一种OFDM/OQAM系统波形自适应设计方法与流程
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种ofdm/oqam系统波形自适应设计方法。
背景技术：
地空无人机通信系统以及邻近空间通信系统中，在面临丰富的多径分量的同时，还会受到信道多普勒扩展引起的频率弥散衰落的影响。作为5g物理层备选调制方案之一，基于交错正交调制的正交频分复用(offsetquadraturemodulationbasedorthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm/oqam)技术通过引入具有良好时频局部化特性的原型脉冲滤波器，使系统在无cp的条件下兼具良好的抗isi和ici能力。
目前最常用的原型脉冲滤波器是各项同性正交变换函数(isotropicorthogonaltransformalgorithm，iota)，这种原型脉冲滤波器由于其不具备时间、频率聚焦可调特性，因而不适应于广义平稳非相关散射(widesensestationaryuncorrelatedscattering，wssus)信道在时频域快速衰落的特征，例如地空通信(air-to-groundchannel)。
现有技术在wssus信道ofdm系统下从信干比表达式信道散射函数(channelscatteringfunction，csf)出发，讨论了wssus特性的两种信道模型：具有均匀时延功率谱、均匀的多普勒功率谱下的时频双衰信道和具有指数型时延功率谱、u型多普勒功率谱的时频双衰信道，针对两种模型的散射函数简化了信干比表达式。散射函数为波形自适应设计的信道模型分类提供依据，但是其在基于高斯函数的ofdm系统下给出的波形自适应匹配准则对于基于egf滤波器的ofdm/oqam系统有局限性。
因此，结合具有具有指数型时延功率谱、u型多普勒功率谱特征的地空信道，需要一种地空通信ofdm/oqam系统波形自适应设计方法来优化系统性能。
技术实现要素：
本发明所要解决的是在地空无人机通信系统以及邻近空间通信系统中，ofdm/oqam系统iota滤波器不具备时间、频率聚焦可调特性，不能实时地适应无线衰落信道的问题，提供一种ofdm/oqam系统波形自适应设计方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种ofdm/oqam系统波形自适应设计方法，包括步骤如下：
步骤1、系统发送端的信源产生二进制随机信息序列；
步骤2、系统发送端对二进制随机信息序列进行调制形成复数数据；
步骤3、系统发送端在调制所形成复数数据中插入导频和前导码，形成待传输数据；
步骤4、系统发送端根据初始的滤波器参数去调整发送滤波器组，并利用该发送滤波器组对待传输数据进行滤波；
步骤5、系统发送端通过信道将滤波后的数据发送至系统接收端；
步骤6、系统接收端对接收到的数据进行信道估计，得到该信道条件下的最大多径时延τmax和最大多普勒频移vmax；
步骤7、系统接收端据初始的滤波器参数去调整接收滤波器组，并利用该接收滤波器组对信号估计后的数据进行接收滤波；
步骤8、系统接收端对滤波后的数据进行解调后还原出数据；
步骤9、系统接收端根据步骤6所得到的当前信道的最大多径时延τmax和最大多普勒频移vmax，并利用基于信干比sir优化的波形自适应算法获得当前信道下的最优滤波器参数，并利用该最优滤波器参数去调整发送滤波器组和接收滤波器组。
上述步骤2中，采用正交qam映射对待传输数据进行调制。
上述步骤3中，前导码包括同步码和ack反馈码字。
上述步骤中，接收滤波器参数与发送滤波器的参数一致。
上述步骤9中，基于信干比sir优化的波形自适应算法如下：
步骤9.1、根据步骤6所得到的当前信道的最大多径时延τmax和最大多普勒频移vmax，并利用波形自适应匹配准则和ofdm/oqam系统时频关系，将频域上子载波间隔v0和时域上相邻oqam实值符号的时间偏移τ0转换为关于波形匹配系数β的函数：
步骤9.2、将上述频域上子载波间隔v0和时域上相邻oqam实值符号的时间偏移τ0代入到信干比sir计算公式中，此时信干比sir被转换为关于波形匹配系数β和滤波器扩展因子α的二元表达式；
步骤9.3、通过最大化信干比sir得到当前信道下的波形匹配系数β和滤波器扩展因子α，该滤波器扩展因子α即为当前信道下的最优滤波器参数。
与现有技术相比，本发明通过引入适应wssus信道模型的波形匹配系数，比classical-egf函数有良好的性能改善，更适用于类似于地空信道的wssus信道模型，从而实现地空通信ofdm/oqam系统波形自适应。
附图说明
图1为一种ofdm/oqam系统波形自适应设计方法的原理框图。
图2为地空信道四种状态下的信干比仿真结果；(a)为parking(停场)；(b)为taxi(滑行)；(c)为en-route(飞行)；(d)为arrival(到达)。
图3为子载波数为1024，符号数为10的地空信道4qam基带调制下的ofdm/oqam系统性能曲线。
图4为子载波数为1024，符号数为10的地空信道16qam基带调制下的ofdm/oqam系统性能曲线。
图5为地空信道飞行状态下16qam基带调制下的不同多普勒下系统误码性能图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，在本实施例中提供了一种ofdm/oqam系统波形自适应设计方法，信道环境为地空信道模型，此系统采用了在时频域上具有良好局域化特性和良好能量聚焦特性的滤波器(如egf和iota)。本实施例系统和信道各设置参数如下：
表1系统参数设置表
表2信道参数
下面阐述本实施例中一种ofdm/oqam系统下波形自适应设计方法的具体步骤：
步骤1：发送端信源的产生。
产生1024行、10列的频域信源数据，每一列为一个符号。第m个符号的第n个子载波上的数据表示为am,n，(m∈[1，10]，n∈[1，1024]，且m与n均为正整数)。
步骤2：发送端正交qam映射。
对步骤1产生的二进制信源数据进行正交qam(oqam)映射，信源二进制数据被映射成复数数据。
步骤3：发送端插入导频和前导码。
导频即信道估计码字，用于信道估计和均衡，ofdm/oqam系统信道估计采用iam-c梳状导频。将上述处理后的数据符号插入iam-c导频结构用于信道估计，即在数据前端插入三列导频，第一列和第三列设置为全零，第二列则根据导频等效功率最大化原则设计为{1,j,-1,-j,1,j,-1,-j......}。随后，将块状导频按每五列插一列周期性地插入到传输数据中。
另外，在数据符号前插入前导码，即50bit同步码(sync)和4bitack-egf反馈码字。同步码(sync)被用于唤醒接收设备，使其与接收信号同步。ack-egf反馈码字用于将接收端的信息返回至发送端。
步骤4：发送端滤波。
在系统最初运行之初，系统发送端根据初始的滤波器参数去调整发送滤波器组，并利用该发送滤波器组对待传输数据进行滤波。其中，ack-egf初始默认为0000，即为iota滤波器。
在系统运行过程中，系统发送端根据系统接收端ack帧的反馈信息，系统发送端发送的数据帧内的ack-egf将携带反馈的最优滤波器参数自适应调整滤波器。
步骤5：经过信道。
系统发送端通过信道将滤波后的数据发送至系统接收端。
步骤6：接收端信道估计。
信道估计码字，即导频，用于信道估计和均衡，ofdm/oqam系统信道估计采用iam-c梳状导频。根据步骤3设计的导频结构，地面上的发射塔按照指令向系统接收端发送数据帧。系统接收端对接收到的数据进行信道估计，得到该信道条件下的最大多径时延τmax和最大多普勒频移vmax。此后系统接收端向系统发送端发送ack-egf帧(acknowledge-egf)告诉系统发送端此时飞行器的信道估计信息，系统发送端根据反馈信息从根据滤波器参数加载表中自适应选择滤波器。
步骤7：接收端滤波。
在系统最初运行之初，系统接收端根据初始的滤波器参数去调整接收滤波器组，并利用该接收滤波器组对信号估计后的数据进行接收滤波。
在系统运行过程中，系统接收端根据所计算出的最优滤波器参数自适应调整滤波器。
步骤8：接收端解调。
对滤波后的数据进行解调后还原出数据。
步骤9：接收端波形自适应计算。
通过波形自适应匹配准则和基于信干比sir优化的波形自适应算法计算地空信道不同状态的滤波器参数，并生成地空信道模型下的滤波器参数。
基于信干比sir优化的波形自适应算法如下：
步骤9.1、根据步骤6所得到的当前信道的最大多径时延τmax和最大多普勒频移vmax，并利用波形自适应匹配准则和ofdm/oqam系统时频关系，将频域上子载波间隔v0和时域上相邻oqam实值符号的时间偏移τ0转换为关于波形匹配系数β的函数：
步骤9.2、将上述频域上子载波间隔v0和时域上相邻oqam实值符号的时间偏移τ0代入到信干比sir计算公式中，此时信干比sir被转换为关于波形匹配系数β和滤波器扩展因子α的二元表达式；
步骤9.3、通过最大化信干比sir得到当前信道下的波形匹配系数β和滤波器扩展因子α，该滤波器扩展因子α即为当前信道下的最优滤波器参数。
基于信干比sir优化的波形自适应算法的原理为：
首先采用wssus信道的模型2，具有指数型时延功率谱和u型多普勒功率谱的时频双衰信道，散射函数：
其中，τmax表示信道的最大多径时延，υmax表示最大多普勒频移。
本发明结合地空信道模型将模型2用于ofdm/oqam系统波形自适应算法，引入波形匹配系数β，用于确定egf函数和信道特性的匹配关系。
通过信道估计可以获取τmax和υmax，波形时频间隔τ0和υ0可以表示成β、τmax和υmax的关系式。
wt和wf分别描述了滤波器能量沿时间轴和频率轴的散布情况，heisenberg参数满足不等式
ofdm/oqam系统时频关系式如下所示：
其中，v0和τ0分别表示频域上子载波间隔和时域上相邻oqam实值符号的时间偏移，
则地空信道不同信道状态的最大多径时延τmax、最大多普勒频移vmax和匹配系数β的关系如下。
根据上述关系式可以得到，
另外，信干比表达式如下：
其中，sh(τ,υ)为信道散射函数，ag(α)(τ，v)为egf滤波器的模糊函数值；一般地，ofdm/oqam系统由于应用了时频聚焦性能较好的egf滤波器，期望符号的isi和ici干扰一般来自于相邻符号，即(m,n)＝(±1,0),(0,±1)。
综上，信干比可以表示为：
其中，
其中g(t)表示egf滤波器。
综上，sir是关于波形匹配系数β和滤波器扩展因子α的二元表达式，即sir(β,α)。通过计算sirmax(β,α)对应的(βopt,αopt)即可得到适合当前信道模型的优化滤波器。
地空信道四种状态下的信干比仿真结果如图2所示。通过计算sirmax(β,α)对应的(βopt,αopt)即可得到适合当前信道模型的优化滤波器，如图中小方框中顶点坐标所示，z代表sir，x代表β，y代表α，可以获得最大sir的情况下的最优波形匹配系数和滤波器扩展因子(βopt,αopt)，并利用该最优滤波器参数去调整发送滤波器组和接收滤波器组。结果如下表：
表3egf滤波器参数加载表
其中，本实施例中采用的egf滤波器介绍如下：
gaussian函数具有很好的时频聚焦特性，但是gaussian函数所有因子都为正数，所以不满足正交条件。有学者提出利用正交变换的方式对gaussian函数进行处理，得到了扩展高斯函数(extendedgaussianfunction，egf)，egf函数表达式如下：
其中
egf函数的数值受三个变量的约束，即α、v0和τ0。
对于iota函数，α＝1，
本实施利用误码性能(biterrorrate，ber)指标来对比iota滤波器和地空通信ofdm/oqam系统波形自适应egf滤波器的抗干扰性能，同时对工程可实现性作了对比分析。
(1)误码性能对比。
从基于信干比sir波形自适应算法在地空信道下四种状态分别可以得到优化扩展因子和优化信道匹配系数获取优化egf滤波器。针对算法的有效性，本发明给出了4qam和16qam基带调制下的ofdm/oqam系统误码性能曲线如图3和图4所示。可以看出：
a.在4qam地空信道ofdm/oqam系统中，停场状态下(信噪比设置为snr＝9db时)优化egf滤波器误码率比iota滤波器有约3.7db增益，滑行状态下(信噪比设置为snr＝12db时)有约3.5db增益，到达状态下(信噪比设置为snr＝12db时)有约1.7db增益，滑行状态下(信噪比设置为snr＝12db时)有约1.0db增益；
b.在16qam地空信道ofdm/oqam系统中，信噪比设置为snr＝30db时，停场状态下优化egf滤波器误码率比iota滤波器有约23.8db增益，滑行状态下有约13.0db增益，到达状态下有约3.2db增益，滑行状态下有约2.1db增益，因此在系统性能优化egf滤波器比iota滤波器在系统性能有良好的改善。
(2)本设计方法对地空信道多普勒效应的容忍度。
本实施例中，在地空无人机通信系统中，在面临丰富的多径分量的同时，还会受到信道多普勒扩展引起的频率弥散衰落的影响。针对地空通信中的多普勒严重影响的问题，还需要多普勒补偿操作。本实施例ofdm/oqam系统基于信干比优化的波形自适应设计对多普勒扩展有一定的容忍度，从图5可以看出，当snr＝30db时，滤波器优化的效果在多普勒低于700hz的范围内有效。
本发明方法主要包括波形自适应参数产生模块和波形自适应反馈模块两个部分。波形自适应参数产生模块引入波形匹配系数β，通过波形匹配准则建立波形时频域间隔与信道最大多径时延、最大多普勒频移的关系，再结合信干比sir优化函数计算优化脉冲成型滤波器参数并生成滤波器参数加载表。波形自适应反馈模块主要将滤波器参数通过系统接收端发送ack反馈帧反馈给发送端，从而调整滤波器参数实现波形自适应。结果表明，在地空信道下，ofdm/oqam系统波形自适应设计方法改善了误码性能。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
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