CN106230765B - 一种基于前导序列的混叠信息帧解调方法及解调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信领域，提供了一种基于前导序列的混叠信息帧解调方法及解调装置，旨在解决通信过程中信道多径衰落产生混叠信息帧的问题。所述解调方法基于前导序列使用同步定位算法确定混叠信息帧的混叠位置，估算非目标信息帧的能量值，去除混叠信息帧中的非目标信息帧，完成对目标信息帧的正确解调。本发明通过从接收的混叠信息帧中去除非目标信息帧，提高了通信传输的连传成功率和通信效率。

Description

一种基于前导序列的混叠信息帧解调方法及解调装置
技术领域
本发明涉及通信领域，提供了一种基于前导序列的混叠信息帧解调方法及解调装置。
背景技术
随着通信技术的不断发展，工业界与学术界都在追求在通信网络传输的过程中能最大化的提高传输效率，降低实现成本。
但是，现有的通信技术存在信道多径衰落的问题。当传输业务量大时，发送方将向接收方发起多次、连续的传输，由于通信传输中的分支结构或信道中某些负载节点的阻抗不匹配，将会导致当前时刻的传输信息帧中叠加了之前时刻的多径衰落信号，即接收到了混叠信息帧。若不对这一情况加以关注、处理，将导致通信网络传输过程中，在大业务量传输时，通信性能的急速下滑，不能满足通信的高效性和实用性的需求。
发明内容
本发明提供一种基于前导序列的混叠信息帧解调方法及解调装置，旨在解决通信过程中信道多径衰落产生混叠信息帧的问题，从而提高通信传输的连传成功率，提高通信效率。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于前导序列的混叠信息帧解调方法包括下述步骤：
当检测到信息帧时，基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，以确定所述信息帧的准确位置；
对定位成功的所述信息帧基于前导序列进行实时的信噪比估计，得到实时的信噪比估计结果；
根据所述信息帧的准确位置，对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据进行解调，并确认是否能够解调成功；
若对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据不能成功解调，则判定所述信息帧为包含有目标信息帧和非目标信息帧的混叠信息帧，再根据基于前导序列的同步定位算法，对所述信息帧的混叠起始处进行定位，确定所述信息帧中目标信息帧与非目标信息帧的准确位置；
根据所述实时的信噪比估计结果估算噪声能量，再从所述噪声能量中减去背景噪声，得到非目标信息帧的能量值；
根据非目标信息帧的能量值，判断出混叠信息帧中的目标信息帧与非目标信息帧，然后去除非目标信息帧，得到目标信息帧；
根据所述目标信息帧的准确位置，对得到的所述目标信息帧的帧控制头和数据进行解调；
若解调成功，则缓存当前已解调成功的目标信息帧；若解调不成功，则丢弃该帧，返回开始处对下一帧进行操作。
进一步地，所述基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，包括：
基于具有伪随机性和自相关性的前导序列，对所述信息帧进行互相关运算和能量归一化处理，然后由所述互相关运算的结果和所述能量归一化处理的结果得到互相关的判决统计量；
基于所述互相关的判决统计量进行峰值判决，即可获得前导序列的准确起始点，完成信息帧的同步定位。
进一步地，所述判决统计量为ηk，基于前导序列的同步定位算法得到的互相关的判决统计量ηk的计算公式为：
其中，rk+d表示接收到的信息帧，r′d表示预先选定的组成前导序列的OFDM符号，下标d表示离散符号的数字标号，D表示单个OFDM符号的长度，且D为d的最大取值，k表示离散时刻点，sign(*)表示取符号，表示互相关运算，表示能量归一化处理。
进一步地，所述信息帧包括前导序列、帧控制头和数据域：
所述前导序列由N个相同的正的OFDM符号和N个相同的负的OFDM符号排列组成，其中N为正数；
所述前导序列的OFDM符号具有伪随机性和自相关性，且被预先选定，为收发双方所共知。
本发明提供的基于前导序列的混叠信息帧解调装置包括：
同步定位模块，用于当检测到信息帧时，基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，以确定所述信息帧的准确位置；
信噪比估计模块，用于对定位成功的所述信息帧基于前导序列进行实时的信噪比估计，得到实时的信噪比估计结果；
解调模块，用于根据所述信息帧的准确位置，对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据进行解调，并确认是否解调成功；
非目标信息帧定位模块，用于在对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据不能成功解调时，则判定所述信息帧为包含有目标信息帧和非目标信息帧的混叠信息帧，再根据基于前导序列的同步定位算法，对所述信息帧的混叠起始处进行定位，确定所述信息帧中目标信息帧与非目标信息帧的准确位置；
非目标信息帧能量值估算模块，用于根据所述实时的信噪比估计结果估算噪声能量，再从所述噪声能量中减去背景噪声，得到非目标信息帧的能量值；
非目标信息帧去除模块，用于根据非目标信息帧的能量值以及所述非目标信息帧的准确位置，判断出混叠信息帧中的目标信息帧与非目标信息帧，然后去除非目标信息帧，得到目标信息帧；
目标信息帧解调模块，用于根据所述目标信息帧的准确位置，对得到的所述目标信息帧的帧控制头和数据进行解调，若解调成功，则缓存当前已解调成功的目标信息帧；若解调不成功，则丢弃该帧，返回开始处对下一帧进行操作。
进一步地，所述基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，包括：
基于具有伪随机性和自相关性的前导序列，对所述信息帧进行互相关运算和能量归一化处理，然后由所述互相关运算的结果和所述能量归一化处理的结果得到互相关的判决统计量；
基于所述互相关的判决统计量进行峰值判决，即可获得前导序列的准确起始点，完成信息帧的同步定位。
进一步地，所述判决统计量为ηk，基于前导序列的同步定位算法得到的互相关的判决统计量ηk的计算公式为：
其中，rk+d表示接收到的信息帧，r′d表示预先选定的组成前导序列的OFDM符号，下标d表示离散符号的数字标号，D表示单个OFDM符号的长度，且D为d的最大取值，k表示离散时刻点，sign(*)表示取符号，表示互相关运算，表示能量归一化处理。
进一步地，所述信息帧包括前导序列、帧控制头和数据域：
所述前导序列由N个相同的正的OFDM符号和N个相同的负的OFDM符号排列组成，其中N为正数；
所述前导序列的OFDM符号具有伪随机性和自相关性，且被预先选定，为收发双方所共知。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的基于前导序列的混叠信息帧解调方法能够从接收的混叠信息帧中去除非目标信息帧，实现通信过程中的高性能连续传输，提高通信效率。具体可应用于多种通信网络中，从而提升不同通信网络的传输性能，例如：宽带电力线通信、Zigbee通信以及无线个域网等。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于前导序列的混叠信息帧解调方法流程图；
图2为本发明实施例提供的信息帧结构图；
图3为本发明实施例提供的在实际宽带电力线连续传输场景中的混叠示意图；
图4为本发明实施例提供的判决统计量的绝对值结果示意图；
图5为本发明实施例提供的统计判决量同步定位算法的性能对比图；
图6为本发明实施例提供的在不同宽带电力线通信环境下的通信性能统计结果示意图；
图7为本发明实施例提供的基于前导序列的混叠信息帧解调装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
作为本发明的较佳实施例，如图1所示，为本发明在宽带电力线通信中基于前导序列的混叠信息帧解调方法流程图，结合图1对其步骤进行详细描述：
步骤S101：当检测到信息帧时，基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，以确定所述信息帧的准确位置。若定位成功，则执行步骤S102；若定位不成功，则执行步骤S109。
步骤S102：对定位成功的所述信息帧基于前导序列进行实时的信噪比估计，得到实时的信噪比估计结果。
在本发明实施例的仿真实验中，步骤S102实时信噪比估计可顺便利用步骤S101中的前导序列计算得到，使得整个方法流程更加便捷。因此，在步骤S101之后先进行步骤S102实时信噪比估计为本发明实施例的最佳效果，但并不能限定本发明。
步骤S103：根据步骤S101得到的信息帧的准备位置，对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据进行解调。若解调成功，则执行步骤S108；若解调不成功，则执行步骤S104。
步骤S104：若对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据不能成功解调，则判定所述信息帧为包含有目标信息帧和非目标信息帧的混叠信息帧，再根据基于前导序列的同步定位算法，对所述信息帧的混叠起始处进行定位，确定所述信息帧中目标信息帧与非目标信息帧的准确位置。若定位成功，则执行步骤S105；若定位不成功，则执行步骤S109。
步骤S105：根据步骤S102得到的实时的信噪比估计结果估算噪声能量，再从所述噪声能量中减去背景噪声，得到非目标信息帧的能量值。
在本发明实施例的仿真实验中，使用了平均幅值来表示估算出非目标信息帧的能量值。
步骤S106：根据步骤S105得到的非目标信息帧的能量值，判断出混叠信息帧中的目标信息帧与非目标信息帧，然后去除非目标信息帧，得到目标信息帧。
在本发明实施例的仿真实验中，去除非目标信息帧的具体方法为：(混叠信息帧－平均幅值)×缓存的上一帧。
步骤S107：根据步骤S104中得到的目标信息帧的准确位置，对步骤S106得到的目标信息帧的帧控制头和数据进行解调。若解调成功，则执行步骤S108；若定位不成功，则执行步骤S109。
步骤S108：缓存当前已解调成功的目标信息帧，并返回开始处对下一帧进行操作。
步骤S109：丢弃当前时刻的信息帧，返回开始处对下一帧进行操作。
丢弃信息帧为丢包过程，通信中发送机有相应机制应对丢包，以增强通信的可靠性和鲁棒性，在本发明实施例中不多加解释。
在本发明实施例中，基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，基于具有伪随机性和自相关性的前导序列，对所述信息帧进行互相关运算和能量归一化处理，然后由所述互相关运算的结果和所述能量归一化处理的结果得到互相关的判决统计量；基于所述互相关的判决统计量进行峰值判决，即可获得前导序列的准确起始点，完成信息帧的同步定位。本发明实施例对互相关运算进行了改进，使得算法复杂度降低，更加易于工业工程的实现。
其中，所述判决统计量为ηk，基于前导序列的同步定位算法得到的互相关的判决统计量ηk的计算公式为：
其中，rk+d表示接收到的信息帧，r′d表示预先选定的组成前导序列的OFDM符号，下标d表示离散符号的数字标号，D表示单个OFDM符号的长度，且D为d的最大取值，k表示离散时刻点，sign(*)表示取符号，表示互相关运算，表示能量归一化处理。
综上所述，本发明实施例基于前导序列的混叠信息帧解调方法的具体实现流程描述的是接收方的接收过程。实际工程中，通信设备进入接收状态后，将一直对从信道接收来的数据进行收集、解调，直到被触发退出接收状态为止。
如图2所示，为本发明实施例的信息帧结构图。
本发明实施例的信息帧包括前导序列(Preamble)、帧控制头(Frame ControlHeader,FCH)和数据域(Data)三部分。
前导序列由N个相同的正的OFDM符号和N个相同的负的OFDM符号排列组成，其中N为正数。
前导序列的OFDM符号具有伪随机性和自相关性，且被预先选定，为收发双方所共知。
本发明实施例在进行仿真测试中得出，当前导序列由9个正的OFDM符号(Pre1～Pre9)和0.5个负的OFDM符号组成时为传输效率和定位效果折中后的最佳选择。
如图3所示，为本发明实施例在实际宽带电力线连续传输场景中的混叠示意图，结合图3对混叠过程进行详细描述：
步骤S301：前一时刻T1，发送方通过宽带电力线传送信息帧①给接收方；
步骤S302：本时刻T2，发送方通过宽带电力线传送信息帧②给接收方。
同时，由于宽带电力线传输的多径特性，步骤S301中前一时刻T1传送的信息帧①经过宽带电力线传输过程中发生多径延时，产生延时信息帧①’，此时延时信息帧①’与信息帧②发生混叠，使接收方对信息帧②的接收产生严重的干扰。
此时，延时信息帧①’与信息帧②共同构成了混叠信息帧，信息帧②即为目标信息帧，延时信息帧①’即为非目标信息帧。
步骤S303：本时刻T2，目标信息帧②的帧控制头FCH与非目标信息帧①’的前导序列Preamble发生重叠。同时，在混叠信息帧中，来自前一时刻的一径信息帧的干扰最为严重，而其他多径信息帧由于衰减大、能量小，可当做背景噪声处理。噪声是在当前时刻的传输过程中客观存在的，可通过现有的信噪比估计技术、编码、校验等方式进行相应处理，将噪声对目标信息帧的影响减小到最小。
综合图3的混叠过程，在实际宽带电力线连续传输场景中的混叠信息帧产生过程中，本发明实施例基于前导序列使用同步定位算法确定混叠位置，进而从接收的混叠信息帧中去除非目标信息帧，完成对目标信息帧的正确解调。
如图4所示，为发明实施例提供的判决统计量的绝对值结果示意图。
在实际宽带电力环境下，真实的信息帧经过宽带电力信道产生叠加，图4中横向坐标离散时刻点k表示不同时刻的采样点，纵向坐标则为不同采样点得到的判决量的绝对值。依照本发明实施例中前导序列的结构，当有帧到来时，判决统计量获得9个正的峰值和1个负的半峰值。
如图5所示，为本发明实施例提供的统计判决量同步定位算法的性能对比图。
图5展现了本发明的统计判决量的同步定位算法的性能。与传统的进行互相关的同步定位算法相比，本发明实施例的同步定位算法不仅具有更低的算法复杂度，易于工业工程的实时实现，而且基于前导序列的混叠信息帧解调方法能在更低的信噪比情况下获得更高的定位成功率，即：非常适合混叠信息帧中非目标信息帧的定位实现，此时，对于非目标信息帧的定位，混叠中的目标信息帧被视为噪声。
如图6所示，为本发明实施例在不同宽带电力线通信环境下的通信性能统计结果示意图。
本发明实施例分别在不同的宽带电力线通信环境下进行了测试，横坐标的1、2、3表示不同的宽带电力线场景，例如：横坐标1为在相对较安静的实验室环境中进行的测试；横坐标2为在嘈杂的街道环境中进行的测试等。通过图6的测试结果可以直观得出，在不同的宽带电力线通信环境下，使用基于前导序列的混叠信息帧解调方法的通信成功率均明显高于未使用混叠信息帧解调方法的通信。
如图6的统计结果基于Homplug协议参数进行实现，以下列举主要参数：傅里叶变换点数为256，循环前缀(CP)的点数为172，升余弦滚降重叠点数8，采样时钟50MHz，有效数据包的最大时长5.12μs。
如图7所示，为本发明实施例提供的基于前导序列的混叠信息帧解调装置示意图。
同步定位模块701，用于当检测到信息帧时，基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，以确定所述信息帧的准确位置；
信噪比估计模块702，用于对定位成功的所述信息帧基于前导序列进行实时的信噪比估计，得到实时的信噪比估计结果；
解调模块703，用于根据所述信息帧的准确位置，对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据进行解调，并确认是否解调成功；
非目标信息帧定位模块704，用于在对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据不能成功解调时，则判定所述信息帧为包含有目标信息帧和非目标信息帧的混叠信息帧，再根据基于前导序列的同步定位算法，对所述信息帧的混叠起始处进行定位，确定所述信息帧中目标信息帧与非目标信息帧的准确位置；
非目标信息帧能量值估算模块705，用于根据所述实时的信噪比估计结果估算噪声能量，再从所述噪声能量中减去背景噪声，得到非目标信息帧的能量值；
非目标信息帧去除模块706，用于根据非目标信息帧的能量值，判断出混叠信息帧中的目标信息帧与非目标信息帧，然后去除非目标信息帧，得到目标信息帧；
目标信息帧解调模块707，用于根据所述目标信息帧的准确位置，对得到的所述目标信息帧的帧控制头和数据进行解调，若解调成功，则缓存当前已解调成功的目标信息帧；若解调不成功，则丢弃该帧，返回开始处对下一帧进行操作。
其中，所述基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，包括：
基于具有伪随机性和自相关性的前导序列，对所述信息帧进行互相关运算和能量归一化处理，然后由所述互相关运算的结果和所述能量归一化处理的结果得到互相关的判决统计量；
基于所述互相关的判决统计量进行峰值判决，即可获得前导序列的准确起始点，完成信息帧的同步定位。
进一步地，所述判决统计量为ηk，基于前导序列的同步定位算法得到的互相关的判决统计量ηk的计算公式为：
其中，rk+d表示接收到的信息帧，r′d表示预先选定的组成前导序列的OFDM符号，下标d表示离散符号的数字标号，D表示单个OFDM符号的长度，且D为d的最大取值，k表示离散时刻点，sign(*)表示取符号，表示互相关运算，表示能量归一化处理。
进一步地，所述信息帧包括前导序列、帧控制头和数据域：
所述前导序列由N个相同的正的OFDM符号和N个相同的负的OFDM符号排列组成，其中N为正数；
所述前导序列的OFDM符号具有伪随机性和自相关性，且被预先选定，为收发双方所共知。
综上所述，本发明实施例提供的一种基于前导序列的混叠信息帧解调方法和解调装置，能够从接收的混叠信息帧中去除非目标信息帧，实现通信过程中的高性能连续传输，提高通信效率；同时，本发明基于判决统计量的同步定位算法与传统进行互相关的同步定位算法相比，本发明实施例所述的同步定位算法具有更低的算法复杂度，实现性高，易于工业工程的实时实现，易于硬件实现；本发明实施例提供的基于前导序列的混叠信息帧解调方法不仅可应用于宽带电力线通信，还可应用于多种通信网络中，从而提升不同通信网络的传输性能，例如：Zigbee通信以及无线个域网等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于前导序列的混叠信息帧解调方法，其特征在于，包括下述步骤：
当检测到信息帧时，基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，以确定所述信息帧的准确位置；
对定位成功的所述信息帧基于前导序列进行实时的信噪比估计，得到实时的信噪比估计结果；
根据所述信息帧的准确位置，对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据进行解调，并确认是否能够解调成功；
若对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据不能成功解调，则判定所述信息帧为包含有目标信息帧和非目标信息帧的混叠信息帧，再根据基于前导序列的同步定位算法，对所述信息帧的混叠起始处进行定位，确定所述信息帧中目标信息帧与非目标信息帧的准确位置；
根据所述实时的信噪比估计结果估算噪声能量，再从所述噪声能量中减去背景噪声，得到非目标信息帧的能量值；
根据非目标信息帧的能量值，判断出混叠信息帧中的目标信息帧与非目标信息帧，然后去除非目标信息帧，得到目标信息帧；
根据所述目标信息帧的准确位置，对得到的所述目标信息帧的帧控制头和数据进行解调；
若解调成功，则缓存当前已解调成功的目标信息帧；若解调不成功，则丢弃该帧，返回开始处对下一帧进行操作。
2.如权利要求1所述的基于前导序列的混叠信息帧解调方法，其特征在于，所述基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，包括：
基于具有伪随机性和自相关性的前导序列，对所述信息帧进行互相关运算和能量归一化处理，然后由所述互相关运算的结果和所述能量归一化处理的结果得到互相关的判决统计量；
基于所述互相关的判决统计量进行峰值判决，即可获得前导序列的准确起始点，完成信息帧的同步定位。
3.如权利要求2所述的一种基于前导序列的混叠信息帧解调方法，其特征在于，所述判决统计量为ηk，基于前导序列的同步定位算法得到的互相关的判决统计量ηk的计算公式为：
其中，rk+d表示接收到的信息帧，r'd表示预先选定的组成前导序列的OFDM符号，下标d表示离散符号的数字标号，D表示单个OFDM符号的长度，且D为d的最大取值，k表示离散时刻点，sign(*)表示取符号，表示互相关运算，表示能量归一化处理。
4.如权利要求1所述的基于前导序列的混叠信息帧解调方法，其特征在于，所述信息帧包括前导序列、帧控制头和数据域；
所述前导序列由N个相同的正的OFDM符号和N个相同的负的OFDM符号排列组成，其中N为正数；
所述前导序列的OFDM符号具有伪随机性和自相关性，且被预先选定，为收发双方所共知。
5.一种基于前导序列的混叠信息帧解调装置，其特征在于，包括：
同步定位模块，用于当检测到信息帧时，基于前导序列使用同步定位算法对所述信息帧进行同步定位，以确定所述信息帧的准确位置；
信噪比估计模块，用于对定位成功的所述信息帧基于前导序列进行实时的信噪比估计，得到实时的信噪比估计结果；
解调模块，用于根据所述信息帧的准确位置，对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据进行解调，并确认是否解调成功；
非目标信息帧定位模块，用于在对定位成功的所述信息帧的帧控制头和数据不能成功解调时，则判定所述信息帧为包含有目标信息帧和非目标信息帧的混叠信息帧，再根据基于前导序列的同步定位算法，对所述信息帧的混叠起始处进行定位，确定所述信息帧中目标信息帧与非目标信息帧的准确位置；
非目标信息帧能量值估算模块，用于根据所述实时的信噪比估计结果估算噪声能量，再从所述噪声能量中减去背景噪声，得到非目标信息帧的能量值；
非目标信息帧去除模块，用于根据非目标信息帧的能量值，判断出混叠信息帧中的目标信息帧与非目标信息帧，然后去除非目标信息帧，得到目标信息帧；
目标信息帧解调模块，用于根据所述目标信息帧的准确位置，对得到的所述目标信息帧的帧控制头和数据进行解调，若解调成功，则缓存当前已解调成功的目标信息帧；若解调不成功，则丢弃该帧，返回开始处对下一帧进行操作。
6.如权利要求5所述的基于前导序列的混叠信息帧解调装置，其特征在于：
所述同步定位模块具体用于基于具有伪随机性和自相关性的前导序列，对所述信息帧进行互相关运算和能量归一化处理，然后由所述互相关运算的结果和所述能量归一化处理的结果得到互相关的判决统计量；还用于基于所述互相关的判决统计量进行峰值判决，即可获得前导序列的准确起始点，完成信息帧的同步定位。
7.如权利要求6所述的基于前导序列的混叠信息帧解调装置，其特征在于，所述判决统计量为ηk，所述同步定位模块根据下述公式基于前导序列的同步定位算法得到的互相关的判决统计量ηk的计算公式为：
其中，rk+d表示接收到的信息帧，r'd表示预先选定的组成前导序列的OFDM符号，下标d表示离散符号的数字标号，D表示单个OFDM符号的长度，且D为d的最大取值，k表示离散时刻点，sign(*)表示取符号，表示互相关运算，表示能量归一化处理。
8.如权利要求5所述的基于前导序列的混叠信息帧解调装置，其特征在于，所述信息帧包括前导序列、帧控制头和数据域；
所述前导序列由N个相同的正的OFDM符号和N个相同的负的OFDM符号排列组成，其中N为正数；
所述前导序列的OFDM符号具有伪随机性和自相关性，且被预先选定，为收发双方所共知。
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