CN103124244B

CN103124244B - 一种点对多点系统中的主动信道认知和通信频率选择方法

Info

Publication number: CN103124244B
Application number: CN201210321718.1A
Authority: CN
Inventors: 王荆宁; 石玉景; 杨喜光
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: CN103124244A

Abstract

本发明提出了一种点对多点系统中的主动信道认知和通信频率选择方法，该方法中利用一个固定速率的波形进行初始信道认知和周期性的信道认知，并且根据信道认知的结果选择最佳的通信频点。为了解决不同地点设备的信道状态不同的问题，本方法采用对多个目标参数加权的方式来选择最佳的频点，并且通过为当前通信频率的加权和乘以一个大于1的系数来保证通信频率的稳定性。

Description

一种点对多点系统中的主动信道认知和通信频率选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域的自适应传输技术，涉及主动信道认知、频率选择和频率自适应变化。

背景技术

在复杂的电磁环境下，存在着大量的有意和无意的干扰，可使用频点较少且不固定，单纯靠频谱规划等措施难以实现可靠的通信；在复杂的地理环境下(以山区为例)，电波传播路径传输损耗大，多径传播现象严重，无线传播特性与地形密切相关，呈现剧烈变化，因此无法进行速率调整的波形难以满足需要。

并且设备需要具有快速开通的能力，并且能够快速构建网络，完成设备间的互连互通和增强覆盖，因此在开机阶段需要具有主动信道认知以选择频点和速率的功能。并且通信设备往往都是机动设备，在长期运行过程中会遇到不同的环境，信道条件会发生改变，因此设备需要能够根据不同的环境确定传输策略和传输参数。

自适应传输一般采用自适应调制编码来改变传输速率，但是在复杂的电磁地理环境下，需要改变传输速率和通信频率。并且在点对多点系统中，各个终端处于不同的位置，可通的通信频点也会不同，因此需要对多个可用频点进行主动信道认知，然后对各个可用通信频点的多个参数进行综合考虑，从而确定传输频率。

发明内容

本发明主要设计一种主动信道认知方法和基于加权的频率选择与自适应的方法，该方法针对点对多点系统设计。

本发明的目的是这样实现的：

一种点对多点系统中的主动信道认知方法，所述的通信系统中有一个节点和多个终端，可用通信频点有多个，其特征在于包括以下步骤：

(1)开始工作，节点在可用频点f₁向其中的一个终端1发送信道认知信号；其中f₁为一个可用频点；

(2)终端1接收到节点的信道认知信号之后，对其进行信噪比估计，得到估计结果S_1，s；

(3)终端1在可用频点f₁向节点发送信道认知信号，并将信道估计结果S_1，s传送给节点；

(4)节点接收到终端1的信道认知信号之后，对其进行信噪比估计，得到估计结果S_1，m；

(5)节点比较估计结果S_1，s和S_1，m，取二者较小的值作为终端1在频点f₁上的可用信噪比，并确定其对应的传输速率R_i；

(6)节点与终端1在其它可用频点上重复步骤(1)到步骤(5)，从而确定所有可用频点上的信噪比和对应的传输速率；

(7)节点与其它终端重复步骤(1)到步骤(6)，从而确定所有终端在所有可用频点上的信噪比和对应的传输速率。

一种点对多点系统中基于加权的通信频率选择方法，用于根据不同频点的可通终端数、通信速率和信噪比选择最佳的通信频点，其特征在于包括以下步骤：

(201)根据权利要求1中信道认知得到的所有终端在所有可用频点上的信噪比和对应的传输速率，计算得到各个频点的可通终端数U_i、总速率C_i和总信噪比S_i；

(202)采用加权的方式计算各个频点的加权和，计算公式如下：

W_{i} = w_{user} * \frac{U_{i}}{U_{\max}} + w_{rate} * \frac{R_{i}}{R_{\max}} + w_{SNR} * \frac{S_{i}}{S_{\max}}

其中W_i为第i个可用频点的加权和，U_i为第i个可用频点可通终端数，U_max为所有频点中最大可通终端数，w_user为可通终端数所占的权重；R_i为第i个可用频点可通的总速率，R_max为所有频点中最大的可通总速率，w_rate为可通总速率所占的权重；S_i为第i个可用频点可通终端的总信噪比，S_max为所有频点中最大的通终端的总信噪比，w_SNR为可通终端的总信噪比所占的权重；

(203)选取加权和最大的频点作为当前通信频点。

其中，在步骤(203)之后还包括以下步骤：

(204)通信过程当中，对包含当前通信频点的可用频点周期性按权利要求1中的步骤进行主动信道认知，并按在步骤(201)和步骤(202)中的方式计算可通用户数、总速率和总信噪比并计算各个可用频点的加权和；

(205)将步骤(204)中计算得到当前通信频点的加权和乘以一个大于1系数P作为当前通信频点的最终的加权和；

(206)将当前通信频点的最终的加权和与步骤(204)中计算的其它各个可用频点的加权和进行对比，选取加权和最大的频点作为新的通信频点。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

1、通过开机阶段的主动信道认知来评估各个频点的通信效果，并对各个参数计算加权和，从而选择出最佳的通信频点，从而解决快速开通的问题；

2、通信过程中周期性的对信道进行探测，从而可以解决环境变化的情况下始终工作在最佳频点，并且设定当前通信频点的权重较大，可以保证通信频率不会频繁抖动。

附图说明

图1是点对多点系统框图。

图2是节点和终端的收发信机框图。

图3是不同信噪比估计方法的仿真曲线。

图4是各终端和频点的信噪比和传输速率表格示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明作进一步说明：

一种点对多点的系统中的主动信道认知方法，所述的通信系统中有一个节点和多个终端，可用通信频点有多个。

该系统为点对多点系统，系统框图如图1所示。假设有n个终端和5个可用工作频点(分别为f₁到f₅)，节点与所有的终端之间都采用相同的工作频点，但是可以采用不同的通信速率，该工作频点从5个可用的通信频点中选出。

该系统根据信道的动态范围设置多档速率，每档速率对应于特定的传输带宽(符号速率)、编码方式和调制方式，每档速率所需的接收信噪比或者速率差值比较均匀。例如可以设置1.25M波特、2.5M波特和5M波特三档符号速率，调制方式选用BPSK和QPSK，采用码率1/2、2/3、3/4以及0.9的信道编码。然后根据仿真和实测结果从中选取合适的组合作为最终的速率档，将传输速率分成8档，从低到高分别为R₁，R₂，…R₈，如下所示

R₁：1.25M符号速率，BPSK调制，1/2编码效率(速率640kbps)

R₂：1.25M符号速率，QPSK调制，1/2编码效率(速率1.25Mbps)

R₃：2.5M符号速率，QPSK调制，1/2编码效率(速率2.5Mbps)

R₄：2.5M符号速率，QPSK调制，3/4编码效率(速率3.75Mbps)

R₅：5M符号速率，QPSK调制，1/2编码效率(速率5Mbps)

R₆：5M符号速率，QPSK调制，2/3编码效率(速率6.67Mbps)

R₇：5M符号速率，QPSK调制，3/4编码效率(速率7.25Mbps)

R₈：5M符号速率，QPSK调制，0.9编码效率(速率9Mbps)

这样在低端速率部分所需信噪比均匀(相差3dB)，而在高端速率部分实际速率差值均匀(1-2Mbps)。另外还要加上一档R₀，即终止传输档，如果选择R₀则系统停止传输信息。

节点和终端的收发信机的框图如图2所示。

(1)开始工作，节点在可用频点f₁向其中的一个终端1发送信道认知信号，其中f₁为一个可用频点，该信道认知信号为一个低速的信号，速率为R₁，信道认知信号中包括终端号码等信息，然后发送512个随机数作为信道估计的数据；

(2)终端1接收到节点的信道认知信号之后，对信号进行均衡和解调、解码，确定该信息时发送给自己的，然后对剩余的信号进行信噪比估计。

信噪比估计可以选用多种方法，包括EVM算法、M2M4算法等，各种算法的性能如图3所示。其中M2M4算法性能最好，并且已经可以硬件实现，因此本方法中选择M2M4算法。

M2M4算法通过求得接收信号的2次距和4次距来估计信噪比，信号的2次距和4次距分别为

M_{2} = e {y_{n} y_{n}^{*}} \approx \frac{1}{N} Σ_{n = 0}^{N - 1} {| y_{n} |}^{2}

M_{4} = E {{(y_{n} y_{n}^{*})}^{2}} \approx \frac{1}{N} Σ_{n = 0}^{N - 1} {| y_{n} |}^{4}

那么接收信噪比为

SNR = \frac{\sqrt{2 M_{2}^{2} - M_{4}}}{M_{2} - \sqrt{2 M_{2}^{2} - M_{4}}}

通过信噪比估计，得到终端1的接收信噪比估计值S_1，s；

(3)终端1同样在可用频点f₁向节点发送信道认知信号，信道认知信号中包括终端号码和终端1估计结果S_1，s等信息，然后发送512个随机数作为信道估计的数据；

(4)节点接收到终端1的信道认知信号之后，采用M2M4算法对其进行信噪比估计，得到节点的接收信噪比估计结果S_1，m；

(5)节点比较估计结果S_1，s和S_1，m，取二者较小的值作为节点与终端1在频点f₁上的可用信噪比，并确定其对应的传输速率R_i；

不同的信噪比与速率的对应表格如表1所示。例如信道估计的结果为4dB，介于速率等级R₄和R₅的最低要求之间，那么就判定当前传输速率为R₄。

表1

速率等级

R₁

R₂

R₃

R₄

R₅

R₆

R₇

R₈

信噪比

-4dB

-1dB

2dB

3dB

5dB

6dB

7dB

8dB

(7)节点与其它终端重复步骤(1)到步骤(6)，从而确定所有终端在所有可用频点上的信噪比和对应的传输速率，最终得到图4所示的二维表格。

如果传输速率为R₀，则表示在该频点该终端不通。那么将图4中每一列可通的终端相加就可以得到f₁到f₅各个频点的可通终端数。同理，将图4中每一列的速率相加就得到总速率，信噪比相加就得到总信噪比，最终得到如下表2所示的表格。

表2

频率	f₁	f₂	f₃	f₄	f₅
						可通终端数	5	8	7	7	4
总速率	100	50	90	90	100
						总信噪比	155	120	150	145	140

W_{i} = w_{user} * \frac{U_{i}}{U_{\max}} + w_{rate} * \frac{R_{i}}{R_{\max}} + w_{SNR} * \frac{S_{i}}{S_{\max}}

其中W_i为第i个可用频点的加权和，U_i为第i个可用频点可通终端数，U_max为所有频点中最大可通终端数，w_user为可通终端数所占的权重；R_i为第i个可用频点可通的总速率，R_max为所有频点中最大的可通总速率，w_rate为可通总速率所占的权重；S_i为第i个可用频点可通终端的总信噪比，S_max为所有频点中最大的通终端的总信噪比，w_SNR为可通终端的总信噪比所占的权重。

按照以下原则进行频率选择：可通用户数最多，总速率最大，总信噪比最大。可通用户数占的权重最大，然后是速率，最后是信噪比。例如可以设置的权重为w_user＝0.8，w_rate＝0.15，w_SNR＝0.05。这样就可以计算得到5个可用频点的加权和。

(203)选取加权和最大的频点作为当前通信频点。其对应的速率即为各终端通信速率。

(204)通信过程当中，对包含当前通信频点的可用频点周期性按权利要求1中的步骤进行主动信道认知，并按在步骤(201)和步骤(202)中的方式计算可通用户数、总速率和总信噪比并计算各个可用频点的加权和。

(205)将步骤(204)中计算得到当前通信频点的加权和乘以一个大于1系数P作为当前通信频点的最终的加权和，这是为了保证通信频点不会抖动，这样既可以选择最佳的通信频点，还可以不用频繁变换通信频点，增加系统的稳定性。

(206)将当前通信频点的最终的加权和与步骤(204)中计算的其它各个可用频点的加权和进行对比，选取加权和最大的频点作为新的通信频点，其对应的速率即各终端的通信速率，这样就完成了通信频率的自适应变化。

Claims

1.一种点对多点系统中的主动信道认知方法，通信系统中有一个节点和多个终端，可用通信频点有多个，其特征在于包括以下步骤：

2.一种点对多点系统中基于加权的通信频率选择方法，用于根据不同频点的可通终端数、通信速率和信噪比选择最佳的通信频点，其特征在于包括以下步骤：

W_{i} = w_{user} * \frac{U_{i}}{U_{\max}} + w_{rate} * \frac{R_{i}}{R_{\max}} + w_{SNR} * \frac{S_{i}}{S_{\max}}

(203)选取加权和最大的频点作为当前通信频点。

3.根据权利要求2所述的一种点对多点系统中基于加权的通信频率选择方法，其特征在于：在步骤(203)之后还包括以下步骤：

(205)将步骤(204)中计算得到当前通信频点的加权和乘以一个大于1的系数P作为当前通信频点的最终的加权和；