用於高數據速率穿過金屬的通信的聯合papr降低和速率自適應超聲波ofdm物理層的製作方法

2023-10-18 00:38:34 2

用於高數據速率穿過金屬的通信的聯合papr降低和速率自適應超聲波ofdm物理層的製作方法
【專利摘要】提供了鏈路自適應正交頻分復用(OFDM)超聲波物理層，其能夠穿過金屬結構進行高數據速率通信。自適應OFDM基於子載波的調製技術的使用通過利用信道的緩慢變化的特性來減輕穿過金屬通信鏈路的嚴重頻率選擇性衰落的影響，並且改善頻譜效率。為了解決峰值與平均功率比(PAPR)的可能的不良影響和更有效地利用在系統中的功率放大器，本發明修改和實現了在自適應OFDM框架中的基於碼元旋轉和反轉的PAPR減小算法。該聯合自適應物理層在被約束到期望的BER的同時，在大約7mW的平均發射功率下與傳統窄帶技術作比較能夠將數據速率增大大約220%。
【專利說明】用於高數據速率穿過金屬的通信的聯合PAPR降低和速率自適應超聲波OFDM物理層
[0001]聯邦資助研究的聲明
[0002]使用在由美國國家科學基金會給予的研究經費N0.#CNS-0923003和#CNS-0854946以及由海軍研究辦公室投資的研究經費N0.N00014-11-1-0329和N00014-12-1-0262與項目#N05-T020下的政府支持來建立了本發明。美國政府在本發明中具有特定的權力。
[0003]相關申請的交叉引用
[0004]本申請要求對於在2011年5月26日提交的美國臨時專利申請N0.61/490，321的優先權。該申請的內容通過引用被包含在此。
【技術領域】
[0005]本發明涉及無線通信技術。更具體地，本發明涉及通過下述方式經由金屬壁的高數據速率通信:組合基於子載波的速率自適應比特加載和在自適應正交頻分復用(OFDM)超聲波物理層中通過頻域碼元旋轉導致的峰值與平均功率比(PAPR)減小的益處。
【背景技術】
[0006]工業控制網絡經常要求在其中金屬結構阻止連接性的環境中的數據傳輸。在許多應用中，不期望物理地穿透結構(加壓管線、水密艙壁、裝甲板等)。超聲波無線鏈路能夠通過穿過金屬的數據通信來減輕這個問題，而不是通過使用機械穿透而損害屏障的結構完整性。然而，超聲波鏈路會是網絡流量的瓶頸，因為聲波傳播延遲和聲道的反射特性，這也限制了通信帶寬。當前的窄帶手段受限於信道的頻率選擇性，並且獲得達到5Mbps的最大數據速率。
[0007]美國海軍已經表達了對於在他們的艦船上部署無線感測和控制網絡以維護關鍵的自動化艦船操作的興趣。Brooks、Lee 和 Chen,「Smart Wireless Machinery Monitoringand Control for Naval Vessels (用於艦艇的智能無線機械監控)」，ThirteenthInternational Ship Control Systems Symposium(SCSS)(第十三屆國際船舶控制系統研討會)，April, 2003 ;Hoover、Sarkady、Cameron和Whitesel,「A Bluetooth-based WirelessNetwork for Distributed Shipboard Monitoring and Control Systems (用於分布式船載監控系統的基於藍牙的無線網絡)」，機械故障預防技術協會第57次會議議題，2003年4 月；Mokole、Parent、Street 和 Thomas, 「RF Propagation on Εχ-USS Shadwell (Ex-USSShadwell 上的 RF 傳播)」2000IEEE_APS Conference on Antennas and Propagationfor Wireless Communications, 2000 (2000IEEE-APS 會議，關於無線通信的天線和傳播，2000 年);Primerano、Kam 和 Dandekar 「High Bit Rate Ultrasonic CommunicationThrough Metal Channels (穿過金屬信道的高比特流超聲波通信)"Information Sciencesand Systems, 2009 (信息科學與系統，2009 年)；Seman、Donnelly 和 Mastro 「WirelessSystems Development for Distributed Machinery Monitoring and Control (用於分布式機械監控的無線系統開發)"Proceedings of the2007ASNE Intelligent ShipsSymposium VII，2007 (2007ASNE智能船舶研討會VII的議題，2007年)。部署這樣的無線網絡的主要挑戰是殼體結構——金屬壁阻隔電磁波的傳播並限制網絡連接。Kevan的「Shipboard Machine Monitoring for Predictive Maintenance (用於預測維護的船載機械監測)」 Sensors Magazine，Februaryl，2006 (傳感器期刊，2006 年 2 月 I 日)?將線纜穿過艙壁損害了艦船的艙室的結構完整性。超聲波信號傳播已經作為替代方式被研究以擴充隔離的RF無線網絡，並且獲得更可信賴的覆蓋範圍，而不用機械地穿透艙壁。Hu、Zhang、Yang 和 Jiang 「Transmitting Electric Energy through a Metal Wall byAcoustic Waves using Piezoelectric Transducers (使用壓電換能器通過聲波穿過金屬壁發身寸電會泛)，，IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectricsj and FrequencyControl, "June，2003 (關於超聲波、鐵電體和頻率控制的IEEE學報，2003年6月)；Wanuga、Dorsey、Primerano 和 Dandekar 「Hybrid Ultrasonic and Wireless Networks for NavalControl Applications (用於海軍控制應用的混合超聲波和無線網絡)」 Proceedings ofthe2007ASNE Intelligent Ships Symposium VII，2007 (2007ASNE 智能船舶研討會 VII 的議題，2007年)。
[0008]儘管如此，超聲波信道的獨特的聲質量引發回聲效應，該回聲效應引起大的延遲擴展。結果產生的信道的高頻選擇性反射特性限制了其相干帶寬，並且使得超聲波穿過金屬的鏈路變為網絡吞吐量的瓶頸。Murphy，「Ultrasonic Digital Communication Systemfor a Steel Wall Multipath Channel:Methods and Results (用於鋼壁多徑信道的超色波數字通信系統:方法和結果^』Master’s Thesis，RPI，2006 (碩士論文，1^1，2006年)。被信道的頻率選擇性特性限制的、當前的超聲波信號傳送的窄帶手段要求使用高複雜度均衡器來改善吞吐量。在文獻中找到的現有的超聲波通信系統實現達5Mbps的最大吞吐率。Graham、Neasham 和 Sharif，「High Bit Rate Communication through MetallicStructures using Electromagnetic Acoustic Transducers (使用電磁聲換能器穿過金屬結構的高比特率通信)」，0CEANS2009-EUR0PE20092009 年 5 月 I 日，1-14 ;Primerano、Kam和 Dandekar，「High Bit Rate Ultrasonic Communication Through Metal Channels (穿過金屬信道的高比特率超聲波通信)」，Information Sciences and Systems，2009 (信息科學與系統，2009年)。期望用於在這`樣的環境中提供改善的數據速率的技術。
[0009]本發明人的先前的工作已經證明，基於OFDM的系統能夠實現穿過金屬壁的高數據速率通信，同時減輕超聲波信道的頻率選擇性，而不需要複雜的分析器。例如，參見 Bielinski，「Application of Adaptive OFDM Bit Loading for High Data RateThrough-Metal Communication(對於高數據速率穿過金屬通信的自適應OFDM比特加載的應用)」，IEEE Global Telecommunications Conference，2011 (IEEE 全球電信會議，2011 年)和 Bielinski 「High Data Rate Adaptive Ultrasonic OFDM Physical Layerfor Through-Metal Communications (用於穿過金屬通信的超聲波OFDM物理層)」，Proceedings of the2011ASNE Intelligent Ships Symposium IX，2011 (201IASNE 智能船舶研討會IX的議題，2011年)。OFDM是用於減輕在不要求使用高度複雜的均衡器的寬帶信道中的嚴重的頻率選擇性的調製技術。然而，OFDM的缺點是高的峰值與平均功率比(PAPR)，這能夠導致在帶輻射中的非線性調製失真和因為高信號峰值導致的減小的傳輸範圍。在信號功率上的這些峰值源自OFDM的特性；N個獨立的子載波在相位上相力口，產生能夠高達比平均功率大N倍的信號峰值。已經對於信號峰值的減小進行了大量的研究。例如，參見:Li 和 Cimini Jr, 「Effects of Clipping and Filtering on thePerformance of OFDM (關於 OFDM 性能的甜位和濾波效應)」, IEEE Vehicular TechnologyConference, August, 2002 (IEEE 車輛技術會議，2002 年 8 月);Popovic, 「Synthesis ofPower Efficient Multitone Signals with Flat Amplitude Spectrum(具有平坦增幅譜的功率有效多音信號的合成)」，IEEE Transactions on Communications, July, 1991 (IEEE通信學報 1991 年 7 月)；Tarokh 和 Jafarkhani, 「On the Computation of the Peakto Average Power Ratio in Multicarrier Communications (關於多載波通信中峰值與平均功率比的計算)」，Transactions on Communications, 2000 (IEEE通信學報，2000 年)；Wade、Eetvelt 和 Tomlinson, 「Peak to Average power Reduction forOFDM Schemes by Selective Scrambling(通過選擇性加擾降低對於OFDM系統的峰值-與-平均功率)」，IEEE Electronic Letters, October, 1996 (IEEE 電子學通訊，1996年 10 月)；以及，Wilkinson、Jones 和 Barton, 「Block Coding Scheme for Reductionof Peak to Mean Envelope Power Ratio of Multicarrier Transmission Schemes (用於見底多載波傳輸方案的峰值對平均包絡功率比的塊編碼方案)」，IEEE ElectronicLetters, December, 1994 (IEEE 電子學通訊，1994年 12 月)。而且，Tan和 Bar-Ness 在「0FDMPeak—to—average Power Ratio Reduction by Combined Symbol Rotation and Inversionwith Limited Complexity (通過以有限的複雜度組合的碼元旋轉和反轉的OFDM峰值與平均功率比降低)」，IEEE Global Telecommunications Conference, 2003 (IEEE 全球電信會議，2003年)中描述了用於減小信號峰值的OFDM信號旋轉和反轉算法。然而，這些手段都未實現對於超聲波框架定製或解決因為功率放大器的低效使用導致的減小的有效發射功率的手段。
[0010]期望一種手段，該手段適合於具有減小的PAPR的基於OFDM的框架，同時最大化吞吐量和在概率上限制碼元估計錯誤。本發明已經被設計來解決在本領域中的這些需要。

【發明內容】

[0011]一種自適應OFDM收發器被設計來用於超聲波信道，以允許穿過金屬壁的無線傳輸，以避免物理地穿過金屬壁和損害結構完整性。該超聲波收發器通過下述方式來獲得較高的數據速率:利用和組合使用自適應比特加載(ABL)算法的基於子載波的速率調節和使用峰值與平均功率比(PAPR)減小算法通過頻域碼元旋轉的PAPR減小的益處。PAPR的減小更有效地使用在系統中的功率放大器，其中，自適應比特加載實現了較大的頻譜效率。在其中金屬結構阻礙RF信號傳播的環境中，超聲波收發器使用無線通信技術提供高的數據速率。在自適應比特加載之前的減小PAPR的應用具有下述增加的益處:有效使用功率放大器以增大發射功率，以允許發射更多的信息，同時遵守可靠性約束。高PAPR對於在該介質中通常採用的增大數目的頻率子載波的依賴性使得該手段高度有益。該兩種算法一起用於最大化吞吐量，同時限制碼元估計錯誤的概率。
[0012]正交頻分復用(OFDM)已經顯示為用於減輕超聲波信道的頻率選擇性而不需要複雜均衡器的有前途的技術。本發明改善了鏈路自適應OFDM超聲波物理層，並且通過下述方式來進一步完善了穿過金屬的通信:利用超聲波信道的緩慢變化的特性，並且採用組合的速率自適應和峰值與平均功率比(PAPR)減小算法。具體地說，通過在頻域中旋轉數據碼元來獲得PAPR的減小，以更有效地使用在系統中的功率放大器。自適應比特加載的增加獲得更大的頻譜效率，並且增大數據速率。採用自適應比特加載和減小的PAPR的聯合算法已經顯示同時增大了吞吐率、減小PAPR，並且遵守比特錯誤率(BER)約束，因此提供了用於支持高數據速率控制網絡應用所需的吞吐量和可靠性。
[0013]在一個示例性實施例中，提供了基於OFDM的鏈路自適應超聲波物理層，其能夠獲得穿過金屬壁的高數據速率通信。OFDM是用於減輕寬帶信道的嚴重頻率選擇性而不需要高複雜的均衡器的常用技術。根據本發明使用0FDM，以將頻率選擇性信道劃分為正交平坦衰落帶。超聲波信道的靜態特性也允許在長的持續時間上保持精確的信道狀態信息的能力，並且因此提供了以有限的開銷適應於所測量的信道條件的機會。OFDM基於子載波的速率自適應調製算法用於最大化吞吐量，同時在概率上限制碼元估計錯誤。因為PAPR減小和ABL彼此互補，所以減小PAPR允許更有效地使用功率放大器和數模轉換器(D/A)的動態範圍，以對於相同的比特錯誤率(BER)約束產生較高的發射數據速率。而且，超聲波信道的固定特性允許保持速率調節所需的信道狀態信息(CSI)。CSI在長持續時間上保持精確，並且因此提供了用於以有限的開銷適應於信道條件的環境。在超聲波信道中的聯合自適應算法的實現已經顯示了高達IlMbps的發射吞吐率，同時保持在低發射功率下的10-5的BER，並且將PAPR減小了多達2dB。與在文獻中報告的當前窄帶超聲波鏈路作比較，該性能構成了高達220%的數據速率改善，因此改善了用於支持諸如在海軍艦船上的甲板下的高速率網絡應用所需的吞吐量和可靠性。
[0014]本發明的方法包括:使用OFDM來將頻率選擇性寬帶信道劃分為正交頻率平坦衰落子信道。平坦衰落允許減小複雜均衡，並且它們的正交性允許每一個子信道被獨立地處理和適應於那個子信道的條件。通過向發射器反饋(在接收器處估計的)信道狀態信息，利用聲道的穩定特性。該反饋允許發射器將傳輸參數調節來改善頻譜效率，增大系統可靠性，並且以減小的開銷調整到改變的無線條件。更具體地，信道狀態信息用於自適應比特加載，這允許最大化用於OFDM傳輸的吞吐量，同時在概率上約束傳輸錯誤的最大出現率。本發明的方法因此通過反饋和鏈路自適應比特加載(ABL)來允許使用信道狀態信息，以改善頻譜效率，並且同時獲得較高的吞吐量和較好的鏈路可靠性。本發明的方法也向網絡設計者提供了另外的控制度，以平衡系統吞吐量與傳輸錯誤的概率。
[0015]在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種用於穿過金屬來傳送數據的系統。該系統包括在金屬的相對側上的第一和第二聲換能器、在傳輸側上的數據調製器與在接收側上的信號處理器和解調器。數據調製器使用速率自適應正交頻分復用調製將數據比特調製在子載波上，從而，基於子信道的信道狀態信息的反饋來調節用於調製的數據的傳輸參數，以改善在穿過金屬的傳輸期間子信道的頻譜效率和可靠性。調製的數據比特被應用到第一聲換能器，以在子載波上穿過金屬來傳輸數據。第二聲換能器接收已經穿過金屬子信道發射的OFDM碼元。信號處理器然後使用向每一個子載波應用的信道狀態信息來均衡所接收的OFDM碼元，並且解調器從所接收的子載波解調數據比特。
[0016]在第一示例性實施例中，數據調製器向數據比特應用自適應比特加載算法，以便在固定能量和比特錯誤率約束下最大化每一個OFDM碼元的比特的數目。在第二示例性實施例中，進一步提供了數據處理塊，其另外實現峰值與平均功率比(PAPR)減小算法，以通過旋轉和/或反轉碼元以在旋轉和/或反轉後找到具有減小的PAPR的序列來減小子載波的PAPR。用於在每一個幀子塊處獲得最小PAPR所需的信息被存儲在存儲器中，並且被發送到接收器以用於在接收器處在解調之前恢復調製的數據比特。在示例性實施例中，數據調製器進一步利用數據比特來正交幅度調製以大約IOkHz的間隔相隔的512個正交子載波。進行512個子載波的選擇，使得每一個子載波能夠被看作獨立的、平坦衰落的信道。在示例性實施例中，信號處理器可以根據訓練碼元獨立地估計在每一個子載波上的覆信道增益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]通過下面結合附圖的詳細說明，本發明的上述和其他有益特徵和優點將變得清楚，在附圖中:
[0018]圖1圖示了根據本發明的一個實施例的用於使用聲收發器穿過金屬壁來發射信號的穿過金屬信道模型。
[0019]圖2圖示了對於0.25」厚低碳鋼的頻率選擇信道幅度響應的頻率掃描。
[0020]圖3圖示了根據本發明的第一實施例的自適應的基於OFDM的超聲波系統的框圖。
[0021]圖4圖示了根據本發明的第一實施例的對於非自適應和速率自適應調製所測量的平均比特錯誤率對平均後處理信噪比性能。
[0022]圖5圖示了根據本發明的第一實施例的對於非自適應和速率自適應調製所測量的平均發射數據速率對平均後處理信噪比性能。
[0023]圖6圖示了根據本發明的第一實施例的使用OFDM基於子載波的速率自適應調製算法的所測量的平均比特分配對平均後處理信噪比的直方圖。
[0024]圖7圖示了根據本發明的第二實施例的包含自適應比特加載和PAPR減小的聯合自適應基於OFDM的超聲波系統的框圖。
[0025]圖8圖示了在本發明的SS-CSRI算法中以逐個塊為基礎的最小PAPR的連續選擇。
[0026]圖9圖示了根據本發明的在SS-SCRI和聯合算法中的連續最小PAPR選擇的比較。
[0027]圖10圖示了根據本發明的第二實施例的使用聯合自適應比特加載和PAPR減小算法的模擬PAPR結果，其中，在碼元旋轉框架的頂部上實現三個物理層，並且與固定速率正交相移鍵控(QPSK)、非功率縮放速率自適應(NPSRA)比特加載和功率縮放速率自適應(PSRA)比特加載相比較。實線指示在應用碼元級旋轉算法之前對於QPSK、NPSRA和PSRA數據碼元的原始PAPR，而虛線表示在對於每一個物理層採用碼元旋轉之後的PAPR。
[0028]圖11圖示了本發明的技術遵守比特錯誤率(BER)約束的能力，其中，直的虛線指示期望的IO-5BER目標，並且比特加載的物理層NPSRA和PSRA能夠在雖然在較高的發射功率下在數據速率上的增大的情況下保持低於BER閾值。
[0029]圖12圖示了本發明的技術與諸如QPSK的固定速率調製方案作比較在遵守期望的可靠性(BER)約束的同時顯著地增大數據速率。如所示，固定速率傳輸能夠僅實現大約5Mbps的最大值，其中，NPSRA和PSRA比特加載的物理層達到大約IlMbps的數據速率。
【具體實施方式】
[0030]通過參考結合形成本公開的一部分的附圖和示例而獲取的下面的詳細說明，可以更容易地明白本發明。應當明白，本發明不限於在此所述和/或示出的特定產品、方法條件或參數，並且在此使用的術語僅用於通過示例來描述特定實施例的目的，不意欲限制任何被要求保護的發明。類似地，關於可能的機制或行為模式或者改善的原因的任何說明僅意味著是說明性的，並且在此的發明不被任何這樣的可能的機制或行為模式或者改善的原因的正確性和錯誤性約束。貫穿本文，可以認識到該說明指的是方法和用於實現這樣的方法的軟體兩者，
[0031]現在參考圖1-12來描述本發明的說明性實施例的詳細說明。雖然本說明書提供了本發明的可能下述方式的詳細示例，但是應當注意，這些細節意欲是示例性的，並且絕不限制本發明的範圍。
[0032]超聲波信道
[0033]圖1圖示了根據本發明的一個實施例的、用於使用具有例如在換能器外殼18、20中的壓電元件14、16的聲收發器10、12來穿過金屬壁發射信號的穿過金屬信道模型。在所示的實施例中，諸如Agilent N5182A MXG向量信號發生器的信號發生器(未示出)向諸如Panametrics A112S-RM超聲波換能器的超聲波換能器10、12提供電信號，該換能器將電能轉換為聲能，並且穿過金屬壁22 (例如，代表海軍艙壁的0.25"厚低碳鋼壁)來提供聲信號。信號發生器產生初始基帶信號，並且使用例如MATLAB軟體來執行基帶處理。同相和正交信號分量的直接上轉換允許載波波形的幅度和相位的調製。超聲波地穿過金屬壁的聲信號通過所示的耦合的超聲波接口 24或26被在壁的相對側上的換能器接收，並且然後被處理。在通帶處捕獲超聲波能量，使得該信號可以在軟體中被下轉換為基帶。例如在MATLAB中執行所有最後的信號和數據處理。
[0034]如圖1中所示，進入金屬艙壁22的左面的收發器10內的數據作為超聲波能量被發射穿過金屬屏障。該數據被右手的收發器12接收，並且通過信號處理被恢復。超聲波信道因此由超聲波換能器10、12和劃分它們的金屬屏障22構成。換能器負責將電能轉換為聲能。不幸的是，通過耦合的超聲波接口 24、26與壁配合的換能器因為在構成換能器10、12和壁22的材料上的差別而導致在聲阻抗上的不匹配。在換能器10、12和屏障22之間的該阻抗不匹配引起在屏障22內的反射。
[0035]已經通過實驗驗證，圖1的超聲波系統相對於矩形脈衝信號群測試是近似線性的。參見例如 Primerano、Kam 和 Dandekar, 「High Bit Rate Ultrasonic CommunicationThrough Metal Channels (穿過金屬信道的高比特率超聲波通信)"Information Sciencesand Systems, 2009 (信息科學與系統，2009年)。該系統能夠被建模為瞬態響應，該瞬態響應由主諧振脈衝和一系列延遲的回聲路徑構成。阻抗不匹配、衍射和收發器錯位都是當使用高速率窄帶調製技術時產生碼元之間幹擾(ISI)的回聲的原因。
[0036]在圖2中示出對於0.25"厚低碳鋼的頻率選擇性信道幅度響應的、通過實驗測量的頻率掃描。換能器10、12與鋼22匹配，因為在換能器10、12和艙壁22之間的接合而引起不匹配。在這個換能器艙壁接合處的反射係數大約是-0.48。如圖2中所示，在響應內出現深的零位和高的峰值，即，它是高度頻率選擇性的。在圖2中描述的響應內的深的零位與在信道中存在的聲回聲相關聯，其中，零位到零位之間的間隔等於信道的往返行程回聲周期的倒數，能夠從壁的物理厚度和在鋼22中的聲音的速度來計算該往返行程回聲周期。如下所述的自適應基於OFDM的物理層被定製來通過超聲波信道進行通信。如所示，所提出的系統能夠抵消回聲引起的信道失真，減小PAPR，並且提供增大的吞吐量和鏈路可靠度。
[0037]超聲波物理層——第一實施例
[0038]在圖3中描述了根據本發明的第一實施例的自適應基於OFDM的超聲波系統的框圖。如所示，根據本發明的第一實施例，信源比特在編碼器30處被編碼，被交織器32交織，並且根據通過自適應比特加載(ABL)優化算法34計算的比特分布在發射器處被適當地調製。自適應比特加載是下述處理:通過該處理，基於反饋的信道狀態信息，向消息的正交子信道分配數據。ABL算法假定在連續傳輸上在信道之間存在相關。而且，可以執行初始訓練傳輸以在接收器處經由信道反饋36從信道估計器38獲取信道狀態信息(CSI)。對於ABL算法，該信息是用於每一個子載波的錯誤向量量值(EVM)的大小N的向量。假定ABL算法通過閉環反饋來利用CSI。在調製後，該信息經由IFFT40被轉換到時域，並且通過超聲波信道42被發射。在接收後，該數據經由FFT44被轉換回頻域，被信號處理器46均衡和解調，被解交織器48解交織，並且在接收器處被解碼器50解碼。
[0039]在一個示例性實施例中，超聲波物理層利用在5MHz帶寬上的512個子載波OFDM幀來減輕信道的嚴重的頻率選擇性和受限的相干帶寬。子載波被大約IOkHz的帶寬隔開，以保證可以對於每一個子載波採用平坦的衰落信道。對於每一個子載波執行的鏈路ABL方案也被實現以改善鏈路的頻譜效率。ABL算法的目標是最大化由目標比特錯誤率(BER)約束的鏈路吞吐量。ABL算法的示例性實施例已經顯示對於在22 - 24dB的範圍中的平均峰值功率信噪比(PPSNR)值可獲得15Mbps的的平均發射數據速率。
[0040]正交頻分復用
[0041]在圖3中所示的自適應基於OFDM的超聲波系統使用直接上/下轉換前端來利用載波的同相和正交分量，並且允許自適應多級正交幅度調製(QAM)。在一個示例性實施例中，利用512個正交子載波來構造要發射的基帶信號，其中的496個承載數據碼元。非數據承載子載波包括:6個導頻音，用於校正殘餘載波頻率偏移(CFO)和時鐘漂移；以及，10個載波，其被保留為保護帶，以避免來自載波能量的幹擾。在M-QAM之間對於每一個子載波範圍的自適應星座階數以及該算法允許每一個子載波利用M-QAM調製，其中，M=2S i= {2，4，6，8，10，12，14}。該手段提供了在每一個OFDM碼元的496至6944未編碼比特之間的分組信息速率。在以8.3MHz為中心的有效5MHz帶寬上以7.81k碼元/秒的速率來發射碼元。
[0042]在OFDM下，512個子載波的每一個被看作其本身的平坦衰落信道，並且因此，可以通過下式被數學地建模:
[0043]V.= Jef h.x.+Iit I < k < N (I)
[0044]其中，是與第k個子載波相關聯的功率，hk|和Xk I分別是第k子載波信道響應和發射的碼元，並且翁是第k子載波的加性白高斯噪聲(AWGN)。假定噪聲具有O平均值和單位方差。結果產生的用於所有加載的子載波的系統也能夠被表達為長度N的向量信道矩陣。
[0045]接收器根據訓練碼元獨立地估計在每一個子載波上的覆信道增益，如在等式(2)中所示:
【權利要求】
1.一種穿過金屬傳送數據的方法，包括以下步驟: 使用速率自適應正交頻分復用調製，將數據比特調製到子載波上，從而基於所述子載波的子信道的信道狀態信息的反饋來調節用於所調製數據的傳輸參數，以改善在穿過所述金屬的傳輸期間所述子信道的頻譜效率和可靠性； 在所述子載波上，以聲的方式將所調製的數據比特作為OFDM碼元發射穿過所述金屬； 在所述子信道中，接收已經被發射穿過所述金屬的所述OFDM碼元；以及 使用被應用到每一個子載波的所述信道狀態信息，來均衡所接收的OFDM碼元。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述調製的步驟包括:向所述數據比特應用自適應比特加載算法，以便在固定能量和比特錯誤率的約束下最大化每一個OFDM碼元的比特數目。
3.根據權利要求1所述的方法，進一步包括:在調製後，通過旋轉和/或反轉碼元來減小所述子載波的峰值與平均功率比PAPR，以在所述旋轉和/或反轉後找到具有減小的PAPR的序列。
4.根據權利要求3所述的方法，進一步包括:在存儲器中存儲用於在每一個幀子塊處獲得最小PAPR所需的信息，以及，向接收器發送所述信息，以用於在所述接收器處在解調之前恢復在所述調製步驟中調製的所述數據比特。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述調製的步驟包括:利用所述數據比特，將以大約IOkHz的間隔相隔的512個正交子載波進行正交幅度調製。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述均衡的步驟包括:根據訓練碼元，在每一個子載波上將覆信道增益獨立地估計為:
7.一種用於穿過金屬傳送數據的系統，包括: 位於所述金屬的相對側上的第一聲換能器和第二聲換能器； 數據調製器，所述數據調製器使用速率自適應正交頻分復用調製來將數據比特調製到子載波上，從而基於所述子載波的子信道的信道狀態信息的反饋來調節用於所調製數據的傳輸參數，以改善在穿過所述金屬的傳輸期間所述子信道的頻譜效率和可靠性，所述數據調製器將所調製的數據比特應用到所述第一聲換能器，以用於在所述子載波上穿過所述金屬來傳輸所述數據，以及用於由所述第二聲換能器接收已經在所述子信道上被發射穿過所述金屬的OFDM碼元； 信號處理器，所述信號處理器使用被應用到每一個子載波的所述信道狀態信息，來均衡所接收的OFDM碼元；以及 解調器，所述解調器從所接收的子載波來解調所述數據比特。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述數據調製器向所述數據比特應用自適應比特加載算法，以便在固定能量和比特錯誤率約束下最大化每一個OFDM碼元的比特數目。
9.根據權利要求7所述的系統，進一步包括數據處理塊，所述數據處理塊包括峰值與平均功率比PAPR減小算法，所述PAPR減小算法通過旋轉和/或反轉碼元來減小所述子載波的PAPR，以在所述旋轉和/或反轉後找到具有減小的PAPR的序列。
10.根據權利要求9所述的系統，進一步包括存儲器，所述存儲器存儲用於在每一個幀子塊處獲得最小的PAPR所需的信息，從而在由所述解調器解調之前使用所述信息來恢復由所述數據調製器調製的所述數據比特。
11.根據權利要求7所述的系統，其中，所述數據調製器利用所述數據比特，將以大約IOkHz的間隔相隔的512個正交子載波進行正交幅度調製。
12.根據權利要求7所述的系統，其中，所述信號處理器根據訓練碼元，在每一個子載波上將覆信道增益獨立地估計為:
【文檔編號】H04B5/00GK103814528SQ201280033118
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年5月25日 優先權日:2011年5月26日
【發明者】理察·普裡梅拉諾, 凱文·瓦紐戈, 瑪格達蕾娜·比林斯基, 卡皮爾·丹德卡爾, 摩西·卡姆, 吉列爾莫·索莎 申請人:德雷塞爾大學