CN106211042B - 一种用于分布式天线架构的m2m系统的信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法，本发明的方法考虑了每个传感器的时钟与标准时间有微小偏差，加上不同传感器的信号到达分布式天线单元的距离不同，天线单元收到不同传感器的信号时，有微小的时间差，根据提出的帧结构设计，可以通过导频估算出时延和信道衰落。此外，根据导频估算出的时延和信道衰落，利用基于最大比合并的部分连续干扰消方法来对传感器节点的数据进行检测，实现的复杂度低。相比于传统的检测方法，本发明的方法由于考虑了时延，信号的检测精度更高。

Description

一种用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法
技术领域
本发明涉及M2M通信领域，尤其涉及一种用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法。
背景技术
M2M是“机器对机器通信(Machine to Machine)”的简称。M2M是指一方或双方是机器且机器通过程序控制，能自动完成整个通信过程的通信形式。通过M2M通信，可以降低成本、提高效率、节约时间等，因而M2M通信得到了业界的广泛关注。
相比较传统的无线通信，3GPP标准中给出了M2M通信的三个特点：1)每一个传感器节点只需要传输或接收小量的数据(小型数据传输特性)；2)LTE-Advanced网络只允许机器节点在接入授权时间段内接入到网络中(时间控制特性)；3)多个传感器节点可以被分组为簇，以便于管理(分组特性)。
与传统通信相比，M2M通信最大的特点是机器自主完成数据感知与传输，不需要人为参与。因此，M2M设备可以代替人类工作在环境恶劣、对无间断监控实时性要求较高的场合。
但是，基于CDMA的M2M上行数据传输存在以下问题：
问题一：干扰多用户的信号检测问题。由于M2M通信中的传感器节点往往是能量受限的，并且传感器的数目是海量的，这些传感器如何接入网络，以及如何从接收到的信息中去识别每个传感器的信息显得尤为重要。问题二：远近效应问题。当所有的传感器的发射功率相同时，距离基站近的传感器，基站接收到功率就大，对其它远处的用户干扰。然而由于传感器无接收功能，无法作功率控制，只能通过基站的多用户检测算法来完成。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法。
技术方案：本发明所述的用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法，包括以下步骤：
S1、每一传感器节点按照先传导频再传数据的帧结构，向N个分布式天线发送数据，N个分布式天线再将收集到的数据发送给基站；其中帧结构中的导频序列包含3个符号，即(1，-1，0)；
S2、基站根据接收到的数据进行码片单倍采样得到N个数据向量，根据数据向量采用滑动窗法计算每个传感器的时延和信道衰落；
S3、基于计算的时延和信道衰落，利用基于最大比合并的部分连续干扰消方法检测出每一传感器的发送数据。
进一步的，所述步骤S2具体包括步骤：
S21、基站根据接收到的N个信号进行码片单倍采样得到采样数据r1,...,rN；
S22、记rn的前3G位数据为dn，取dn的第l位到2G+l-1位数据与码序列(ck,-ck)相乘积再求和得到S'kn；其中，ck表示扩频码，k＝1,...,K，l＝1,...,G+1，n＝1,...,N，K为传感器的个数，G为扩频增益；
S23、根据S'kn得到传感器k的导频数据滑动相关后求和的最大值为
S24、根据Skn和S'kn计算得到传感器k的信道估计值和时延估计值其中，Tc是扩频码片周期。
进一步的，所述步骤S3具体包括步骤：
S31、根据信道估计值计算得到信道范数；其中，传感器k的信道系数为
S32、将信道系数按照从大到小排序，得到排序
S33、设置迭代次数i＝1；
S34、检测到传感器ki的第0个符号后，从每个天线的接收数据rn中去除已经检测到的i个传感器的第0个符号乘上对应的部分干扰因子，即
式中，αj，分别表示传感器j的部分干扰因子和第0个符号的估计值，表示在作用的向量前添加个零，cj表示第j个码序列；
S35、将r1,...,rN按照传感器j的时延估计值移位到同一标准时间；
S36、将时钟对齐后的N个向量数据r1,...,rN利用最大比合并技术进行相加得到r，
S37、将r与点乘来判决传感器ki+1的第0个符号；
S38、将i＝i+1，并返回步骤S34，直至n＝K结束迭代；
S39、按照步骤S33到S38进行判决所有传感器的第m个信号，1≤m≤M-1，只是在检测传感器ki+1前，输出信号r去除已经检测到的ki个传感器的第m个符号乘上对应的部分干扰因子，输出信号r在减去所有传感器的第m-1个符号乘上对应的部分干扰因子。
进一步的，所有传感器只在自身时钟给出的固定时间段，向基站发送固定长度的数据。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明的方法考虑了每个传感器的时钟与标准时间有微小偏差，加上不同传感器的信号到达分布式天线单元的距离不同，天线单元收到不同传感器的信号时，有微小的时间差，根据提出的帧结构设计，可以通过导频估算出时延和信道衰落。此外，根据导频估算出的时延和信道衰落，利用基于最大比合并的部分连续干扰消方法来对传感器节点的数据进行检测，实现的复杂度低。相比于传统的多用户检测，本发明的方法由于考虑了时延，信号的检测精度更高。
附图说明
图1是本实施例的M2M通信系统的示意图；
图2是帧结构示意图。
具体实施方式
本实施例的M2M通信系统如图1所示，有一个数据收集基站，有N个分布式天线单元，每个天线单元收集附近传感器的数据，收集完数据后通过光纤将收集到的数据发送给基站进行处理。假设天线收集到的数据后通过光纤传输的时延是忽略不计的，并且基站能准确接收每个天线单元所发送的数据。为了节省传感器节点的耗电，传感器只在自身时钟给出的固定时间段，向附近天线单元发送固定长度的数据。假设传感器发送唤醒周期长期产度为Ta，每次发送数据时间长度为Td，Td＜Ta。此外，Td发送周期内发送M个符号，符号周期为Ts，Td＝MTs。
K个传感器发送时采用扩频码身份波形，假设第k个传感器的扩频波形为sk(t)，sk(t)是定义在区间[0,Ts)内的一个函数，具有如下表达
其中G是扩频增益，Tc是扩频码片周期，π(t)是定义在[0,Tc)上的脉冲成型波形，是扩频码，其分量取值于±1，且满足
<ck,cl>＝Gδkl
其中δkl定义为
第k个传感器在一个发送周期内的发送信号为
其中是第k个传感器的第m个等概取值于±1的BPSK符号。由于每个传感器的时钟与标准时间有微小偏差，加上不同传感器的信号到达天线单元的距离不同，因此不同的天线单元收到同一传感器信号，以及同一天线单元接收不同传感器的信号，都有微小的时间差，设第k个传感器与第n个分布式天线单元的标准时间的时间差为τkn，1≤n≤N，1≤k≤K，并假设0≤τkn＜Ts。则第n个分布式天线单元接收到的K个传感器的信号叠加为
其中Akn是信道衰落系数，这里已经假设了信道是慢变的，也即在发送M个符号的时间范围内保持不变，zn(t)是均值为零方差为σ2的高斯白噪声。
对rn(t)进行码片单倍采样，得到如下(M+1/2)G向量
其中z是一个噪声向量，维数为(M+1/2)G，并且
是向下取整记号，是一个条件取值函数，当满足时取值为1，不满足时取值为0，是一个向量添零算子，一个向量被这个算子作用之后，在这个向量的前面添加h(τkn)个零元素，在向量的结尾添加G-h(τkn)个零元素，也即
其中
技术问题可描述为：如何根据得到的N个单倍采样数据向量r1,…rN来联合检测出传感器的信道衰落、时延以及发送的数据。为了解决上述问题，本实施提供了一种用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法，包括以下步骤：
S1、每一传感器节点按照先传导频再传数据的帧结构，向N个分布式天线发送数据，N个分布式天线再将收集到的数据发送给基站；其中帧结构中的导频序列包含3个符号，即(1，-1，0)。帧结构如图2所示。
S2、基站根据接收到的数据进行码片单倍采样得到N个数据向量，根据数据向量采用滑动窗法计算每个传感器的时延和信道衰落。
该步骤具体包括步骤：S21、基站根据接收到的N个信号进行码片单倍采样得到采样数据r1,...,rN；S22、记rn的前3G位数据为dn，取dn的第l位到2G+l-1位数据与码序列(ck,-ck)相乘积再求和得到S'kn；其中，ck表示扩频码，k＝1,...,K，l＝1,...,G+1，n＝1,...,N；S23、根据S'kn得到传感器k的导频数据滑动相关后求和的最大值为S24、根据Skn和S'kn计算得到传感器k的信道估计值和时延估计值其中，Tc是扩频码片周期。
S3、基于计算的时延和信道衰落，利用基于最大比合并的部分连续干扰消方法检测出每一传感器的发送数据。
该步骤具体包括步骤：S31、根据信道估计值计算得到信道范数；其中，传感器k的信道系数为k＝1,...,K，n＝1,...,N；S32、将信道系数按照从大到小排序，得到排序S33、设置迭代次数i＝1；S34、检测到传感器ki的第0个符号后，从每个天线的接收数据rn中去除已经检测到的i个传感器的第0个符号乘上对应的部分干扰因子，即i＝1,...,N，式中，αj，分别表示传感器j的部分干扰因子和第0个符号的估计值，表示在作用的向量前添加个零，cj表示第j个码序列；S35、将r1,...,rN按照传感器j的时延估计值移位到同一标准时间；S36、将时钟对齐后的N个向量数据r1,...,rN利用最大比合并技术进行相加得到r，S37、将r与点乘来判决传感器ki+1的第0个符号；S38、将i＝i+1，并返回步骤S34，直至n＝K结束迭代；S39、按照步骤S33到S38进行判决所有传感器的第m个信号，1≤m≤M-1，只是在检测传感器ki+1前，输出信号r去除已经检测到的ki个传感器的第m个符号乘上对应的部分干扰因子，输出信号r在减去所有传感器的第m-1个符号乘上对应的部分干扰因子。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
S1、每一传感器节点按照先传导频再传数据的帧结构，向N个分布式天线发送数据，N个分布式天线再将收集到的数据发送给基站；其中帧结构中的导频序列包含3个符号，即(1，-1，0)；
S2、基站根据接收到的数据进行码片单倍采样得到N个数据向量，根据数据向量采用滑动窗法计算每个传感器的时延和信道衰落；
S3、基于计算的时延和信道衰落，利用基于最大比合并的部分连续干扰消方法检测出每一传感器的发送数据；
其中，述步骤S2具体包括步骤：
S21、基站根据接收到的N个信号进行码片单倍采样得到采样数据r1,...,rN；
S22、记rn的前3G位数据为dn，取dn的第l位到2G+l-1位数据与码序列(ck,-ck)相乘积再求和得到S'kn；其中，ck表示扩频码，k＝1,...,K，l＝1,...,G+1，n＝1,...,N，K为传感器的个数，G为扩频增益；
S23、根据S'kn得到传感器k的导频数据滑动相关后求和的最大值为
S24、根据Skn和S'kn计算得到传感器k的信道估计值和时延估计值其中，Tc是扩频码片周期。
2.根据权利要求1所述的用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括步骤：
S31、根据信道估计值计算得到信道系数；其中，传感器k的信道系数为
S32、将信道系数按照从大到小排序，得到排序
S33、设置迭代次数i＝1；
S34、检测到传感器ki的第0个符号后，从每个天线的接收数据rn中去除已经检测到的i个传感器的第0个符号乘上对应的部分干扰因子，即
式中，αj，分别表示传感器j的部分干扰因子和第0个符号的估计值，表示在作用的向量前添加个零，cj表示第j个码序列；
S35、将r1,...,rN按照传感器j的时延估计值移位到同一标准时间；
S36、将时钟对齐后的N个向量数据r1,...,rN利用最大比合并技术进行相加得到r，
S37、将r与点乘来判决传感器ki+1的第0个符号；
S38、将i＝i+1，并返回步骤S34，直至i＝K结束迭代；
S39、按照步骤S33到S38进行判决所有传感器的第m个信号，1≤m≤M-1，只是在检测传感器ki+1前，输出信号r去除已经检测到的ki个传感器的第m个符号乘上对应的部分干扰因子，输出信号r在减去所有传感器的第m-1个符号乘上对应的部分干扰因子,M表示一个发送周期内发送的符号个数。
3.根据权利要求1所述的用于分布式天线架构的M2M系统的信号检测方法，其特征在于：所有传感器只在自身时钟给出的固定时间段，向基站发送固定长度的数据。
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