一种适用于宽带非视距通信中对频偏鲁棒的帧检测方法
技术领域
本发明涉及一种帧检测方法，具体涉及一种适用于宽带非视距通信中对频偏鲁棒的帧检测方法。
背景技术
经典滑动互相关帧检测方法通过理想导频和接收信号的相关性进行帧到达检测，在检测前未对接收信号做任何处理。在实际的系统中，由于收发两端本振频率不同以及接收端移动等原因，收发两端信号会存在频率偏移。经典滑动互相关帧检测方法易受频偏的影响，在频偏较大的环境中漏报概率MDP很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于宽带非视距通信中对频偏鲁棒的帧检测方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于宽带非视距通信中对频偏鲁棒的帧检测方法，包括以下步骤：
步骤一：接收端对接收信号进行差分运算，得到帧检测度量值的分子；
步骤二：将接收信号进行差分运算后取模平方并在一定时间窗口范围内进行积分运算，得到帧检测度量值的分母；
步骤三：将帧检测度量值的与帧检测度量值的分母相除，构成帧检测度量值；帧检测度量值大于检测门限则认为帧到达，否则帧未到达。
本发明进一步的改进在于，步骤一的具体过程如下：在不考虑噪声的情况下，接收信号r(n)为发射序列与信道的卷积：
其中，j为虚数单位，n为整数，φ＝2πε/fs为归一化频偏，ε为真实频偏，fs为采样率，L为信道长度，l表示积分变量，h(l)为信道h(n)在积分变量l处的值，x(n-l)为发射序列x(n)在积分变量l处的翻转移位值，x(n-l)为发射序列x(n)在积分变量l处的翻转移位值；
接收端对接收信号进行差分运算：
令xp(n)＝x*(n)x(n+p)，则x*(n-l)x(n+1-k)＝xl-k+1(n-l)，则式(1)表示为：
其中，k为内层积分变量，p为信号模式；
差分运算后，接收信号包含以下多种模式：
x-L+1(n)；
x-L+2(n),x-L+2(n-1)；
……
x1(n),x1(n-1),...,x1(n-L)；
x2(n-1),...,x2(n-L)；
……
xL+1(n-L)；
定义和每个信号模式匹配的导频模式为sp(n)＝s*(n)s(n+p),n＝0,1,...,N-1；当n+p＜0或者n+p≥N时，令s(n)＝0，其中，s(n)为理想导频，N为理想导频长度，p为信号模式，*为取共轭符号；
当信号模式为x-L+1(n)时，所使用的导频为s-L+1(n)；当信号模式为x-L+2(n),x-L+2(n-1)时，所使用的导频为s-L+2(n)，以此类推；然后把所有模式下计算所得的值相加，得到帧检测度量值分子。
本发明进一步的改进在于，帧检测度量值的分子P(d)通过如下计算得到：
其中，d为滑动互相关运算的起始点。
本发明进一步的改进在于，信号模式p的范围是-L到L+1。
本发明进一步的改进在于，帧检测度量值分母R(d)为：
其中，N为理想导频长度，L为信道长度，n为整数，d为滑动互相关运算的起始点。
本发明进一步的改进在于，检测门限的选择方式是：在纯发噪声的情况下，循环发送1000次，设置门限为系统无漏报的临界值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明在接收端首先对接收信号进行差分运算，差分运算能够完全消除频偏的影响。在差分运算后利用导频和接收信号的相关性进行帧到达检测。经过差分运算后的信号包多种模式，因此需要将理想导频变换成相应的模式进行滑动互相关，然后对多种模式下的滑动互相关结果求和。与经典滑动互相关帧检测方法相比，采用本发明方法进行帧检测的系统在引入频偏后性能完全不受影响，系统性能稳定且在频偏较大的情况下系统性能更优，从而提升了在非视距通信环境中系统帧检测的稳定性与可靠性。
附图说明
图1为适用于本发明的非视距通信场景图。
图2为本发明采用的信号帧的结构示意图。
图3为非视距通信环境中引入频偏后使用本发明的帧检测方法和经典滑动互相关帧检测方法与未引入频偏情况下的漏报概率MDP曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明是一种适用于宽带非视距通信中对频偏鲁棒的差分帧检测方法，其基本思想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，经典滑动互相关帧检测方法分子的计算方式是用已知导频序列与接收信号做滑动互相关后取模平方，然后在一定的时间窗口范围内进行积分运算。然而在实际系统中，收发节点间的频偏会影响传统帧检测方法的性能，增大系统的漏报概率MDP。因此本发明对其进行改进，首先对接收信号进行差分运算，然后进行处理，从而可以从根本上消除收发节点频率异步带来的不利影响。进行差分运算后的信号会包含多种模式，因此进行帧检测时所用的导频也必须和信号模式匹配。本发明帧检测度量值分母的计算方式是对接收信号进行差分运算后取模平方，然后在一定的时间窗口范围内进行积分运算。在非视距通信中，信号往往通过多条路径到达，能量分散，积分运算处理能够将多径能量集中，便于帧检测。差分处理能够完全消除频偏的影响。
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。本发明与经典滑动互相关帧检测方法原理类似，帧检测度量值的分子的计算方法就是用已知导频对接收信号进行滑动互相关，然后在选定的一定时间窗口范围内对滑动互相关结果进行积分运算。但本发明首先对接收信号进行了差分运算，以消除频偏的影响，因此会和经典方法的度量值分子计算方式有所不同。
具体过程如下：
在不考虑噪声的情况下，接收信号为发射序列与信道的卷积：
其中，j为虚数单位，n为整数，n＝0,1,...,φ＝2πε/fs为归一化频偏，ε为真实频偏，fs为采样率，L为信道长度，l表示积分变量，h(l)为信道h(n)在积分变量l处的值，x(n-l)为发射序列x(n)在积分变量l处的翻转移位值，x(n-l)为发射序列x(n)在l处的翻转移位值；
接收端为消除频偏的影响，首先对接收信号进行差分运算：
令xp(n)＝x*(n)x(n+p)，则x*(n-l)x(n+1-k)＝xl-k+1(n-l)，则上式可以表示为：
其中，k为内层积分变量，p为信号模式。
差分运算后，频偏的影响完全消除，但是接收信号包含以下多种模式：
x-L+1(n)；
x-L+2(n),x-L+2(n-1)；
……
x1(n),x1(n-1),...,x1(n-L)；
x2(n-1),...,x2(n-L)；
……
xL+1(n-L)。
因此对差分运算后的信号进行帧检测时，使用的导频序列需要根据不同的信号模式进行更改。定义和每个信号模式匹配的导频模式为sp(n)＝s*(n)s(n+p),n＝0,1,...,N-1。当n+p＜0或者n+p≥N时，令s(n)＝0。其中s(n)为理想导频，N为导频序列长度，p为信号模式，p的范围是-L到L+1，*为取共轭符号。
举例说明：当信号模式为x-L+1(n)时，所使用的导频为s-L+1(n)；当信号模式为x-L+2(n),x-L+2(n-1)时，所使用的导频为s-L+2(n)，以此类推。然后把所有模式下计算所得的值相加，这就是在差分运算后的帧检测度量值分子。
因此帧检测度量值分子P(d)可以通过如下计算得到：
其中，d为滑动互相关运算的起始点。
步骤二：计算帧检测度量值的分母。将接收信号进行差分运算后取模平方并在一定时间窗口范围内进行积分运算，帧检测度量值分母可以表示为：
步骤三：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。帧检测门限的选择方式是：在纯发噪声的情况下，循环发送1000次，设置门限为系统无漏报的临界值，即设置的门限要使系统的漏报概率在1‰以下。
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，多径效应形成严重的瑞利衰落。接收端是由M根天线组成的天线阵列，无线信道模型是服从瑞利衰落的多径延时信道，发射端与接收端之间的信道矩阵为Η＝[h1,h2,…hL]∈CM×L。其中，
图2为本发明采用的信号帧的结构，信号帧由导频序列和数据两部分构成。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的形式逐块拼接而成，在发射端将数据分块并在末尾添加UW。在后续仿真中，UW长度为64，导频序列由长度为128的m序列构成，一个数据块的长度为512。
图3为非视距通信环境中引入频偏后使用本发明的帧检测方法和经典滑动互相关帧检测方法与未引入频偏情况下的漏报概率MDP曲线。
未对接收信号进行差分运算时，在非视距环境中进行帧检测，利用N点的导频序列对接收信号进行归一化相关计算。令s＝[s(0)s(1)...s(N-1)]T∈CN×1表示导频序列。假设发射符号功率归一化，接收端把以d为起始的N点接收信号序列记为：
r(d)＝[r(d)r(d+1)...r(d+N-1)]T∈CN×1
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：
仿真对比了在多种频偏情况下使用本发明和经典滑动互相关帧检测方法进行帧检测的漏报概率MDP。仿真的导频序列采用长度为128的m序列，采用的星座图映射方式是BPSK映射，接收机采用一根天线接收，每个数据块512个符号，其中UW长度为64，信道最大时延扩展即窗口长度为50，窗口长度内有6条径随机分布。仿真选取的检测门限要使得两种方法检测下的虚报概率基本相同，然后比较漏报概率MDP。使用本发明方法进行帧检测时设置的门限为1.3；使用经典滑动互相关方法检测时设置门限为1，从而使两种检测方法的虚报概率基本保持一致且在1‰以下。仿真中频偏的大小体现在相偏的大小上，使用经典滑动互相关方法进行检测时在加入较大频偏(2π*0.01)和较小频偏(2π*0.006)的情况下进行比较；使用本发明方法进行检测时在未加入频偏和加入较大频偏(2π*0.01)的情况下进行比较。从图3中可以看出，频偏增大后未经差分运算的经典滑动互相关帧检测方法性能受很大影响，漏报概率MDP很高；但是采用本发明方法进行帧检测的系统在加入频偏后性能完全不受影响，系统性能稳定且在频偏较大的情况下系统性能更优。
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。
