CN102811104B - 一种无线信道仿真发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线信道仿真发射器、接收器、系统及方法。该无线信道仿真发射器包括顺序连接的发射软件模块和发射硬件模块，所述发射软件模块包括顺序连接的发射视频编码层、发射网络协议层和发射无线信道层，所述发射视频编码层用来实现对视频流进行编码，所述发射网络协议层用来实现具体的通信协议，所述发射无线信道层用来对信号添加信道参数集；所述发射硬件模块包括顺序连接的发射无线控制板、发射射频前端和发射天线。本发明还提供了相应的无线信道仿真接收器、系统及方法。用于对轨道交通环境下无线高清视频的传输进行性能评估，不需要进行繁琐的实测便可以得到轨道交通环境下视频传输的性能，节约了大量的人力和物力。同时，极大地提高了轨道交通环境下宽带移动通信系统设计与优化的进程。

Description

一种无线信道仿真发射方法

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，尤其涉及一种无线信道仿真发射器、接收器、系统及方法。

背景技术

最近几年，随着无线通信和互联网技术的蓬勃发展，无线视频的传输得到了越来越多的应用。然而，直到现在，大多数研究机构和科研人员仅仅关注静态或低速环境下视频的传输。究其原因在于设备和场地的局限性对高速环境下视频传输性能的研究带来了极大的不便。在高速环境下，例如高速铁路，列车的运行速度可到达250km/h公里以上，列车运行1m只需14.4ms,在实测时，这么短的时间内进行数据的测量难度很大，并且由于政策原因，对实测场地的申请也难度很大。因此，对研究者来讲，通过能够逼近实际轨道交通环境下的无线信道的信道仿真器，在实验室环境就能对无线视频传输性能进行评估，显得至关重要。

目前，市面上也有少量的信道仿真器供应商，但是这些信道仿真器的价格异常昂贵，例如安捷伦公司的一台信道仿真器达到几十万美元，并且这些信道仿真器在出厂时已经设定了信道模型，可编程能力和扩展性很差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线信道仿真发射器、接收器、系统及方法，通过采用软件无线电技术，构造一个具有开放性、标准化、模块化的硬件平台，通过软件编程来实现无线电平台的各种功能(调制解调方式、通信协议、加密模式等)，使数字化处理(A/D和D/A转换)尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。

为了达到以上目的，本发明实施例公开了一种无线信道仿真发射器，包括顺序连接的发射软件模块和发射硬件模块，所述发射软件模块包括顺序连接的发射视频编码层、发射网络协议层和发射无线信道层，所述发射视频编码层用来实现对视频流进行编码，所述发射网络协议层用来实现具体的通信协议，所述发射无线信道层用来对信号添加信道参数集；所述发射硬件模块包括顺序连接的发射无线控制板、发射射频前端和发射天线。

进一步，作为一种优选，采用软件无线电技术对编码后视频流进行加扰和/或调制。

进一步，作为一种优选，发射通信协议包括LTE和/或802.11a/b/g。

进一步，作为一种优选，信道参数集包括传输的径数、每径的衰减因子、时延和到达角。

进一步，作为一种优选，对视频流进行编码，编码后的数据以NDIS分组的形式保存。

本发明实施例还公开了一种无线信道仿真接收器，包括顺序连接的接收硬件模块和接收软件模块，所述接收硬件模块包括顺序连接的接收天线、接收射频前端和接收无线控制板，所述接收软件模块包括顺序连接的接收无线信道层、接收网络协议层和接收视频解码层，所述接收无线信道层用来对来自信道的信号进行信道解析，所述接收网络协议层用来实现具体的通信协议解析，所述接收视频解码层用来实现对视频流进行解码。

本发明实施例还公开了一种无线信道仿真系统，由无线信道仿真发射器和无线信道仿真接收器组成。

本发明实施例还公开了一种无线信道仿真发射方法，包括以下步骤：

步骤1：根据轨道交通场景，从无线信道参数数据库中产生包含信道参数集的信道参数文件；

步骤2：对视频进行编码，编码后的数据流以NDIS分组的形式保存；

步骤3：对每个NDIS分组加以以太网包头，构成以太网帧，并记录每个帧的帧号；

步骤4：以太网帧在网络协议层上转换为WLAN帧，并通过OFDM调制，得到未受无线信道影响的样本集，集合中的每个样本包含了I/Q两路值；

步骤5：根据相关时间T_C，将样本集分为N个子集，一个子集内的样本持续时间等于相关时间；

步骤6：样本根据所对应的帧号以及子集号，确定对应的信道参数集号，在信道参数文件中，使用查表的方法，根据信道参数集号得到信道参数；

步骤7：使用信道参数对每个样本I/Q两路值进行处理，得到受无线信道影响的样本；

步骤8：将经过信道参数处理后的样本集进行排队，等候调度器分配发送资源；

步骤9：若样本点集获得发送资源，样本即可通过D/A转换进行发送，否则返回步骤8，继续等待；

步骤10：当所有样本集发送完毕，结束流程，否则，返回步骤8。

进一步，作为一种优选，步骤8中发送资源包括载频、天线。

进一步，作为一种优选，步骤7采用SIMD指令。

本发明通过基于软件无线电技术公布了适用于轨道交通环境的无线信道仿真器的实现方法与装置，使用查表法和SIMD指令来提高处理数据速度，可根据需要在仿真器上实现不同的无线通信协议和视频编码协议，通过系统级的仿真来评估列车运行速度、不同轨道交通场景(如隧道、立架桥、密集城区、草原、丘陵、山区等)等因素对视频传输性能造成的影响。通过此发明，不需要进行繁琐的实测便可以得到轨道交通环境下视频传输的性能，节约了大量的人力和物力。同时，极大地提高了轨道交通环境下宽带移动通信系统设计与优化的进程。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明实施例仿真发送器的结构示意图；

图2为本发明实施例仿真接收器的结构示意图；

图3是对不同速度下不同帧(样本集)进行信道参数集的添加示意图；

图4是本发明实施例提出的轨道交通环境无线信道仿真发射方法流程图。

具体实施方式

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

本发明是对微软公司开发的软件无线电平台Sora进行二次开发，使用查表法将轨道交通环境下的各种信道通过软件进行模拟，并通过SIMD指令加快仿真器处理运行速度，从而增强了信道仿真器的灵活性和可编程性。

如图1所示，一种无线信道仿真发射器，包括发射软件模块1和发射硬件模块2，所述发射软件模块1包括顺序连接的发射视频编码层11、发射网络协议层12和发射无线信道层13，所述发射视频编码层11用来实现对视频流进行编码，所述发射网络协议层12用来实现具体的通信协议，所述发射无线信道层13用来对信号添加信道参数集；所述发射硬件模块2包括顺序连接的发射无线控制板21、发射射频前端22和发射天线23。

如图2所示，一种无线信道仿真接收器，包括顺序连接的接收硬件模块3和接收软件模块4，所述接收硬件模块3包括顺序连接的接收天线31、接收射频前端32和接收无线控制板33，所述接收软件模块4包括顺序连接的接收无线信道层41、接收网络协议层42和接收视频解码层43，所述接收无线信道层41用来对来自信道的信号进行信道解析，所述接收网络协议层42用来实现具体的通信协议解析，所述接收视频解码层43用来实现对视频流进行解码。

发射、接收软件模块1、4用以实现信号的基带处理(加扰解扰、调制解调等)和标准通信协议(LTE、802.11a/b/g等)，发射、接收硬件模块2、3用以信号的D/A、A/D转换和收发。对于发射、接收软件模块1、4，视频编码/解码层11、43用来实现对视频流的编码解码，编码后的数据以NDIS(网络驱动接口规范)分组的形式保存，解码是从NDIS分组中获得数据；网络协议层用来实现具体的通信协议，物理层、媒介访问控制层、逻辑链路控制层都可以在此层进行表述；无线信道层用来对信号样本通过信道参数集的使用添加信道影响(传输的径数、每径的衰减因子、时延、到达角)。

如图3所示，为不同速度下不同帧(样本集)进行信道参数集的添加示意图。

如图4所示，基于802.11a/g协议的无线信道仿真器实现方法：

接收到的信号r(t)为

r(t)＝∫s(t-τ)h(t,τ)dτ

其中s(t)为发送信号，h(t,τ)为信道冲击响应，定义为

$h(t,\mathrm{\τ})=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{e}^{j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{i}t}\mathrm{\δ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_i)$

其中N，α_i，Δf_i，τ_i分别为路径数，每径的衰减系数，多普勒频移，时延，共同组成了一个信道参数集，因此信道对信号的影响通过信道参数集来反映；

在不同的列车运行速度下，信号的最大多普勒频移为

f_m＝v/λ

其中v为列车运行速度，λ为载频的波长。

由可得到相关时间T_C，在相关时间T_C内，可以认为信道的特征是近似不变的。一个相关时间对应于一个信道参数集，相关时间内的样本点使用同一个信道参数集。从而使视频帧处理后得到的样本点所受到的信道影响随时间变化而变化。

本方法的具体工作步骤如下：

S1、根据轨道交通场景，从无线信道参数数据库中产生包含信道参数集的信道参数文件；

S2、对视频进行编码，编码后的数据流以NDIS分组的形式保存；

S3、对每个NDIS分组加以以太网包头，构成以太网帧，并记录每个帧的帧号；

S4、以太网帧在网络协议层(基于802.11a/g标准)上转换为WLAN(无线局域网)帧，并通过OFDM调制，得到未受无线信道影响的样本集，集合中的每个样本包含了I/Q两路值；

S5、根据相关时间T_C，将样本集分为N个子集，一个子集内的样本持续时间等于相关时间；

S6、样本根据所对应的帧号以及子集号，确定对应的信道参数集号，在信道参数文件中，使用查表的方法，根据信道参数集号得到信道参数；

S7、使用信道参数对每个样本I/Q两路值进行处理，得到受无线信道影响的样本，为加快处理速度，采用SIMD(单指令多数据流)指令；

S8、将经过信道参数处理后的样本集进行排队，等候调度器分配发送资源(载频、天线)；

S9、判断是否得到发送资源；

S10、若样本点集获得发送资源，样本即可通过D/A转换进行发送，否则返回步骤S8，继续等待；

S11、判断所有样本是否发送完毕；

S12、当所有样本集发送完毕，结束流程，否则，返回步骤S8。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种无线信道仿真发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据轨道交通场景，从无线信道参数数据库中产生包含信道参数集的信道参数文件；

步骤2：对视频进行编码，编码后的数据流以NDIS分组的形式保存；

步骤3：对每个NDIS分组加以以太网包头，构成以太网帧，并记录每个帧的帧号；

步骤4：以太网帧在网络协议层上转换为WLAN帧，并通过OFDM调制，得到未受无线信道影响的样本集，集合中的每个样本包含了I/Q两路值；

步骤5：根据相关时间T_C，将样本集分为N个子集，一个子集内的样本持续时间等于相关时间；

步骤6：样本根据所对应的帧号以及子集号，确定对应的信道参数集号，在信道参数文件中，使用查表的方法，根据信道参数集号得到信道参数；

步骤7：使用信道参数对每个样本I/Q两路值进行处理，得到受无线信道影响的样本；

步骤8：将经过信道参数处理后的样本集进行排队，等候调度器分配发送资源；

步骤9：若样本点集获得发送资源，样本即可通过D/A转换进行发送，否则返回步骤8，继续等待；

步骤10：当所有样本集发送完毕，结束流程，否则，返回步骤8。

2.根据权利要求1所述的无线信道仿真发射方法，其特征在于，所述步骤8中发送资源包括载频、天线。

3.根据权利要求1所述的无线信道仿真发射方法，其特征在于，所述步骤7采用单指令多数据流SIMD指令。