CN108768911A - 适用于物联网环境下设备随机存取时的导频及获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于互联网通信技术领域，公开了一种适用于物联网环境下设备随机存取时的设计导频方法，首先在物联网环境中的设备在进行随机存取的过程中信号存在稀疏性；然后可以利用已知的Sidelnikov序列来设计导频，接着根据想得到符合要求的导频需要设计的出来的不同导频之间按元素乘积的反傅里叶变换尽可能的低和设计出的可用导频尽可能多的标准，把Sidelnikov序列加上不同的倍乘和移位，从而设计出可使用的导频。本发明在物联网环境下，多址接入时有良好的性能。

Description

适用于物联网环境下设备随机存取时的导频及获取方法
技术领域
本发明属于互联网通信技术领域，尤其涉及一种适用于物联网环境下设备随机存取时的导频设计方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：近年来，物联网在人们的生活中越来越重要，但在进行多址接入时会有网络超载的现象，为了解决问题，人们设计了一系列的导频，但如何设计更多的可用的导频已成为研究的热点。为了设计导频，有人用压缩感知理论和信号稀疏性这一特征相结合提出了可以用随机的生成的序列来进行研究。L.Applebaum等人用广义的Gold-like序列的确定性序列设计导频。(L.Applebaum,W.U.Bajwa,M.F.Duarte,and R.Calderbank,“Asynchronous code-division random access usingconvex optimization,”Physical Communications,vol.5,pp.129-147,2012.)但是设计出的导频数量还是不够用，性能也不够好。Nam Yul Yu等人提出了利用测量矩阵的相干性来设计导频的一系列的准则，并用Zadoff-Chu序列和Power residue序列设计出了可用导频，性能比以往提高了一些，但是数量上还是存在缺陷。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术中，设计出的导频可能不够多，数量上存在缺陷。
(2)已经设计出的导频性能不够好，存在问题，比如在进行基于压缩感知的联合活跃度检测和信道估计时性能差。
解决上述技术问题的难度和意义：难点在于选取哪种已经确定的序列用来设计导频，及选定序列后如何构造出新的导频，最后是如何证明新设计出来的导频是可用的并符合设计标准的。意义在于本发明可以设计出更多的导频，使得设备在进行多址接入的时候能减少或避免网络拥挤，并且在进行基于压缩感知的联合活跃度检测和信道估计时有良好的性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于物联网环境下设备随机存取时的导频设计方法。
本发明是这样实现的，一种适用于物联网环境下设备随机存取时的导频的设计方法包括：
首先在物联网环境中的设备在进行随机存取的过程中信号存在稀疏性；
然后利用已知的Sidelnikov序列来设计导频；
接着把Sidelnikov序列加上不同的倍乘和移位，最后验证此方法设计出来的导频是否符合导频的设计标准，即一对不同导频之间按元素乘积的反傅里叶变换的值要尽可能的低。
具体包括：
步骤一：对已确定的长度为N的Sidelnikov序列加上u1的倍乘。
步骤二，再对完成步骤一后的序列添加u1的倍乘。
步骤三，计算一对根据前两步得到的不同导频cu和cv按元素乘积的反傅里叶变换。其中，不同导频按元素的乘积为，
其中， 并且X的取值范围可以表示为χ表示为上阶为M的乘法特征然后其反傅里叶变换为:
先计算可得：
其中，把得到的结果带入公式可得：
而在和上不相同的根都是有3个，最后根据有限域上的加法特征和乘法特征，即：
而s和e分别是g(x)在和不同根的数目。
可得：
本发明目的在于设计适用于物联网环境下设备随机存取时的多个导频。比如cu＝(cu(0),cu(1),…,cu(N-1))T是一个已调的有u1的倍乘和u1的倍乘的长度为N的Sidelnikov序列，其中u＝N(u1-1)+u2即u＝0,1,…,(M-1)N-1，代入不同的u1和u1可得到不同的u，每个u又可以代表一个导频。
本发明还提供了一种利用上述的适用于物联网环境下设备随机存取时的导频设计方法的设备随机存取时系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明在不同的信噪比下，所设计的导频的活性检测的成功率比较高，如图2的仿真结果：在信噪比(SNR)为-16至-8dB之间基于Sidelnikov序列设计的导频和基于ZC序列设计的导频等相比成功率基本相同或者略高一点，在-8至24dB之间可以看出来基于Sidelnikov序列设计出来的导频明显比其它导频的成功率要高的多，在10dB以后成功率基本在0.9以上，因此，本发明所设计的导频是可用的。
本发明先对已确定的长度为N的Sidelnikov序列加上u1的倍乘，再对完成步骤一后的序列添加u2的移位。最后通过有限域上的加法特征和乘法特征可以得出这样设计的不同导频之间按元素乘积的反傅里叶变换的值会比较低，符合已知的设计导频的标准。本发明设计出了更多的可用导频。比如cu＝(cu(0),cu(1),…,cu(N-1))T是一个已调的有u1的倍乘和u1的倍乘的长度为N的Sidelnikov序列，其中u＝N(u1-1)+u2即u＝0,1,…,(M-1)N-1，代入不同的u1和u1可得到不同的u，每个u又可以代表一个导频，N越大设计出的导频也就越多。
在基于压缩感知的联合活动检测和信道估计时比随机二进制导频等有良好的性能，特别是使用本发明所设计出的导频的活性检测的成功率比较高，而且，信道估计的归一化均方误差比较小。
附图说明
图1是本发明实施例提供的适用于物联网环境下设备随机存取时的导频设计方法流程图。
图2是本发明实施例提供的不同的信噪比下，所设计的导频的活性检测的成功率图；
图中：导频长度N为139，活跃的设备为20，导频池为250。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，设计出的导频数量不够用，性能也不够好；数量上存在缺陷。
如图1所示，本发明为一种适用于物联网环境下设备随机存取时的导频获取方法，包括以下步骤：
S101：先对已确定的长度为N的Sidelnikov序列加上u1的倍乘；
S102：再对完成步骤一后的序列添加u2的移位。
S103：最后通过有限域上的加法特征和乘法特征可以得出这样设计的不同导频之间按元素乘积的反傅里叶变换的值会比较低，符合已知的设计导频的标准。这样就可以设计出更多的可用导频。
要求不同导频按元素乘积的反傅里叶变换尽可能的低的原理为：
接收信号为
其中，为F包含前τ+1列的子矩阵，F为N点离散傅里叶变换矩阵，diag(cl)代表了对角线上元素为cl的对角线矩阵，n是加性高斯白噪声。然后，
其中，Cl＝diag(cl)，为至少有非零元素的信道系数向量。可以得出其测量矩阵为：
由压缩感知理论可以得知测量矩阵的相干性为：μ(Φ)＝max|ΦHΦ-I|H代表共轭转置，如果可以保证得到一个唯一的复原，这就要求μ(Φ)要尽可能的小。
然后找出导频序列和测量矩阵的相干性之间的关系就可以的出设计导频所要求的准则：
设cu,v为一对不同导频和cv按元素的乘积，即：
然后其反傅里叶变换为
其中
设最大时延为τ，令其中
根据计算可以得出即要保证恢复的唯一性则需要不同导频按元素乘积的反傅里叶变换要尽可能的小。
图2表明在不同的信噪比下，所设计的导频的活性检测的成功率比较高，因此，本发明所设计的导频是可用的。
下面结合仿真实验对本发明的应用效果作进一步描述。
在信噪比(SNR)为-16至-8dB之间基于Sidelnikov序列设计的导频和基于ZC序列设计的导频等相比成功率基本相同或者略高一点，在-8至24dB之间可以看出来基于Sidelnikov序列设计出来的导频明显比其它导频的成功率要高的多，而在10dB以后成功率基本都在0.9以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种适用于物联网环境下设备随机存取时的导频的设计方法，其特征在于，所述适用于物联网环境下设备随机存取时的导频的设计方法包括：
首先在物联网环境中的设备在进行随机存取的过程中信号存在稀疏性；
然后利用已知的Sidelnikov序列来设计导频；
接着把Sidelnikov序列加上不同的倍乘和移位，最后验证此方法设计出来的导频是否符合导频的设计标准。
2.如权利要求1所述的适用于物联网环境下设备随机存取时的导频设计方法，其特征在于，所述适用于物联网环境下设备随机存取时的导频设计方法具体包括以下的步骤：
步骤一，对已确定的长度为N的Sidelnikov序列加上u1的倍乘；
步骤二，对完成步骤一后的序列添加u2的移位；
步骤三，计算根据步骤一和步骤二得到的不同导频cu和cv按元素乘积的反傅里叶变换；其中，不同导频按cu和cv元素的乘积为：
其中，cu,v是和cv按元素的乘积，cu＝(cu(0),cu(1),…,cu(N-1))T是一个已调的长为N的有u1的倍乘和u2的移位Sidelnikov序列；
然后反傅里叶变换为：
其中FH为N点的傅里叶变换矩阵的共轭转置。
3.如权利要求2所述的适用于物联网环境下设备随机存取时的导频设计方法，其特征在于，利用有限域中的加法特征和乘法特征来计算步骤三中所述的反傅里叶变换；
设χ和ψ分别为乘法特征和加法特征，则：
s和e分别是g(x)在和不同根的数目，然后：
4.一种如权利要求2所述适用于物联网环境下设备随机存取时的多个导频，其特征在于，所述导频为：cu＝(cu(0),cu(1),…,cu(N-1))T是一个已调的有u1的倍乘和u1的倍乘的长度为N的Sidelnikov序列，其中t＝0,1,…,N-1，u＝N(u1-1)+u2，u＝0,1,…,(M-1)N-1，代入不同的u1和u1可得到不同的u，每个u又可以代表一个导频。
5.一种利用如权利要求1所述的适用于物联网环境下设备随机存取时的导频设计方法的设备随机存取时系统。
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