王维

（四川师范大学 信息中心 四川 成都 610000）

正交频分复用系统的自适应调制技术优化在无线网络中的应用

王维

（四川师范大学 信息中心 四川 成都 610000）

针对多模光纤高频区深衰落点对正交频分复用系统性能的影响，采用光信噪比门限的分配算法的自适应调制技术进行改进，通过算法与调制过程的实验结果，得出：设计的算法有效地实现了自适应调制选择，在信道特性较好时使用高阶调制多传信息，在出现的信道特性较差时降低调制阶数少传甚至不传信息，减少了系统误码率。对比实验表明：在相同误码率条件下，与不使用自适应调制技术的系统相比改进系统光信噪比要低2 dB左右；改进系统传输性能更好，实现更为简单。将算法系统应用到火灾报警当中，得出：多模光纤传输能够有效的检测能量损失及损耗点的大体位置，能够准确实现火情的传输。这一研究对于我国无线网络的发展有一定的实际意义。

无线网络；多模光纤；结构工程；多模光纤；深衰落点

正交频分复用 （OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）思想可以追溯到上世纪60年代，当时人们对多载波调制和解调做了很多理论上的探究，论证了在存在符号间干扰信道上采用多载波调制和解调可优化系统的传输性能[1-2]；1970年1月，有关OFDM的专利首次发表；进入上世纪90年代，伴随着DSP处理技术以及集成电路技术的飞速发展，OFDM技术在高速传输领域受到了各国人员的广泛关注。如今OFDM已经在欧洲数字音视频广播 （如DAB和DVB）、北美的高速无线局域网系统 （如HIPERLAN2、IEEE 802.11a）、高比特率数字用户线（如ADSL、VDSL）和电力线载波通信（PLC）中得到了很好的应用[3-4]。进入了21世纪以后的最近6、7年[5-7]，OFDM技术与相干光检测技术在无线网络中不断发挥着重要的重要，我国比较典型的有浙大、武汉光电以及电子科技大学团队对相关进行进行了深入研究[8-11]。伴随着CO-OFDM技术在MMF（多模光纤，Multi-Mode Fiber）无线系统的不断发展人们发现存在以下问题：CO-OFDM技术并不能克服多模光纤高频区存在的深衰落点对系统性能的影响[12-15]。且当子载波处在深衰落点区域情况下，其信道的传输误码率不断提高。自适应调制技术（AM）是当前提高深衰落信道传输性能的应用的关键技术之一，其主要是通过对系统中的传输信道里面的各子信道的所有考虑因素进行综合分析，自适应的优化改变各子载波的调制方式、发射功率、和传输比特数等性能，这样可以导致使得信道的频谱利用率不断更高，且同时提高信道传输容量。基于上述背景，为了解决MMF系统出现的高频区深衰落点对性能参数的影响，课题组基于对自适应算法的深入研究，在前人的基础上，依据COOFDM多模光纤通信系统的性能参数要求，设计了一种优化的自适应调制算法，新算法能够有效的改进和增强系统性能，实现MMF高频区的深衰落点对系统性能的影响降低到最少。

1 优化的自适应的OFDM的系统设计

1.1 系统框架

图1 自适应调制的OFDM系统的基本原理

图1 为本文设计的自适应调制OFDM系统框图，这里的发送端需要率先获取各个子载波的信道状态信息，通过接收端来做进行信道估计，并通过反馈信道的来通知系统的发送端，或者在时分多址TDD方式下，依据信道互易特性认定发送信道与接收信道的特性是完全一致。而后发送端依据一定相应算法来确定各个子载波分配的比特数以及功率分配（即调制方式），进而将数据比特进行相应星座点映射，同时也把功率分配加载到子载波上，随后再进行IFFT变换，并串变换（P/S）和添加循环前缀（CP）。其次各子载波调制方式作为信令信息也将同时发送，接收端需要先进行OFDM解调，即去掉CP，串并变换（S/P）和FFT。最后依据信息对子载波实现解调实现数据信息反馈回反馈端口。

1.2 自适应算法设计

1.2.1 优化的调制技术

依据MMF系统的性能特性，需要设计实现一定频率以及信息速率下的误差率尽可能的降到最低，并且实现自适应算法的系统结构足够简单的基于光信噪比 Optical Signal Noise Ratio，OSNR）门限的分配算法的自适应调制技术。

自适应调制技术应用在CO-OFDM多模光纤通信系统采用的是MQAM星座图，由图中可以发现高阶调制情况下抗噪声能力明显较弱，各比特数据之间的最短距离明显较小，而在低阶的调制情况则相反。从中我们可以发现，可以通过在OSNR较大的条件下进行提高调制阶数 （常见的如16QAM，64QAM）。而在OSNR较小的条件下进行降低调制阶数（常见的如BPSK，4QAM）实现尽可能少的信息传输，降低误码率，优化系统性能。

图2 MQAM星座图

1.2.2 调制过程

在一个基于子带自适应调制的CO-OFDM系统中，已知一个OFDM符号中的子载波数为N，共分成k个子带，子带宽宽度为N/k。此时对于第i个子带，通过OSNR门限分配算法得到确定调制级别mi（即第i个子带中每个子载波上的比特数）。这样系统可以对给定的带宽效率E（每个子载波上的净比特数），码率r，满足下列等式进行计算：

因为各子信道之间的OSNR存在相关性，所以只要子带宽度小于信道的相干带宽，基于子带的自适应调制就不会比基于子载波的自适应调制有太大的性能损失。本文采用的调制方式如表1所示，可以通过以下表达式：

本文研究的AM-CO-OFDM系统共有4种备选的调制方式，分别为不传输、4QAM、16QAM和64QAM，分别对应的调制级别mi为0、2、4和6。

表1 采用不同调制方式的OSNR门限

这里设计的基于OSNR门限分配算法的子带自适应调制技术，具体可以分为如下几个步骤。

2 自适应调制的实验验证

2.1 实验系统设计

本文设计的实验系统如图3所示。

2.2 测试系统的特性结果

在上述系统的仿真流程中，采用10 GS/s的模拟发生信号，激光为0.12 MHz，光功率采用-3.3 dBm，传输流程的距离为200公里，采用自适应调制的子带波数定为3，每个子载波通过OSNRmin实现自动调制，调制方式来源于以下自集合

仿真结果如图4、5所示。其中图4为系统两偏振模信道在多模光纤中传输200公里以后接收端检测到的信号频谱。从中可以发现，信道出现了明显的失真情况，这是由于多模光纤的模间色散引起，多模光纤信道在高频区出现了很多深衰落点，这是系统频率选择性的多径衰落信道，信号在深衰落频率附近的信道中传输会有严重相位和幅度失真。为了最大优化系统的频谱资源，根据OSNR门限分配算法的通信原则，需要尽可能减少处在深衰落区的子信道上的传输比特数，优化算法改进的结果如图5所示。我们可以看出，自适应算法有效地实现了自适应调制选择，能够根据子载波信道特性合理选择调制方式，在信道特性较好时使用高阶调制多传信息，在信道特性较差时降低调制阶数少传甚至不传信息，减少系统误码率。

{不传输，4QAM，16QAM，64QAM}。

图3 实验系统框图

图4 系统不采用算法接收端接收到的OFDM信号频谱图

图5 系统算法优化后的各子载波比特数分配结果

2.3 系统对比优势

图6给出了21.4 Gb/s CO-OFDM多模光纤通信系统传输200 km后的OSNR与BER得关系曲线。从图中可以看出，在满足的系统误码率条件下，系统不使用自适应调制技术时比使用自适应调制技术时多了超过2 dB的OSNR代价。无论是使用自适应调制技术还是不使用自适应调制技术，经过200 km多模光纤传输，两偏振信道的性能几乎相同。从以上结果可以看出，本文的优化系统实现系统传输性能的提高，且算法的实现过程明显方便、简单具有一定应用前景。

图6 改进系统的OSNR与BER得关系曲线

3 火灾报警应用

图7为为火灾报警应用下的光谱视图，主要是利用检测能量损失及损耗点的大体位置通过设计算法的多模光纤传输来判定其工作状态的，进而通过检测温度的变化进而来探测火灾的情况。利用图7软件运行可以较快的实现自动检测装置或是人工手动报警，负责发生火灾的区域的控制器会接受报警信号进行综合调配，时刻监测火情，发出连续的报警讯息。从实际实验效果来看能够较好、准确实现火情的传输。

图7 道监控的分区长度180米

4 结论

CO-OFDM技术是近几年来的热点研究方向，他优化了相干以及正交波分复用的优势，且还能实现技术的互补。文中针对多模光纤高频区深衰落点对正交频分复用系统性能的影响，采用光信噪比门限的分配算法的自适应调制技术进行改进，结果可以发现在相同误码率条件下，与不使用自适应调制技术的系统相比改进系统光信噪比要低2 dB左右；改进系统传输性能更好，实现更为简单。这一研究对于我国无线网络的发展有一定的实际意义。

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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 稿件编号：201511211

王 维 （1981—），男，四川遂宁人，硕士，工程师。研究方向：网络工程。