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  • 基于无人机下行链路的ofdm信道估计研究

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    内容提示: [二:二二二:二二:二二二二二二二二二二二:二二二二二二二::二::二二魏窑翳囊a熊]基于无人机下行链路的OFDM 信道估计研究Research 0110删Channel Esti m ati on i n U AVD ow nl i nkSystcm口北京航空航天大学齐巍常青张其善修春娣摘要:该文将正交频分复用技术( O FDM ) 传输系统应用于无人机下行数据链路中,基于无人机通信信道的组成、冲激响应模型。构建了无人机链路中的O FDM 通信系统。针对无人机信道快时变和高动态等特点,提出一种改进的O FDM 信遒估计算法。给出了在无人机飞行状态下误码率性能的仿真结果。实验结果表明该O FDM信道估计算法可以满足未来无...

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    [二:二二二:二二:二二二二二二二二二二二:二二二二二二二::二::二二魏窑翳囊a熊]基于无人机下行链路的OFDM 信道估计研究Research 0110删Channel Esti m ati on i n U AVD ow nl i nkSystcm口北京航空航天大学齐巍常青张其善修春娣摘要:该文将正交频分复用技术( O FDM ) 传输系统应用于无人机下行数据链路中,基于无人机通信信道的组成、冲激响应模型。构建了无人机链路中的O FDM 通信系统。针对无人机信道快时变和高动态等特点,提出一种改进的O FDM 信遒估计算法。给出了在无人机飞行状态下误码率性能的仿真结果。实验结果表明该O FDM信道估计算法可以满足未来无人机下行数据链路系统要求。关键诃:无人机数据链O FD M 信道模型信道估计随缴黧耋提高,如何提高无人机下传数据传输的速率也已成为亟需解决的问题。正交频分复用技术(0DM )是一种多载波调制解调技术,具有传输速率高、频谱利用率高、抗多径干扰能力强等特点,已在多个领域得到应用。因此,O FDM 技术自身的优点迎合了未来无人机数据链的应用要求。将O FI) M 技术应用于无人机数据链,不仅可以利用其多载波特征提高无人机下行数据链路的传输速率,而且可以利用其频谱利用率高的优点提高通信系统的信息容量。本文将O FD M 技术应用于无人机下行数据链路系统。首先根据无人机信道的特点,建立了无人机信道的冲激响应模型;然后基于无人机下行链路的O FI) M 通信体制提出了一种改进的信道估计算法,实现了在快时变和高动态的无人机通信环境中信道估计精度高与跟踪能力强的统一;最后进行了系统仿真实验和数据分析。仿真结果表明对于飞行状态下的无人机,基于该信道估计算法的O FDM 技术可以满足无人机下行数据链路系统的误码率要求。一、无人机信道模型基于统计模型描述了无人机通信信道的传播特性,给出了相应的信道冲击响应模型h(t,f)=口0P胁,D埘‘ d(f)+qP7‘ 缸^‘ 低00—ro)+怒色l舾∑严删60一巧)Ⅳm ’一’(1)式( 1) 中。t、T表示特定的时刻和时间的增量;ao、国、啦分别为直视分量、地面反射波分量和多径分量的强度以姗是直视分量的多普勒频偏;吼、厂珊、死分别为地面反射波分量的相位差、多普勒频偏和延迟;01、向、矗分别为第l 条路径的相位差、该项目由航空科学基金资助( 资助编号:2006ZC51032 l航空科学技术I2009.4 133 万方数据 航宅科学摹金~~——~一一——————]Aetonam ,cas Scl en60Fund~一⋯一~一——⋯一一——~——一一⋯⋯一一一一⋯~一——一⋯一一一一一一一二多普勒频偏和延迟;系数l ,、/矿是归一化因子,保证多径分量之和为单位能量l 。在无人机信道中,高增益天线形成了较强的直视分量。称直视分量能量蟊和地面反射分量能量毋之和与多径分量能量以的比值为莱斯因子(K=(州。)/矾),其取值一般为l O ~20dB。通过蒙特卡罗近似仿真,可以得到等效的离散时问模型,如图l 所示。图l 中,钆为离散输入;饥为离散输出;m 为离散噪音,丸( i ) 为时变多径分量中的抽头延迟系数。该冲击响应可表示为:hdi)-吉互∥ 喇弛谢驰A也一≤i ≤L式(2)中,I为时标,满足I《Z;i为抽头号;鼬(r)弧(f)踟(r)表示发送成形滤波器和接收成形滤波器冲,Ⅳ(2)击响应得乘积;-L一到0为占硇( f) 冲激响应长度。二、无人机通信链路中的oFD M 信道估计1.O FD M 系统在飞行过程中,近似认为飞行方向和电波传播方向处于一条直线上,其信道特性主要体现为快时变性和高动态性。针对无人机下行链路高速通信的需求,提出基于O FDM技术的通信系统。O FDM 系统模型如图2所示。设O FD M 系统具有K个子载波,X=【x(0),⋯,X(K一1)17,x(^)代表第^个子载波上的信息符号( k=0.1,⋯ ,K-1) ,并=【z( 0) ,⋯ ,z(K一1)]7,x(n)(n=0,1,⋯,K—1)是经过IF】F1r变换的第/1.个抽样,因此有酬=去羹m )ex町警"-o,】,.,¨(3)z( n) 插入循环前缀后被送入信道,去除循环前缀后,接收到的时域信号可以表示为,,(n)==嚣(n)0^(n)—hF(n),n=O ,1,⋯。K一1(4)式(4)中.圆表示线性卷积,h(n)是信道冲激响应,tt,(n)为零均值、方差为以的高斯白噪声。根据前节得到的无人机通信系统等效离散时间模型,式( 4) 可以具体描述为y(几)=do已72。^埘Ⅲ工(玎)+qe协厶删。’上x0一M )+a2∑一(咖(^一三一f)+“ H)“ ‘(5)对y( n) 进行FFr变换后可以得到接收信号的频域表示月一】y(m )=∑J,(n)e帕“ ‘ +矽(小)(6)n=0式( 6) 中。w ( m ) 是w ( 11) 的FIT变换。2.针对无人机下行链路的信道估计算法无人机高速飞行期间,一方面会带来严重的多普勒频移,产生的频偏估计残差会使得前后O FDM 符号.之间带来相位噪声;另一方面也会使得信道环境快速变化,信道的先验信息预知}}{难,蚓时信道信息也在是随时改变。因此,目前适用于地面移动通信的信道估计方法都不能完全适应于无人机信道估计的要求。无人机信道属于时变性很强的信道.最小均方误差估计( M M SE) 算法这些应用条件很难满足.因此M M SE算法不适用于无人机信道估计。那么如何对( 最小二乘算法) LS加以改进,抑制ICI和信道噪声的影 万方数据 厂一一一~⋯⋯一一~~——⋯~一~一航空科学基金⋯人机信道估计适用算法的应用前依据前面建立的无人机信道模~一一~一⋯~⋯一一——一一~⋯——⋯⋯一——⋯~一⋯一~~^e,onau“ c日』Scm nce响,但又不需要信道先验知识是无频率冲激响应线性插值” 1得到。Fund一一提,也是需要重点解决的问题。本研究探讨采取捕获与跟踪的思想来设计信道估计器。在捕获阶段,通过在O FDM 符号中插入大量的导频,而且采用不需要任何信遒先验知识的高精度信道估计算法来捕捉信道估计信息;在跟踪阶段,通过在每个O FDM 符号中插入少数几个导频,利用捕获阶段捕捉到的信道信息.采取加权插值的思想来改进常规的Ls算法精度,以此捕捉信道的变化信息,这样就可以同时保证系统的频谱效率、信道估汁器的估计精度,以及信道估计器的跟踪能力。信道估计的原理如图3所示,信道捕获采取长前导实现,信道跟踪通过在每个O FD M 符号中插入8个导频符号来实现。本算法采取长前导利用以上低通滤波算法来捕获子载波序号为偶数,即导频子载波的信道频率冲激响应值。由于无人机信道在同一个相干带宽内至少有32个子载波,两个相邻子载波的信道频率冲激响应通常差别很小,因此,长前导中子载波序号为奇数的子载波信道频率冲激响应.通过跟它相邻的两个导频型。该信道估计算法采用线性自回归模型对飞行状态下的衰落特征进行仿真,信道模型如下:h(n+1)=a· exp(j · 叩· n)· h(n)+w (n)毋=2死‘ £· r, /r, =6。756£其中口为衰落因子,取值为0.9—1.0,主要用来仿真前后两个O FD M 符号周期内无人机信道的变化规律;^( n) 表示当前O FDM 符号周期内的无人机信道时域冲激响应,h( n+1) 表示为下一个O FDM 周期内无人机信道的时域冲激响应;妒表示每个O FD M 周期内归一化载波频偏残差带来的累积相位噪声,£为O FDM符号周期;瓦为O FDM 符号周期内有效信号周期;钾(玎)为高斯白噪声。系统的误码率可表示为上掣睹羔s陋帆研)}占㈣J兰坚型坐型!({;)式( 8) 中,E( ) 表示求期望运算,E(b。12);矿为信道噪声平均功率。三、仿真与分析由于在无人机航行的三种状态中,飞行状态下信道时变性最强,而且多普勒频移带来的频偏也最难估计。为了进一步验证信道估计器的准确性与有效性,本课题选择无人机飞行状态下的信道参数,并以一组桥函数扩频码BFl 6( 3) 为例,对该状态下的系统性能进行验证。仿真设置归一化载波频偏脚.01.系统调制方式为Q PSK,检测合并方式为等增益合并,对采用理想信道估计( 即真实信道频率响应,没有估计误差) 、本算法加权插值方法和线性插值方法情况下,衰减因子a分别在o.90和o.95下的系统性能进行验证。系统误码率性能仿真如图4所示。可见,本研究提出的加权插值算法跟理想信道估计情况下的系统性能接近,仅仅只有1个曲的信噪比损失。跟普通的线性插值算法相比,性能明显优越,具有4—5dB的信噪比增益,而且对于不同衰减因子O t下,系统性能都很接近。由上述仿真结果可见,本研究提出的采用长前导+低通滤波算法进行信道捕获,不需任何信道先验知识,且比普通Ls算法具有5—8dB的信噪比增益;采用每个数据O FDM符号中的导频+加权插值算法进行信道跟踪,比普通Ls算法线性插值具有4—5dB的信噪比增益。本信道估计器整体性能跟理想信道估计接近,实现了信道估计精度高与跟踪能力强的统一,满足了无人机信道估计的应用要求。四、结论本文研究了无人机通信信道建模,使用O FDM 传输系统实现其下行数据链路,并提出了一种改进的Ls信道估计算法,改善了快时变和多普勒飞行环境下无人机通信信道航空科学技术I2009.4 135,,.......,..........L屯麟 万方数据 j藏烹封凳莹F盒und二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二]’ ’ ^e,ondul ,cdJ5cf 9rf ce ⋯—————————————————o的系统性能。仿真结果说明对于最I大时速在300—400km /h的无人机,I在保证系统误码率性能的基础上,lO R3M 技术及其信道估计算法能够I满足无人机数据链的应用需求。■第48届巴黎航展开幕法国总理参观中航工业展台6月15日,第48届巴黎航展在法国布尔歇机场开幕。在主展馆2号馆,中航工业展出了“ 猎鹰” L15高级教练机、“ 枭龙” 歼击机、“ 新舟” 系列涡桨支线客机、H 425型民用直升机等多款外贸重点产品模型。这是中航工业重组整合成立后首次亮相海外航展。几天来,中航工业的展台始终人头攒动,吸引了众多参观者。法国总理菲永在开展当日亲临中航工业展台,受到了中国驻法国大使孔泉、国家发改委副主任张晓强、工业和信息化部副部长苗圩以及中航工业副总经理徐占斌、耿汝光、李玉海等领导的热烈欢迎。法国外贸事务国务秘书以及来自尼日利亚、赞比亚、毛里塔尼皿等国家的军方高级官员先后参观了中航工业展台。展览期间,孔泉大使、苗圩副部长饶有兴致地坐进“ 猎鹰” L15高级教练机飞行模拟器座舱,亲身体验了飞行驾驶的挑战和乐趣。法国一家电视台的记者J ul i an一大早就来到中航工业展台,希望采访参展情况。他对工作人员说+我发现与2007年的巴黎航展相比,不少航空企业的展台面积都有所减少,而你们中国企业的展台面积却在扩大。李玉海在开幕当天接受采访时说,中航工业这次参展的主题是树立形象,展示实力,融入世界。中航工业将借巴黎航展这一国际平台向世界介绍公司崭新面貌,打造“ AVIC中航工业” 的全球品牌形象,展示整体实力,提升国际影响力,让更多的产品走向世界,加速融入世界航空产业链。开展以来,中航工业领导已与国外多家世界级航空制造企业高层进行了会晤和洽谈。 万方数据

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