通信算法之278：数据链/自组网通信设备--MIMO(2T2R)-OFDM系统系列--实际工程应用算法代码--1.系统指标需求及帧结构设计

MIMO(2T2R)-OFDM系统系列–实际工程应用算法代码

第一章： 系统指标需求拆解分析
第二章： 通信系统帧结构设计和OFDM参数设计
第三章：通信业务速率设计及理论解调门限
第四章：同步序列设计及同步性能仿真验证
第五章：数据业务设计及性能仿真验证
第六章：信道模型设计
第七章：接收关键算法设计及仿真验证
第八章：其它待补充

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一、实际项目：系统指标参数

1.某自组网设备

适用于：无人机蜂群、无人机器集群，天空端和地面端，数据链自组网设备。
1）工作频带 ：L频段；
2）工作带宽 ：40MHz/20MHz/10MHz/8MHz可配制；
3）组网类型 ：自组网、星型组网、点对点；
4）系统容量 ：至少支持64节点、128节点，由刷新率和最低业务速率决定。
5）业务速率 ：支持速率自适应
最高 130Mbps@40MHz@空间分集、260Mbps@40MHz@空间复用
最高 75Mbps@20MHz@空间分集、150Mbps@20MHz@空间复用
最高 36Mbps@10MHz@空间分集、72Mbps@10MHz@空间复用
6）MIMO型 ：2T2R、空间分集（SFBC）、空间复用；
7）覆盖距离 ：15公里、30公里、60公里、120公里；
8）发射功率 ：2 x 0.5W、2 x 1W、2 x 2W、2 x 5W、2 x 10W；
9）波形体制 ：MIMO + COFDM；
10）编码方式 ：Turbo/Ldpc/卷积；
11）调制方式 ：CPM/MSK/BPSK/QPSK/16QAM/64QAM/64QAM/256QAM；
12）接收灵敏度：-99dBm@8MHz；
13）支持高速移动场景、抗多径干扰、抗多普勒扩展；
14）抗干扰特性： 跳速1000跳、2000跳；
15）多径延迟： x us。

2.某手持电台

性能参数：
网络规模：单网大于 64 个节点；
通信频率：1x15 - 1x65MHz；
发射功率：最高可达 33dbm（2W），1dBm 可调；
带宽模式：5 / 10 / 20 MHz；
调制方式：OFDM；
载波调制：BPSK/QPSK/16QAM/64QAM（自适应，可配置）；
接收灵敏度：-99dBm；
通信距离：对空视距：10 - 20km，城市道路：1.5 - 3km；
系统启动时间：不大于 30 秒；
通信速率：可达 80Mbps（Linux iperf 软件测试，与固件和带宽设置相关）；
入网时间：不大于 50 秒；
重组时间：约 5 秒；
路由切换时间：小于 1 秒；
多跳能力：短报文可达 10 跳、语音可达 7 跳、视频可达 5 跳；
数据接口：6 芯航插接口（网络接口和充电接口），WiFi AP（无线接入）；
预留接口：GPS/BD，RS232 数据串口，10/100M 网口，USB 接口；
电池充电：16.8V/1A；
外观尺寸：171 * 126 * 55mm；
整机重量：1300 g；
整机功耗：待机约 5W，连续发射最大 20W；
工作温度：-30 ~ +65℃；

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二、指标参数响应

1.波形体制：MIMO(2T2R)-COFDM

代码如下（示例）：

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

2.空间分集（SFBC）

代码如下（示例）：

data = pd.read_csv(
    'https://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/1283/adult.data.csv')
print(data.head())

3.空间复用（CDD）

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三、波形设计

提示：主要包含两部分

1.OFDM参数设计

详细参考：《通信算法之四十六：OFDM系统波形设计 》。
原文链接：https://blog.csdn.net/leegang12/article/details/122014200

设计OFDM参数类似下表：

OFDM通信系统-参数设计-帧结构

OFDM是一种多载波的传输方法，它将频带划分为多个子信道并行传输数据，将高速数据流分成多个并行的低速数据流，然后调制到每个信道的子载波上进行传输。由于它将非平坦衰落无线信道转化成多个正交平坦衰落的子信道，从而可消除信道波形间的干扰，达到对抗多径衰落的目的。

选择OFDM的一个很大的原因是该系统能够很好的对抗频率选择性衰落和窄带干扰。在单载波系统中，一次衰落或者干扰会导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道受到深衰落的影响。

导频不携带信息,导频是双方已知的数据,是用来做信道估计的。在接收机中，虽然利用接收到的短训练序列、长训练序列可以进行信道均衡、频率偏差校正，但符号还会存在一定的剩余偏差，且偏差会随着时间的累积而累积，会造成所有子载波产生一定的相位偏移。因此，还需要不断地对参考相位进行跟踪。要能实现这个功能，需要在52个非0子载波中插入导频符号。

OFDM基本参数的选择
5.1 各种OFDM参数的选择就是需要在多项要求冲突中进行折衷考虑。通常来说，首先要确认3个参数：带宽、比特率、及保护间隔。

5.1.1 按照惯例，保护间隔的时间长度应该为应用移动环境信道的时延扩展均方根值的2~4倍。

5.1.2 确定保护间隔之后，则OFDM符号周期长度就确定了。为了最大限度的减少由于插入保护比特所带来的信噪比的损失，OFDM符号周期长度远远大于保护间隔长度。但是符号周期又不能任意大，否则就需要更多的子载波，带宽不变，子载波间隔就变小，系统的实现复杂度就提高了，而且还加大了系统的峰值平均功率比，同时系统对频率偏差更加敏感。因此，一般选择符号周期长度是保护间隔的5倍，这样，由于插入保护比特所造成的信噪比损耗只有1dB左右。

5.1.3 确定保护间隔和符号周期长度之后，子载波的数量可由-3dB带宽除以子载波间隔（即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数）得到。或者可由所要求比特速率除以每个子信道的比特速率来确定子载波的数量。每个信道中所传输的比特速率可由调制类型、编码速率、和符号速率来确定。

5.2 有用符号持续时间T
T对子载波之间间隔、译码的等待周期都有影响，为了保持数据的吞吐量，子载波数目和FFT的长度要有相对较大的数量，这就导致符号持续时间变长。总之，符号周期长度的选择以保证信道的稳定为前提。

5.3 子载波数
N=1/T，其数值与FFT处理过的复数点数相对应，需适应数据速率和保护间隔的要求。

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2.帧设计

待补充

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四、算法仿真链路，交付物

参考《通信算法之167: （低空无人机）机载视频通信传输系统基带算法设计》
原文链接：https://blog.csdn.net/leegang12/article/details/131120120

通信系统的链路级仿真主要可以分成5个部分：
一.通信仿真
1.系统参数
2.发送机算法
3.信道模型
4.接收机算法
5.统计性能
其中主要组成部分很明显是中间三部分，即发送，信道，接收。但系统参数和统计性能这两部分的适当设计会大大简化仿真, 提升仿真的意义.

二.链路预算

1. 通信链路预算
2. 空间损耗计算
3. 菲涅尔区计算
4. 接收灵敏度计算

三.数字中频算法
1.DUC
2.DDC

四. 交付
《物理层波形体制文档》
《物理层算法仿真报告》
《MATLAB收发基带仿真链路源码》