CN109962874B - 一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法和*** - Google Patents

Abstract

一种基于Wi‑SUN***的突发帧检测与定时同步的方法和***，所述方法在互相关突发帧检测中，增加峰值合并与峰均比计算，降低突发帧检测的信噪比门限。本发明利用短前导的重复与反转特性，构造特定的本地相关序列，将常规的多峰最大值评估的定时校正方法转变为单峰定时估计，使***在低信噪比环境中，规避多峰因噪声干扰造成主辅峰位置交换问题，提高定时校准的可靠性，为后续的长导序列的精准定时与频偏调整提供更宽广的工作条件。

Description

一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法和***

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法和***。

背景技术

目前Wi-Sun通讯协议是采用IEEE802.15.4g协议标准OFDM制式的，用于突发帧检测与同步校准的信号分成短前导(STF)与长前导(LTF)部分，大多数***采用短前导用于突发帧检测与初步的同步调整，长前导用于频偏纠正与精确定时。随着该协议体系的拓展，越来越多的低信噪比工作环境出现，在不修改同步信号协议的情况下，如何降低***的解调门限，成为研究与实现的一个发展方向。

常规的突发帧检测采用的有以下四种方法：

1、能量包络检测：该方法简单易实现，但对于极恶劣环境(信噪比小于0)的情况不适用。

2、使用接收序列与本地序列互相关法：在Wi-Sun***中的前导符号是由多组(根据不同option决定数量)重复的基础信号构成，由于相关的特性，在每个前导符号都会生成多个能量峰，在信噪比-6dB以下，所有峰都被噪声淹没。因此检测门限信噪比必须大于6dB。

3、使用接收序列滑动自相关：该方法适用于-3dB以上信噪比环境，当信噪比过低，自相关峰会完全淹没在噪声环境中，引发大量误检与漏检。

4、高阶累计量信号检测法：该方法采用多点滑动相关方法，其效果性能较方法2较好，但性能提升有限。但运算量提升，提升倍数与阶数呈指数关系。

在以上的传统方法中，主要是针对较高信噪比(SNR大于0dB)情况设计使用，当***工作在信噪比-3dB或者以下环境中，利用传统的突发帧检测方法，已经无法满足丢包率与误包率的需求。

对于定时检测，常见的定时检测一般采用以下方法：

1、能量包络估计：不适合信噪比小于0dB***。

2、接收信号与本地已知序列互相关：对于WI-SUN***，前导部分符号是由于多组信号重复构成的，而准确定时需要检测出明确的主峰。测试表明，在信噪比小于-3dB情况下，利用本地序列直接互相关法，主峰位置判断已经无法满足准确率>99％。

如果要提高检测的准确率，必须增加相关数据的长度，扩大运算时间与计算用存储空间，另外如果完全取用最后一个符号作为相关数据，测量完定时偏差后调整定时，会影响长前导部分的数据收集。

因此本发明采用短前导部分最后一个符号的中间部分，利用前后两组重复数据刚好形成特定独有信号，在相关后仅存在单峰现象，这样序列长度短，且留足够时间调整定时，为后续的长序列接收做准备。本发明采用单重复序列滑动相关一个符号长度，利用序列自身重复特性，增加累计合并方式，降低噪声能量平台，并同时提高相关能量峰值，使突发帧检测成功率99％的信噪比门限提升至-10dB。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法，在互相关突发帧检测中，增加峰值合并与峰均比计算，降低突发帧检测的信噪比门限，提高检测准确率。

本发明采用如下技术方案实现：

本发明的第一方面提供了一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法，包括如下步骤：

启动侦听；

接收数据；

将接收到的数据y(N)与已知序列x(N)进行滑动相关，其中，N为一个符号长度；

对滑动相关的结果进行峰均比计算；

判断峰均比是否大于第一门限值：如果是，则存在突发帧，进入下一步；如果否，则返回所述接收数据的步骤；

继续接收数据，将接收的数据与已知序列进行滑动相关；

对滑动相关的结果进行峰均比计算；

判断峰均比是否大于第二门限值：如果是，则计算定时偏差并进行调整，然后进入下一步；如果否，则返回所述继续接收数据的步骤；

进入长前导数据接收状态。

进一步的，在所述接收数据的步骤中，基带单元持续接收到来自射频单元的连续基带数据信号，基带单元准备长度为2个符号长度2N的缓存器，将接收的数据存入缓存器中，缓存数据记作y(N)。

进一步的，将接收到的数据y(N)与已知序列x(N)进行滑动相关的步骤包括：

计算滑动相关结果z(t)：

其中，z(t)的长度为一个标准OFDM符号长度；i是从0到N的累加计数，i∈[0，N]，t是采样点；y()’是y()的共轭转置；

将滑动相关结果进行周期性累加，获得判决信号d(t)：

其中S是根据协议规定的不同制式的选项option的重复数，即一个周期长度；d(t)长度为一个标准重复周期。

进一步的，所述对滑动相关的结果进行峰均比计算的步骤包括：

根据所述判决信号d(t)计算功率值pow(t)：

其中，d(t)’是d(t)的共轭转置；

根据功率值pow(t)计算功率最大值即功率峰值m_pow，并计算功率平均值a_pow：

m_pow＝max(pow(t))；(4)

计算峰均比值papr：

papr＝m_pow/a_pow (6)。

进一步的，所述第一门限值取值为2.7-3.3。

进一步的，所述继续接收数据，将接收的数据与已知序列进行滑动相关的步骤包括：

修改已知序列使其由2个正周期与2个负周期的基础信号x(N)构成，周期长度为4S，S为x(N)的周期长度；

计算滑动相关的结果z2(t)：

其中，i∈[0，4S]，t是采样点；y()’是y()的共轭转置。

进一步的，对所述滑动相关的结果进行峰均比计算的步骤包括：

计算z2(t)信号的功率值pow2(t)：

其中，z2(t)’是z2(t)的共轭转置；

根据功率值pow2(t)计算功率最大值即功率峰值m_pow’，并计算功率平均值a_pow’：

m_pow’＝max(pow2(t))； (9)

计算峰均比值papr’：

Papr’＝m_pow’/a_pow’ (11)。

进一步的，所述第二门限值取值为4.7-5.5。

本发明的第二方面提供了一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的***，包括：

侦听启动单元，用于启动侦听；

第一数据接收单元，用于接收数据；

滑动相关单元，将接收到的数据y(N)与已知序列x(N)进行滑动相关，其中，N为一个符号长度；

第一计算单元，对滑动相关的结果进行峰均比计算；

第一判断单元，判断峰均比是否大于第一门限值：如果是，则存在突发帧，进入下一步；如果否，则返回所述接收数据的步骤；

第二数据接收单元，继续接收数据，将接收的数据与已知序列进行滑动相关；

第二计算单元，对滑动相关的结果进行峰均比计算；

第二判断单元，判断峰均比是否大于第二门限值：如果是，则计算定时偏差并进行调整，然后进入下一步；如果否，则返回所述继续接收数据的步骤；

第三数据接收单元，接收长前导数据。

综上所述，本发明提供了一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法和***，本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

1、利用多周期信号的合并增益，降低突发帧检测成功所需的信噪比门限。使***可以在更恶劣的信道环境中工作。

2、利用峰均比算法，过滤掉因噪声带来的假峰，提高突发帧检测的准确性。

3、利用特定的加长尾部检测信号，提高同步信号末尾位置检测性能，使通信收发方定时更准确。

附图说明

图1是本发明基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法流程示意图；

图2是用于检测的短前导序列基本信号(S)数据结构图；

图3是第一次滑动相关步骤的具体流程示意图；

图4是短前导信号示意图；

图5是第一次峰均比计算的具体流程示意图；

图6是第二次滑动相关步骤的具体流程示意图；

图7是第二次峰均比计算的具体流程示意图；

图8是互相关检测获得的-12dB信号检测结果示意图；

图9是本发明获取的-12dB信号检测结果示意图；

图10是本发明基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的***结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

Wi-Sun***用于突发帧检测，定时同步，频偏纠正的信道为前导序列，分成短前导(STF)与长前导(LTF)序列，其中短前导部分是利用一组同步序列进行重复与反转构成，长前导部分为标准的OFDM信号。因此大多数情况为利用短前导部分进行突发帧检测与初步的定时校正，利用长前导部分进行精确的定时与频率调整。本发明主要针对于短前导部分的突发帧检测与同步校准过程。

本发明的第一方面提供了一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法，如图1所示，包括如下步骤：

S100，启动侦听。接收设备上电后，启动突发帧检测。

S200，接收数据。基带单元持续接收到来自射频单元的连续基带数据信号，基带单元准备长度为2个符号长度、即长度为2N的缓存器，该存储器初始值为0，将AD接收的数据按照fifo的方式存储进该存储器的最低一位，并将全体数据前移，将最高位数据移除，缓存数据记作y(N)，其中，N为一个符号长度。符号长度是基础序列的长度。

S300，将接收到的数据y(N)与已知序列x(N)进行滑动相关。已知序列x(N)信号如图2所示，基础的已知序列即图4中的S。其中，x轴即横轴为时间采样点，单位为微妙，y轴即纵轴为幅度，电压值表示。该步骤300的具体步骤如图3所示，具体包括如下步骤：

S310，计算滑动相关结果z(t)：

其中，z(t)长度为一个标准OFDM符号长度；一个标准OFDM符号是将一个原始信号重复根据不同制式规定的次数进行重复；i∈[0，N]，t是采样点；y()’是y()的共轭转置。

S320，将滑动相关结果进行周期性累加，获得判决信号d(t)：

其中S是根据协议规定的不同制式的选项option的重复数，即一个周期长度；d(t)长度为一个标准重复周期。标准重复周期是指在标准OFDM符号内，重复的基础序列数量。如图4所示，一个标准的短前导包含4个符号构成，每个符号由10个图2的信号重复构成。其中STF OFDM symbol表示短前导序列的正交频分复用符号。

S400，对滑动相关的结果进行峰均比计算。峰均比为采集的信号的最大值与平均值的比值，峰均比标志着信号检测的可靠程度，峰均比越大，检测的可靠性越高。如图5所示，具体包括如下步骤：

S410，根据所述判决信号d(t)计算功率值pow(t)：

其中，d(t)’是d(t)的共轭转置。

S420，根据功率值pow(t)计算功率最大值即功率峰值m_pow，并计算功率平均值a_pow：

m_pow＝max(pow(t))； (4)

S430，计算峰均比值papr：

papr＝m_pow/a_pow (6)。

S500，判断峰均比是否大于第一门限值：如果是，则存在突发帧，进入下一步，即进入定时同步过程；如果否，则返回步骤S200。具体的，第一门限值可取值为2.7-3.3。

S600，继续接收数据，将接收的数据与已知序列进行滑动相关。如图6所示，具体包括如下步骤：

S610，修改已知序列，使其由2个正周期与2个负周期的基础信号x(N)构成，周期长度为4S，S为x(N)的周期长度；x(N)表示的是一个标准序列。

S620，计算滑动相关的结果z2(t)：

其中，i∈[0，4S]，t是采样点；y()’是y()的共轭转置。

S700，对滑动相关的结果进行峰均比计算。如图7所示，具体包括如下步骤：

S710，计算z2(t)信号的功率值pow2(t)：

其中，z2(t)’是z2(t)的共轭转置。

S720，根据功率值pow2(t)计算功率最大值即功率峰值m_pow’，并计算功率平均值a_pow’：

m_pow’＝max(pow2(t))； (9)

S730，计算峰均比值papr’：

papr’＝m_pow’/a_pow’ (11)。

S800，判断峰均比是否大于第二门限值：如果是，则进入下一步；如果否，则返回所述S600继续接收数据的步骤。具体的，第二门限值可取值为4.7-5.5。

S900，计算定时偏差并进行调整，获取的峰值位置作为定时调整的依据。

S1000，进入长前导数据接收状态。

通过本发明的上述方法，在互相关突发帧检测中，增加峰值合并与峰均比计算，降低突发帧检测的信噪比门限。在不改动发射方协议信号的基础上，根据Wi-Sun***前导部分信号特有特性，增加有限计算与存储空间，完成***工作信噪比门限降低的工作。图8所示为现有技术中的互相关检测获得的-12dB信号检测结果示意图，纵轴表示为峰值幅度，标示为相似度；横轴为时间采样点，单位为微秒。从图8中可以看出，峰值最大与次大位置差异不大，最大与次大相差0.1个量级。如图9所示为本发明的获取的-12dB信号检测结果示意图，主峰值在横轴为1的位置，次峰值在横轴为7的位置，可以看出主次峰值相差2个幅度量级以上，很容易区分。因此，本发明的检测方法提高了检测的准确率。

本发明的第二方面提供了一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的***，如图10所示，包括：

侦听启动单元1，用于启动侦听；

第一数据接收单元2，用于接收数据；

第一滑动相关单元3，将接收到的数据y(N)与已知序列x(N)进行滑动相关，其中，N为一个符号长度；

第一计算单元4，对滑动相关的结果进行峰均比计算；

第一判断单元5，判断峰均比是否大于第一门限值：如果是，则存在突发帧，进入下一步；如果否，则返回所述接收数据的步骤；

第二数据接收单元6，继续接收数据；

第二滑动相关单元7，将接收的数据与已知序列进行滑动相关；

第二计算单元8，对滑动相关的结果进行峰均比计算；

第二判断单元9，判断峰均比是否大于第二门限值：如果是，则定时调整单元10计算定时偏差并进行调整，然后进入下一步；如果否，则返回所述继续接收数据的步骤；

第三数据接收单元11，用于接收长前导数据。

综上所述，本发明提供了一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法和***，所述方法在互相关突发帧检测中，增加峰值合并与峰均比计算，降低突发帧检测的信噪比门限。本发明利用短前导的重复与反转特性，构造特定的已知序列，将常规的多峰最大值评估的定时校正方法转变为单峰定时估计，使***在低信噪比环境中，规避多峰因噪声干扰造成主辅峰位置交换问题，提高定时校准的可靠性，为后续的长导序列的精准定时与频偏调整提供更宽广的工作条件。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的方法，其特征在于，包括如下步骤：

启动侦听；

接收数据；

将接收到的数据y(N)与已知序列x(N)进行滑动相关，其中，N为一个符号长度；并将滑动相关结果进行周期性累加，获得判决信号d(t)；

根据所述判决信号d(t)计算功率值pow(t)，并依据所述功率值pow(t)计算峰均比；

判断峰均比是否大于第一门限值：如果是，则存在突发帧，进入下一步；如果否，则返回所述接收数据的步骤；

继续接收数据，修改已知序列使其由2个正周期与2个负周期的基础信号x(N)构成，周期长度为4S，S为x(N)的周期长度，将接收的数据与修改后的已知序列进行滑动相关；

对滑动相关的结果进行峰均比计算；

判断峰均比是否大于第二门限值：如果是，则计算定时偏差并进行调整，然后进入下一步；如果否，则返回所述继续接收数据的步骤；

进入长前导数据接收状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述接收数据的步骤中，基带单元持续接收到来自射频单元的连续基带数据信号，基带单元准备长度为2个符号长度2N的缓存器，将接收的数据存入缓存器中，缓存数据记作y(N)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

将接收到的数据y(N)与已知序列x(N)进行滑动相关的步骤包括：

计算滑动相关结果z(t)：

其中，z(t)的长度为一个标准OFDM符号长度；i是从0到N的累加计数，i∈[0，N]，t是采样点；y()’是y()的共轭转置；

将滑动相关结果进行周期性累加，获得判决信号d(t)：

其中S是根据协议规定的不同制式的选项option的重复数，即一个周期长度；d(t)长度为一个标准重复周期。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

根据所述判决信号d(t)计算功率值pow(t)，并依据所述功率值pow(t)计算峰均比的步骤包括：

根据所述判决信号d(t)计算功率值pow(t)：

其中，d(t)’是d(t)的共轭转置；

功率值pow(t)计算功率最大值即功率峰值m_pow，并计算功率平均值a_pow：

m_pow＝max(pow(t)) (4)

计算峰均比值papr：

papr＝m_pow/a_pow (6)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一门限值取值为2.7-3.3。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将接收的数据与修改后的已知序列进行滑动相关的步骤包括：

计算滑动相关的结果z2(t)：

其中，i∈[0，4S]，t是采样点；y()’是y()的共轭转置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述滑动相关的结果进行峰均比计算的步骤包括：

计算z2(t)信号的功率值pow2(t)：

其中，z2(t)'是z2(t)的共轭转置；

根据功率值pow2(t)计算功率最大值即功率峰值m_pow’，并计算功率平均值a_pow’：

m_pow’＝max(pow2(t)) (9)

计算峰均比值papr’：

Papr’＝m_pow’/a_pow’ (11)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二门限值取值为4.7-5.5。

9.一种基于Wi-SUN***的突发帧检测与定时同步的***，其特征在于，包括：

侦听启动单元，用于启动侦听；

第一数据接收单元，用于接收数据；

滑动相关单元，将接收到的数据y(N)与已知序列x(N)进行滑动相关，其中，N为一个符号长度；并将滑动相关结果进行周期性累加，获得判决信号d(t)；

第一计算单元，根据所述判决信号d(t)计算功率值pow(t)，并依据所述功率值pow(t)计算峰均比；

第一判断单元，判断峰均比是否大于第一门限值：如果是，则存在突发帧，进入下一步；如果否，则返回所述接收数据的步骤；

第二数据接收单元，继续接收数据，修改已知序列使其由2个正周期与2个负周期的基础信号x(N)构成，周期长度为4S，S为x(N)的周期长度，将接收的数据与修改后的已知序列进行滑动相关；

第二计算单元，对滑动相关的结果进行峰均比计算；

第二判断单元，判断峰均比是否大于第二门限值：如果是，则计算定时偏差并进行调整，然后进入下一步；如果否，则返回所述继续接收数据的步骤；

第三数据接收单元，接收长前导数据。

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