1、Turbo 码在矿井移动通信系统中的应用摘 要由于矿井信道对信号的衰减极大，实际通信系统的编码应具有极强的纠随机差错和纠突发差错能力。针对井下衰落信道的特殊性，对信道模型进行分析，得到适合矿井信道的模型。并采用 simulink 模块搭建矿井通信系统，信道采用 Turbo 码编码技术，通过与未编码系统性能进行比较，从而得出了 Turbo 码在低误码率的井下信息传输的优越性，为日后 Turbo 码在矿井移动通信中的应用打下基础。 关键词Turbo 码、矿井、移动通信系统 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0393-02 1 引言 煤炭在我国
2、一次能源中占据主导地位，大多矿井的开采条件恶劣，矿难的频繁发生严重威胁到了矿工的生命安全。为了确保煤炭的安全生产，以及井下作业人员的生命安全，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，建立一种快速、可靠的矿井移动通信系统，已成为煤炭企业亟待解决的问题。 由于矿井环境的复杂性，信道可靠性传输仍存在多种困难，如电磁波信号的散射、折射、脉冲的衰减等干扰，同时信号传播空间受限，数据的可靠性传输必须通过强有力的差错控制编码技术，才能获得较好的通信效果。具有接近 Shannon 限性能的 Turbo 码技术是差错编码技术中最优异的，可以极大的改变矿井通信的误比特率性能，对 Turbo 码技术的应用有着重大意义。
3、2 井下信道模型的分析 在矿井无线信道中存在多径衰落现象，而多径信号的幅度分布又具有可变性，如何能更好的描述多径衰落信道以及减少衰落是目前矿井移动通信亟待解决的问题。而在小尺度多径幅度分布的统计特性中，常用的概率密度分布函数为 Rayleigh 分布，Rician 分布和 Nakagami 分布。就这几种分布做以下分析。 2.1 Rayleigh 分布 当衰落幅度 满足 Rayleigh 分布时，衰落信道称 Rayleigh 信道。Rayleigh 分布的概率密度函数为： 其中，=E（2） ；瑞利衰落信号的均方值为 22；瑞利衰落信道模型只适用于描述短距离快衰落中不存在视距传输的情况。 2.2
4、 Rician 分布 当衰落幅度 满足 Rician 分布时，衰落信道称 Rician 信道。 Rician 分布的概率密度函数为： 其中 是多径信号的幅度；2 表示零均值高斯分量的方差；s2 表示非衰落分量功率；I0 为零阶修正 Bessel 函数； k=s2/22 为莱斯因子。当 s2=0 时，Rician 分布就转化为 =22 的 Rayleigh 分布。Rician 衰落信道模型主要用于描述短距离快衰落信道中存在视距传输的情况。 2.3 Nakagami 分布 Nakagami 分布又称 m 分布，可以通过改变 m 值，来描述多径信号的不同统计特性。其概率密度函数为 式中，（m）为 G
5、amma 函数；m=E2（2） /var（2）为衰落程度的形状因子，m1/2； 是多径信号的幅度；2 是高斯分布的方差。当 m=1/2 时，Nakagami 分布为单边高斯分布；当 m=1 时， Nakagami分布转化为 Rayleigh 分布；根据 Rician 分布与 Nakagami 分布的转换关系：m =（k+1）2/（2k+1） ，当 m1 时，Nakagami 分布近似为 Rician 分布；m 越大，对应的信道衰落越小，m=时基本上无衰落。 根据目前相关学者的研究成果知：对于 900MHz 和 1800MHz 的电磁波，空直巷道由于存在视距传播，在 50m-100m 的传播距离
6、内多径幅度与Rician 分布具有较好的拟合程度1。对于 2.45GHz 的电磁波，多径幅度也服从 Rician 分布，随着接发之间距离的增加，视距受阻，多径幅度仍服从 Rician 分布，直至超过某一距离后，多径幅度服从 Rayleigh 分布2。在矿井移动通信中载波频率不同，多径幅度服从不同的分布，相对单一的 Rayleigh 或 Rician 分布而言，Nakagami 分布是一种具有通过改变 m 值描述不同统计特性优势的分布。因此，Nakagami 衰落信道模型更能灵活、方便的表征多径信号在矿井下不同程度的衰落，在矿井通信系统中采用该衰落信道。 3 Turbo 码矿井通信系统的 sim
7、ulink 建模 在矿井信道引入 Turbo 码技术，给出矿井通信系统框图，如图 1 所示： 图 1 中，信源采用随机信息序列，信息序列经 Turbo 编码器编码后输出编码序列，并通过调制器得到调制信号，经矿井衰落信道传输，在接收端解调，将解调信号送往 Turbo 译码器进行译码，将最终接收到的信息序列与源信息序列进行比较，得到系统误比特率（BER） 。 按照图 1 的系统框图，采用 Simulink 模块仿真构建 Turbo 码矿井通信系统仿真框图，如图 2 所示： 从图 2 中可以看到系统的主要功能模块包括：Turbo 码编码器（Turbo Encoder） 、矿井信道（Mine Chan
8、nel） 、Turbo 码译码器（Turbo Decoder）和多迭代译码误比特率计算模块（Multiple Iteration Error Rate Calculation） 。通过误比特率率计算模块计算出的每次迭代译码后的误比特率通过 Display 模块显示出来，输出模块 S13 对应所需储存数据量的工作空间，以便后续对数据的画图和分析处理。其中矿井信道模型采用 Nakagami 衰落信道。 Turbo 码编码器模块是系统模型中的一个重要部分，根据 Turbo 码的编码原理，采用 simulink 构建 Turbo 码编码器的内部框图，如下图 3 所示： 由图 3 看出，仿真模型结构是根
9、据 Turbo 码的编码结构图设计。其中由 Insert Zero 模块和 Sum 模块构成复接器，由 Puncture 模块构成删余阵，通过 Insert Zero 模块来控制插入码元 0 数目，Puncture 模块实现删除码元的数目和位置，这样就得到不同码率的 Turbo 码。 系统模型中最重要的部分是 Turbo 码译码器模块，根据 Turbo 码译码原理构建 Turbo 码译码器内部框图，如图 4 所示： 由解调器解调后的信息由 Inl 模块输入，利用 Insert Zero 模块实现归零操作；利用 Zero-Order Hold 模块对迭代次数进行控制； Puncture 模块对序
10、列进行删余；分量译码器由 APP Decoder 模块实现，利用随机交织模块（Random Interleaver）完成交织过程；选用Discrete Pulse Generator 模块、Integer Delay 模块和 Product 模块实现对系统信息初始化成零；解交织通过随机解交织模块（Random Deinterleaver）实现，经过多次迭代，将得到的似然比利用 Hard Decision 模块进行硬判决，从而得到最佳估值序列，并由 Out1 模块输出。4 仿真结果及分析 本文主要以误比特率（BER）作为评价一个通信系统设计的好坏，进而考查 Turbo 码的纠错性能。 仿真参数：
11、采用 SISO 译码器， LOG-MAP 算法，帧长 4000bit，改进的 S 随机交织器，/4-DQPSK 调制方式，移动速度为 40km/h，载频为2GHz，Nakagami 衰落信道，频率 10MHz，我们分别对系统在未编码状态和编码状态下的性能进行仿真，其中编码状态分为采用卷积码及不同码率的 Turbo 码，仿真结果如图 5 所示： 由仿真结果得，对于构建的矿井移动通信系统，在编码状态的系统误码率要小于未编码状态的系统，即编码状态系统性能要优于未编码状态；编码采用 Turbo 码技术的矿井移动通信系统的误比特率小于编码采用卷积码的系统，即采用 Turbo 码的系统性能优于卷积码的系统
12、性能；采用不同码率的 Turbo 码矿井系统的误比特率也不同，码率越小性能越优越。仿真结果与理论结果的吻合性。 综上所述，仿真结果验证了 Turbo 码在实现低误码率的井下信息传输中具有较大的优越性，本课题的研究为日后 Turbo 码在矿井移动通信中的应用打下坚实的基础。 参考文献 1 张跃平等.宽带 UHF 无线在隧道中的传播信道的特性J.通信学报，1998：3-5. 2 Mourad Djadel，Charles Despins， Sofiene Affes. Narrowband Propagation Characteristics at 2.45 and 18GHz in Underground Mining Environments J.Global Telecommunications Conference. GLOBECOMIEEE，Nov.2002，2.
