基於OFDM的智能三模自適應傳輸方法與流程

2023-05-30 21:49:41

本發明屬於寬帶無線通信技術領域，具體涉及一種基於正交頻分復用ofdm的低複雜度自適應傳輸方法，可用於採用正交頻分復用ofdm調製的發送設備。

背景技術：

隨著航天工程領域研究的不斷深入，從2004年開始，我國正式開展月球探測工程，並命名為「嫦娥工程」。到目前為止，探月工程已經完成嫦娥三號衛星和玉兔號月球車的月面勘測任務，下一步將是對月球著陸區的現場調查和分析工作，因此月表通信技術越來越得到業內的重視。相比於地面，月球表面雖然通信頻率資源充足，人為幹擾少，但是也存在著以下約束：一是信號傳播距離遠，接收信號信噪比低，但對誤碼率要求很高；二是外太空缺乏基礎電力設施，對能效性要求更高；三是外空電波傳播環境存在一定的未知性。因此，當前月表通信的研究重點在於：在較低信噪比環境中能夠準確接收數據，並且儘可能降低硬體複雜度，提升設備能效。

正交頻分復用ofdm技術因其頻譜利用率高，抗碼間幹擾能力強，抗信道衰落能力強而被廣泛使用。其在地面的主要應用包括：數字視頻廣播dvb、無線區域網wlan和第四代移動通信4g的下行鏈路等。

現有的地面通信技術中，長期演進lte是由第三代合作夥伴計劃3gpp組織制定的第四代移動通信系統。其下行鏈路採用ofdm調製，支持從1.4mhz到20mhz的多種帶寬，常規參數使用δf＝15khz的子載波間隔和長度大約為5us的保護間隔。對於不同的帶寬，由於系統的子載波數目不同，傅立葉變換fft點數也不同。符合lte下行鏈路標準的調製器，需要按照系統最大fft點數進行設計。當系統帶寬發生變化時，調製器需要改變fft長度，很難根據現有環境對帶寬進行實時變換，因此這種方案並不適用於複雜環境下的月表通信。

無線區域網標準802.11x協議簇是國際電工電子工程學會ieee為無線區域網路制定的標準。其802.11a協議的物理層主要採用正交頻分復用ofdm調製，工作在5ghz頻段，佔用20mhz系統帶寬，提供多種傳輸速率——6,9,12,18,24,36,48和54mbps。其調製端，採用固定的64點fft，硬體實現複雜度較低，但是該調製器不支持帶寬的改變，且子載波間隔過大，頻譜效率低，不適合月表長距離通信。

dvb-t2作為第二代歐洲數字地面電視廣播傳輸標準,在8mhz系統帶寬內支持最高約50.1mbit/s的傳輸速率。該系統支持1.7mhz,5mhz,6mhz,7mhz和8mhz等系統帶寬，每種帶寬又支持從1k到32k的fft長度，因此具有較強的魯棒性。但是基於dvb-t2的調製器實現非常複雜，它不僅需要根據不同組合模式進行碼流適配，較大的fft長度選擇範圍使得其功耗較大，因此不適合月表通信。

基於以上分析，現有應用廣泛的地面通信技術，並不適合月表通信。月表通信傳輸方案的設計，需要遵循以下原則：低功耗，自適應和抗幹擾能力強。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述協議的不足，提出一種基於ofdm的智能三模自適應傳輸方法，即採用自適應編碼調製acm、自適應發送功率調整及自適應循環前綴長度acp的智能三模自適應triple-adaptive正交頻分復用ofdm技術以增強月面節點對環境的適應性，緩解月面節點不易更新的缺陷，提高通信節點能效性並克服環境未知性的影響。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

(1)發射機根據系統當前的編碼調製方式生成周期為一個突發幀長度的偽隨機擾碼序列，並用該擾碼序列與需要發送的數據s相乘，得到加擾後的發送數據ssc；

(2)使用turbo碼配合crc校驗對加擾後的數據ssc進行信道冗餘編碼，得到信道編碼後的比特流sfec；

(3)採用s-隨機交織方式對比特流sfec中的比特發送順序進行重新排列，使差錯隨機化，得到交織後的頻域序列sint；

(4)把交織後的頻域序列sint分段映射成二維坐標下的位置zq，並插入已知的導頻序列pi，得到包含有導頻序列的複數頻域數據zp；

(5)複數頻域數據zp通過固定長度的傅立葉逆變換ifft轉換成時域ofdm符號sofdm後，按照當前設定的保護間隔cp長度截取每個ofdm符號sofdm後面一定長度的數據放到該符號前面作為保護間隔，得到含有保護間隔的ofdm符號scp，再對scp進行高倍率重新採樣，得到相應的控制ofdm符號sctrl和數據ofdm符號sdata；

(6)根據當前傳輸帶寬生成相應的前導序列pj，並把前導序列pj、控制ofdm符號sctrl和數據ofdm符號sdata組成一個完整突發幀，得到發射機最終的時域數據t並按照當前設置的發射功率發射；

(7)接收機完成同步後，根據循環冗餘校驗情況、接收信號功率、信噪比snr估計值和多徑延遲估計值四種因素，判斷是否對傳輸模式進行調整，並將反饋信息f反饋給發射端；

(8)發射機在處理下一個突發幀之前，根據上一個突發反饋的反饋信息f對系統的編碼調製策略、保護間隔cp長度和發射功率進行調整。

本發明具有如下優點：

1)本發明採用固定的傅立葉變換fft點數，支持多種傳輸帶寬實時變換，在提高系統魯棒性的同時降低了硬體實現複雜度。

2)本發明由於採用智能三模自適應傳輸，可以應對月面不同的鏈路信噪比和多徑環境，節省月面節點的功耗，並解決了因月面多徑延遲與地面差異造成的鏈路中斷問題。

3)本發明相比於非自適應傳輸方案，僅需要增加幾比特的控制信息並反饋，實現簡單，但會大大提升傳輸的魯棒性。

4)本發明由於在突發幀中插入了控制信令ofdm符號，使得控制信息不單獨佔用傳輸通道。同時控制信令採用特殊格式進行保護，使用1/3碼率turbo編碼和π/4-bpsk調製，抗幹擾能力極強。

下面通過附圖和實施實例，對本發明做進一步的描述。

附圖說明

圖1是實現本發明的實現流程圖；

圖2是本發明中控制信令的格式示意圖；

圖3是本發明中智能三模自適應調整的子流程圖；

圖4是本發明在高斯信道下的誤碼率仿真曲線圖。

具體實施方式

為了保證數據在複雜空間環境下傳輸的正確性，提高發送設備能效，本發明對傳統的正交頻分復用ofdm系統傳輸方案進行了改進，其中比特交織編碼、傅立葉逆變換ifft、組幀等與傳統的ofdm系統調製方案沒有差別，但增加了智能三模自適應傳輸調整方案，並通過增加冗餘信息方式對控制信息進行了額外的保護。本發明能夠支持多種系統帶寬、調製方式和碼率，以增強系統的魯棒性。

下面將結合附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步描述。

參照圖1，其具體實施步驟如下：

步驟1.對數據部分進行加擾。

發射機根據系統當前的編碼調製方式生成周期為一個突發幀長度的偽隨機擾碼序列，並用該擾碼序列與需要發送的數據s相乘，得到加擾後的發送數據ssc，其中編碼調製方式包含π/4-bpsk,qpsk和16-qam三種調製方式和1/2,2/3兩種碼率，但不局限於這幾種編碼調製方式；

本實例以5mhz系統帶寬，16-qam調製方式和1/2turbo碼率為例，一個突發幀的數據長度為32960比特，因此通過pn序列可產生一個長度為32960比特的偽隨機序列，並用該偽隨機序列與需要發送的長度為32960比特的數據s進行相乘，得到加擾後的發送數據ssc；對控制信息不進行加擾操作。

步驟2.信道編碼。

2a)對於32比特的控制信息m，首先對其添加16比特的循環冗餘校驗位，得到含有循環冗餘校驗位的信息mcrc，然後把mcrc複製一次並按照圖2所示的格式拼接成長度為97比特的碼字mtrb，最後由turbo編碼器對mtrb進行1/3碼率的信道編碼，得到信道編碼後的控制數據mfec；

2b)系統根據當前的調製方式(16-qam)把加擾後的發送數據ssc分成80個turbo編碼碼塊dblk，其中每四個碼塊為一組，長度分別為416,416,416,400比特；然後以組為單位添加長度為16比特的循環冗餘crc校驗位，得到包含crc校驗位的數據dcrc；最後把dcrc送入turbo編碼器，輸出80個長度為631比特的信道編碼後的數據塊dfec。

步驟3.比特交織。

對於信道編碼後的控制數據mfec，按照固定的交織圖案進行交織，得到交織後的控制信息mint；

對於信道編碼後的數據塊dfec，採用s-隨機交織方式以2524比特為交織周期進行交織，得到20個交織後的數據信息dint。

步驟4.形成頻域數據。

4a)對交織後的控制信息mint和數據信息dint進行星座映射：

對於控制信息mint，採用π/4-bpsk調製方式將其每比特信息映射成一個星座點，得到複數控制信息mmap；

對於數據信息dint，根據當前系統調製方式(16-qam)將其每四比特信息映射成一個星座點，得到複數數據信息dmap；

4b)對星座映射後的複數控制信息mmap和複數數據信息dmap插入導頻：

對於複數控制信息mmap，按照固定的導頻圖案進行導頻插入，得到包含導頻的控制部分的頻域數據mp；

對於複數數據信息dmap，按照5mhz系統帶寬下的導頻圖案進行導頻插入，得到包含導頻的數據部分的頻域數據dp。

步驟5.根據控制部分頻域數據mp和數據部分頻域數據dp生成控制和數據ofdm符號。

5a)對包含導頻的控制部分的頻域數據mp和數據部分的頻域數據dp分別進行1024點的傅立葉逆變換ifft，得到時域ofdm符號sofdm；

5b)根據接收機反饋的cp調整指令，發射機對cp長度進行自適應調整，並設置當前保護間隔長度為a，然後截取每個時域ofdm符號sofdm後面a點的數據放到該符號前面作為保護間隔，得到含有保護間隔的ofdm符號scp；

5c)對含有保護間隔的ofdm符號scp進行上採樣，得到控制ofdm符號sctrl和數據ofdm符號sdata。

步驟6.構建突發幀，發射射頻信號。

6a)由10段長度為512點的時域符號組成短訓練序列，兩段長度為4096點的時域符號和512點保護間隔組成長訓練序列後，根據當前傳輸帶寬5mhz選取相應的短訓練序列和長訓練序列，組成前導序列pj；

6b)用前導序列pj、控制ofdm符號sctrl和數據ofdm符號sdata組成一個完整突發幀，得到發射機最終的時域數據t；對該時域數據t依次經過d/a轉換和上變頻操作得到射頻信號後，發射機根據反饋的信號功率調整指令對發射功率進行自適應調整，並按照調整後的發射功率發射。

步驟7.反饋信道狀態信息。

參照圖3，本步驟的具體實現步驟如下：

7a)接收機完成同步後，首先對控制信息rctrl進行循環冗餘校驗：

若控制信息rctrl校驗錯誤，則認為傳輸鏈路中斷，不對當前突發幀的其它數據進行解調，並設置反饋信息f為111，要求發射機重傳該幀數據；

若控制信息校驗全部正確，則執行7b)。

7b)對接收信號功率進行檢測：

若接收信號功率低於信號功率最低門限值，則提升發射功率，設置反饋信息f為000；

若接收信號功率高於信號功率最高門限值，則降低發射功率，設置反饋信息f為001；

若接收信號功率處於2個門限值之間，則執行7c)。

7c)檢測接收信號是否存在符號間幹擾isi：

若接收信號存在符號間幹擾，則需要增加數據保護間隔cp，設置反饋信息f為010；

若接收信號不存在符號間幹擾，則嘗試減小數據保護間隔cp以提高數據傳輸率，設置反饋信息f為011；

經過幾次調整後，一旦確定合適保護間隔長度，則把該保護間隔記憶存儲，並執行7d)。

7d)檢測當前信道狀態並調整調製編碼策略：

若接收信號數據部分的循環校驗位校驗有誤，或者信噪比snr估計值遠低於當前傳輸模式的信噪比參考值，設置反饋信息f為100；

若接收信號數據部分的循環校驗位校驗正確，且信噪比snr估計值遠高於當前傳輸模式的信噪比參考值，設置反饋信息f為101；

若接收信號數據部分的循環校驗位校驗正確，且信噪比snr估計值與當前傳輸模式的信噪比參考值相近，則不進行調整，設置反饋信息f為110。

步驟8.自適應模式調整。

發射機在發送下一個突發幀之前，根據上一個突發反饋的反饋信息f對系統的編碼調製策略、保護間隔cp長度和發射功率進行調整，調整策略如下：

當反饋字f為000時，功率調整增加一級；

當反饋字f為001時，功率調整減少一級；

當反饋字f為010時，數據保護間隔cp增加一級；

當反饋字f為011時，數據保護間隔cp減少一級；

當反饋字f為100時，將調製與編碼策略mcs表中的值增加一級；

當反饋字f為101時，將調製與編碼策略mcs表中的值減少一級；

當反饋字f為110時，不進行調整；

當反饋字f為111時，要求發射機重傳當前突發幀數據。

本發明的效果可通過以下仿真進一步說明：

在高斯信道環境下，使用1/2碼率的turbo編碼方式，用bpsk或qpsk調製方式對本發明所支持的所有碼長的誤碼率ber進行仿真，結果到圖4，其中橫坐標代表誤碼率ber，縱坐標代表信噪比eb/n0。

從圖4可以看出，使用本發明進行數據傳輸，可以在信噪比eb/n0為3.2db時達到10-5以下的誤碼率，滿足月表通信對通信質量的要求。