應調制技術，經過200 km多模光纖傳輸，兩偏振信道的性能幾乎相同。從以上結果可以看出，本文的優化系統實現系統傳輸性能的提高，且算法的實現過程明顯方便、簡單具有一定應用前景。

圖6 改進系統的OSNR與BER得關系曲線

3 火災報警應用

圖7為為火災報警應用下的光譜視圖，主要是利用檢測能量損失及損耗點的大體位置通過設計算法的多模光纖傳輸來判定其工作狀態的，進而通過檢測溫度的變化進而來探測火災的情況。利用圖7軟件運行可以較快的實現自動檢測裝置或是人工手動報警，負責發生火災的區域的控制器會接受報警信號進行綜合調配，時刻監測火情，發出連續的報警訊息。從實際實驗效果來看能夠較好、準確實現火情的傳輸。

圖7 道監控的分區長度180米

4 結論

CO-OFDM技術是近幾年來的熱點研究方向，他優化了相干以及正交波分復用的優勢，且還能實現技術的互補。文中針對多模光纖高頻區深衰落點對正交頻分復用系統性能的影響，采用光信噪比門限的分配算法的自適應調制技術進行改進，結果可以發現在相同誤碼率條件下，與不使用自適應調制技術的系統相比改進系統光信噪比要低2 dB左右；改進系統傳輸性能更好，實現更為簡單。這一研究對于我國無線網絡的發展有一定的實際意義。

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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：201511211

王 維 （1981—），男，四川遂寧人，碩士，工程師。研究方向：網絡工程。