[发明专利]一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法

权利要求书

1.一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法，包括：

步骤1)接收端将OFDM接收信号进行混频、滤波、降采样、同步以及OFDM帧的多普勒估计后，利用接收端的非均匀空子载波信号，采用多重信号分类即MUSIC方法求出谱函数；

步骤2)根据求出的谱函数采用模拟遗传算法快速求解基于非均匀空载波的谱函数极值解，通过计算群体中个体适应度得到个体评价依据，采用复制、交叉和突变的基因操作得到适应度优化的新种群，并直至迭代收敛到最终结果；

所述步骤1)包括：

步骤1-1)在发射端，OFDM帧中符号空载波采用非均匀放置，假设第k个OFDM符号为并且有总载波个数N＝N_data+N_null，其中N_data为数据子载波个数，N_null为空子载波个数；不失一般性，假设数据子载波的下标为idx_p,p＝1,...,N_data，空子载波的下标为idy_p,p＝1,...,N_null；

步骤1-2)在接收端，当存在多普勒频移e^jφ时第k个符号为：

其中，E＝diag[1,e^jφ,...,e^j(N-1)φ]，W_data是N×N_data的截断IDFT矩阵，且有H＝diag[H(1),H(2),...,H(N_data)]是频域信道冲激响应，N_g是循环前缀离散后长度；

步骤1-3)基于正交子空间理论，已知因此采用子空间的MUSIC方法可以求出谱函数为：

其中，K为一个OFDM帧内的符号数，是第k个符号上多普勒频移估计矩阵，是第k个符号上多普勒频移估计，z＝[z₁,...,z_K]是OFDM帧中K个符号上多普勒频移估计；

所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)模拟遗传算法初始参数选取：串长l＝K＝4，种群大小n＝200，交叉概率p_c＝0.7～0.9，突变概率p_m＝0.001～0.05，至少最优保存代数为G＝10代，初始温度T₀＝10e⁵，终止温度T_f＝3；

步骤2-2)编码：利用编码将多普勒估计问题转化到遗传空间中，每个符号多普勒因子的估计范围为d₀∈[d₁-4e^-4,d₁+4e^-4]，其中d₁为数据帧的多普勒频移估计结果；符号多普勒因子的估计区间划分为M＝10000个，采用实数编码的方式，每个串由l个基因组成，l＝K为一个OFDM帧内的符号数，每个基因值由符号多普勒因子的估计范围M给出，并初始化种群；

步骤2-3)计算种群的适应度函数：利用步骤1-3)中谱函数的倒数P(z)^-1作为个体适应度函数，计算每次迭代产生的新种群中个体的适应度函数；

步骤2-4)复制操作：采用以轮盘赌选择方式随机采样，第t次迭代中，第i个个体串的复制概率p_i正比于其适应度即：

步骤2-5)交叉操作：交叉操作采用单点交换的方式，以p_c的概率随机选择个体进行交叉操作产生新种群；

步骤2-6)变异操作：变异操作采用单点位突变的方式，以p_m的概率随机选择个体进行变异操作产生新种群；

步骤2-7)判断终止条件：以最优种群保持代数超过G＝10代为终止条件，若达到该条件则终止迭代，得到适应度最大的群体，并以最终种群的串的均值作为估计结果并将其映射到解空间中，从而得到多个符号的多普勒因子的联合估计；若未达到，则跳转到步骤2-3)继续迭代进化。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法，其特征在于，OFDM发射信号组帧的具体步骤为：

OFDM帧由4个OFDM符号组成，每个OFDM符号前加入持续时间10ms的循环前缀；OFDM帧的首尾加入持续时间21.3ms的线性调频信号。