CN105376850B - 用于无线通信系统的增强型同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线通信系统的增强型同步方法和装置。其中，该方法包括以下步骤：发送端采用不同的调制方式分别生成前导序列与数据部分，然后组帧。前导序列的调制方式与数据部分的调制方式相比，具有更高同步性能。本发明改善了无线通信系统的同步性能，增强了无线通信系统的抗多径干扰能力。

Description

用于无线通信系统的增强型同步方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信系统的增强型同步方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

信号同步模块是无线通信系统中的基本功能模块。在接收机进入接收状态后，信号同步模块开始工作；信号同步模块通过对接收信号进行处理，判断空口接收到的信号是否是发送的数据包。

工作在2.4Ghz频段的ZigBee物理层采用IEEE802.15.4协议。ZigBee物理层每4个信息比特通过直接序列扩频(direct sequence spread spectrum：DSSS)技术映射为一个伪噪声(Pseudo-Noise：PN)序列，采用了半正弦脉冲成形的偏移四相相移键控(offsetquadrature phase shift keying：OQPSK)的调制方式，映射关系如图1所示。

ZigBee的前导序列由符号“0000”对应的32比特的码片组成.为提高同步接收灵敏度，采用了重复编码的方式，即相应的码片重复8次后发送，如图2所示。使用重复编码增加冗余的方式编码效率低，同时由于前导序列过长，导致通信效率低下。

通常，同步是通过对接收到的前导序列(前导序列)处理得到。前导序列通常具备特殊数据结构，在接收端的信号处理需要判断接收信号中是否存在这样的数据结构，采用的方式通常有自相关和互相关两种方式。

自相关的同步方式为：

其中r为基带接收信号。通过寻找接收信号自身的特征来判断。

ZigBee物理层的前导序列为4字节的比特“0”。该4字节的比特“0”构成了8个符号，每个符号均为“0000”。符号“0000”按照图1所示的映射关系映射为32个码片。采用公式(1)所示的自相关的同步方式，可以找到每个码片的起始位置，然后根据接收码片与同步字的互相关值，找寻数据帧的起始位置。

互相关的同步方式为：

其中s为基带发送的前导序列信号。通过寻找接收信号与发射信号的匹配特征来判断。

由于ZigBee的前导序列为已知序列(符号“0000”对应的码片)。可以采用公式(2)所示的互相关的同步方式，根据接收机接收信号与本地已知的前导序列的互相关值，找寻每个码片的起始位置，同理可以根据接收序列与同步字的互相关值，找到数据帧的起始位置。

如图3所示，在WiFi系列中，也通过采用重复编码的方式来提高同步性能。在802.11ac中，通过L-STF和L-LTF完成粗同步和精同步。重复编码的倍数由带宽决定，若bandwidth＝20Mhz，则用于同步的64个子载波不重复；若bandwidth＝40Mhz，则64个子载波重复两遍；若bandwidth＝80Mhz，则64个子载波重复四遍。

在无线通信系统中，为保证传输质量，对信号同步的灵敏度要求通常会远高于对数据部分的灵敏度要求。在现有技术中，提高信号同步灵敏度的主要方式是提高冗余度(重复编码)。为实现较好的接收同步，前导序列通常都较长。对于物联网应用的数据短包来说，这样的前导序列会带来很大的同步开销，降低了实际通信效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于无线通信系统的增强型同步方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于无线通信系统的增强型同步方法，包括以下步骤：

步骤一：根据信道估计结果选择帧结构；其中，如果信道估计结果是多径干扰相对严重的情况，采用不同载波数帧的结构；如果信道估计结果是多用户干扰严重的情况，采用不同调制对象的帧结构；如果多径干扰或多用户干扰不严重，则根据业务特性进行选择：针对语音业务，采用不同调制阶数的帧结构，针对数据业务，采用不同速率的帧结构；

步骤二：根据选定的所述帧结构，采用不同的调制方式分别生成前导序列与数据部分；其中，如果信道估计结果是多径干扰相对严重的情况，调制方式为所述前导序列采用多载波调制，所述数据部分采用单载波调制；如果信道估计结果是多用户干扰严重的情况，调制方式为所述前导序列采用幅度调制，所述数据部分采用相位调制；如果多径干扰或多用户干扰不严重，调制方式为在语音业务中所述前导序列采用低阶调制、所述数据部分采用高阶调制，在数据业务中所述前导序列采用低速率调制、所述数据部分采用高速率调制；

步骤三：根据选定的所述帧结构进行组帧。

其中较优地，在所述前导序列中添加OFDM符号，接收端根据已知序列进行互相关运算以寻找同步点；在所述数据部分使用单载波信号以提高频谱利用率。

其中较优地，所述前导序列划分成一个或多个部分，所述前导序列的至少一个部分的传输速率与所述数据部分的传输速率不同。

其中较优地，所述前导序列的至少一个部分的传输速率小于所述数据部分的传输速率。

其中较优地，所述前导序列划分成一个或多个部分，所述前导序列的至少一个部分的调制阶数与所述数据部分的调制阶数不同。

其中较优地，所述前导序列的至少一个部分的调制方式的调制阶数，比所述数据部分的调制阶数低。

其中较优地，所述前导序列划分成一个或多个部分，所述前导序列的至少一个部分的载波数与所述数据部分的载波数不同。

本发明通过改变前导序列的速率、调制阶数等来提高系统的同步性能和抗多径干扰的能力。与传统的增加冗余(重复编码)提高同步性能的方法相比，本发明所在同步性能、编码效率、能量效率上有较大优势，加大了无线通信系统(特别是传感网)的传输距离和增强了抗干扰能力。本发明提高了现有无线通信系统的同步性能，增强了现有无线通信系统的抗多径能力，提高了多用户干扰下的同步性能，增强了现有无线通信系统的抗干扰能力。

附图说明

图1为Zigbee协议中，信息比特与扩频序列的映射关系图；

图2为ZigBee前导序列生成器的示意图；

图3为802.11ac前导序列生成器的示意图；

图4为本发明提供的增强型同步方法的发送端流程图；

图5为本发明中，具有不同速率的组帧方式示意图；

图6为本发明中，具有不同调制阶数的组帧方式示意图；

图7为本发明中，具有不同载波数的组帧方式示意图；

图8为本发明中，具有不同调制对象的组帧方式示意图；

图9为本发明提供的增强型同步方法的接收端流程图；

图10为第二实施例中，增强型同步方法的发送端流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

无线通信系统包括进行信息交互的信息发送端和信息接收端，其中基站或终端可以分别作为信息发送端和信息接收端。本发明提出了一种新的前导序列设计方法，根据系统实际使用需求，设计前导序列，使其可以在多个维度上调整其传输方式，达到更好的通信效率或更好的频谱利用率。

本发明对前导序列和数据部分分别采用不同的信号速率。前导序列部分采用低速率提高同步性能，数据部分采用高速率提高传输效率。例如，ZigBee的前导序列和数据部分的速率均为250kbps。针对现有的ZigBee系统，前导序列部分可以采用低速率，而数据部分仍然采用ZigBee标准中的250kbps。由于前导序列部分速率较低，同步性能较好，能够获得比前导序列速率为250kbps时更好的同步性能。

本发明对前导序列和数据部分分别采用不同的调制阶数，前导序列部分采用低阶的调制方式，而数据部分采用高阶的调制方式。低阶调制能够提高信号的同步性能，而高阶调制能够提高性能的传输效率。例如使前导序列部分采用BPSK的调制方式，而数据部分采用16QAM的调制方式。

无线通信系统中存在多径，而多径信道对同步的影响较大。为对抗多径，本发明在前导序列中添加多个OFDM符号，接收端可以在频域根据已知序列进行互相关运算，找寻同步点。而数据部分采用使用单载波信号提高频谱利用率。该方式增强了系统的抗多径衰弱的能力，提升了同步性能。

<实施例一>

本实施例中，发送端和接收端预先设置了前导序列和数据部分的调制方式，预先保存了用于同步的进行互相关运算的已知序列。

如图4所示，在发送端根据预先配置的调制方式(配置1)，利用已知序列生成前导序列，对需要发送的信息比特根据预先配置的调制方式(配置2)进行调制从而生成数据部分。然后，发送端将前导序列和数据部分进行组帧并发送。

下面结合图5～图7详细说明前导序列和数据部分的不同配置1(第一配置)和配置2(第二配置)。不同的配置是指，发送端对前导序列和数据部分采用不同的调制方式。

图5所示为不同速率帧结构方案：前导序列采用低速率

在传统的无线通信中，前导序列和数据帧拥有相同的数据率。更高的符号速率可以增强系统时域误差的鲁棒性；更低的符号速率可以增强系统频域误差的鲁棒性。为提高系统的同步性能，如图5所示，本发明提出了在前导序列中引入的不同调制符号速率(配置1)，根据前导序列同步时不同的用处，可以将利用已知序列生成的前导序列分成n部分，每部分采用不同的符号速率(速率1，速率2……速率n)进行调制。数据帧的传输速率不改变(配置2)，与现有ZigBee标准相同(现有ZigBee标准的前导序列和数据帧的速率均为250kbps)。

可选的，n等于1时，即前导序列仅采用一种速率，该速率介于250bps～250kbps之间，而数据部分仍然采用ZigBee标准中的250kbps。由于前导序列速率较低，同步性能较好，因此本发明能够获得比前导序列速率为250kbps时更好的同步性能。

可选的，将前导序列分成2部分(n＝2)时，前导序列采用2种不同速率，这些速率均介于250bps～250kbps之间。由于前导序列速率较低于数据部分速率，本发明能够获得比前导序列和数据部分速率相同时更好的同步性能。

图6所示为不同调制阶数帧结构方案：前导序列采用低阶调制

在图6所示方案中，对前导序列进行调制的配置1，是将已知序列分成多个部分，分别以调制阶数1、调制阶数2……调制阶数n等进行调制，生成前导序列的多个部分，各部分分别采用不同阶的调制方式，以提高同步性能的方法。对数据部分进行调制的配置2与现有ZigBee标准相同。在ZigBee系统中，前导序列和数据帧采用相同的调制方式。比如ZigBee物理层采用OQPSK-DSSS的调制方式(等效为MSK)。

前导序列分为n部分，每部分前导序列采用不同的调制阶数。可以理解的是前导序列的n部分中，既可以所有的部分的调制方式均不相同，也可以有多个部分的调制方式相同。优选的，每种调制方式的调制阶数都比数据域的调制阶数低。

例1，在ZigBee系统中，若前导序列仅被分成1份，即n＝1。前导序列采用BPSK的调制方式，而数据部分采用16QAM的调制方式。

例2，在类似Bluetooth系统中，数据部分使用的Modulation index较小(0.28～0.35)的调制方式，而引入Modulation index＝0.5的序列做前导序列。

图7所示为不同载波数帧结构方案：前导序列采用多载波调制

为对抗多径，本发明在前导序列中添加多个OFDM符号(是在利用已知序列按照常规方法生成的前导序列中，选择同步性能好的OFDM符号。例如802.11ac中用于同步的OFMD符号进行添加)，多个OFDM符号时域求平均，引入IFFT/FFT调制。通过这样的方式，该方法能够在大频偏时获得较好的同步性能。如图7所示，例如，在类似IEEE802.15.4g系统(smartgrid standard)中，前导序列利用IFFT调制，组成多个OFDM符号，数据部分采用FFT调制，使用单载波信号提高频谱利用率，由此增强了系统的抗多径衰弱的能力，提升了同步性能。

图8所示为不同调制对象帧结构方案：前导序列采用幅度调制

本发明针对相位调制传输中多用户干扰问题，引入On-off调制或幅度调制(PAM)，不同于数据帧的调制方式，以提高同步序列接收灵敏度。

在无线通信系统中，用于同步的前导序列一般选用自相关和互相关性能较好的序列。前导序列和数据帧拥有相同的调制方式，比如ZigBee前导序列和数据帧的调制方式均MSK。MSK为连续相位调制，此类相位调制技术具有恒包络特性，功率效率和频谱效率较高。由于前导序列也采用了相位调制技术，当系统中存在多用户干扰时，干扰用户的前导序列的相位对有用用户的前导序列的相位造成了影响，使得基于自相关和互相关的同步算法性能较差。

本发明在前导序列中引入On-off调制或幅度调制(PAM)来对抗多用户干扰，提高存在多用户干扰的系统的同步性能，如图8所示。由于On-off或者PAM是基于幅度的调制技术，在存在多用干扰时，干扰用户对有用用户在幅度上造成了影响，但由于前导序列具有优良的自相关和互相关特性，前导序列的自相关或互相关特性对幅度变化不敏感(存在多用户干扰时，前导序列的信号幅度直接叠加，叠加后的信号与本地已知序列做相关运算，仍然能够准确找到同步点)，幅度的叠加对同步性能影响较小，避免了由于前导序列同为相位调制导致的相互干扰，提升了在存在多用户干扰时的同步性能。

例如，ZigBee系统中，前导序列采用On-off的调制方式，而数据帧部分仍然采用MSK的调制方式，当存在多用户干扰时，系统的同步性能比前导序列也用MSK时好。

发送端按照其与接收端预先确定的帧结构发送信号。接收端则根据其与发送端预先确定的调制方式进行解调。

如图9所示，接收端先根据配置1(即预先确定的前导序列的调制方式)，按其对应的解调方式对接收到的信息进行解调，从而得到前导序列。然后去除前导序列，再利用与配置2对应的解调方式解调出数据部分。

例如，如果发送端是采用的不同速率调制方案，即配置1是低速率调制方式，配置2是高速率调制方式，则接收端先以配置1(即低速率调制方式)对应的解调方式检测出前导序列并解调。然后去除解调出来的前导序列，再以配置2(即高速率调制方式)对应的解调方式来解调出数据部分。针对其他方案也类似，根据配置1对应的解调方式解调出前导序列；去除前导序列之后再根据配置2对应的解调方式解调出数据部分。

可以理解，相位调制与频率调制实质相同，因此本发明的数据部分也可以用频率调制的方式，而前导序列仍然用幅度调制。接收端解调过程类似。

<实施例二>

第一实施例介绍了发送端和接收端预先确定前导序列和数据部分的调制方式或组帧方法，第二实施例则重点介绍发送端根据信道估计结果，选择调制方式或组帧方法的方案。

参考图10，本实施例包括以下步骤。

步骤一：根据信道估计结果选择帧结构

无线通信系统的性能很大程度上受到无线信道的影响，如阴影衰落和频率选择性衰落等等，使得发射机和接收机之间的传播路径非常复杂。信道估计的精度将直接影响整个系统的性能。为了能在接收端准确的恢复发射端的发送信号，需要采用各种措施来抵抗多径效应对传输信号的影响。

信息发送端需要先获得信道估计结果，从而选择相应的发送端调制方案。

信息发送端根据信道估计结果，选择适当的组帧方法，采用相应的帧结构与接收端进行交互。如果信道估计结果是多径干扰相对严重的情况，则采用不同载波帧结构方案；如果信道估计是多用户干扰严重的情况，则选择采用不同调制对象帧结构方案；如果多径干扰或多用户干扰不严重，则可以根据业务特性进行选择，此时针对语音业务优先选择采用不同调制阶数帧结构方案；针对数据业务优先选择不同速率帧结构方案。

具体而言，在信道估计结果是多径干扰相对严重的情况下，则所述前导序列中至少一部分(例如图7中“符号1”部分)的载波数多于所述数据部分的载波数；

在信道估计是多用户干扰严重的情况下，则所述前导序列采用幅度调制；或者

在信道估计是多径干扰或多用户干扰不严重的情况下，在语音业务中所述前导序列中至少一部分(例如图6中“调制1”部分)的调制阶数小于所述数据部分的调制阶数；在数据业务中所述前导序列中至少一部分(例如图5中“速率1”部分)的速率低于所述数据部分的速率。

可以理解，不需要同时设置上述四种情况的帧结构，可以仅仅设置其中一种或两种情况下的帧结构。例如，仅仅设置为：在信道估计是多用户干扰严重的情况下，则所述前导序列采用幅度调制。再例如，设置为：在信道估计是多径干扰或多用户干扰不严重的情况下，在语音业务中所述前导序列中至少一部分(例如图6中“调制1”部分)的调制阶数小于所述数据部分的调制阶数；在数据业务中所述前导序列中至少一部分(例如图5中“速率1”部分)的速率低于所述数据部分的速率。

步骤二：对前导序列和数据帧按照不同调制方式进行调制

不同载波帧结构方案、不同调制阶数帧结构方案、不同速率帧结构方案以及不同调制对象帧结构方案，根据步骤一中选定的帧结构进行调制方法，与第一实施例中的方法相同，在此不赘述。

步骤三：根据选定的帧结构进行组帧

发送端根据选定的帧结构，进行相应的调制操作和组帧。

由于调制等组帧所需处理，可以选用现有的技术，在此不予赘述。

组帧完成后，发送端向接收端通知选定的帧结构，并发送帧。发送端按照其选定的帧结构进行组帧，并且通知接收端该选定的帧结构，以使接收端能够根据发送端选定的帧结构相对应的调制方式进行解调。可以理解的是，向接收端发出帧结构通知的步骤，可以在组帧步骤(步骤三)之前，也可以与步骤三同时进行。

可以理解，发送端也可以仅仅将信道估计结果通知接收端，由接收端根据该信道估计结果，基于预先保存的信道估计结果与帧结构的对应关系表，判断出发送端选定的帧结构。这样就不用发送端向接收端通知选定的帧结构了。

如图10所述，接收端接收到帧结构通知，调取预先保存的配置1(即选定帧结构中的前导序列的调制方式)，按其对应的解调方式对接收到的信息进行解调，从而得到前导序列。然后去除前导序列，再利用与预先保存的配置2(即选定帧结构中的数据部分的调制方式)对应的解调方式解调出数据部分。需要说明的是，配置1和配置2可以预先保存在接收端，也可以在步骤四中由发送端提供给接收端。

例如，如果接收端根据帧结构通知，获知发送端是采用的不同速率调制方案，即配置1是低阶调制方式，配置2是高阶调制方式，则接收端先以配置1(即低阶调制方式)对应的解调方式检测出前导序列并解调。然后去除解调出来的前导序列，再以配置2(即高阶调制方式)对应的解调方式来解调出数据部分。针对其他方案也类似，根据配置1对应的解调方式解调出前导序列；去除前导序列之后再根据配置2对应的解调方式解调出数据部分。

本发明所提供的发送端装置参考图4。该装置包括前导序列生成模块，数据部分生成模块，组帧模块。前导序列生成模块接收已知序列并且根据配置1(第一配置)生成前导序列，发送给组帧模块；数据部分生成模块接收信息比特并且根据配置2(第二配置)生成数据部分，发送给组帧模块。其中，配置1和配置2不同。

本发明所提供的接收端装置参考图9，包括前导序列检测模块以及数据部分检测模块，所述前导序列检测模块根据第一配置检测出所述前导序列，所述数据部分检测模块根据第二配置生成所述数据部分，所述第一配置和第二配置不同。参考图9，接收端还可以包括去除前导序列模块，用于在前导序列检测出前导序列之后，去除前导序列，并发给数据部分检测模块。

本发明通过改变前导序列的速率、调制阶数等来提高系统的同步性能和抗多径干扰的能力。与传统的增加冗余(重复编码)提高同步性能的方法相比，本发明在同步性能、编码效率、能量效率上有较大优势，加大了无线通信系统(特别是传感网)的传输距离和增强了抗干扰能力。本发明提高了现有无线通信系统的同步性能，增强了现有无线通信系统的抗多径能力，提高了多用户干扰下的同步性能，增强了现有无线通信系统的抗干扰能力。

上面对本发明所提供的用于无线通信系统的增强型同步方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (7)

1.一种用于无线通信系统的增强型同步方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据信道估计结果选择帧结构；其中，如果信道估计结果是多径干扰相对严重的情况，采用不同载波数帧的结构；如果信道估计结果是多用户干扰严重的情况，采用不同调制对象的帧结构；如果多径干扰或多用户干扰不严重，则根据业务特性进行选择：针对语音业务，采用不同调制阶数的帧结构，针对数据业务，采用不同速率的帧结构；

步骤二：根据选定的所述帧结构，采用不同的调制方式分别生成前导序列与数据部分；其中，如果信道估计结果是多径干扰相对严重的情况，调制方式为所述前导序列采用多载波调制，所述数据部分采用单载波调制；如果信道估计结果是多用户干扰严重的情况，调制方式为所述前导序列采用幅度调制，所述数据部分采用相位调制；如果多径干扰或多用户干扰不严重，调制方式为在语音业务中所述前导序列采用低阶调制、所述数据部分采用高阶调制，在数据业务中所述前导序列采用低速率调制、所述数据部分采用高速率调制；

步骤三：根据选定的所述帧结构进行组帧。

2.如权利要求1所述的增强型同步方法，其特征在于：

在所述前导序列中添加OFDM符号，接收端根据已知序列进行互相关运算以寻找同步点；在所述数据部分使用单载波信号以提高频谱利用率。

3.如权利要求1或2所述的增强型同步方法，其特征在于：

所述前导序列划分成一个或多个部分，所述前导序列的至少一个部分的传输速率与所述数据部分的传输速率不同。

4.如权利要求3所述的增强型同步方法，其特征在于：

所述前导序列的至少一个部分的传输速率小于所述数据部分的传输速率。

5.如权利要求1或2所述的增强型同步方法，其特征在于：

所述前导序列划分成一个或多个部分，所述前导序列的至少一个部分的调制阶数与所述数据部分的调制阶数不同。

6.如权利要求5所述的增强型同步方法，其特征在于：

所述前导序列的至少一个部分的调制方式的调制阶数，比所述数据部分的调制阶数低。

7.如权利要求1或2所述的增强型同步方法，其特征在于：

所述前导序列划分成一个或多个部分，所述前导序列的至少一个部分的载波数与所述数据部分的载波数不同。

Images