基于无人机的山地密林应急救援通信体制与波形设计方法

1.本发明涉及应急救援的移动通信技术领域，尤其是涉及一种基于无人机的山地密林应急救援通信体制与波形设计方法。


背景技术：

2.近年来，地震、森林火灾、泥石流等重大自然灾害频发，而自然灾害的发生通常会使事发地丧失应急通信能力，造成应急通信的中断，对人民群众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，急需一种面向山地密林的高可靠高功放高效率多载波信号增强技术，旨在提高信号的穿透性、提升有限发射功率下的通信距离，解决山地密林环境下应急救援的通信问题。
3.基于偏移正交幅度调制的滤波器组多载波(fbmc-oqam)是面向未来移动通信的一种波形调制技术，具有时频聚焦性高、带外辐射低、抗多径衰落能力强、配置载波参数灵活等优点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于无人机的山地密林应急救援通信体制与波形设计方法，大大提升了系统的时频聚焦性，保证了系统在面对不同环境时具有更强的鲁棒性，实现了更高的频谱效率；裁剪(pruned)dft扩展编码算法的引入，使得系统具有单载波特性的低峰均比，减小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；使用30
°
定向天线，增加电磁波的方向性，提高增益；同时将此天线放置在气球或者无人机上进一步提高信号的传播距离、增大视距概率。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于无人机的山地密林应急救援通信体制与波形设计方法，步骤如下：
6.s1、时频聚焦性良好的原型滤波器是fbmc系统最核心的内容，为此设计时频聚焦性良好的20阶的hermite滤波器函数：
[0007][0008]
式中，f为子载波间隔，系数ai分别为：
[0009]
a0＝1.412692577,a4＝-3.0145
×
10-3
,a8＝-8.8041
×
10-6
,
[0010]a12
＝-2.2611
×
10-9
,a
16
＝-4.4570
×
10-15
,a
20
＝1.8633
×
10-16
.
[0011]hi
{}表示hermite多项式，源于hermite方程，其n阶解的表达式为：
[0012][0013]
s2、在数学仿真软件matlab中，设定系统一帧内包含k个fbmc符号，一个符号包含l个子载波个数，正交幅度调制qam信号阶数为m，生成个m阶的qam符号，分别提取这些qam符号的实部和虚部，得到k
×
l个由qam符号实部和虚部数据提取的实数符号，在此基础上，生成裁剪dft扩展编码矩阵的输入数据符号；
[0014]
s3、在步骤s2得到裁剪dft扩展编码算法的输入数据后，通过空对地的通信方式，利用搭载30
°
定向天线的无人机作为空中基站将信号发射出去；
[0015]
s4、在步骤s3得到发射端的发射信号后，计算信号的峰均比papr；
[0016]
s5、引入山地密林的信道模型，将发射信号引入山地密林的信道模型中；
[0017]
s6、对接收信号做均衡处理；
[0018]
s7、根据步骤s6中得到的输出信号，统计出系统在山地密林信道下的误码情况，在matlab中绘制误码率与信噪比snr的关系曲线；
[0019]
s8、设定收发端天线增益g
t
与gr、载波频率fc，发射机1db压缩点功率为p-1
(dbm)、接收机灵敏度rs，计算pruned-dft-s-fbmc系统在山地密林环境下的传输距离；
[0020][0021]
因此，本发明采用上述一种基于无人机的山地密林应急救援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，其具体的技术效果如下：
[0022]
(1)采用了pruned-dft-s-fbmc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。
[0023]
(2)采用了pruned-dft-s-fbmc的通信体制与波形设计方法，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，可以有效对抗山地密林环境下多径严重的问题。
[0024]
(3)采用了pruned-dft-s-fbmc的通信体制与波形设计方法，通过将oqam调制方式与使用了良好时频聚焦性滤波器的fbmc系统结合，不再需要添加保护间隔，在gabor理论下保持了最高的格点密度，实现了更高的频谱效率。
[0025]
(4)采用了pruned-dft-s-fbmc的通信体制与波形设计方法，通过裁剪dft扩展编码的技术将系统的峰均比降低至单载波的水平，减少了功率回退，增加了信号在有限功率下的传输距离；在面对山地密林等恶劣环境下系统的误码率更低，保证了恶劣环境下更高的通信可靠性。
[0026]
(5)采用了pruned-dft-s-fbmc的通信体制与波形设计方法，设计了20阶的hermite滤波器，使系统具有良好的时频聚焦性、优秀的带外辐射抑制能力，在面对不同的环境时具有更强的鲁棒性。
[0027]
(6)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。
[0028]
(7)本发明采用空对地的通信方式，使用无人机或气球辅助的通信方式，可以利用飞行器的高度等效发射机天线高度从而提高信号传输距离、增大视距传输概率和系统可靠性，同时采用30
°
的定向天线将波束集中在一定区域内，更有效的消除了多径效应带来的不良影响，进一步提升系统可靠性和传输距离。
[0029]
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
[0030]
图1是本发明的基于无人机的山地密林应急救援通信体制与波形设计方法流程图；
[0031]
图2是本发明的基于无人机的山地密林应急救援通信体制与波形设计方法系统框图；
[0032]
图3是pruned-dft-s-fbmc系统与传统的sc-fdma、ofdm、fbmc系统的峰均比曲线对比图；
[0033]
图4是pruned-dft-s-fbmc系统与sc-fdma、zt-dft-s-ofdm以及传统的fbmc系统的功率谱密度对比图；
[0034]
图5是pruned-dft-s-fbmc系统与传统ofdm、fbmc系统以及sc-fdma系统的误码率曲线对比图。
具体实施方式
[0035]
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。
[0036]
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0037]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的主旨或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0038]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。这些其它实施方式也涵盖在本发明的保护范围内。
[0039]
还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明/发明的保护范围之内。
[0040]
本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因
此不能理解为对本发明的限制，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“附着”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本发明中使用的术语“约”具有本领域技术人员公知的含义，优选指该术语所修饰的数值在其
±
50％，
±
40％，
±
30％，
±
20％，
±
10％，
±
5％或
±
1％范围内。
[0041]
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用词典中定义的术语应当被理解为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非本文有明确地这样定义。
[0042]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0043]
本发明说明书中引用的现有技术文献所公开的内容整体均通过引用并入本发明中，并且因此是本发明公开内容的一部分。
[0044]
实施例一
[0045]
本发明的基于无人机的山地密林应急救援通信体制与波形设计方法，具体实现步骤如下：
[0046]
步骤1、设计时频聚焦性非常高的20阶的hermite滤波器函数。
[0047]
步骤2、在数学仿真软件matlab中，设定系统一帧内包含30个fbmc符号，一个符号包含512个子载波个数，正交幅度调制(qam)信号阶数为4，生成7680个4阶的qam符号，分别提取这些qam符号的实部和虚部，得到15360个由qam符号实部和虚部数据提取的实数符号，在此基础上，生成裁剪dft扩展编码矩阵的输入数据。
[0048]
步骤3、在步骤2中得到裁剪dft扩展编码算法的输入数据后，计算发射端的发射信号；
[0049]
步骤4、在步骤3得到发射端的发射信号后，计算信号的峰均比papr，得到pruned-dft-s-fbmc系统在峰均比不超过千分之一处的值，即系统的papr为7.7db；
[0050]
步骤5、引入山地密林的信道模型，将发射信号引入山地密林的信道模型中；
[0051]
步骤6、对接收信号做频域均衡；
[0052]
步骤7、根据步骤6中得到的输出信号，统计出系统在山地密林信道下的误码情况，在matlab中绘制误码率与信噪比的关系曲线；统计出系统在山地密林信道下的误码情况，在matlab中绘制误码率与信噪比的关系曲线，如附图5所示，当信噪比为20db时，pruned-dft-s-fbmc系统的误码率不超过千分之一，在未加纠错码的情况下实现了比较好的效果，因此，设定解调信噪比为20db(误码率性能这一方面达到了与传统的sc-fdma近似的情况)。
[0053]
如附图4所示，虽然添加了裁剪dft扩展编码算法后，系统的带外辐射相比于传统的fbmc系统而言有所提升，但相比于cp-ofdm系统而言仍然处于一个非常低的水平，在工程应用中实际上已经足够了。
[0054]
步骤8、设定收发端天线增益g
t
和gr分别为15db和3.5db，载波频率为512mhz，子载波间隔为20khz，发射机1db压缩点功率p-1
为37dbm，接收机灵敏度rs＝-100dbm；根据步骤7
中得到的解调信噪比snr和步骤4得到的papr，由sui的山地密林信道模型链路计算公式可计算最大传输距离：
[0055][0056]
式中，γ＝4.477为山地密林的地形修正因子，xf＝-3.6124，为载波频率的修正因子，λ为信号波长，xr＝0为接收端天线的修正因子，d'0＝120.4168为参考距离。
[0057]
将各项数据带入上式中，求解该链路预算的方程，可计算出pruned-dft-s-fbmc在山地密林环境下点对点的传输距离能够达到2603米。
[0058]
经过添加了裁剪dft扩展编码算法的fbmc系统，在山地密林环境下可以实现2600米以上点对点的传输距离和20.48mhz的高传输速率，达到了山地密林环境下可以实现高可靠高功放效率的多载波信号增强技术的目的。
[0059]
使用无人机或者热气球提高收发天线高度这种空对地的通信方式，提高天线的高度从而改变天线高度修正因子而扩大了通信距离；通过采用30
°
定向天线提高电磁波传播的方向性，使其能量更为集中减小多径效应，使误码率更低；同时设定系统工作在一个适当范围的载波频率下，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，大大减轻了山地密林环境下的应急救援人员的承重负担，提升了应急场景下的救援效率。
[0060]
相较于同环境下，现有的技术的面向山地密林应急救援应用的pruned-dft-s-fbmc波形设计方法山地密林环境下的传输距离：
[0061][0062]
式中，γ＝6.115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＝-7.3595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pruned-dft-s-fbmc在山地密林环境下点对点的传输距离能够达到1551.5米。
[0063]
相较于现有技术的pruned-dft-s-fbmc波形设计方法中传输距离为1551.5米，本发明的精准波形传输距离能够达到2603米，传输距离提高了67.8％，效果显著，对于应急救援具有积极作用。
[0064]
因此，本发明采用上述一种基于无人机的山地密林应急救援通信体制与波形设计方法，通过多维度的技术方案，实现了信号的多维度增强，大大提高了山地密林环境下信号的穿透性、可靠性以及面对一定高度山体时的越障能力，保障了应急通信的质量，间接保护了救援人员的生命安全、减少了人民群众的生命财产安全，具有重大意义。
[0065]
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。