CN110535546B - 一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法，对导频序列LTF与接收信号做滑动互相关处理，得到帧检测度量值，当帧检测度量值大于检测门限时认为帧到达，否则帧未到达。在非视距通信环境中，由于多径传输的影响，有多个相隔一定时延到达接收机的信号，本发明提出非视距环境中在通信信道最大时延扩展窗口内，基于稀疏多径感知的方法，依据多径到达处和噪声处帧检测度量值均值不同的特性，选择合适的判决门限，区分多径到达信号和噪声信号，在选定的窗口内只收集多径到达理想信号点处能量进行帧到达检测，提升在非视距通信环境中***帧检测性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法。
背景技术
当今社会，无线通信的便利性使得大量的先进技术得以使用，在日常的社会中随处可见。非视距(NLOS)传输是无线通信中的一种典型的应用场景。无线通信***的电磁传输有视距(LOS)传播和非视距(NLOS)传播两种方式。NLOS传播是指发射端和接收端之间不存在直达径，发射信号经过障碍物的反射、折射、衍射、散射、绕射等作用由多条路径到达接收端的一种传播方式。NLOS传播使接收信号遭受严重的频率选择性衰落，对宽带无线传输速率和质量的提高影响很大。因此，研究NLOS相关技术有重要的意义。
顾名思义，帧到达检测技术，就是检测信号帧是否到来，并确定帧头的大致位置。帧到达检测是通信的第一个步骤，其重要性可见一斑。非视距通信场景中，存在多径干扰且有外部噪声等不利因素，由于多径的干扰，有多个相距一些时延到达接收机的信号。因此，在非视距环境下研究帧检测技术，准确判断信号是否到达接收机，能够提升通信***的性能，有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于在非视距通信环境中，提供一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧到达检测方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法，根据导频序列LTF与接收信号计算帧检测度量值，当帧检测度量值大于检测门限时认为帧到达，否则帧未到达。
本发明进一步的改进在于，根据导频序列LTF与接收信号计算帧检测度量值的具体过程如下：
步骤一：导频序列LTF与接收信号做滑动互相关处理，再对滑动互相关后的结果求取模平方；在选定的窗口内，通过稀疏感知算法区分多径到达信号和噪声，对多径到达信号的模平方进行求和，得到帧检测度量值的分子；
步骤二：导频序列LTF与接收信号的能量之积为帧检测度量值的分母；
步骤三：分量帧检测度量值的分子与帧检测度量值的分母相除，得到帧检测度量值。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，通过稀疏感知算法区分多径到达信号和噪声时，若模平方小于判决门限，认为是噪声，若模平方大于判决门限，认为是多径到达信号。
本发明进一步的改进在于，步骤一的具体过程为：
在接收端，假设接收端噪声功率为
接收信号功率为表示为
hl为信道时域冲激响应，Lch为最大可能的信道时延扩展，即选定的窗口大小，接收信号y的总功率为噪声功率
与接收信号功率
之和σ2，表示为：
信噪比
令序列
表示导频序列LTF；其中，LLTF为导频序列LTF的长度；
假设发射符号功率归一化；在接收端，将以d为起始的LLTF点接收信号序列记为：
导频序列LTF与接收信号做滑动互相关结果的模平方
为：
其中，d为接收信号y的起始点；l为变量；变量l取值范围为0，1，2，，，Lch；
当信道时域冲激响应hl＝0时，即没有径只有噪声时：
通过稀疏感知算法区分多径到达信号和噪声：
其中，
为以d为起始的接收信号在LLTF长度内能量的最大值；
定义多径识别的索引集合ψ，如果
判决门限为
给定一个参数η>1，则认为对应以接收信号的起始点d为起始的信号中没有对齐的信号分量只有噪声；否则，认为对应以接收信号的起始点d为起始的信号中有信号分量，则将接收信号的起始点d加入到多径识别的索引集合ψ中；
帧检测度量值的分子为：
本发明进一步的改进在于，步骤二的具体过程为：导频序列LTF的能量为导频序列LTF的长度，将导频序列LTF的长度与接收信号的能量(yH(d)y(d))相乘，作为帧检测度量值的分母，帧检测度量值的分母为：LLTF×(yH(d)y(d))，其中，y(d)为接收信号，yH(d)为接收信号y(d)的共轭转置。
本发明进一步的改进在于，帧检测的度量值GCS(d)写为:
在有信号时，考虑Lp个抽头随机分布在[0,Lch]之间；假设多径位置识别正确，帧检测度量值的期望E[GCS(d)]为：
如果没有信号，只有噪声，则有：
选择参数η>1，使得对于所有d都有
从而使得在无信号时，帧检测度量值GCS(d)＝0。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在非视距通信环境中，本发明提出一种基于稀疏感知的滑动互相关帧到达检测方法。即在接收端，考虑一个窗口，窗口长度为通信信道最大可能的信道时延扩展值。在这个窗口内选择合适的判决门限区分多径到达信号和噪声信号，在选定的窗口内，不考虑噪声信号，只收集多径到达的信号能量作为计算帧检测度量值的依据。再选择合适的检测门限进行帧到达检测，这样不会损失非视距通信环境中由于多径传输造成信号多径到达接收端的多径分量，提升非视距环境中***帧到达检测性能。
附图说明
图1为本发明采用的非视距通信环境***模型框图；
图2为本发明采用的信号帧结构图；
图3为本发明在有稀疏多径感知和无稀疏多径感知对比的性能示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法，基本思想就是计算帧检测度量值，设置一个合适的检测门限，当帧检测度量值大于检测门限就认为帧到达，否则帧未到达。帧检测度量值是分式形式，分子计算方式是对导频序列LTF与接收信号做滑动互相关处理，再对滑动互相关后的结果求取模平方。在选定的窗口内，通过稀疏感知算法区分多径到达信号和噪声，只对多径到达信号滑动互相关结果的模平方进行求和，分母是导频序列LTF与接收信号的能量之积。具体的，本发明包括下述步骤：
步骤一：计算帧检测度量值的分子：
本发明中基于稀疏多径感知方法计算帧检测度量值的分子：采集导频和接收信号，对导频序列LTF和接收信号滑动互相关结果求取模平方，在选定的窗口内，通过本发明的稀疏感知方法区分多径到达信号和噪声，若滑动互相关结果的模平方小于一定的判决门限，就认为是噪声而将相应值丢弃，若滑动互相关结果的模平方大于一定的判决门限，就认为是多径到达信号；在选定的窗口内，只对多径到达信号滑动互相关结果的模平方进行求和，得到帧检测度量值的分子。
具体过程如下：
在接收端，假设接收端噪声功率为
接收信号功率可以表示为
hl为信道时域冲激响应，Lch为最大可能的信道时延扩展，即选定的窗口大小。接收信号y的总功率为噪声功率与接收信号功率之和σ2，可以表示为：
信噪比为
令序列
表示导频序列LTF。其中，LLTF为导频序列LTF的长度。
假设发射符号功率归一化，在接收端将以d为起始的LLTF点接收信号序列记为：
导频序列LTF与接收信号滑动互相关结果的模平方
为：
其中，d为接收信号y的起始点。l为变量，取值范围为0，1，2，，，Lch。
当信道时域冲激响应hl＝0时，即没有径只有噪声时：
通过稀疏感知方法区分多径到达信号和噪声：
其中，
为以d为起始的接收信号在LLTF长度内能量的最大值。
定义多径识别的索引集合ψ，如果
判决门限为
给定一个参数η>1，则认为对应以接收信号的起始点d为起始的信号中没有对齐的信号分量只有噪声。否则，认为对应以接收信号的起始点d为起始的信号中有信号分量，则将接收信号的起始点d加入到多径识别的索引集合ψ中。
对于以d为起始的接收信号序列，对滑动互相关的结果求取模平方后，在选定的一定窗口Lch内，选择合适判决门限区分多径到达信号和噪声。只对滑动互相关结果的模平方大于判决门限的多径到达信号进行求和，和值为帧检测度量值的分子，将多径到达信号分量加入集合ψ中。
帧检测度量值的分子为：
步骤二：计算帧检测度量值的分母：导频序列LTF的能量为导频序列LTF的长度，为定值。分母计算方式是导频序列LTF与接收信号y的能量之积，以d为起始的接收信号y的能量为(yH(d)y(d))，将导频序列LTF的长度与接收信号的能量(yH(d)y(d))相乘，作为帧检测度量值的分母。
帧检测度量值的分母为：LLTF×(yH(d)y(d))，其中，y(d)为接收信号，yH(d)为接收信号y(d)的共轭转置。
步骤三：计算帧检测度量值并与检测门限比较。
将步骤一计算出的分子与步骤二计算出的分母相除构成帧检测度量值，选择合适的检测门限，帧检测度量值大于检测门限则认为帧到达，否则帧未到达。
帧检测的度量值GCS(d)写为:
在有信号时，考虑Lp个抽头随机分布在[0,Lch]之间。假设多径位置识别正确，帧检测度量值的期望E[GCS(d)]为：
如果没有信号，只有噪声，则有：
选择合适的参数η>1，可以使得对于所有d都有从而使得在无信号时，帧检测度量值为GCS(d)＝0。
可见通过多径识别，无限拉大了有无信号时度量值的相对差异，从而可以提升检测性能。
图1为适用于本发明的非视距通信场景图，NLOS传输造成接收端的接收信号是大量非直射波(主要是反射波)的叠加，在非视距传输中，由于障碍物遮挡，接收器接收到的信号还包括通过折射、衍射、反射等路径到达的信号。因此，非视距发射具有多径干扰，接收信号具有明显的瑞利衰落。
图2为本发明采用的信号帧的结构，信号帧由训练序列和负载两部分构成。训练序列为导频序列LTF构成，导频序列也添加保护间隔UW，信号帧的负载由数据块和保护间隔UW逐块拼接而成，在发射端将数据分块并在末尾添加保护间隔UW。在后续仿真中，UW长度为64，导频序列LTF由长度为128的m序列构成，一个数据块的长度为512。
未采用稀疏多径感知的方法时，在非视距环境进行帧检测，利用LLTF点的LTF对接收信号进行归一化相关计算。令
表示导频序列LTF。假设发射符号功率归一化。在接收端将以d为起始的LLTF点接收信号序列记为：
考虑最大可能的信道时延扩展为Lch，对于以d为起始的接收信号序列，将以下相关系数作为帧检测度量值：
分子的意义是统计了以d为起始，最大信道时延扩展窗口内所有到达的接收信号与导频序列LTF的滑动相关值的平方和。这在信道时延扩展很大但却只有稀疏的几根径的信道环境中，其实也收集许多噪声的能量，***帧到达检测性能会受到影响。根据计算出的帧检测的度量值，选择合适的检测门限，当帧检测度量值大于检测门限时，就认为帧到达，否则d继续向后移动，直到找出帧检测度量值大于检测门限的点。
仿真对比的依据是在有稀疏感知和没有稀疏感知两种情况下，选取的检测门限要使得两种情况下误警概率基本相同，再去比较漏警概率MDP。仿真时导频序列LTF采用长度为128的m序列构成，采用BPSK调制方式，接收机用一根天线接收，每个数据块512个符号，其中UW长度为64，导频序列LTF长度为128，未采用稀疏感知时检测门限设置为1.7，采用稀疏感知时检测门限设置为1.2，两者误警概率基本相同，稀疏多径感时区分理想信号和噪声时使用的参数η为2，信道最大时延扩展即窗口长度为50，窗口长度内有3条径随机分布，图3为本发明在非视距通信环境中有稀疏多径感知和没有稀疏多径感知的检测性能对比示意图。从图3可以看出进行稀疏多径感知后，漏警概率MDP更低，***的性能更优。
在非视距通信环境中，由于多径传输的影响，有多个相隔一定时延到达接收机的信号，本发明提出非视距环境中在通信信道最大时延扩展窗口内，基于稀疏多径感知的方法，依据多径到达处和噪声处帧检测度量值均值不同的特性，选择合适的判决门限，区分多径到达信号和噪声信号，在选定的窗口内只收集多径到达理想信号点处能量进行帧到达检测，提升在非视距通信环境中***帧检测性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法，其特征在于，根据导频序列LTF与接收信号计算帧检测度量值，当帧检测度量值大于检测门限时认为帧到达，否则帧未到达；
根据导频序列LTF与接收信号计算帧检测度量值的具体过程如下：
步骤一：导频序列LTF与接收信号做滑动互相关处理，再对滑动互相关后的结果求取模平方；在选定的窗口内，通过稀疏感知算法区分多径到达信号和噪声，对多径到达信号的模平方进行求和，得到帧检测度量值的分子；
步骤二：导频序列LTF与接收信号的能量之积为帧检测度量值的分母；具体过程为：导频序列LTF的能量为导频序列LTF的长度，将导频序列LTF的长度与接收信号的能量(yH(d)y(d))相乘，作为帧检测度量值的分母，帧检测度量值的分母为：LLTF×(yH(d)y(d))，其中，y(d)为接收信号，yH(d)为接收信号y(d)的共轭转置；
步骤三：分量帧检测度量值的分子与帧检测度量值的分母相除，得到帧检测度量值。
2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法，其特征在于，步骤一中，通过稀疏感知算法区分多径到达信号和噪声时，若模平方小于判决门限，认为是噪声，若模平方大于判决门限，认为是多径到达信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法，其特征在于，步骤一的具体过程为：
在接收端，假设接收端噪声功率为
接收信号功率为表示为
hl为信道时域冲激响应，Lch为最大可能的信道时延扩展，即选定的窗口大小，接收信号y的总功率为噪声功率
与接收信号功率
之和σ2，表示为：
信噪比
令序列
表示导频序列LTF；其中，LLTF为导频序列LTF的长度；
假设发射符号功率归一化；在接收端，将以d为起始的LLTF点接收信号序列记为：
导频序列LTF与接收信号做滑动互相关结果的模平方
为：
其中，d为接收信号y的起始点；l为变量；变量l取值范围为0，1，2，直到Lch；
当信道时域冲激响应hl＝0时，即没有径只有噪声时：
通过稀疏感知算法区分多径到达信号和噪声：
其中，
为以d为起始的接收信号在LLTF长度内能量的最大值；
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判决门限为
给定一个参数η＞1，则认为对应以接收信号的起始点d为起始的信号中没有对齐的信号分量只有噪声；否则，认为对应以接收信号的起始点d为起始的信号中有信号分量，则将接收信号的起始点d加入到多径识别的索引集合ψ中；
帧检测度量值的分子为：
4.根据权利要求1所述的一种基于稀疏多径感知的滑动互相关帧检测方法，其特征在于，帧检测的度量值GCS(d)写为:
在有信号时，考虑Lp个抽头随机分布在[0,Lch]之间；假设多径位置识别正确，帧检测度量值的期望E[GCS(d)]为：
如果没有信号，只有噪声，则有：
选择参数η＞1，使得对于所有d都有
从而使得在无信号时，帧检测度量值GCS(d)＝0。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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