CN101487884A - 超宽带室内导航定位系统信息帧生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带室内导航定位系统信息帧生成方法，由扩展的时间同步序列与相应的保护序列经扩展后生成帧同步序列，由相应的信道扩展同步序列与相应的保护序列经扩展后生成信道估计序列，将帧同步序列与信道估计序列进行时序上的连接成前导符；依次由有效载荷、CRC校验、尾比特及填充比特生成超宽带室内导航定位系统信息帧物理层数据单元；将上述步骤生成的前导符与PSDU进行时序上的连接，生成信息帧。本发明能够有效避免室内多径信道环境下的各种干扰与噪声影响，有利于接收系统从多径信道环境中正确地接收发射数据以及有效地合理利用频谱资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种超宽带信息帧的生成方法，尤其是一种室内多径信道环境下的室内导航定位系统中信息帧的生成方法。
背景技术
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术具有传输速率高、发射信号功率小、信号功率谱密度低、抗多径干扰性能强等特点，将超宽带技术应用于室内定位系统中，能够使系统在标识大小、功耗、造价、精度、实时性、通信能力以及可扩充性能等方面得到大幅度提升。基于超宽带的导航定位技术是集通信、导航定位为一体的电子信息类集成与处理技术。
超宽带技术主要有两大用途：一是近距离高速无线传输技术；二是超宽带导航定位技术。基于超宽带的室内导航定位技术，国内尚未开展系统的研究工作，尤其是在信息帧的生成方法上更缺乏能够直接应用的科技成果。没有科学、合理的信息帧结构就不可能对发射系统与接收系统进行有效的设计以及对多径信道进行有效的建模，更不可能进行整个室内导航定位系统的设计与建立。
超宽带系统的研究在国际上倍受重视，美国和俄罗斯在这方面已走在前列，美国国防部连续几年将之列为军用通信研究中的重点课题，并取得了突破性进展，现已开发出实用系统并在相应的军用领域得到了广泛应用。但由于军事上的保密性等原因，相应的研究成果与技术细节并未对民用领域开放。同时，军用领域超宽带系统的实现技术也不同于民用领域的超宽带系统的实现技术，前者采用DS直接序列扩频的方式来实现超宽带技术，而目前民用领域的超带宽技术的实现方式则以基于正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为主要技术，两者在调制方式上有着本质的区别。国外对于OFDM实现方式的民用超宽带技术中信息帧的生成方法虽有一定的研究，但国外的研究成果均属于超宽带通信领域，未见有超宽带室内导航定位系统中信息帧生成方法的提出。
在国内，许多高校与科研机构在民用超宽带通信系统方面已经开展了阶段性的研究工作，但由于我国尚没有制定自己的超宽带系统标准，许多研究还处于起步阶段，对于OFDM超宽带的导航定位系统中信息帧的确定与实施，尤其是室内多径信道环境下的室内导航定位系统中信息帧的生成方法，尚未有完善的研究或相关专利申请。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种超宽带室内导航定位系统信息帧生成方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1、生成超宽带室内导航定位系统信息帧前导符
前导符依次包括帧同步序列与信道估计序列，共30个符号，前导符主要用于接收机时间同步、载波偏移恢复和信道估计。帧同步序列由扩展的时间同步序列与相应的保护序列经扩展后生成；信道估计序列则由相应的信道扩展同步序列与相应的保护序列经扩展后生成。最终将生成的帧同步序列与信道估计序列进行时序上的连接，从而构成前导符。
2、生成超宽带室内导航定位系统信息帧物理层数据单元
物理层服务数据单元(PHY Service Data Unit，PSDU)依次由有效载荷、CRC校验、尾比特及填充比特组成，至少6个符号，为提高抗干扰能力，对PSDU组成数据进行扰码处理。PSDU的有效载荷由用户填充自己的发播信息，一个符号中有效载荷的最大比特数为32768比特；CRC检验为CRC-32校验，用于生成CRC检验码，以便于接收端进行信息校验；尾比特与填充比特均填充0。在接收端需要用与扰码器种子值相同的种子值进行反扰码处理，同时，在发射端对有效载荷进行CRC-32校验，接收端便可检验出校验范围内的差错比特数。
3、生成超宽带室内导航定位系统信息帧
符号为数据传输的基本单元，一定数量(数量根据不同用户的有效载荷比特数以及不同的信息帧传输速率而定)的符号构成一个传输信息帧。为便于发射端处理，PSDU中符号个数应至少为6个，当有效载荷比特数不足6个符号时需对其进行填充。将上述步骤生成的前导符与PSDU进行时序上的连接，生成信息帧。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于OFDM-UWB技术的室内导航定位系统信息帧生成方法，它能够有效地避免室内多径信道环境下的各种干扰与噪声影响，有利于接收系统从多径信道环境中正确地接收发射数据以及有效地合理利用频谱资源，实现与其它通信系统的兼容。本发明还有利于对后续发射系统以及接收系统进行正确设计与实施。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明所述一个信息帧的的示意图；
图2是前导符的生成过程示意图；
图3是扰码的PSDU产生过程示意图。
具体实施方式
1、前导符的生成过程
每个前导符符号中共165(NSYM)个实数数据，其中包括128(NFFT)个前导符数据；37(NZPS)个循环后缀数据(复制128个前导符数据中的后37个数据)。前导符符号产生后不再经过其它处理直接进行射频载波调制发送。前导符具体产生过程如图2所示。前导符固定为30个符号，前24个为帧同步序列，后6个为信道估计序列。
帧同步序列生成过程包括以下步骤：
(1)从表1得到时间域序列sbase[1]并从表2中得到保护序列scover[m]；
表1 时域序列
| 1 | Sbase[1] | 1 | Sbase[1] | 1 | Sbase[1] | 1 | Sbase[1] |
| 0 | 0.6564 | 32 | -0.0844 | 64 | -0.2095 | 96 | 0.4232 |
| 1 | -1.3671 | 33 | 1.1974 | 65 | 1.1640 | 97 | -1.2684 |
| 2 | -0.9558 | 34 | 1.2261 | 66 | 1.2334 | 98 | -1.8151 |
| 3 | -1.3981 | 35 | 1.4401 | 67 | 1.5338 | 99 | -1.4829 |
| 4 | 0.8481 | 36 | -0.5988 | 68 | -0.8844 | 100 | 1.0302 |
| 5 | 1.0892 | 37 | -0.4675 | 69 | -0.3857 | 101 | 0.9419 |
| 6 | -0.8621 | 38 | 0.8520 | 70 | 0.7730 | 102 | -1.1472 |
| 7 | 1.1512 | 39 | -0.8922 | 71 | -0.9754 | 103 | 1.4858 |
| 8 | 0.9602 | 40 | -0.5603 | 72 | -0.2315 | 104 | -0.6794 |
| 9 | -1.3581 | 41 | 1.1886 | 73 | 0.5579 | 105 | 0.9573 |
| 10 | -0.8354 | 42 | 1.1128 | 74 | 0.4035 | 106 | 1.0807 |
| 11 | -1.3249 | 43 | 1.0833 | 75 | 0.4248 | 107 | 1.1445 |
| 12 | 1.0964 | 44 | -0.9073 | 76 | -0.3359 | 108 | -1.2312 |
| 13 | 1.3334 | 45 | -1.6227 | 77 | -0.9914 | 109 | -0.6643 |
| 14 | -0.7378 | 46 | 1.0013 | 78 | 0.5975 | 110 | 0.3836 |
| 15 | 1.3565 | 47 | -1.6067 | 79 | -0.8408 | 111 | -1.1482 |
| 16 | 0.9361 | 48 | 0.3360 | 80 | 0.3587 | 112 | -0.0353 |
| 17 | -0.8212 | 49 | -1.3136 | 81 | -0.9604 | 113 | -0.6747 |
| 18 | -0.2662 | 50 | -1.4447 | 82 | -1.0002 | 114 | -1.1653 |
| 19 | -0.6866 | 51 | -1.7238 | 83 | -1.1636 | 115 | -0.8896 |
| 20 | 0.8437 | 52 | 1.0287 | 84 | 0.9590 | 116 | 0.2414 |
| 21 | 1.1237 | 53 | 0.6100 | 85 | 0.7137 | 117 | 0.1160 |
| 22 | -0.3265 | 54 | -0.9237 | 86 | -0.6776 | 118 | -0.6987 |
| 23 | 1.0511 | 55 | 1.2618 | 87 | 0.9824 | 119 | 0.4781 |
| 24 | 0.7927 | 56 | 0.5974 | 88 | -0.5454 | 120 | 0.1821 |
| 25 | -0.3363 | 57 | -1.0976 | 89 | 1.1022 | 121 | -1.0672 |
| 26 | -0.1342 | 58 | -0.9776 | 90 | 1.6485 | 122 | -0.9676 |
| 27 | -0.1546 | 59 | -0.9982 | 91 | 1.3307 | 123 | -1.2321 |
| 28 | 0.6955 | 60 | 0.8967 | 92 | -1.2852 | 124 | 0.5003 |
| 29 | 1.0608 | 60 | 1.7640 | 93 | -1.2659 | 125 | 0.7419 |
| 30 | -0.1600 | 62 | -1.0211 | 94 | 0.9435 | 126 | -0.8934 |
| 31 | 0.9442 | 63 | 1.6913 | 95 | -1.6809 | 127 | 0.8391 |
表2 保护序列
| m | Scovor[m] |
| 0～20 | 1 |
| 21～23 | -1 |
(2)追加NZPS个零采样点到NFFT长的序列sbase[1]，从而形成一个扩展的时间域序列sext[1]；
(3)对于标准前导码ssync，n[k]中第m个符号的第k个采样，相应帧同步序列：ssync，n[k]＝scover[m]×sext[k]，其中，m∈[0，23]，k∈[0，NSYM-1]。
信道估计序列生成过程包括以下步骤：
(1)对表3中所定义的频率域序列schan[1]/做反离散傅立叶变换(IDFT)，并对其时域输出结果追加由NZPS个零采样点构成的补零后缀产生信道估计序列sest[1]；
表3 基本信道估计序列
| 1 | Schan[1] | 1 | Schan[1] | 1 | Schan[1] | 1 | Schan[1] |
| 0 | 0 | 32 | 1+j | 64 | 0 | 96 | 1-j |
| 1 | 1+j | 33 | 1+j | 65 | 0 | 97 | 1-j |
| 2 | 1+j | 34 | -1-j | 66 | 0 | 98 | 1-j |
| 3 | -1-j | 35 | -1-j | 67 | -1+j | 99 | -1+j |
| 4 | 1+j | 36 | 1+j | 68 | -1+j | 100 | -1+j |
| 5 | -1-j | 37 | -1-j | 69 | -1+j | 101 | 1-j |
| 6 | -1-j | 38 | 1+j | 70 | -1+j | 102 | 1-j |
| 7 | 1+j | 39 | 1+j | 71 | -1+j | 103 | 1-j |
| 8 | -1-j | 40 | 1+j | 72 | 1-j | 104 | -1+j |
| 9 | 1+j | 41 | -1-j | 73 | 1-j | 105 | 1-j |
| 10 | -1-j | 42 | -1-j | 74 | -1+j | 106 | 1-j |
| 11 | 1+j | 43 | 1+j | 75 | 1-j | 107 | 1-j |
| 12 | 1+j | 44 | 1+j | 76 | 1-j | 108 | -1+j |
| 13 | -1-j | 45 | -1-j | 77 | 1-j | 109 | 1-j |
| 14 | -1-j | 46 | -1-j | 78 | 1-j | 110 | -1+j |
| 15 | -1-j | 47 | 1+j | 79 | 1-j | 111 | 1-j |
| 16 | 1+j | 48 | -1-j | 80 | -1+j | 112 | 1-j |
| 17 | 1+j | 49 | 1+j | 81 | 1-j | 113 | -1+j |
| 18 | -1-j | 50 | 1+j | 82 | -1+j | 114 | -1+j |
| 19 | 1+j | 51 | 1+j | 83 | -1+j | 115 | -1+j |
| 20 | -1-j | 52 | 1+j | 84 | 1-j | 116 | 1-j |
| 21 | 1+j | 53 | 1+j | 85 | 1-j | 117 | 1-j |
| 22 | 1+j | 54 | -1-j | 86 | -1+j | 118 | -1+j |
| 23 | 1+j | 55 | 1+j | 87 | -1+j | 119 | 1-j |
| 24 | -1-j | 56 | 1+j | 88 | 1-j | 120 | -1+j |
| 25 | 1+j | 57 | -1-j | 89 | 1-j | 121 | 1-j |
| 26 | 1+j | 58 | -1-j | 90 | 1-j | 122 | -1+j |
| 27 | 1+j | 59 | -1-j | 91 | -1+j | 123 | -1+j |
| 28 | -1-j | 60 | -1-j | 92 | 1-j | 124 | 1-j |
| 29 | -1-j | 61 | -1-j | 93 | -1+j | 125 | -1+j |
| 30 | 1+j | 62 | 0 | 94 | -1+j | 126 | 1-j |
| 31 | 1+j | 63 | 0 | 95 | 1-j | 127 | 1-j |
(2)用一个[1 1 1 1 1 1]序列扩展基本信道估计序列sest[1]；
(3)信道估计序列：ssync，n[1]＝sest[1]，其中：n∈[24，Nsync-1]，1∈[0，NSYM-1]。
2、PSDU产生过程
(1)利用生成多项式
G(X)＝X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1，
其中，G(X)为多项式函数，对有效载荷进行CRC-32校验，生成32比特CRC校验码。
(2)根据有效载荷比特数length，根据下式
其中，length为有效载荷比特数，Npad为填充的比特位的个数，而NIBP6S取值根据发射信息帧符号速率不同而取值不同，如表4所示，附加填充Npad个比特位(填充0)，使填充后的PSDU符号数为6个符号的整数倍，这样做的目的是便于发射机的设计与实施。
表4 信息帧速率相关参数
| 数据速率(Mb/s) | 信息比特数/6OFDM符号(NIBP6S) |
| 53.3 | 100 |
| 80 | 150 |
| 106.7 | 200 |
| 160 | 300 |
| 200 | 375 |
| 320 | 600 |
| 400 | 750 |
| 480 | 900 |
(3)将32比特CRC校验码、6个尾比特(填充0)Npad个0比特位附加到有效载荷后面生成将要进行扰码的比特流数据s[m]，对s[m]根据扰码器种子值进行扰码。扰码器生成多项式x[n]为：
扰码器中移位寄存器初始种子值为001111111111111，扰码器输出逻辑表达式为：
v[m]即为扰码后的PSDU序列值。
3、超宽带室内导航定位系统信息帧生成与发送
前导符生成后直接送上变频器进行射频载波调制并发送出去，扰码的PSDU产生后尚需根据用户需要经过信道编码处理以及OFDM调制再进行射频载波调制。
射频载波可采用超宽带三个最低频段中的一个或三个(根据需要可选择不同的时频编码方式)，其中心频率分别为3432MHz、3960MHz以及4488MHz，每个频段带宽528MHz。每个频带分为128个相互正交的子载波，每个子载波4.125MHz。每个符号中的数据按一定的时频编码方式，如表1所示，分别调制到相应频带的128个子载波上发送出去，其中时频编码A-D表示每种编码使用3个频带，E-G表示每种编码只使用1个频带。
表1 时频编码表(表中1、2、3分别表示频带ID编号)
Claims (1)
1、超宽带室内导航定位系统信息帧生成方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)生成超宽带室内导航定位系统信息帧前导符：前导符依次包括帧同步序列与信道估计序列，共30个符号，帧同步序列由扩展的时间同步序列与相应的保护序列经扩展后生成，信道估计序列则由相应的信道扩展同步序列与相应的保护序列经扩展后生成，最终将生成的帧同步序列与信道估计序列进行时序上的连接，从而构成前导符；
(b)生成超宽带室内导航定位系统信息帧物理层数据单元：物理层服务数据单元依次由有效载荷、CRC校验、尾比特及填充比特组成，至少6个符号，有效载荷由用户填充自己的发播信息，一个符号中有效载荷的最大比特数为32768比特；CRC检验为CRC-32校验，尾比特与填充比特均填充0；
(c)生成超宽带室内导航定位系统信息帧：将上述步骤生成的前导符与PSDU进行时序上的连接，生成信息帧。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20110511 Termination date: 20180227 |