CN106998243A - 基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法，是基于特定训练序列非视距环境下的同步方法，主要内容为发射端根据算法设计特定的导频结构，接收端使用导频作为参数的滤波器对接收信号进行滤波处理，然后使用传统的自相关处理，并与阈值进行比较。本发明通过导频频域的稀疏性对接收信号进行滤波，从而滤出非频点之外的噪声和干扰，大大提高了相关系数的平台，非常适用于非视距环境下，信噪比较低的情况。

Description

基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法

技术领域

本发明涉及一种非视距环境下的无线通信系统，具体涉及一种基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法。

背景技术

通常将无线通信系统的传播条件分成视距(LOS)和非视距(NLOS)两种环境。视距条件下，无线信号无遮挡地在发射端与接收端之间直线传播，目前的许多宽带无线接入技术只支持视距条件的通信。NLOS环境下，发送信号经过发射、散射和衍射，所以接收信号包括直达路径、多个发射路径、散射能量和衍射传播路径的分量，这些不同路径的信号将具有不同的延时扩散、衰减和极化的特性。

NLOS环境引起信号的大幅度衰减、周期性的衰落、多径传输造成的散射，使得实现非视距传输面临着巨大的挑战。然而在实际应用中，NLOS是一种普遍存在的传输环境，例如：对于大范围的蜂窝布设，频率复用非常关键，降低天线高度有助于减小临近站点间的相互干扰，由于LOS系统不能减小天线高度，否则将影响终端和基站的直达视线，所以必须采用NLOS通信技术。因而解决非视距传输是推广无线宽带接入的一个重要前提。而NLOS环境下接收到的信号信噪比一般较低，要想在此环境下正确接收信号，帧到达检测变的尤为重要。

传统帧到达检测方法：延迟自相关法、本地互相关法。延迟自相关算法要求设计前后重复的两段训练序列，在接收端对数据延迟后作自相关，而本地互相关算法利用本地训练序列与接收数据作互相关，两类算法均通过相关值与阈值比较进行帧到达检测。但是本地互相关在多径时延扩展大的场景中不适用；延迟自相关方法在低信噪比时在虚警概率和漏警概率性能上很难取得比较好的折衷。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，使得低信噪比下有较好的帧到达检测能力，降低系统的漏警概率，提出一种基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法。

为达到上述目的，本发明包括以下步骤：

第一步，发射端发射预先设计好的多段重复训练序列；

第二步，接收端对接收到的多段重复训练序列进行匹配滤波处理，其中使用的匹配滤波器的系数为预先设计好的训练序列中的一段；

第三步，对匹配滤波后的信号进行传统延迟自相关帧到达检测算法；

所述第一步具体方法如下：

发射端发射预先设计好的多段重复训练序列，训练序列由两部分组成。开始为一段CP，第二部分为三段相同的短导频序列，且每一段短导频都是由相同的序列重复多次组成，使得训练序列的频域表现出稀疏性。

所述第二步具体步骤如下：

接收端对接收到的多段重复训练序列进行匹配滤波处理，使用的匹配滤波器参数为预先设计好的训练序列的第二部分中的任意一段短导频序列，滤波器参数频域满足稀疏性，更有效的滤出了非频点以外的噪声和干扰，有利于提高信号的信干噪比。

所述第三步具体步骤如下：

经过匹配滤波处理后的数据，使用传统的延迟自相关算法进行帧到达检测，即使用与短导频长度相同的窗进行延迟自相关，并将定时度量函数与阈值进行比较。当前后两端信号相同时，定时度量函数达到最大。由于匹配滤波的处理，使得信号变好，延迟自相关的相关值更大，更易达到所设定的阈值。假设导频长度为N，其中前后两部分由相同元素组成。并假设经过匹配滤波后的信号为r(d)，则：

延迟自相关值为

前半段能量为

后半段能量为

定时度量函数为

其中r^*表示信号r的共轭。r(d+k)表示前半长度的导频，r(d+k+N/2)表示后半长度的导频。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在进行传统延迟自相关同步算法之前，使用重复导频作为参数设计的滤波器，对接收的信号进行了匹配滤波，充分利用了多重复块导频频域的稀疏性，大大滤除接收信号非频点之外的噪声和干扰。该处理极大的提高了之后传统延迟自相关模块的相关值平台，使得在较低的信噪比下相关值也能达到阈值，有助于阈值的选取，适用于非视距环境下接收信号信噪比较低的条件。通过对接收信号的梳妆滤波处理，提高检测到帧到达的能力，降低接收的漏警概率。

附图说明

图1为本发明中特定导频结构图；

图2为本发明中系统框图；

图3为本发明自相关平台与传统自相关方法的比较图；

图4为本发明与传统方法性能的比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明主要考虑在非视距环境，且低信噪比的条件下的帧到达检测问题。采用基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法。实施方法包括以下步骤：

步骤一，发射端发射预先设计好的训练序列的导频，导频由两部分组成。开始为一段CP，第二部分为三段相同的短导频序列，且每一段短导频都是由相同的序列重复多次组成；

步骤二，接收端对接收到的特定训练序列进行匹配滤波处理，使用的匹配滤波器参数为预先设计好的训练序列的第二部分中的任意一段短导频序列，滤波器参数频域满足稀疏性，更有效的滤出了非频点以外的噪声和干扰；

步骤三，经过匹配滤波处理后的数据，使用传统的延迟自相关算法进行帧到达检测，即使用与短导频长度相同的窗进行延迟自相关，并将定时度量函数与阈值进行比较。

图1为本发明中特定导频结构，由两部分组成，第一部分为一段CP，第二部分三段相同的短导频A，且每段短导频由重复的序列a组成，使得训练序列的频域表现出稀疏性。之所以使用三段短导频是因为在接收端进行匹配滤波时会破坏相关性，所以在添加一段短导频来抵消匹配滤波对信号相关性的影响，。

图2为本发明中系统框图，发射端发送特定结构的导频，接收端对接收信号首先进行以短导频为参数的匹配滤波处理，然后使用延迟自相关算法对滤波后的数据进行运算。当延迟自相关的值大于阈值则认为检测到信号帧的到达。

图3为本发明自相关值平台与传统自相关方法的比较。经过匹配滤波处理后的数据，使用传统的延迟自相关算法进行帧到达检测，即使用与短导频长度相同的窗进行延迟自相关，并将定时度量函数与阈值进行比较。当前后两端信号相同时，定时度量函数达到最大。假设导频长度为N，其中前后两部分由相同元素组成。并假设经过匹配滤波后的信号为r(d)，则：

延迟自相关值为

前半段能量为

后半段能量为

定时度量函数为

其中r^*表示信号r的共轭。r(d+k)表示前半长度的导频，r(d+k+N/2)表示后半长度的导频。

具体参数设置如下：信道长度L＝10，接收天线M＝4，导频A长度为64，重复序列a使用频域幅度相同的chu序列。左图为本发明和传统方法在信噪比为10dB下的自相关曲线，右图为本发明和传统方法在信噪比为-5dB下的自相关曲线。可以明显看出在高信噪比下两种方法的相关值都能较易地达到阈值，检测到帧的到达，但是低信噪比下本发明方法相对于传统延迟自相关平台有较大的抬高，此时更有利于阈值的选取，防止漏警率过高。原因是通过匹配滤波之后，滤出了非频点之外的噪声和干扰，使得在进行之后的延迟自相关操作时，相关性提高。

图4为本发明与传统方法性能的比较，在其他条件保持相同，如信道长度L＝10，接收天线M＝4，导频A长度为64，重复序列a使用频域幅度相同的chu序列，阈值的选取使得误警概率基本相同的条件下，漏警概率的性能。经过多次仿真最后确定传统方法的阈值为0.051，本发明的阈值为0.25时两种方法的误警概率基本达到相同。从图中可以看出在低信噪比下本发明方法优于传统方法。

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。

Claims (4)

1.一种基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，发射端发射预先设计好的训练序列；

第二步，接收端对接收到的特定训练序列进行匹配滤波处理，其中使用的匹配滤波器的系数为预先设计好的训练序列中的一段；

第三步，对匹配滤波后的信号进行传统延迟自相关帧到达检测算法。

2.根据权利要求1所述的基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法，其特征在于，所述第一步中，发射端发射的预先设计好的训练序列为三段相同的短导频，且每块短导频又是由更小的重复序列组成。

3.根据权利要求1或2所述的基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法，其特征在于，所述第二步操作具体为：

使用三段短导频中的一段导频为参数的滤波器，对接收到的数据进行匹配滤波处理。

4.根据权利要求1所述的基于匹配滤波辅助的延迟自相关帧到达检测方法，其特征在于，所述第三步操作具体为：

经过匹配滤波处理后的数据，使用传统的延迟自相关算法进行帧到达检测，即使用与短导频长度相同的窗进行延迟自相关，并将定时度量函数与阈值进行比较，当前后两端信号相同时，定时度量函数达到最大，假设导频长度为N，其中前后两部分由相同元素组成，并假设经过匹配滤波后的信号为r(d)，则：

延迟自相关值为

前半段能量为

后半段能量为

定时度量函数为

其中r^*表示信号r的共轭，r(d+k)表示前半长度的导频，r(d+k+N/2)表示后半长度的导频。