CN109412991B - 一种窄带物联网窄带主同步信号检测方法及其检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种窄带物联网窄带主同步信号检测方法及其检测系统。所述检测方法包括以下步骤：检测到窄带物联网无线帧到达；调整所述窄带物联网无线帧中的基带信号的幅值至预设值；对所述基带信号进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数；利用预估计的小数频偏值对所述窄带物联网检测函数进行修正；定位检测窗口内所述窄带物联网检测函数的最大值位置；对K个连续的检测窗口进行检测，并判断K次检测的最大值位置是否一致，是则判断窄带物联网信号被检测到。本发明能消除NB‑IoT信号中小数频偏对检测过程带来的干扰，实现高效检测。

Description

一种窄带物联网窄带主同步信号检测方法及其检测系统
技术领域
本发明涉及应用于物联网的无线通信领域，尤其涉及一种窄带物联网窄带主同步信号检测方法及其检测系统。
背景技术
窄带物联网(NB-IoT)作为一只专用的物联网通信协议，快速建立通信链路，节省整个系统功耗，是延长电池供电的物联网设备工作寿命的一个重要途径。其中窄带主同步信号(NPSS)检测是通信链路建立起始阶段的关键步骤，提出高效快速的NPSS检测方法对降低单次通信过程的功耗具有重要意义。
目前的NPSS信号检测方式主要是利用接收基带信号的自相关函数以及多种相关距离的相关对的累加和在NPSS出现的位置获得相关峰值，3GPP的提供的技术文档QualcommCorp.,“NB-PSS and NB-SSS design”.3GPP TGS RAN WG1NB-IoT Ad-Hoc Meeting,SophiaAntipolis,France,Tech.Rep.R1-161981,22-24Mar.2016.中采用了如上所述的方法，其中利用了多种相关距离的相关对构建检测函数，依次提高检测的准确率。
然而仅利用自相关函数，即时充分利用多种相关距离，还是需要可观的NB-IoT无线帧来达到预期的检测性能，因此急需提出一种新型NPSS检测方法，兼具高性能和高效率的特点。
发明内容
为了消除NB-IoT信号中小数频偏对检测过程带来的干扰，实现高效检测的目的，本发明提供一种窄带物联网窄带主同步信号检测方法及其检测系统
本发明采用以下技术方案实现，一种窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其包括以下步骤：
检测到窄带物联网无线帧到达；
调整所述窄带物联网无线帧中的基带信号的幅值至预设值；
对所述基带信号进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数；
利用预估计的小数频偏值对所述窄带物联网检测函数进行修正；
定位检测窗口内所述窄带物联网检测函数的最大值位置；
对K个连续的检测窗口进行检测，并判断K次检测的最大值位置是否一致，是则判断窄带物联网信号被检测到。
作为上述方案的进一步改进，利用自动增益控制调节所述基带信号的幅值至所述预设值。
优选地，通过接收信号功率变化判定所述窄带物联网无线帧到达；所述窄带物联网无线帧到达后，联合自动增益控制和可编程增益放大将所述基带信号的幅值调节至预设值，所述预设值为适合ADC输出范围的电压值。
作为上述方案的进一步改进，当所述窄带物联网无线帧未出现时，预估计的小数频偏值为一随机相位；当所述窄带物联网无线帧出现时，预估计的小数频偏值为小数频偏的最大似然估计值。
优选地，小数频偏预估计时，利用互相关累加获得若干相关距离的相关对之间的相位差值；利用反正切函数计算出预估计的小数频偏值。
作为上述方案的进一步改进，所述窄带物联网检测函数由一个分式构成，其中分母由一个差分因子构成；分子由一个自相关累加项构成。
优选地，修正时，利用预估计的小数频偏值对差分因子进行修正。
再优选地，当所述窄带物联网无线帧未出现时，预估计的小数频偏值为一随机相位。
作为上述方案的进一步改进，如果K次检测的最大值位置不一致，则对所述基带信号重新进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数。
本发明还提供一种窄带物联网窄带主同步信号检测系统，其应用上述任意窄带物联网窄带主同步信号检测方法，所述检测系统包括：
自动增益控制器，其通过接收信号功率变化判定所述窄带物联网无线帧到达；
可编程增益放大器，其和自动增益控制器联合将所述基带信号的幅值调节至预设值，所述预设值为适合ADC输出范围的电压值；
小数频偏预估计器，其用于对所述基带信号进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数；
修正器，其用于利用预估计的小数频偏值对所述窄带物联网检测函数进行修正；
检测器，其用于定位检测窗口内所述窄带物联网检测函数的最大值位置，其中，对K个连续的检测窗口进行检测，并判断K次检测的最大值位置是否一致，是则判断窄带物联网信号被检测到。
本发明具有可以高效的检检测出NB-IoT窄带主同步信号的特性，相比现有方法，有效地缩短了检测窗口的长度。NB-IoT作为一种支持蜂窝网络的广域物联网通信协议，位于其帧上的窄带主同步信号(NPSS)承担着帧定位、粗时间同步以及频率同步等功能。NB-IoT终端设备通常采用低精度时钟源来降低成本，同时增加了NPSS检测的时长。本发明消除NPSS检测函数中频率偏移带来的干扰，进而提高NPSS检测的效率；该发明可以在低精度时钟源的NB-IoT终端设备中为NPSS检测性能带来可观提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的NB-IoT下行无线帧结构以及NPSS信号位置示意图；
图2为本发明实施例提供的NPSS信号的频域分布示意图；
图3为本发明实施例提供的一种高效的NB-IoT窄带主同步信号检测方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的NPSS检测成功的累计概率分布图；
图5为本发明实施例提供的小数频偏估计的归一化均方根误差示意图。
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，以下结合具体实施例，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。
本发明的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，主要包括以下步骤。
一、检测到窄带物联网无线帧到达。
二、调整所述窄带物联网无线帧中的基带信号的幅值至预设值。
在NB-IoT下行接收机检测到无线帧达到后，利用下行接收机端的自动增益控制器将基带信号幅度调节至预设值。NB-IoT下行接收机可包括自动增益控制器、可编程增益放大器、小数频偏预估计器、修正器、修正器等。
接收机内的自动增益控制器通过接收信号功率变化判定信号到达；信号到达后，自动增益控制器和可编程增益放大器联合将信号调节至适合ADC输出范围的电压值。
三、对所述基带信号进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数。
自动增益调节完成后，利用接收的基带信号进行小数频偏预估计；于此同时利用基带信号生产NPSS检测函数。同步信号被检测出前，利用小数频偏预估计器对来对小数频偏进行预估计，该估计值的特点包括：当同步信号未出现时，估计值为一随机相位；当同步信号出现时，估计值为小数频偏的最大似然估计值。
在本实施例中，互相关累加器用来获得若干相关距离的相关对之间的相位差值；利用反正切函数计算出估计的小数频偏值。NPSS检测函数由一个分式构成，其中分母由一个差分因子构成；分子由一个自相关累加项构成。
四、利用预估计的小数频偏值对所述窄带物联网检测函数进行修正。
NPSS检测函数的分母的差分因子的性能会随小数频偏的增大而变差，因此利用小数频偏预估计器获得的小数频偏估计值对差分因子进行修正，从而改善NPSS检测函数的性能。当同步信号未出现时，估计值为一随机相位。因此在同步信号未出现时，利用小数频偏估计值修正，相当于进行一个随机相位绕旋，不会对NPSS检测函数的性能带来影响。
五、定位检测窗口内所述窄带物联网检测函数的最大值位置。
六、对K个连续的检测窗口进行检测，并判断K次检测的最大值位置是否一致，是则判断窄带物联网信号被检测到。
本发明的窄带物联网窄带主同步信号检测方法可对应设置在一种窄带物联网窄带主同步信号检测系统中，所述检测系统对应的可包括：
自动增益控制器，其通过接收信号功率变化判定所述窄带物联网无线帧到达；
可编程增益放大器，其和自动增益控制器联合将所述基带信号的幅值调节至预设值，所述预设值为适合ADC输出范围的电压值；
小数频偏预估计器，其用于对所述基带信号进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数；
修正器，其用于利用预估计的小数频偏值对所述窄带物联网检测函数进行修正；
检测器，其用于定位检测窗口内所述窄带物联网检测函数的最大值位置，其中，对K个连续的检测窗口进行检测，并判断K次检测的最大值位置是否一致，是则判断窄带物联网信号被检测到。
接下去对本发明的方法步骤进行详细介绍，以论证本发明方法的可行性。
NB-IoT作为3GPP对LTE在物联网应用的补充标准，其通信带宽为200KHz，S100为下行无线帧结构，单个无线帧时长为10ms，每个无线帧由10个时长为1ms的子帧构成，其中主同步信号(NPSS)位于每个无线帧的第六个子帧S101上，具体如图1所示。
NPSS信号分布在#5子帧的11个OFDM符号上，在频域上占据11个子载波，因此每个无线帧上的NPSS信号由121个符号构成，其复指数表达如下：
Figure BDA0001821924380000061
上述11个符号分布在一个OFDM符号上，并将其复制在其余10个OFDM符号，对每个OFDM符号应用code cover，其中11个code cover如下：
c(0) c(1) c(2) c(3) c(4) c(5) c(6) c(7) c(8) c(9) c(10)
1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1
如图2中symbol number为3的OFDM符号上第k个子载波上的NPSS信号可以表达为c(0)·a(k)。
NB-IoT无线帧经过通信信道到达下行接收机的基带信号表达如下：
Figure BDA0001821924380000062
其中m是OFDM符号索引，p是无线帧rf的子帧序号，N是接收机使用的傅里叶逆变换点数，Ng是OFDM符号循环前缀采样点数，h(l)表示第l条频率选择性衰减信道的冲激响应，L是衰减信道的数目，εF为接收信号中的小数频偏，εI为接收信号中的整数频偏，ω(n)为接收信号中包含的噪声项。
在NB-IoT下行通信初始阶段，S301和S302实现对信号达到的检测以及对基带信号幅度的调整后，S304开始生成NPSS基本检测函数，其中基本检测函数λ(τ)具有如下表达形式：
Figure BDA0001821924380000063
理论上在检测到NPSS信号时，分子会出现峰值，分母会出现谷值，这样检测函数λ(τ)会产生一个峰值。定义分母为β(τ)，将其简化表达为如下形式：
Figure BDA0001821924380000071
理论上，当检测到NPSS时，A(v)与B(v)差值仅剩下噪声项，然而由于小数频偏的存在，B(v)相对于A(v)存在一个相位绕旋，这会导致NPSS出现时，β(τ)的凹陷程度被减弱甚至消失，因此在计算λ(τ)的同时，S303进行小数频偏预估计，具体实施方式如下：
Figure BDA0001821924380000072
而小数频偏
Figure BDA0001821924380000073
则通过以下方式获得：
Figure BDA0001821924380000074
其中：
Figure BDA0001821924380000075
在S305中对β(τ)进行小数频偏消除，实现对NPSS检测函数的修正，得到的新的β(τ)表达如下：
Figure BDA0001821924380000076
S306定位检测窗口内NPSS检测函数的峰值位置，S307对K个检测窗口所获得的NPSS信号位置进行比对，如果检测相对位置一致，则S308判定NPSS检测完成；如果不一致，则重复以上操作，直至NPSS信号被成功检测到。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
检测到窄带物联网无线帧到达；
调整所述窄带物联网无线帧中的基带信号的幅值至预设值；
对所述基带信号进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数；
利用预估计的小数频偏值对所述窄带物联网检测函数进行修正；
定位检测窗口内所述窄带物联网检测函数的最大值位置；
对K个连续的检测窗口进行检测，并判断K次检测的最大值位置是否一致，是则判断窄带物联网信号被检测到；如果K次检测的最大值位置不一致，则对所述基带信号重新进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数。
2.如权利要求1所述的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，利用自动增益控制调节所述基带信号的幅值至所述预设值。
3.如权利要求2所述的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，通过接收信号功率变化判定所述窄带物联网无线帧到达；所述窄带物联网无线帧到达后，联合自动增益控制和可编程增益放大将所述基带信号的幅值调节至预设值，所述预设值为适合ADC输出范围的电压值。
4.如权利要求1所述的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，当所述窄带物联网无线帧未出现时，预估计的小数频偏值为一随机相位；当所述窄带物联网无线帧出现时，预估计的小数频偏值为小数频偏的最大似然估计值。
5.如权利要求4所述的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，小数频偏预估计时，利用互相关累加获得若干相关距离的相关对之间的相位差值；利用反正切函数计算出预估计的小数频偏值。
6.如权利要求1所述的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，所述窄带物联网检测函数由一个分式构成，其中分母由一个差分因子构成；分子由一个自相关累加项构成。
7.如权利要求6所述的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，修正时，利用预估计的小数频偏值对差分因子进行修正。
8.如权利要求7所述的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，当所述窄带物联网无线帧未出现时，预估计的小数频偏值为一随机相位。
9.一种窄带物联网窄带主同步信号检测系统，其应用如权利要求1至8中任意一项所述的窄带物联网窄带主同步信号检测方法，其特征在于，其包括：
自动增益控制器，其通过接收信号功率变化判定所述窄带物联网无线帧到达；
可编程增益放大器，其和自动增益控制器联合将所述基带信号的幅值调节至预设值，所述预设值为适合ADC输出范围的电压值；
小数频偏预估计器，其用于对所述基带信号进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数；
修正器，其用于利用预估计的小数频偏值对所述窄带物联网检测函数进行修正；
检测器，其用于定位检测窗口内所述窄带物联网检测函数的最大值位置，其中，对K个连续的检测窗口进行检测，并判断K次检测的最大值位置是否一致，是则判断窄带物联网信号被检测到；如果K次检测的最大值位置不一致，则对所述基带信号重新进行小数频偏预估计，同时利用所述基带信号生产窄带物联网检测函数。
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