CN110086495A - 手持式无线自组网通信设备 - Google Patents

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CN110086495A CN201910023942.4A CN201910023942A CN110086495A CN 110086495 A CN110086495 A CN 110086495A CN 201910023942 A CN201910023942 A CN 201910023942A CN 110086495 A CN110086495 A CN 110086495A
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portable wireless
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施玉松
王宏伟
童官军
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Shanghai Network Technology Co Ltd All Things
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Abstract

本申请的手持式无线自组网通信设备，其基带处理模块包括：用于信号帧调制/解调的调制/解调器，其中，所述调制/解调器采用OFDM/OQAM调制/解调方式，解决现有技术的手持式自组网通信设备的各种问题，发射的不是复数符号而是将经过偏移处理的实数符号，实部和虚部分别进行调制并发送；在频谱效率、抗ICI特性和带外辐射等方面的表现较优，解决现有技术的问题。

Description

手持式无线自组网通信设备
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及手持式无线自组网通信设备。
背景技术
无线自组织网络是一种多跳的临时性自治***，由分组无线网(Packet RadioNetwork， PRN)发展而来，它的原型是1968年美国夏威夷大学建立的ALOHA计算机通信网络和1973 年美国国防部高级研究计划局(DARPA)启动的分组无线网项目。随着世界各国军队战术战略的转型，自组网技术被日益重视，已经成为各种信息***和信息业务互通的技术基础，获得了军事领域的广泛应用。无线自组织网络具有如下特点，一是采用计算机网络中的分组机制来进行网络信息交换，二是节点能耗不高并支持便携，比如战场通信中的背负电台和手持机等等，节点可以随时处于移动或静止状态。自组网中的每个用户除了作为节点以外，还充当路由器的功能，节点需要运行分布式多跳路由协议，有时候是部分路由协议，使得这种无中心的网络结构能够在某些网络节点遭到破坏后维持基本的通信能力。
目前，手持式自组网通信设备在实际使用中存在频谱效率偏低、带外辐射大、抗干扰能力较差等问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供手持式无线自组网通信设备，采用OFDM/OQAM技术，解决现有技术的手持式自组网通信设备的各种问题。
为实现上述目标及其他相关目标，本申请提供一种手持式无线自组网通信设备，包括：基带处理模块，包括：用于信号帧调制/解调的调制/解调器，其中，所述调制/解调器采用 OFDM/OQAM调制/解调方式。
于一实施例中，所述基带处理模块包括：应用于发送机的综合滤波器组和/或应用于接收机的分析滤波器组；所述发送机包括：OQAM预处理模块，用于将经QAM调制且添加导频结构得到的每个QAM复信号的实部和虚部拆分，并得到对应实部的第一实数符号及对应虚部的第二实数符号；设有M路复信号，则OQAM预处理模块对应输出M路依次输出的对应第一实数符号的第一并行信号和对应第二实数符号的第二并行信号；第一相位旋转器，用于供先实部后虚部的顺序接收OQAM预处理模块的M路第一并行信号和第二并行信号，并对各路第一并行信号和第二并行信号分别进行相位旋转后输出M路并行相位调整结果；所述综合滤波器组，包括：IFFT模块，用于对第一相位旋转网络输出的M路并行相位调整结果进行IFFT变换得到M路并行IFFT变换结果；第一多项滤波器组，其包括：M组滤波器，分别对应滤波处理各路并行IFFT变换结果；其中，每组滤波器包括K个乘加器，每次滤波覆盖K/2个实数符号，M组滤波器得到的M路并行数据通过延迟器按时钟周期顺序输出；并串转换器，用于将所述综合滤波器组输出的M路并行数据转换为串行数据输出；
所述接收机包括：串并转换器，用于接收所述串行数据，并通过所述并串转换器的逆运算得到M路并行数据输出；所述分析滤波器组，用于获取所述M路并行数据，并执行所述综合滤波器组的逆运算，以得到M路并行相位调整结果；第二相位旋转器，用于对M路并行相位调整结果进行所述第一相位旋转器的逆运算，得到M路第一并行信号和第二并行信号输出。
于一实施例中，所述综合滤波器组和分析滤波器组是基于IOTA原型滤波器进行截取，并采用频域直接采样方法进行优化得到的。
于一实施例中，所述基带处理模块包括：应用于发送机的导频处理模块，用于在信号帧形成IAM导频结构；和/或，所述基带处理模块包括：应用于接收机的信道估计模块，用于根据所接收信号帧的IAM导频结构进行信道估计。
于一实施例中，所述IAM导频结构为IAM-I导频结构。
于一实施例中，每个信号帧含有多个资源块，每个资源块含有30个OFDM/OQAM符号；所述30个OFDM/OQAM符号中包含2个额外OFDM/OQAM符号，其中一个用于生成所述IAM导频结构。
于一实施例中，所述基带处理模块包括：应用于接收机的均衡模块，用于根据所述信道估计的结果来进行信道均衡；所述均衡模块包括：一阶ZF均衡器及高阶均衡器，其中，一阶ZF均衡器先进行均衡处理而所述高阶均衡器进行补充均衡处理。
于一实施例中，所述高阶均衡器通过基于复合FIR滤波器的子载波均衡器实现。
于一实施例中，所述高阶均衡器对应的复合FIR非因果传输函数设置为在各预设频点给予目标响应。
于一实施例中，至少一半的各预设频点为中心载波频率，其余的各预设频点由传输带宽进行选择，所述其余的各预设频点选择为连续子载波的中间频率。
如上所述，本申请的手持式无线自组网通信设备，其基带处理模块包括：用于信号帧调制/解调的调制/解调器，其中，所述调制/解调器采用OFDM/OQAM调制/解调方式，解决现有技术的手持式自组网通信设备的各种问题，发射的不是复数符号而是将经过偏移处理的实数符号，实部和虚部分别进行调制并发送；在频谱效率、抗ICI特性和带外辐射等方面的表现较优，解决现有技术的问题。
附图说明
图1显示为本申请实施例中的手持式无线自组网通信设备的功能模块架构示意图。
图2显示为本申请实施例中OFDM/OQAM和CP-OFDM通信***的结构对比示意图。
图3显示为本申请实施例中的CP-OFDM通信***的带有导频结构的资源块的时频结构示意图。
图4显示为本申请实施例中的OFDM/OQAM通信***的带有IAM导频结构的资源块的时频结构示意图。
图5显示为本申请实施例中的OFDM/OQAM发送机的结构示意图。
图6显示为本申请实施例中的OFDM/OQAM接收机的结构示意图。
图7显示为本申请实施例中基于IAM-I的OFDM/OQAM导频结构的时频结构示意图。
图8显示为本申请实施例中的CFIR-SCE子载波均衡的简化结构示意图。
图9显示为本申请实施例中的实测的OFDM/OQAM***的***吞吐量增益的谱线图。
图10a显示为本申请实施例中的实测的CP-OFDM***的频谱带外泄漏的性能增益的谱线图。
图10b显示为本申请实施例中的实测的OFDM/OQAM***的频谱带外泄漏的性能增益的谱线图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
鉴于现有技术的种种缺失，本申请的目的在于提供手持式无线自组网通信设备，该设备相较于现有产品，在传输效率、带外辐射、抗干扰能力上均得到大大改进。
尤其在应急指挥的环境中，例如灾害发生的现场或战场环境等恶劣环境中，本申请的手持式无线自组网通信设备均能良好适应及应对。
如图1所示，展示本申请的手持式无线自组网通信设备的功能模块架构图。
所述手持式无线自组网通信设备100包括：射频前端模块101、基带处理模块102、自组网协议模块103、及应用软件模块104。
基带处理模块102和射频前端是无线信息交互的枢纽。
于一实施例中，在硬件实现上，射频前端模块101可以通过射频芯片实现，其用于实现 A/D、D/A、上下变频、及频率合成等所有射频前端处理。
于一实施例中，在硬件实现上，所述基带处理模块102可以是高性能SoC或MCU芯片实现，内部集成处理器硬核单元，包含从射频前端模块101变频后数据到原始信息之间的所有处理。
于一实施例中，所述自组网协议模块103可以采用表驱动OLSR路由协议，不需要所有节点广播链路状态，可以有效减少协议处理的带宽开销。
于一实施例中，应用软件主要包括位置信息情报软件和音/视频智能处理软件等。
为提高频谱效率、抗ICI特性和改进带外辐射，所述基带处理模块102包括：用于信号帧调制/解调的调制/解调器，其中，所述调制/解调器采用OFDM/OQAM调制/解调方式，即OFDM/OQAM调制器或解调器。
具体的，所述基带处理模块102完成信号的编解码、调制解调、捕获、成形、滤波、射频收发等处理。
于一实施例中，为兼容传统手持式无线自组网设备的CP-OFDM调制/解调方式和本申请的OFDM/OQAM调制/解调方式，本申请通信***中的信号帧的结构对应有所变化。
首先，如图2所示，展示本申请实施例中OFDM/OQAM和CP-OFDM通信***的结构对比示意图。
其中，白色模块表示OFDM/OQAM***和CP-OFDM***兼容，灰色模块是 OFDM/OQAM与CP-OFDM不一致的地方，需要特殊处理。其中，斜杠灰色图案表示 CP-OFDM***的模块，点状灰色图案表示OFDM/OQAM***的模块。
相比于CP-OFDM***，OFDM/OQAM***中的信号帧不需要循环前缀(CP)，所以每帧可以传输的数据符号比CP-OFDM多。在CP-OFDM***中，单个信号帧由最多由20个 RB(资源块)组成，每个RB由2个1ms的时隙组成，在频域上对应24个子载波。
如图3所示，展示CP-OFDM***中单个RB在时域和频域的结构图。
由图示可见，在此实施例中，包含2个时隙共28个复CP-OFDM符号，其中每个时隙包含1个导频符号(pilot)。
由于OFDM/OQAM不需要CP，每个RB可以多用14个CP的时隙，又因为OFDM/OQAM符号长度是OFDM的一半，即允许在单个RB中放置14*2+2＝30个 OFDM/OQAM符号。
如图4所示，展示展示OFDM/OQAM***中单个RB在时域和频域的结构图。
OFDM/OQAM***中单RB的每个时隙由30个实值符号组成，和CP-OFDM的时隙相比，有2个OFDM/OQAM符号为增加的额外信息，其中1个用来组成IAM(干扰近似法) 的导频结构(例如IAM-C，IAM-I，IAM-R，IAM-NEW等)，另外1个用来传输数据，因此可以获得比OFDM更高的频谱效率。
可选的，本申请的实施例中采用IAM-I的导频结构进行信号帧发送，据此可以进行接收机的信道估计和均衡，相比于其它IAM有利于降低实现复杂度，并且保持与CP-OFDM帧结构的兼容性。
参考图4可知，采用IAM-I方法进行实值的信道估计。OFDM/OQAM时隙由30个实值符号组成，导频***位置为第14、15、16个符号，其余位置***数据符号。OFDM/OQAM ***每个资源单元由24*30＝720个实子载波构成。每个资源单元中导频子载波为72个，数据子载波为648个。导频符号块状分布，通过调整在RB中的密度和位置以取得对信道频率选择性和时间选择性的均衡。RB的映射以直流子载波为中心左右对称分布，其中偶数资源单元映射到负频率处，奇数资源单元映射到正频率处。
所述基带处理模块包括：应用于发送机的导频处理模块，用于在信号帧形成IAM导频结构，具体的，信号帧可以在QAM调制后，由该导频处理模块***IAM导频结构，然后送到滤波器组进行滤波处理。
其中，在发送机的滤波器组称为综合滤波器，在接收机的对应滤波器组称为分析滤波器组。
如图5所示，所述发送机包括：OQAM预处理模块、第一相位旋转器、综合滤波器组及并串转换器。
所述OQAM预处理模块，用于将经QAM调制且添加导频结构得到的每个QAM复信号的实部(上标R)和虚部(上标I)拆分，并得到对应实部的第一实数符号及对应虚部的第二实数符号；设有M路复信号，则OQAM预处理模块对应输出M路依次输出的对应第一实数符号的第一并行信号和对应第二实数符号的第二并行信号。
所述第一相位旋转器，用于供先实部后虚部的顺序接收OQAM预处理模块的M路第一并行信号和第二并行信号，并对各路第一并行信号和第二并行信号分别进行相位旋转后输出 M路并行相位调整结果。
所述综合滤波器组，包括：
IFFT模块，用于对第一相位旋转网络输出的M路并行相位调整结果进行M点IFFT变换得到M路并行IFFT变换结果；在一些实施例中，IFFT模块可以是基2、基4、及基8中的任意一或多种实现的蝶形运算滤波器组。
第一多项滤波器组(PPN，Poly Phase Network)，其包括：M组滤波器，分别对应滤波处理各路并行IFFT变换结果；其中，每组滤波器包括K个乘加器，每次滤波覆盖K/2个实数符号，M组滤波器得到的M路并行数据通过延迟器按时钟周期顺序输出，因此不需要M 路数据的求和累加。
所述并串转换器，用于将所述综合滤波器组输出的M路并行数据转换为串行数据输出。
相应的，如图6所示，展示对应图5的发送机对应的接收机，接收机执行发送机的逆运算。
所述接收机包括：
串并转换器，用于接收所述串行数据，并通过所述并串转换器的逆运算得到M路并行数据输出；
所述分析滤波器组，用于获取所述M路并行数据，并执行所述综合滤波器组的逆运算，以得到M路并行相位调整结果。具体的，分析滤波器组包括FFT模块及第二多项滤波器组，第二多项滤波器组在前端进行第一多项滤波器组的逆运算，FFT模块的输入端接在第二多项滤波器组的输出端，用于对其逆运算的结果进行FFT运算处理，以得到M路并行相位调整结果。
第二相位旋转器，用于对M路并行相位调整结果进行所述第一相位旋转器的逆运算，得到M路第一并行信号和第二并行信号输出。
在第二相位旋转器之后的模块R{}表示取实部运算。
可选的，所述接收机也可以包括执行OQAM预处理模块的逆运算的OQAM后处理模块，以得到QAM复信号。
分析滤波器组和综合滤波器组互为逆过程，但需要考虑信道延时。
于一实施例中，所述综合滤波器组和分析滤波器组是基于IOTA原型滤波器进行截取，并采用频域直接采样方法进行优化得到的。
由于无线自组网设备在无线信道传输中会经历高频色散、多径和多普勒频移等影响，如果不进行估计和补偿将会导致***无法工作。
于本实施例中，为了降低实现复杂度，并且保持与CP-OFDM帧结构的兼容性，采用基于导频的IAM-I方法进行信道估计，信号帧中的IAM-I的导频结构可参考前述图3。
在发送机中，在信号帧中***IAM-I的导频结构，则在接收机中，利用该IAM-I的导频结构进行信道估计和均衡处理。
具体的，基带处理模块包括：
应用于接收机的信道估计模块，用于根据信号帧中的IAM-I的导频结构进行信道估计；
应用于接收机的均衡模块，用于根据所述信道估计的结果来进行信道均衡。
如图7所示，展示IAM-I的OFDM/OQAM导频结构图。
从图中可知，上述IAM-I的导频结构可以将能量集中在中间导频，其两侧的两列0用于分隔，从而获得更高的伪导频功率。相对于OFDM，可以获得一定的性能增益。
由于OFDM/OQAM的非完全正交特性导致不可避免的出现虚部干扰。要么在较好的信道环境或低阶调制下，低信噪比已经足够，内部干扰的占比可以忽略；要么在更高的信噪比下，内部干扰的影响不可忽略。
因此，该均衡模块可以分为两步，首先是一阶ZF均衡器的均衡，之后是高阶均衡器进行补充均衡。
于一实施例中，所述高阶均衡器可以采用基于复合FIR滤波器的子载波均衡器(CFIR-SCE)，复杂度不高，适合硬件实现。
如图8所示，展示使用CFIR-SCE均衡器在某个特定的目标子信道进行均衡的结构图。
于本实施例中，为了利用这三个相邻频点进行均衡，图中展示的一个三抽头的复合FIR 非因果传输函数提供了所需要的自由度。其中，c0m、c1m和c2m是均衡器系数，由传输函数估计得到，Re{.}表示取实部操作。
该传输函数被设置为在给定频点的目标响应，其中至少一半的选择频点仅仅是中心载波频率，例如中心载波频率为当前进行均衡的子载波频率剩下的一部分选择频点由传输带宽进行选择，最简单的方法就是选择连续子载波的中间频点，例如当前子载波频率和前后相邻的子载波中心频点的中间频率，可以表示为和实现剩下一部分选择频点。
因此，这种方法能够完美补偿所选频点上的ICI。
以下通过实测的实验数据来证明本申请方案的性能提升。
根据图9的实测数据可以看出，在相同的调制方式和信道环境下，OFDM/OQAM的信道吞吐量比CP-OFDM要高3.5％左右，这是因为OFDM/OQAM没有加入循环前缀，去CP带来的吞吐量增益大于IAM-I信道估计方法增加的导频开销。
图10a和图10b分别是基于CP-OFDM***和基于OFDM/OQAM***的无线自组网通信设备频谱实测图，可以看出，图10a的CP-OFDM***因为矩形窗函数导致其频域的带外泄漏比较严重，因为加入腔体滤波器才使中心导频点远端带外衰减加快，而图10b的 OFDM/OQAM***的信号频谱在带外平缓干净，即使不加腔体滤波器也可以有效减少邻道干扰。
综上所述，本申请的手持式无线自组网通信设备，其基带处理模块包括：用于信号帧调制/解调的调制/解调器，其中，所述调制/解调器采用OFDM/OQAM调制/解调方式，解决现有技术的手持式自组网通信设备的各种问题，发射的不是复数符号而是将经过偏移处理的实数符号，实部和虚部分别进行调制并发送；在频谱效率、抗ICI特性和带外辐射等方面的表现较优，解决现有技术的问题。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种手持式无线自组网通信设备，其特征在于，包括：
基带处理模块，包括：用于信号帧调制/解调的调制/解调器，其中，所述调制/解调器采用OFDM/OQAM调制/解调方式。
2.根据权利要求1所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，所述基带处理模块包括：应用于发送机的综合滤波器组和/或应用于接收机的分析滤波器组；
所述发送机包括：
OQAM预处理模块，用于将经QAM调制且添加导频结构得到的每个QAM复信号的实部和虚部拆分，并得到对应实部的第一实数符号及对应虚部的第二实数符号；设有M路复信号，则OQAM预处理模块对应输出M路对应第一实数符号的第一并行信号和对应第二实数符号的第二并行信号；
第一相位旋转器，用于供先实部后虚部的顺序接收OQAM预处理模块的M路输出结果，并对各路第一并行信号和第二并行信号分别进行相位旋转后输出M路并行相位调整结果；
所述综合滤波器组，包括：IFFT模块，用于对第一相位旋转网络输出的M路并行相位调整结果进行IFFT变换得到M路并行IFFT变换结果；第一多项滤波器组，其包括：M组滤波器，分别对应滤波处理各路并行IFFT变换结果；其中，每组滤波器包括K个乘加器，每次滤波覆盖K/2个实数符号，M组滤波器得到的M路并行数据通过延迟器按时钟周期顺序输出；
并串转换器，用于将所述综合滤波器组输出的M路并行数据转换为串行数据输出；
所述接收机包括：
串并转换器，用于接收所述串行数据，并通过所述并串转换器的逆运算得到M路并行数据输出；
所述分析滤波器组，用于获取所述M路并行数据，并执行所述综合滤波器组的逆运算，以得到M路并行相位调整结果；
第二相位旋转器，用于对M路并行相位调整结果进行所述第一相位旋转器的逆运算，得到M路第一并行信号和第二并行信号输出。
3.根据权利要求2所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，所述综合滤波器组和分析滤波器组是基于IOTA原型滤波器进行截取，并采用频域直接采样方法进行优化得到的。
4.根据权利要求1所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，所述基带处理模块包括：应用于发送机的导频处理模块，用于在信号帧形成IAM导频结构；和/或，所述基带处理模块包括：应用于接收机的信道估计模块，用于根据所接收信号帧的IAM导频结构进行信道估计。
5.根据权利要求4所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，所述IAM导频结构为IAM-I导频结构。
6.根据权利要求4或5所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，每个信号帧含有多个资源块，每个资源块含有30个OFDM/OQAM符号；所述30个OFDM/OQAM符号中包含2个额外OFDM/OQAM符号，其中一个用于生成所述IAM导频结构。
7.根据权利要求4所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，所述基带处理模块包括：应用于接收机的均衡模块，用于根据所述信道估计的结果来进行信道均衡；
所述均衡模块包括：一阶ZF均衡器及高阶均衡器，其中，一阶ZF均衡器先进行均衡处理而所述高阶均衡器进行补充均衡处理。
8.根据权利要求7所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，所述高阶均衡器通过基于复合FIR滤波器的子载波均衡器实现。
9.根据权利要求8所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，所述高阶均衡器对应的复合FIR非因果传输函数设置为在各预设频点给予目标响应。
10.根据权利要求9所述的手持式无线自组网通信设备，其特征在于，至少一半的各预设频点为中心载波频率，其余的各预设频点由传输带宽进行选择，所述其余的各预设频点选择为连续子载波的中间频率。
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