一种面向山地密林应急救援的ZT-DFT-s-OFDM通信体制与波形设计方法

一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法
技术领域
1.本发明涉及应急救援的移动通信技术领域，尤其是涉及一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法。


背景技术：

2.近年来森林火灾、泥石流、地震、特大暴雨等重大自然灾害频发，而这些自然灾害的发生地通常是植被茂密的山地林区不具备通信能力或者是灾害破坏了当地的通信设备造成应急通信的中断，这对人民群众和救援人员的生命和财产安全带来严重威胁。如2019年的四川凉山木里县雷击火导致的森林火灾，着火点在海拔3800米左右，地形十分复杂、坡陡谷深，火场山高林密，救火队员在转场途中，受瞬间风力风向突变影响，突遇山火爆燃，致使通信中断，几十名救火队员失去联系，造成了本不必要的巨大伤亡。所以，针对山地密林环境下多径严重、信号覆盖差、宽带信道模型缺失和应急救援终端功率受限的问题，我们基于零尾dft扩展编码的正交频分复用技术提出了一种面向山地密林的高可靠高功放效率的多载波信号增强技术，旨在提升信号的穿透性、通信速率和信号传输距离，解决山地密林环境下应急救援的通信问题。
3.zt-dft-s-ofdm是在目前使用广泛的cp-ofdm的基础上做出改进的一种波形技术，具有实现简单、灵活度高、对抗多径衰落能力强、相比于传统cp-ofdm具有更低的峰均比、更高的时频域聚焦性等优点。目前在灾害应急救援领域，国际上还没有将zt-dft-s-ofdm应用于山地密林通信的方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法，解决了山地密林多径严重、带宽窄、穿透性低、通信距离短的问题，采用了zt-dft-s-ofdm的通信体制与波形设计方法，可灵活配置子载波间隔和子载波个数，实现宽带通信，密林环境下植被覆盖度高，为减小树木对信号的遮挡，设定了合适的载波频率以保持着相对较长的波长和尺寸适当的收发端天线，从而提高密林环境下信号的穿透性，采用了dft扩展编码的技术降低信号的峰均比，减少了信号的功率回退，提升了有限发射功率下通信距离的提升，进一步加强了信号的穿透性，增加了零头和零尾，使符号间过渡更加平滑，提升了系统的时频聚焦性，减少了系统的带外辐射。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法，包括以下步骤：
6.(1)在数学仿真软件matlab中，设定信号的一帧内包含k个ofdm符号，一个符号包含l个子载波，每个子载波间隔为f，正交幅度调制(qam)信号阶数为m，生成k*l*log2m个比特流数据，再映射成k*l个m阶的qam符号；
7.(2)将步骤(1)中得到的串行数据转化成并行，接着在每个符号前后添加一定数量
的零，作为符号间过渡的零头和零尾；
8.(3)对步骤(2)中加完零头和零尾的数据，做m点离散傅里叶变换(dft)；
9.(4)将步骤(3)中dft后的数据进行子载波映射，将未使用的子载波全部填充为0；
10.(5)对步骤(4)中载波映射后的数据进行n点快速傅里叶反变换(ifft)，并将此时的并行数据再转换为串行数据，得到发射端的发射信号；
11.(6)在步骤(5)得到发射端的信号后，计算信号的峰均比(papr)，并在matlab中绘制信号的互补累计分布函数(ccdf)与峰均比之间的关系曲线图，得到信号的峰均比出现概率不超过千分之一处的门限值为γ(db)。
12.(7)引入山地密林的信道模型，根据该信道模型提供的参数计算得到相应的信道矩阵；
13.(8)将发射信号引入至山地密林的信道中，并添加高斯白噪声，计算接收端的接收信号；
14.(9)在步骤(8)得到接收端接收信号的基础上，串并转换后做n点快速傅里叶变换(fft)；
15.(10)在步骤(9)中对信号做完fft后，再做子载波逆映射，将发射端子载波映射时所补的零去除；
16.(11)在步骤(10)做完子载波映射后，对其做mmse均衡；
17.(12)在做完频域均衡后，再做m点idft得到接收端的接收符号，并将其逆映射成相应的二进制比特流数据，与接收端的基带比特流数据进行对比，统计出误码个数，除以总的二进制比特数，得到山地密林信道模型下的误码率性能曲线，循环重复多次，取一个平均值作为最后的误码率性能评判依据；
18.(13)在步骤(12)的基础上根据系统的误码率性能选定一个合适的解调信噪比snr(db)；
19.(14)设定相关参数，计算zt-dft-s-ofdm系统在山地密林环境下的传输距离。
20.优选的，所述步骤(14)中计算zt-dft-s-ofdm系统在山地密林环境下的传输距离具体包括以下步骤：
21.s1、在步骤(1)的基础上，计算出信号的带宽b；
22.s2、计算出接收机灵敏度；
23.s3、设定工程上常用的参数，收发端天线增益g
t
(在此设定收发端天线增益相等)，密林环境为了增加信号的波长载波频率为fc，发射机1db压缩点功率为(dbm),减去步骤(6)中得到峰均比门限值papr(db)得到设计的发射端实际发射功率p(dbm)；
24.s4、计算最大路径损耗pl(db)，为步骤s3中得到的发射端实际发射功率减去接收机灵敏度的值后再减去设定的解调信噪比的值；
25.s5、将步骤s4中得到的最大路径损耗带入到相应的密林信道模型下，计算出zt-dft-s-ofdm在山地密林的环境中能达到的传输距离。
26.经过上述步骤即完成了一种面向山地密林应急救援应用的宽带ofdm通信体制与波形设计方法，并且达到了一定的通信速率和传输距离。
27.因此，本发明采用上述结构的一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法，具备以下有益效果：
28.(1)通过使用zt-dft-s-ofdm这个多载波体制，对抗了山地密林信道下的多径效应；
29.(2)通过使用zt-dft-s-ofdm这个多载波体制，可以根据需求灵活配置子载波间隔和子载波个数等重要参数，达到了宽带传输的效果；
30.(3)在cp-ofdm的基础上将每个数据符号的cp移除，在原来的cp插入处添加上0组成的零头和零尾，这样可以使得带内带外过渡更加平滑，从而一定幅度的提升系统的频域聚焦性；此外，本发明又添加了dft扩展编码的算法来降低系统的峰均比，减少了功率回退，增加了信号在有限发射功率下的传输距离；
31.(4)通过折衷考虑收发端天线的尺寸与传输信号的波长，设置了一个合适的载波频率，既保证了设备的小型化、增加了设备的便携性减轻山地环境下救援人员的使用负担，又保证了信号的波长，进一步提升了信号的穿透性、增加了信号的传输距离。
32.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
33.图1是本发明的一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法系统框图；
34.图2是本发明的一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法流程图；
35.图3是插入零头零尾与cp的方式对比图；
36.图4是子载波映射的方式示意图；
37.图5是zt-dft-s-ofdm系统与cp-ofdm、sc-fdma系统功率谱密度对比图；
38.图6是zt-dft-s-ofdm系统与传统的cp-ofdm系统峰均比曲线特性对比图；
39.图7是zt-dft-s-ofdm与其他几种多载波传输系统经过密林信道后的误码率曲线图。
具体实施方式
40.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
41.实施例
42.如图2所示，本实施例公开的一种面向山地密林应急救援的宽带zt-dft-s-ofdm通信体制及波形设计方法，具体实现步骤如下：
43.(1)在数学仿真软件matlab中，设定系统一帧内包含30个ofdm符号，一个符号包含512个子载波，每个子载波间隔为15khz(lte的标准)，正交幅度调制(qam)信号阶数为4，生成30720个比特流数据，再映射成15360个4qam信号。
44.(2)将步骤(1)中得到的串行数据转化成并行，如附图3所示，在每个ofdm符号前后分别插入十分之一符号长度的零头和零尾。
45.(3)对步骤(2)中插入零头零尾的数据做512点离散傅里叶变换(dft)。
46.(4)如附图4所示，将步骤(3)中dft后的数据进行交织式载波映射，带宽扩展因子为2，将未使用的子载波全部填充为0。
47.(5)对步骤(3)中载波映射后的数据进行1024点ifft，并将此时的并行数据再转换
ofdm系统在山地密林的环境中能达到的传输距离。
63.sui信道模型被ieee802.16d纳为一种标准化的模型，根据其链路预算模型参数列表，设定地形为a，获取地形修正因子，参考距离d'0,用来计算zt-dft-s-ofdm系统的通信距离d，如下式所示：
[0064][0065]
式中，γ＝5.56为山地密林的地形修正因子；xf＝-3.5506，为载波频率的修正因子；xr＝-4.437为接收端天线的修正因子；将各项数据带入上式中，求解该链路预算的方程，可计算出zt-dft-s-ofdm在山地密林环境下点对点的传输距离能够达到1387.3米。
[0066]
经过添加了零头零尾和dft扩展编码算法的ofdm系统，在山地密林的环境下可以实现一千米以上点对点的通信距离和15.36mbps的高传输速率，达到了山地密林环境下高可靠高功放效率多载波信号增强技术的目的，同时使用了一个适当范围的载波频率，既使波长相对较长提升了密林环境下信号的穿透性，又将收发端天线尺寸限定在一个较小的尺寸下，大大减轻了山地密林环境下的应急救援人员的承重负担。
[0067]
因此，本发明采用上述一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法，解决了山地密林多径严重、带宽窄、穿透性低、通信距离短的问题，采用了zt-dft-s-ofdm的通信体制与波形设计方法，可灵活配置子载波间隔和子载波个数，实现了宽带通信，密林环境下植被覆盖度高，为减小树木对信号的遮挡，设定了合适的载波频率以保持着相对较长的波长和尺寸适当的收发端天线，从而提高密林环境下信号的穿透性，采用了dft扩展编码的技术降低信号的峰均比，减少了信号的功率回退，提升了有限发射功率下通信距离的提升，进一步加强了信号的穿透性，增加了零头和零尾，使符号间过渡更加平滑，大大增加了系统的时频聚焦性，减少了系统的带外辐射。
[0068]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在数学仿真软件matlab中，设定信号的一帧内包含k个ofdm符号，一个符号包含l个子载波，每个子载波间隔为f，正交幅度调制(qam)信号阶数为m，生成k*l*log2m个比特流数据，再映射成k*l个m阶的qam符号；(2)将步骤(1)中得到的串行数据转化成并行，接着在每个符号前后添加一定数量的零，作为符号间过渡的零头和零尾；(3)对步骤(2)中加完零头和零尾的数据，做m点离散傅里叶变换(dft)；(4)将步骤(3)中dft后的数据进行子载波映射，将未使用的子载波全部填充为0；(5)对步骤(4)中载波映射后的数据进行n点快速傅里叶反变换(ifft)，并将此时的并行数据再转换为串行数据，得到发射端的发射信号；(6)在步骤(5)得到发射端的信号后，计算信号的峰均比(papr)，并在matlab中绘制信号的互补累计分布函数(ccdf)与峰均比之间的关系曲线图，得到信号的峰均比出现概率不超过千分之一处的门限值为γ(db)。(7)引入山地密林的信道模型，根据该信道模型提供的参数计算得到相应的信道矩阵；(8)将发射信号引入至山地密林的信道中，并添加高斯白噪声，计算接收端的接收信号；(9)在步骤(8)得到接收端接收信号的基础上，串并转换后做n点快速傅里叶变换(fft)；(10)在步骤(9)中对信号做完fft后，再做子载波逆映射，将发射端子载波映射时所补的零去除；(11)在步骤(10)做完子载波映射后，对其做mmse均衡；(12)在做完频域均衡后，再做m点idft得到接收端的接收符号，并将其逆映射成相应的二进制比特流数据，与接收端的基带比特流数据进行对比，统计出误码个数，除以总的二进制比特数，得到山地密林信道模型下的误码率性能曲线，循环重复多次，取一个平均值作为最后的误码率性能评判依据；(13)在步骤(12)的基础上根据系统的误码率性能选定一个合适的解调信噪比snr(db)；(14)设定相关参数，计算zt-dft-s-ofdm系统在山地密林环境下的传输距离。2.根据权利要求1所述的一种面向山地密林应急救援的zt-dft-s-ofdm通信体制与波形设计方法，其特征在于，所述步骤(14)中计算zt-dft-s-ofdm系统在山地密林环境下的传输距离具体包括以下步骤：s1、在步骤(1)的基础上，计算出信号的带宽b；s2、计算出接收机灵敏度；s3、设定工程上常用的参数，收发端天线增益g
t
(在此设定收发端天线增益相等)，密林环境为了增加信号的波长载波频率为f
c
，发射机1db压缩点功率为(dbm),减去步骤(6)中得到峰均比门限值papr(db)得到设计的发射端实际发射功率p(dbm)；s4、计算最大路径损耗pl(db)，为步骤s3中得到的发射端实际发射功率减去接收机灵敏度的值后再减去设定的解调信噪比的值；
s5、将步骤s4中得到的最大路径损耗带入到相应的密林信道模型下，计算出zt-dft-s-ofdm在山地密林的环境中能达到的传输距离。

技术总结
本发明公开了一种面向山地密林应急救援的ZT-DFT-s-OFDM通信体制与波形设计方法，解决了山地密林多径严重、带宽窄、穿透性低、通信距离短的问题，可灵活配置子载波间隔和子载波个数，实现宽带通信；密林环境下植被覆盖度高，为减小树木对信号的遮挡，设定了合适的载波频率以保持着相对适中的波长，从而提高密林环境下信号的穿透性，同时也能保持着尺寸适当的收发端天线减小救援人员的救援负担提高工作效率；采用了DFT扩展编码的技术降低信号的峰均比，减少了信号的功率回退，提升了有限发射功率下通信距离的提升，加强了信号的穿透性；增加了零头和零尾，使符号间过渡更加平滑，提升了系统的时频聚焦性，减少了系统的带外辐射。减少了系统的带外辐射。减少了系统的带外辐射。


技术研发人员：丁传飞 李焕新 高翔 李睿德 卜祥元 安建平 刘珩 杨凯
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8