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1礦井巷道信道模型

1．1時變多徑信道模型在礦井巷道環(huán)境下，障礙物對電磁波進行反射、散射和折射，使電磁波在巷道內(nèi)形成復雜的多徑傳播，同時，工作人員及設備的移動作業(yè)，導致產(chǎn)生多普勒頻移，使巷道內(nèi)的多徑信道具有時變性。因此，礦井巷道信道是具有時變特性的復雜多徑信道。因此，將相位分量視為常數(shù)是不夠準確的［10］。本文將相位分量建模為時間的變量，將信道沖激響應定義為。

1．2仿真分析采用MATLAB仿真工具，對礦井巷道時變多徑信道模型自相關(guān)函數(shù)仿真。圖1描述了傳統(tǒng)信道模型，帶寬為500Hz和1000Hz的時變多徑信道模型下接收信號的自相關(guān)譜，其中，橫坐標表示延時，縱坐標表示自相關(guān)函數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，時變多徑信道模型與實際接收信號自相關(guān)譜較為符合，此信道模型適合礦井無線通信。

2系統(tǒng)性能分析

根據(jù)多徑時變信道模型，假設接收天線總功率與發(fā)射總功率相等，且等于Pe，信道噪聲是加性白高斯噪聲，每根接收天線的噪聲功率為σ2，則信噪比SNR:ξ=Pe/σ2。

2．1系統(tǒng)容量分析實際的無線信道是時變的，受到衰落的影響。對于單天線系統(tǒng)，即單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)的信道容量可用下式計算。圖2給出了單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)和多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)的信道容量與發(fā)射天線數(shù)目之間關(guān)系的仿真結(jié)果，橫坐標表示信道容量，縱坐標表示概率。其中，仿真參數(shù)設定為信噪比10dB，迭代次數(shù)為1000，接收天線為1，發(fā)射天線數(shù)目分別為1，2，3。仿真結(jié)果表明，SISO系統(tǒng)信道容量最小，發(fā)射天線數(shù)目從1依次增加時，信道容量也依次增加。圖3給出了MIMO系統(tǒng)的信道容量與發(fā)射天線數(shù)目之間關(guān)系的仿真結(jié)果，橫坐標表示信道容量，縱坐標表示概率。其中，仿真參數(shù)的設定同上，發(fā)射天線數(shù)目分別為2，3，4，接收天線對應為2，3，4。從仿真結(jié)果可以看出，MIMO系統(tǒng)信道容量隨著收發(fā)天線數(shù)目的增加而增加。對比圖2與圖3發(fā)現(xiàn)，MIMO系統(tǒng)的信道容量顯然比SISO系統(tǒng)的信道容量有了較大增加。

2．2誤碼率分析令xm(l)表示第m根天線的第l個子載波上的發(fā)射信號(l=0，…，L－1)，經(jīng)歷時變多徑衰落信道傳輸和FFT變換后，在t時刻第n根接收天線的第l個子載波上得到的信號yn(t)可由下式得到。采用MATLAB對MIMO－OFDM系統(tǒng)在不同天線數(shù)目下進行誤碼率性能對比，具體實驗流程如下:1)初始化過程。給定發(fā)射信號及時變多徑衰落信道的沖激響應初始值。接收端采用最小均方誤差(MMSE)檢測算法。2)確定接收信號過程。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換、空時編碼、IFFT變換并添加循環(huán)前綴后經(jīng)時變多徑衰落信道到達接收方，根據(jù)式(5)確定接收信號形式。3)對接收信號去除循環(huán)前綴、FFT變換、空時譯碼及并/串變換后，計算MMSE檢測加權(quán)矩陣，并進一步得到MMSE判決數(shù)據(jù)。4)誤碼率計算過程。根據(jù)數(shù)據(jù)檢測與判決結(jié)果，與初始輸入數(shù)據(jù)對比，計算系統(tǒng)誤碼率。基于上述分析與描述，設置的仿真參數(shù)如表1所示。仿真在收發(fā)天線數(shù)目相等的情況下進行，天線數(shù)目分別為1，2，3，多徑數(shù)目假設為2，接收端采用MMSE檢測。圖4給出了收發(fā)天線數(shù)目相等，不同天線數(shù)目情況下的MIMO－OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能，其中，橫坐標表示信噪比，縱坐標表示誤碼率。從仿真結(jié)果可以看出，隨著收發(fā)天線數(shù)目的依次遞增，從1增加到3，在BER為0．02處，天線數(shù)目選取3相對于選取數(shù)目2和1分別有4dB和9．6dB的增益，系統(tǒng)的誤碼率依次下降且抗多徑衰落的能力依次增強。圖5反映的是多徑對MIMO－OFDM系統(tǒng)性能的影響。圖中，橫坐標表示信噪比，縱坐標表示誤碼率。這里假設發(fā)射天線數(shù)目為2，接收天線數(shù)目為2，接收端采用MMSE檢測，多徑數(shù)目取2，4，6。分析發(fā)現(xiàn)，隨著多徑數(shù)目的遞增，在BER為0．02處，多徑數(shù)目選取6相對于選取數(shù)目4和2分別有4．3dB和9．7dB的增益，給定一定的信噪比值，誤碼率隨著多徑數(shù)目的遞增而遞減，此結(jié)果與MIMO－OFDM技術(shù)對抗多徑衰落相符，是一種更適合于礦井巷道通信的無線技術(shù)。

3結(jié)束語

礦井巷道的多徑傳播特性導致礦井無線通信性能的下降，針對煤礦井下這一復雜的多徑信道，本文建立了時變多徑信道統(tǒng)計模型，得到信道沖激響應自相關(guān)函數(shù);基于該模型深入分析了單輸出和MIMO－OFDM系統(tǒng)的信道容量、不同天線數(shù)目和多徑數(shù)目下的系統(tǒng)性能。數(shù)學分析和MAT-LAB仿真表明，時變多徑信道模型與實際接收信號自相關(guān)譜較為符合;與SISO系統(tǒng)相比較，MIMO系統(tǒng)增加了系統(tǒng)容量;同時，系統(tǒng)誤碼性能隨著多徑數(shù)目的遞增而遞減，MIMO－OFDM技術(shù)可以有效對抗礦井巷道的多徑衰落，提高通信系統(tǒng)的可靠性，是一種更適合于礦井巷道通信的無線技術(shù)。

作者：王艷麗張鵬張佳單位：渭南師范學院數(shù)學與信息科學學院中煤科工集團西安研究院