CN110545146B - 一种ism频段的带宽拼接方法 - Google Patents

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Abstract

一种ISM频段的带宽拼接方法，包括如下步骤：确定信道序列，并进行排序；初始化信道，发送端向接收端发送数据包；接收端在接收数据包的同时判断信道是否空闲，若空闲，数据包的信道状态信息保留，否则将信道状态信息存入缓冲区；发送端和接收端按照信道序列同时换到下一个信道，以此类推；遍历保留的信道状态信息的频率，查看是否出现频谱空缺，若出现，则寻找受干扰最小并跨越空缺频谱的信道的状态信息，并保留；用均值消除一部分数据包边界检测引起的测量时间误差；利用线性消除法消除误差；消除噪声；带宽拼接。本发明提供考虑多个方面的CSI误差消除并提供一种易实现的、成本低的带宽拼接，提高了带宽拼接结果的精度。

Description

一种ISM频段的带宽拼接方法
技术领域
本发明涉及网络通信领域，具体涉及一种ISM频段的带宽拼接方法。
背景技术
基于飞行时间的无线定位技术是目前的一个研究热点，无线信号的带宽越宽，时间分辨率越高，同时定位精度也越高。受到噪声等多方面环境的影响，收集的原始CSI存在很大的误差，消除这些误差是一个很大的挑战。DeepakVasisht等人提出Chronos系统，根据零子载波不经历数据包检测延迟的原理，平均子载波索引对称的子载波相位来消除相位误差，这个理论是基于CSI相位误差呈线性的情况下，但CSI相位还存在非线性误差。YaxiongXie等人提出的Splicer都利用数据包检测延迟服从零均值高斯分布的原理，通过平均一定数量的CSI来消除相位误差，但CSI的数量难以控制，数量小了误差消除的效果不好，数量大了计算延迟高。这些研究者是将可以利用的所有频道的信号拼接起来，但是没有考虑到当一个信道非常忙碌时，收集到的信号误差非常大，严重影响最终的带宽拼接的结果。因此需要避开这些忙碌的信道，以提高带宽拼接结果的精度。
发明内容
本发明提供一种ISM频段的带宽拼接方法，具体为一种考虑多个方面的CSI误差消除方法并提供一种易实现的、成本低的带宽拼接方法，将空闲频道的带宽拼接起来，模拟成一个带宽很宽的信号。
一种ISM频段的带宽拼接方法，包括如下步骤：
步骤1，确定信道序列，按照信道本身的序号从小到大排序；
步骤2，初始化信道，发送端和接收端同时置于同一初始信道，发送端向接收端发送预设的数据包数量；
步骤3，接收端在接收数据包的同时判断信道是否空闲，若空闲，数据包的信道状态信息保留，否则将信道状态信息存入缓冲区；
步骤4，发送端和接收端按照信道序列同时换到下一个信道，以此类推；
步骤5，遍历保留的信道状态信息的频率，查看是否出现频谱空缺，若出现，则从缓冲区里寻找受干扰最小并跨越空缺频谱的信道的状态信息，并保留；
步骤6，将每个信道的状态信息的相位信息求均值，用均值可以消除一部分数据包边界检测引起的测量时间误差τb，将均值处理后的τb记为
Figure BDA0002199558110000021
步骤7，利用线性消除法，消除经过步骤6均值处理后的
Figure BDA0002199558110000022
采样频率偏移引起的测量时间误差τ0和中心频率偏移β；
步骤8，消除噪声；
步骤9，带宽拼接，将相邻信道的状态信息按一定比例平滑，拼接在一起。
进一步地，所述发送端，用于发送原始数据包，其包括信道修改模块，用于修改发送数据包的信道；数据包发送模块，向接收端发送数据包。
进一步地，所述接收端，用于接收数据包并从接收的信号中提取信道状态信息，然后将各个频道的信道状态信息进行相位误差消除，最后将每个信道的状态信息的相位拼接起来，其包括信道修改模块，用于修改接收数据包的信道；信道状态信息提取模块，用于提取收到数据包的信道状态信息；载波检测模块，接收端将接收到的信号与本机的伪随机码进行运算比较，如果其值超过某一阈值时，表示有用户在占用信道，否则认为信道空闲；数据包处理模块，将收集的信道状态信息进行误差消除，带宽拼接。
进一步地，所述数据包处理模块的具体处理过程：每一个信道状态信息数据包可以提取出的相位信息由n*1的矩阵表示，n表示子载波数量，矩阵的值表示每个子载波的相位，第i个子载波的测量相位表示为
Figure BDA0002199558110000031
可以由θi，τb，τ0，β，Z线性表示，θi表示第i个子载波的真实相位，τb表示数据包边界检测引起的测量时间误差，τ0表示采样频率偏移引起的测量时间误差，β是由中心频率偏移引起的相位误差，Z是测量噪声，要实现带宽拼接需要消除这些误差。
进一步地，所述步骤6中消除τb，具体的，τb是一个服从零均值高斯分布的值，根据大数定律，当样本数量足够大，将样本取均值就能够消除τb；根据实际的计算时间需求，收集有限数量的信道状态信息取均值，在一定程度上提高了信道状态信息的准确度；因为并未被完全消除，所以均值处理后的相位可以表示为
Figure BDA0002199558110000032
均值处理后的为
Figure BDA0002199558110000033
进一步地，所述步骤8中，消除噪声Z，具体地，在拼接过程中，Z可以近似看成一个常数；不同信道的状态信息有许多重叠的子载波，在消除Z之后，这些重叠的子载波的相位应该是相同的；基于此，设去除Z之后的每个子载波的相位为
Figure BDA0002199558110000041
那么第m信道的第k个子载波的相位可以表示为
Figure BDA0002199558110000042
第m信道的CSI可以表示为
Figure BDA0002199558110000043
记m信道和g信道的相似度为
Figure BDA0002199558110000044
假设∈为Z可能的取值，一般为[-0.1,0.1]；相识度ρ(m,n)随着∈取值变化而变化，对于每一个有重叠子载波的CSI对
Figure BDA0002199558110000045
记录前两个局部最大相似度值和相应的∈：
Figure BDA0002199558110000046
和
Figure BDA0002199558110000047
聚类并找出最大相似度的聚类，将聚类中心作为最终值返回，这个最终值就是Z。
本发明的有益效果为：提供一种考虑多个方面的CSI误差消除方法并提供一种易实现的、成本低的带宽拼接方法，将空闲频道的带宽拼接起来，模拟成一个带宽很宽的信号，提高了带宽拼接结果的精度。CSI收集方面，本发明收集空闲信道的CSI，避开了忙碌信道的CSI，减小了CSI的测量误差；CSI的相位校准方面，本发明综合考虑了有限数量的CSI不能完全消除PBD和CSI包含非线性误差这两个缺点，对求均值后的CSI进行了校准，有效地消除了CSI的相位误差。
附图说明
图1为本发明所述带宽拼接方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种ISM频段的带宽拼接方法，包括如下步骤：
步骤1，确定信道序列，按照信道本身的序号从小到大排序。
步骤2，初始化信道，发送端和接收端同时置于同一初始信道，发送端向接收端发送预设的数据包数量。
步骤3，接收端在接收数据包的同时判断信道是否空闲，若空闲，数据包的信道状态信息保留，否则将信道状态信息存入缓冲区。
步骤4，发送端和接收端按照信道序列同时换到下一个信道，以此类推。
步骤5，遍历保留的信道状态信息的频率，查看是否出现频谱空缺，若出现，则从缓冲区里寻找受干扰最小并跨越空缺频谱的信道的状态信息，并保留。
步骤6，将每个信道的状态信息的相位信息求均值，用均值可以消除一部分数据包边界检测引起的测量时间误差τb，将均值处理后的τb记为
Figure BDA0002199558110000051
步骤7，利用线性消除法，消除经过步骤6均值处理后的
Figure BDA0002199558110000052
采样频率偏移引起的测量时间误差τ0和中心频率偏移β。
步骤8，消除噪声。
步骤9，带宽拼接，将相邻信道的状态信息按一定比例平滑，拼接在一起。
所述发送端，用于发送原始数据包，其包括信道修改模块，用于修改发送数据包的信道；数据包发送模块，向接收端发送数据包。
所述接收端，用于接收数据包并从接收的信号中提取信道状态信息，然后将各个频道的信道状态信息进行相位误差消除，最后将每个信道的状态信息的相位拼接起来，其包括信道修改模块，用于修改接收数据包的信道；信道状态信息提取模块，用于提取收到数据包的信道状态信息；载波检测模块，接收端将接收到的信号与本机的伪随机码进行运算比较，如果其值超过某一阈值时，表示有用户在占用信道，否则认为信道空闲；数据包处理模块，将收集的信道状态信息进行误差消除，带宽拼接。
所述数据包处理模块的具体处理过程：每一个信道状态信息数据包可以提取出的相位信息由n*1的矩阵表示，n表示子载波数量，矩阵的值表示每个子载波的相位，第i个子载波的测量相位表示为
Figure BDA0002199558110000061
Figure BDA0002199558110000062
可以由θi，τb，τ0，β，Z线性表示，θi表示第i个子载波的真实相位，τb表示数据包边界检测引起的测量时间误差，τ0表示采样频率偏移引起的测量时间误差，β是由中心频率偏移引起的相位误差，Z是测量噪声，要实现带宽拼接需要消除这些误差。
所述步骤6中消除τb，具体的，τb是一个服从零均值高斯分布的值，根据大数定律，当样本数量足够大，将样本取均值就能够消除τb；根据实际的计算时间需求，收集有限数量的信道状态信息取均值，在一定程度上提高了信道状态信息的准确度；因为并未被完全消除，所以均值处理后的相位可以表示为
Figure BDA0002199558110000063
均值处理后的为
Figure BDA0002199558110000064
所述步骤8中，消除噪声Z，具体地，在拼接过程中，Z可以近似看成一个常数；不同信道的状态信息有许多重叠的子载波，在消除Z之后，这些重叠的子载波的相位应该是相同的；基于此，设去除Z之后的每个子载波的相位为
Figure BDA0002199558110000065
那么第m信道的第k个子载波的相位可以表示为
Figure BDA0002199558110000066
第m信道的CSI可以表示为
Figure BDA0002199558110000067
记m信道和g信道的相似度为
Figure BDA0002199558110000071
假设∈为Z可能的取值，一般为[-0.1,0.1]；相识度ρ(m,n)随着∈取值变化而变化，对于每一个有重叠子载波的CSI对
Figure BDA0002199558110000072
记录前两个局部最大相似度值和相应的∈：
Figure BDA0002199558110000073
和
Figure BDA0002199558110000074
聚类并找出最大相似度的聚类，将聚类中心作为最终值返回，这个最终值就是Z。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种ISM频段的带宽拼接方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，确定信道序列，按照信道本身的序号从小到大排序；
步骤2，初始化信道，发送端和接收端同时置于同一初始信道，发送端向接收端发送预设的数据包数量；
步骤3，接收端在接收数据包的同时判断信道是否空闲，若空闲，数据包的信道状态信息保留，否则将信道状态信息存入缓冲区；
步骤4，发送端和接收端按照信道序列同时换到下一个信道，以此类推；
步骤5，遍历保留的信道状态信息的频率，查看是否出现频谱空缺，若出现，则从缓冲区里寻找受干扰最小并跨越空缺频谱的信道的状态信息，并保留；
步骤6，将每个信道的状态信息的相位信息求均值，用均值消除一部分数据包边界检测引起的测量时间误差τb，将均值处理后的τb记为
Figure FDA0003252358730000011
步骤7，利用线性消除法，消除经过步骤6均值处理后的
Figure FDA0003252358730000012
采样频率偏移引起的测量时间误差τ0和中心频率偏移β；
步骤8，消除噪声；
所述步骤8中，消除噪声Z，具体地，在拼接过程中，Z近似看成一个常数；不同信道的状态信息有许多重叠的子载波，在消除Z之后，这些重叠的子载波的相位应该是相同的；基于此，设去除Z之后的每个子载波的相位为
Figure FDA0003252358730000013
那么第m信道的第k个子载波的相位表示为
Figure FDA0003252358730000014
第m信道的CSI表示为
Figure FDA0003252358730000015
记m信道和g信道的相似度为
Figure FDA0003252358730000021
假设∈为Z的取值，为[-0.1,0.1]；相似度为ρ(m,g)随着∈取值变化而变化，对于每一个有重叠子载波的CSI对
Figure FDA0003252358730000022
记录前两个局部最大相似度值和相应的∈：
Figure FDA0003252358730000023
和
Figure FDA0003252358730000024
聚类并找出最大相似度的聚类，将聚类中心作为最终值返回，这个最终值就是Z；
步骤9，带宽拼接，将相邻信道的状态信息按一定比例平滑，拼接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种ISM频段的带宽拼接方法，其特征在于：所述发送端，用于发送原始数据包，其包括信道修改模块，用于修改发送数据包的信道；数据包发送模块，向接收端发送数据包。
3.根据权利要求1所述的一种ISM频段的带宽拼接方法，其特征在于：所述接收端，用于接收数据包并从接收的信号中提取信道状态信息，然后将各个频道的信道状态信息进行相位误差消除，最后将每个信道的状态信息的相位拼接起来，其包括信道修改模块，用于修改接收数据包的信道；信道状态信息提取模块，用于提取收到数据包的信道状态信息；载波检测模块，接收端将接收到的信号与本机的伪随机码进行运算比较，如果其值超过某一阈值时，表示有用户在占用信道，否则认为信道空闲；数据包处理模块，将收集的信道状态信息进行误差消除，带宽拼接。
4.根据权利要求1所述的一种ISM频段的带宽拼接方法，其特征在于：所述数据包处理模块的具体处理过程：每一个信道状态信息数据包提取出的相位信息由n*1的矩阵表示，n表示子载波数量，矩阵的值表示每个子载波的相位，第i个子载波的测量相位表示为
Figure FDA0003252358730000031
Figure FDA0003252358730000032
由θi，τb，τ0，β，Z线性表示，θi表示第i个子载波的真实相位，τb表示数据包边界检测引起的测量时间误差，τ0表示采样频率偏移引起的测量时间误差，β是由中心频率偏移引起的相位误差，Z是测量噪声，要实现带宽拼接需要消除这些误差。
5.根据权利要求1所述的一种ISM频段的带宽拼接方法，其特征在于：所述步骤6中消除τb，具体的，τb是一个服从零均值高斯分布的值，根据大数定律，当样本数量足够大，将样本取均值就能够消除τb；根据实际的计算时间需求，收集有限数量的信道状态信息取均值，在一定程度上提高了信道状态信息的准确度；因为并未被完全消除，所以均值处理后的相位表示为
Figure FDA0003252358730000033
均值处理后的为
Figure FDA0003252358730000034
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