CN107147604B - 基于ofdm的智能三模自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM的智能三模自适应传输方法，主要解决传统基于OFDM的传输方案在月球表面复杂环境中难以有效地进行长时间长距离通信的问题。其实现方案是：1.根据当前的调制与编码策略、保护间隔CP长度和发射功率对突发帧数据采用固定长度的傅里叶变换进行编码与调制；2.通过智能三模自适应调整机制给发射端反馈信息；3.发送端根据反馈的信息对调制与编码策略、保护间隔CP长度和发射功率进行调整。本发明能在复杂月表环境中进行有效通信，极大地降低了实现复杂度，提高了数据传输鲁棒性，可用于各种复杂的通信场景。

Description

基于OFDM的智能三模自适应传输方法

技术领域

本发明属于宽带无线通信技术领域，具体涉及一种基于正交频分复用OFDM的低复杂度自适应传输方法，可用于采用正交频分复用OFDM调制的发送设备。

背景技术

随着航天工程领域研究的不断深入，从2004年开始，我国正式开展月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”。到目前为止，探月工程已经完成嫦娥三号卫星和玉兔号月球车的月面勘测任务，下一步将是对月球着陆区的现场调查和分析工作，因此月表通信技术越来越得到业内的重视。相比于地面，月球表面虽然通信频率资源充足，人为干扰少，但是也存在着以下约束：一是信号传播距离远，接收信号信噪比低，但对误码率要求很高；二是外太空缺乏基础电力设施，对能效性要求更高；三是外空电波传播环境存在一定的未知性。因此，当前月表通信的研究重点在于：在较低信噪比环境中能够准确接收数据，并且尽可能降低硬件复杂度，提升设备能效。

正交频分复用OFDM技术因其频谱利用率高，抗码间干扰能力强，抗信道衰落能力强而被广泛使用。其在地面的主要应用包括：数字视频广播DVB、无线局域网WLAN和第四代移动通信4G的下行链路等。

现有的地面通信技术中，长期演进LTE是由第三代合作伙伴计划3GPP组织制定的第四代移动通信系统。其下行链路采用OFDM调制，支持从1.4MHz到20MHz的多种带宽，常规参数使用Δf＝15kHz的子载波间隔和长度大约为5us的保护间隔。对于不同的带宽，由于系统的子载波数目不同，傅里叶变换FFT点数也不同。符合LTE下行链路标准的调制器，需要按照系统最大FFT点数进行设计。当系统带宽发生变化时，调制器需要改变FFT长度，很难根据现有环境对带宽进行实时变换，因此这种方案并不适用于复杂环境下的月表通信。

无线局域网标准802.11x协议簇是国际电工电子工程学会IEEE为无线局域网络制定的标准。其802.11a协议的物理层主要采用正交频分复用OFDM调制，工作在5GHz频段，占用20MHz系统带宽，提供多种传输速率——6,9,12,18,24,36,48和54Mbps。其调制端，采用固定的64点FFT，硬件实现复杂度较低，但是该调制器不支持带宽的改变，且子载波间隔过大，频谱效率低，不适合月表长距离通信。

DVB-T2作为第二代欧洲数字地面电视广播传输标准,在8MHz系统带宽内支持最高约50.1Mbit/s的传输速率。该系统支持1.7MHz,5MHz,6MHz,7MHz和8MHz等系统带宽，每种带宽又支持从1K到32K的FFT长度，因此具有较强的鲁棒性。但是基于DVB-T2的调制器实现非常复杂，它不仅需要根据不同组合模式进行码流适配，较大的FFT长度选择范围使得其功耗较大，因此不适合月表通信。

基于以上分析，现有应用广泛的地面通信技术，并不适合月表通信。月表通信传输方案的设计，需要遵循以下原则：低功耗，自适应和抗干扰能力强。

发明内容

本发明的目的在于针对上述协议的不足，提出一种基于OFDM的智能三模自适应传输方法，即采用自适应编码调制ACM、自适应发送功率调整及自适应循环前缀长度ACP的智能三模自适应triple-adaptive正交频分复用OFDM技术以增强月面节点对环境的适应性，缓解月面节点不易更新的缺陷，提高通信节点能效性并克服环境未知性的影响。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

(1)发射机根据系统当前的编码调制方式生成周期为一个突发帧长度的伪随机扰码序列，并用该扰码序列与需要发送的数据s相乘，得到加扰后的发送数据s_sc；

(2)使用Turbo码配合CRC校验对加扰后的数据s_sc进行信道冗余编码，得到信道编码后的比特流s_FEC；

(3)采用S-随机交织方式对比特流s_FEC中的比特发送顺序进行重新排列，使差错随机化，得到交织后的频域序列s_int；

(4)把交织后的频域序列s_int分段映射成二维坐标下的位置z_q，并插入已知的导频序列p_i，得到包含有导频序列的复数频域数据z_p；

(5)复数频域数据z_p通过固定长度的傅里叶逆变换IFFT转换成时域OFDM符号S_OFDM后，按照当前设定的保护间隔CP长度截取每个OFDM符号S_OFDM后面一定长度的数据放到该符号前面作为保护间隔，得到含有保护间隔的OFDM符号S_CP，再对S_CP进行高倍率重新采样，得到相应的控制OFDM符号S_ctrl和数据OFDM符号S_data；

(6)根据当前传输带宽生成相应的前导序列P_j，并把前导序列P_j、控制OFDM符号S_ctrl和数据OFDM符号S_data组成一个完整突发帧，得到发射机最终的时域数据T并按照当前设置的发射功率发射；

(7)接收机完成同步后，根据循环冗余校验情况、接收信号功率、信噪比SNR估计值和多径延迟估计值四种因素，判断是否对传输模式进行调整，并将反馈信息F反馈给发射端；

(8)发射机在处理下一个突发帧之前，根据上一个突发反馈的反馈信息F对系统的编码调制策略、保护间隔CP长度和发射功率进行调整。

本发明具有如下优点：

1)本发明采用固定的傅里叶变换FFT点数，支持多种传输带宽实时变换，在提高系统鲁棒性的同时降低了硬件实现复杂度。

2)本发明由于采用智能三模自适应传输，可以应对月面不同的链路信噪比和多径环境，节省月面节点的功耗，并解决了因月面多径延迟与地面差异造成的链路中断问题。

3)本发明相比于非自适应传输方案，仅需要增加几比特的控制信息并反馈，实现简单，但会大大提升传输的鲁棒性。

4)本发明由于在突发帧中插入了控制信令OFDM符号，使得控制信息不单独占用传输通道。同时控制信令采用特殊格式进行保护，使用1/3码率Turbo编码和π/4-BPSK调制，抗干扰能力极强。

下面通过附图和实施实例，对本发明做进一步的描述。

附图说明

图1是实现本发明的实现流程图；

图2是本发明中控制信令的格式示意图；

图3是本发明中智能三模自适应调整的子流程图；

图4是本发明在高斯信道下的误码率仿真曲线图。

具体实施方式

为了保证数据在复杂空间环境下传输的正确性，提高发送设备能效，本发明对传统的正交频分复用OFDM系统传输方案进行了改进，其中比特交织编码、傅里叶逆变换IFFT、组帧等与传统的OFDM系统调制方案没有差别，但增加了智能三模自适应传输调整方案，并通过增加冗余信息方式对控制信息进行了额外的保护。本发明能够支持多种系统带宽、调制方式和码率，以增强系统的鲁棒性。

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步描述。

参照图1，其具体实施步骤如下：

步骤1.对数据部分进行加扰。

发射机根据系统当前的编码调制方式生成周期为一个突发帧长度的伪随机扰码序列，并用该扰码序列与需要发送的数据s相乘，得到加扰后的发送数据s_sc，其中编码调制方式包含π/4-BPSK,QPSK和16-QAM三种调制方式和1/2,2/3两种码率，但不局限于这几种编码调制方式；

本实例以5MHz系统带宽，16-QAM调制方式和1/2Turbo码率为例，一个突发帧的数据长度为32960比特，因此通过PN序列可产生一个长度为32960比特的伪随机序列，并用该伪随机序列与需要发送的长度为32960比特的数据s进行相乘，得到加扰后的发送数据s_sc；对控制信息不进行加扰操作。

步骤2.信道编码。

2a)对于32比特的控制信息M，首先对其添加16比特的循环冗余校验位，得到含有循环冗余校验位的信息M_crc，然后把M_crc复制一次并按照图2所示的格式拼接成长度为97比特的码字M_trb，最后由Turbo编码器对M_trb进行1/3码率的信道编码，得到信道编码后的控制数据M_FEC；

2b)系统根据当前的调制方式(16-QAM)把加扰后的发送数据s_sc分成80个Turbo编码码块D_blk，其中每四个码块为一组，长度分别为416,416,416,400比特；然后以组为单位添加长度为16比特的循环冗余CRC校验位，得到包含CRC校验位的数据D_crc；最后把D_crc送入Turbo编码器，输出80个长度为631比特的信道编码后的数据块D_FEC。

步骤3.比特交织。

对于信道编码后的控制数据M_FEC，按照固定的交织图案进行交织，得到交织后的控制信息M_int；

对于信道编码后的数据块D_FEC，采用S-随机交织方式以2524比特为交织周期进行交织，得到20个交织后的数据信息D_int。

步骤4.形成频域数据。

4a)对交织后的控制信息M_int和数据信息D_int进行星座映射：

对于控制信息M_int，采用π/4-BPSK调制方式将其每比特信息映射成一个星座点，得到复数控制信息M_map；

对于数据信息D_int，根据当前系统调制方式(16-QAM)将其每四比特信息映射成一个星座点，得到复数数据信息D_map；

4b)对星座映射后的复数控制信息M_map和复数数据信息D_map插入导频：

对于复数控制信息M_map，按照固定的导频图案进行导频插入，得到包含导频的控制部分的频域数据M_p；

对于复数数据信息D_map，按照5MHz系统带宽下的导频图案进行导频插入，得到包含导频的数据部分的频域数据D_p。

步骤5.根据控制部分频域数据M_p和数据部分频域数据D_p生成控制和数据OFDM符号。

5a)对包含导频的控制部分的频域数据M_p和数据部分的频域数据D_p分别进行1024点的傅里叶逆变换IFFT，得到时域OFDM符号S_OFDM；

5b)根据接收机反馈的CP调整指令，发射机对CP长度进行自适应调整，并设置当前保护间隔长度为a，然后截取每个时域OFDM符号S_OFDM后面a点的数据放到该符号前面作为保护间隔，得到含有保护间隔的OFDM符号S_CP；

5c)对含有保护间隔的OFDM符号S_CP进行上采样，得到控制OFDM符号S_ctrl和数据OFDM符号S_data。

步骤6.构建突发帧，发射射频信号。

6a)由10段长度为512点的时域符号组成短训练序列，两段长度为4096点的时域符号和512点保护间隔组成长训练序列后，根据当前传输带宽5MHz选取相应的短训练序列和长训练序列，组成前导序列P_j；

6b)用前导序列P_j、控制OFDM符号S_ctrl和数据OFDM符号S_data组成一个完整突发帧，得到发射机最终的时域数据T；对该时域数据T依次经过D/A转换和上变频操作得到射频信号后，发射机根据反馈的信号功率调整指令对发射功率进行自适应调整，并按照调整后的发射功率发射。

步骤7.反馈信道状态信息。

参照图3，本步骤的具体实现步骤如下：

7a)接收机完成同步后，首先对控制信息r_ctrl进行循环冗余校验：

若控制信息r_ctrl校验错误，则认为传输链路中断，不对当前突发帧的其它数据进行解调，并设置反馈信息F为111，要求发射机重传该帧数据；

若控制信息校验全部正确，则执行7b)。

7b)对接收信号功率进行检测：

若接收信号功率低于信号功率最低门限值，则提升发射功率，设置反馈信息F为000；

若接收信号功率高于信号功率最高门限值，则降低发射功率，设置反馈信息F为001；

若接收信号功率处于2个门限值之间，则执行7c)。

7c)检测接收信号是否存在符号间干扰ISI：

若接收信号存在符号间干扰，则需要增加数据保护间隔CP，设置反馈信息F为010；

若接收信号不存在符号间干扰，则尝试减小数据保护间隔CP以提高数据传输率，设置反馈信息F为011；

经过几次调整后，一旦确定合适保护间隔长度，则把该保护间隔记忆存储，并执行7d)。

7d)检测当前信道状态并调整调制编码策略：

若接收信号数据部分的循环校验位校验有误，或者信噪比SNR估计值远低于当前传输模式的信噪比参考值，设置反馈信息F为100；

若接收信号数据部分的循环校验位校验正确，且信噪比SNR估计值远高于当前传输模式的信噪比参考值，设置反馈信息F为101；

若接收信号数据部分的循环校验位校验正确，且信噪比SNR估计值与当前传输模式的信噪比参考值相近，则不进行调整，设置反馈信息F为110。

步骤8.自适应模式调整。

发射机在发送下一个突发帧之前，根据上一个突发反馈的反馈信息F对系统的编码调制策略、保护间隔CP长度和发射功率进行调整，调整策略如下：

当反馈字F为000时，功率调整增加一级；

当反馈字F为001时，功率调整减少一级；

当反馈字F为010时，数据保护间隔CP增加一级；

当反馈字F为011时，数据保护间隔CP减少一级；

当反馈字F为100时，将调制与编码策略MCS表中的值增加一级；

当反馈字F为101时，将调制与编码策略MCS表中的值减少一级；

当反馈字F为110时，不进行调整；

当反馈字F为111时，要求发射机重传当前突发帧数据。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

在高斯信道环境下，使用1/2码率的Turbo编码方式，用BPSK或QPSK调制方式对本发明所支持的所有码长的误码率BER进行仿真，结果到图4，其中横坐标代表误码率BER，纵坐标代表信噪比E_b/N₀。

从图4可以看出，使用本发明进行数据传输，可以在信噪比E_b/N₀为3.2dB时达到10^-5以下的误码率，满足月表通信对通信质量的要求。

Claims (6)

1.一种基于OFDM的智能三模自适应传输方法，包括如下步骤：

(1)发射机根据系统当前的编码调制方式生成周期为一个突发帧长度的伪随机扰码序列，并用该扰码序列与需要发送的数据s相乘，得到加扰后的发送数据s_sc；

(2)使用Turbo码配合CRC校验对加扰后的数据s_sc进行信道冗余编码，得到信道编码后的比特流s_FEC；

(3)采用S-随机交织方式对比特流s_FEC中的比特发送顺序进行重新排列，使差错随机化，得到交织后的频域序列s_int；

(4)把交织后的频域序列s_int分段映射成二维坐标下的位置z_q，并插入已知的导频序列p_i，得到包含有导频序列的复数频域数据z_p；

(5)复数频域数据z_p通过固定长度的傅里叶逆变换IFFT转换成时域OFDM符号S_OFDM后，按照当前设定的保护间隔CP长度截取每个OFDM符号S_OFDM后面一定长度的数据放到该符号前面作为保护间隔，得到含有保护间隔的OFDM符号S_CP，再对S_CP进行高倍率重新采样，得到相应的控制OFDM符号S_ctrl和数据OFDM符号S_data；

(6)根据当前传输带宽生成相应的前导序列P_j，并把前导序列P_j、控制OFDM符号S_ctrl和数据OFDM符号S_data组成一个完整突发帧，得到发射机最终的时域数据T并按照当前设置的发射功率发射；

(7)接收机完成同步后，根据循环冗余校验情况、接收信号功率、信噪比SNR估计值和多径延迟估计值四种因素，判断是否对传输模式进行调整，并将反馈信息F反馈给发射端；

(8)发射机在处理下一个突发帧之前，根据上一个突发反馈的反馈信息F对系统的编码调制策略、保护间隔CP长度和发射功率进行调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中编码调制方式包含π/4-BPSK,QPSK和16-QAM三种调制方式和1/2,2/3两种码率，系统默认使用效率最高编码调制策略，接收机通过对当前传输环境作估计，自适应调整编码调制策略。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中使用Turbo码配合循环冗余校验对加扰后的数据s_sc进行信道冗余编码，按如下方式进行：

对于控制信息，调制器首先对数据链路层产生的控制信息添加循环冗余校验位，得到含有循环冗余校验位的信息M_crc，然后把M_crc复制一次并拼接成固定长度的码字M_trb，最后由Turbo编码器对M_trb进行1/3码率的信道编码，得到信道编码后的数据M_FEC；

对于数据信息，系统根据当前的编码调制参数把需要传输的数据分割成多个Turbo编码码块D_blk，发射机对每四个码块D_blk添加一组循环冗余CRC校验位，得到包含CRC校验位的数据D_crc，然后把D_crc送入到Turbo编码器，输出信道编码后的数据D_FEC。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)中设定的保护间隔CP长度可选，默认值为最短保护间隔长度；当接收机判定接收信号存在符号间干扰ISI时，根据反馈的CP调整指令，发射机对CP长度进行自适应调整。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(7)中对传输模式进行调整，调整方式如下：

7a)接收机完成同步后，首先对控制信息r_ctrl进行循环冗余校验：

若控制信息r_ctrl校验错误，则认为传输链路中断，不对当前突发帧的其它数据进行解调，并设置反馈信息F为111，要求发射机重传该帧数据；

若控制信息校验全部正确，则执行7b)；

7b)对接收信号功率进行检测：

若接收信号功率低于信号功率最低门限值，则提升发射功率，设置反馈信息F为000；

若接收信号功率高于信号功率最高门限值，则降低发射功率，设置反馈信息F为001；

若接收信号功率处于2个门限值之间，则执行7c)；

7c)检测接收信号是否存在符号间干扰ISI：

若接收信号存在符号间干扰，则需要增加数据保护间隔CP，设置反馈信息F为010；

若接收信号不存在符号间干扰，则尝试减小数据保护间隔CP以提高数据传输率，设置反馈信息F为011；

经过几次调整后，一旦确定合适保护间隔长度，则把该保护间隔记忆存储，并执行7d)；

7d)检测当前信道状态并调整调制编码策略：

若接收信号数据部分的循环校验位校验有误，或者信噪比SNR估计值远低于当前传输模式的信噪比参考值，设置反馈信息F为100；

若接收信号数据部分的循环校验位校验正确，且信噪比SNR估计值远高于当前传输模式的信噪比参考值，设置反馈信息F为101；

若接收信号数据部分的循环校验位校验正确，且信噪比SNR估计值与当前传输模式的信噪比参考值相近，则不进行调整，设置反馈信息F为110。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(8)中根据上一个突发反馈的反馈信息F对系统的编码调制策略、保护间隔CP长度和发射功率进行调整，按如下规则进行：

当反馈字F为000时，功率调整增加一级；

当反馈字F为001时，功率调整减少一级；

当反馈字F为010时，数据保护间隔CP增加一级；

当反馈字F为011时，数据保护间隔CP减少一级；

当反馈字F为100时，将调制与编码策略MCS表中的值增加一级；

当反馈字F为101时，将调制与编码策略MCS表中的值减少一级；

当反馈字F为110时，不进行调整；

当反馈字F为111时，要求发射机重传当前突发帧数据。

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