CN111181885B - 超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法与接收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法与接收方法。所述发送方法包括：生成一段长度为N的时域前导基序列A；生成一段长度为L的时域前导基符号D；以D为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号P；在所述前导符号P之后级联数据符号，形成发送信号基带帧B；将所述基带帧B经过采样滤波器，得到滤波后的基带帧信号S，以限制基带信号带宽；将所述基带帧信号S通过上变频，形成射频信号，并向外发送。相比于现有技术，本发明在极低信噪比下具有良好的互相关特性，计算复杂度也大大降低，从而节约了芯片处理资源，提升了信息运算速度。

Description

超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法与接收方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别是超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法与接收方法。
背景技术
随着航空领域的快速发展，超音速(约等于1马赫)的载人和无人飞行器势必会在未来被广泛应用。超高速移动下的飞行器与飞行器、飞行器与地面之间的移动通信就具有重要的研究意义。现有技术文献(C.Yeh et al.，″Theory and Technology for StandardWiMAX Over Fiber in High Speed Train Systems,″in Journal of LightwaveTechnology，vol.28，no.16，pp.2327-2336，Aug.15，2010.)将支持2马赫以上移动速度的无线通信称为超高速移动通信。在超高速通信中，飞行器与飞行器之间的通信距离一般较远，通信跨域范围较广，同时飞行器会在偏远山区、丛林和海面等环境中飞行，通信环境较为复杂，具有背景噪声强、存在各种强电磁干扰和信号接收信噪比低等特点，从而要求通信系统能够在极低信噪比或存在各种不明干扰的复杂电磁环境下保持链路的可靠性。
OFDM技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是多载波调制的一种，由于高频谱利用率和强抗衰落能力的优势，逐渐取代传统的CDMA(CodeDivision Multiple Access，码分多址)等单载波技术，成为宽带通信系统的主流技术。与CDMA等欠采样(即基带信号采样频率低于信号占用带宽)的单载波系统相比，OFDM系统的基带信号采样频率大于信号占用带宽。
由于OFDM系统的性能依赖于子载波之间的正交性，其对频率偏差较为敏感，当收发两端的定时偏差超过CP(Cyclic Prefix，循环前缀)长度时，会造成ISI(Inter SymbolInterference，符号间干扰)进而导致ICI(Inter Channel Interference，子载波间干扰)。同时，由于航空信道的恶劣性，通信系统通常暴露在复杂的电磁环境下，容易受到各种不明电磁波的干扰。因此，在超高速通信中，研究能够在极低信噪比(≤-10dB)下工作的同步技术就具有重要意义。
按照是否使用辅助数据，同步算法通常被分为数据辅助算法和非数据辅助算法。非数据辅助算法不需要在帧内插入额外的数据，具有频谱利用率高和传输效率高的优点，但一般同步的精度会较低；数据辅助算法需要在发送符号中添加额外的训练序列，在接收端通过对训练序列进行时域或频域的相关操作完成系统的定时和频率同步，通常包括基于前导符号的同步算法和基于导频符号的同步算法，该类算法虽然占用了多余的频谱带宽，但同步精度高，实现简单。
在基于前导符号的同步算法中，较为经典的是Moose算法(P.H.Moose，″Atechnique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offsetcorrection,″in IEEE Transactions on Communications，vol.42，no.10，pp.2908-2914，Oct.1994.)和Schmidl&Cox算法(T.M.Schmidl and D.C.Cox，″Robust frequency andtiming synchronization for OFDM,″in IEEE Transactions on Communications，vol.45，no.12，pp.1613-1621，Dec.1997.)，其中，前者是采用两个完全相同的已知OFDM符号作为前导符号，在两个符号之间不添加循环前缀，在接收端对前导符号做自相关运算实现频偏估计，由于相关运算在频域完成，所以具有一定的延时性；后者在此基础上修改了前导符号的设计，仍然采用两个已知序列的OFDM符号做为前导，每个符号的头部都添加CP，第一个符号的前后两部分完全相同，通过在时域做自相关完成定时同步和小数倍频偏估计，再利用第二个符号做整数倍频偏估计，以此来进行符号定时和频偏联合估计，但由于CP的存在，该算法的自相关度量函数在峰值附近存在平台效应，会造成定时模糊。之后的算法主要在二者的基础上进行改进，但是大部分同步算法的工作信噪比门限较高，在-10dB信噪比以下不能正常工作。
同时，在基于训练序列的同步算法中，定时估计和频偏估计的性能受序列长度的影响，训练序列越长，算法的性能越好。但是，随着符号长度的增加，在相关计算时的复杂度将会成倍增加，需要消耗大量的硬件资源，无法完成极低信噪比下的快速同步。文献《极低信噪比下的信号同步捕获技术研究》(刘庆刚，邹胜福，胡飞.《通信技术》，2016，49(12)：1614-1618.)中同步捕获方案的工作点虽然能够达到-25dB，但是其计算时仍然需要L2次的复数乘运算和N点FFT运算，复杂度较高。
综上，现有的技术无法在极低信噪比下以较低的复杂度完成同步检测。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法与接收方法，用于解决现有技术中的上述问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法，包括：生成一段长度为N的时域前导基序列A；生成一段长度为L的时域前导基符号D；以D为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号P；在所述前导符号P之后级联数据符号，形成发送信号基带帧B；将所述基带帧B经过采样滤波器，得到滤波后的基带帧信号S，以限制基带信号带宽；将所述基带帧信号S通过上变频，形成射频信号，并向外发送。
于本发明一实施例中，所述时域前导基序列A为二进制伪随机复序列，其包含的每个符号的实部和虚部均为极性符号-1或+1。
于本发明一实施例中，所述时域前导基符号D为所述时域前导基序列A中每个符号重复R倍后按原顺序排列获得，其中，R≥2。
于本发明一实施例中，所述前导符号P为所述时域前导基符号D重复K倍后级联扩展获得，其中，K≥1。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超高速移动宽带通信中前导信号的接收方法，包括：接收射频信号，并将其下变频到基带信号；将所述基带信号经过A/D采样，形成离散基带信号Y；对从所述离散基带信号Y中截取的离散基带信号序列y(n)进行滑动互相关操作；对滑动互相关输出序列C(n)进行能量峰值检测操作，以将采样值范围内大于预设阈值的相关值判定为相关峰值C(n′)；基于所述相关峰值C(n′)的采样值序号n′，确定发送端前导符号P在所述离散基带信号序列y(n)中对应的时间位置。
于本发明一实施例中，所述对离散基带信号序列y(n)进行滑动互相关操作的步骤包括：从所述发送端前导符号P中截取长度为M的全部或部分序列，生成本地序列PL；从所述离散基带信号Y中截取长度为M的离散基带信号序列y(n)；将所述本地序列PL的每个元素pl(n)与y(n)做共轭相乘之后累加，并进行能量归一化，以获得所述滑动互相关输出序列C(n)。
于本发明一实施例中，所述将采样值范围内大于预设阈值的相关值判定为相关峰值的步骤还包括：当检测到多个大于所述预设阈值的相关值时，将最后检测得到的相关值判定为所述相关峰值C(n′)。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超高速移动宽带通信中前导信号的发送系统，包括：时域前导基序列生成模块，用于生成一段长度为N的时域前导基序列A；时域前导基符号生成模块，用于生成一段长度为L的时域前导基符号D；前导基符号级联扩展模块，用于以D为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号P；基带帧成帧模块，用于在所述前导符号P之后级联数据符号，形成发送信号基带帧B；脉冲成形滤波模块，用于将所述基带帧B经过采样滤波器，得到滤波后的基带帧信号S，以限制基带信号带宽；射频信号发送模块，用于将所述基带帧信号S通过上变频，形成射频信号，并向外发送。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超高速移动宽带通信中前导信号的接收系统，包括：射频信号接收模块，用于接收射频信号，并将其下变频到基带信号；将所述基带信号经过A/D采样，形成离散基带信号Y；滑动互相关模块，用于对从所述离散基带信号Y中截取的离散基带信号序列y(n)进行滑动互相关操作；峰值检测模块，用于对滑动互相关输出序列C(n)进行能量峰值检测操作，以将采样值范围内大于预设阈值的相关值判定为相关峰值C(n′)；定时估计模块，用于基于所述相关峰值C(n′)的采样值序号n′，确定发送端前导符号P在所述离散基带信号序列y(n)中对应的时间位置。
于本发明一实施例中，所述系统还包括：本地序列生成模块，用于从所述发送端前导符号P中截取长度为M的全部或部分序列，生成本地序列PL；所述滑动互相关模块还用于：从所述离散基带信号Y中截取长度为M的离散基带信号序列y(n)；将所述本地序列PL的每个元素pl(n)与y(n)做共轭相乘之后累加，并进行能量归一化，以获得所述滑动互相关输出序列C(n)。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载执行时，实现所述超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载执行时，实现所述超高速移动宽带通信中前导信号的接收方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超高速移动宽带通信中前导信号的发送设备，包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述发送设备执行所述超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超高速移动宽带通信中前导信号的接收设备，包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述接收设备执行所述超高速移动宽带通信中前导信号的接收方法。
如上所述，本发明的超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法与接收方法，具有以下有益效果：相比于现有技术，本发明在极低信噪比下具有良好的互相关特性，计算复杂度也大大降低，从而节约了芯片处理资源，提升了信息运算速度。
附图说明
图1显示为现有技术的前导信号生成流程示意图。
图2显示为本发明的前导信号生成流程示意图。
图3A显示为本发明一实施例中的超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法示意图。
图3B显示为本发明一实施例中的超高速移动宽带通信中前导信号的发送系统示意图。
图4A显示为本发明一实施例中的超高速移动宽带通信中前导信号的接收方法示意图。
图4B显示为本发明一实施例中的滑动互相关取值示意图。
图4C显示为本发明一实施例中的超高速移动宽带通信中前导信号的接收系统示意图。
图5A显示为本发明所提方案在-22.6dB信噪比下的漏检概率和虚警概率的CDF曲线。
图5B显示为参考文献方案在-23.5dB信噪比下的漏检概率和虚警概率的CDF曲线。
图6显示为本发明所提方案的8192点前导信号的采样率归一化的频谱图。
图7A显示为两种方案在-25dB信噪比下的滑动互相关值C(n)的能量比对图。
图7B显示为两种方案在-20dB信噪比下的滑动互相关值C(n)的能量比对图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在介绍本发明的具体实施方式之前，以下先对现有技术做出简单介绍。
参阅图1，在传统的基于Moose算法和Schmidl&Cox算法的同步捕获方案中，前导信号生成过程为：随机序列A的长度为N，将A补(R-1)×N个零后对其做L点傅里叶反变换(IFFT)得到前导帧基符号DO。之后，将DO前后重复级联得到前导信号PO。该方案在较长前导序列长度下虽然能够达到工作点的降低，但是在计算时仍然需要L2次的复数乘运算和N点IFFT运算，复杂度较高。
参阅图2，本实施例提供一种前导信号发送方法，将伪随机序列A的每个符号分别重复R次并排列在原符号的后面得到前导帧基符号D，按照与参考方案同样的方式将D经过级联扩展装置，得到前导信号P，从而在几乎不影响性能的前提下大大降低计算复杂度。
参阅图3A，本实施例的前导信号发送方法包括以下步骤：
S31：生成一段长度为N的时域前导基序列A；
生成一段长度为N的二进制伪随机(PN)复序列A＝{a1，a2，...aN}，该序列中每个符号ai的实部和虚部均为二值序列，取值范围为{+1，-1}；
S32：生成一段长度为L的时域前导基符号D；
将时域前导基序列A中的每个符号ai重复R倍(R≥2)，得到长度为L＝R×N的前导基符号D＝{a1，...，a1，a2，…，a2，...，aN，…，aN}；
S33：以D为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号P；
以D为最小单元，可重复K倍(K≥1)，级联扩展得到长度为Q＝K×L的前导符号P，前导符号P的结构图如表1所示：
表1
D … D
S34：在所述前导符号P之后级联数据符号，形成发送信号基带帧B；
S35：将所述基带帧B经由过采样滤波器得到滤波后的基带帧信号S，限制基带信号带宽；
过采样滤波器的过采样率与时域前导基序列A中的每个符号重复倍数R相同。
S36：将所述基带帧信号S通过上变频，形成射频信号，并向外发送。
参阅图3B，与上述前导信号接收发送方法对应的，本实施例提供一种前导信号发送系统300，包括：时域前导基序列生成模块301、时域前导基符号生成模块302、前导基符号级联扩展模块303、基带帧成帧模块304、脉冲成形滤波器模块305、RF发射模块306。时域前导基序列生成模块301用于执行上述步骤S31、时域前导基符号生成模块302用于执行上述步骤S32、前导基符号级联扩展模块303用于执行上述步骤S33、基带帧成帧模块304用于执行上述步骤S34、脉冲成形滤波器模块305用于执行上述步骤S35、RF发射模块306用于执行上述步骤S36。由于具体的实施方式可参见对应方法，于此便不再做重复赘述。
除此之外，本发明还提供前导信号接收方法。参阅图4A，本实施例的前导信号接收方法包括以下步骤：
S41：接收射频信号，并将其下变频到基带信号；将所述基带信号经过A/D采样，形成离散基带信号Y；
S42：对从所述离散基带信号Y中截取的离散基带信号序列y(n)进行滑动互相关操作；
参阅图4B，具体而言，根据发送端前导符号P，截取其长度为M(M≤Q)的全部或部分序列，生成本地序列PL。从离散基带信号Y中滑动截取长度为M的离散基带信号序列y(n)。对截取的序列y(n)采用滑动互相关操作，即将本地序列PL的每个元素pl(n)与y(n)做共轭相乘之后累加，并进行能量归一化操作，从而获得滑动互相关输出序列C(n)。互相关的计算等式为：
Figure GDA0003755846230000071
由于，本地序列PL的每个元素pl(n)取值为{±1±j}，因此，互相关运算仅需进行加减运算，即互相关运算等式(1)可简化为：
Figure GDA0003755846230000072
其中，real函数和imag函数分别为取复数的实部、虚部，sign函数为取数值的正/负符号，η为能量归一化参数。
可选地，能量归一化参数为两个序列的能量和的均方根，即：
Figure GDA0003755846230000073
S43：对滑动互相关输出序列C(n)进行能量峰值检测操作，以将采样值范围内大于预设阈值的相关值判定为相关峰值C(n′)；
详细而言，获得在一段采样值范围内的能量最大且大于预设阈值的相关值C(n′)，并判定该相关值为相关峰值。当在前导符号P长度在Q时间内检测到多个满足上述条件的相关值时，将最后检测到的相关值判定为相关峰值C(n′)。
S44：基于所述相关峰值C(n′)的采样值序号n′，确定发送端前导符号P在所述离散基带信号序列y(n)中对应的时间位置。
参阅图4C，与上述前导信号接收方法对应的，本实施例提供一种前导信号接收系统400，包括：RF接收模块401、滑动互相关模块403、峰值检测模块404、定时估计模块405，进一步包括本地序列生成模块402。RF接收模块401用于执行上述步骤S41、滑动互相关模块403用于执行上述步骤S42、峰值检测模块404用于执行上述步骤S43、定时估计模块405用于执行上述步骤S44。本地序列生成模块402则从所述发送端前导符号P中截取长度为M的全部或部分序列，生成本地序列PL。由于具体的实施方式可参见对应方法，于此便不再做重复赘述。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式。
在超高速通信系统中，为了应对强干扰和极低信噪比的通信环境，需要设计序列长度较长的前导信号。这里，我们选取N＝2048点长的伪随机序列作为符号A，符号重复参数R＝2。因此，脉冲成形滤波器模块为2倍过采样的升余弦滤波器，按照图1和图2的流程分别生成参考方案的前导信号PO和本发明方案的前导信号P，其中，为了简洁地说明本发明所提方案的优势，本例中级联扩展两个前导基符号为前导符号，即K＝2。由此，前导信号的长度便为2L＝8192。在前导信号的后面接入数据帧，再通过脉冲成型滤波器得到前导基带帧B，为了与实际应用场景接近，在帧前填充2个符号长度的零点作为帧间间隔，形成前导信号仿真测试基带帧，其结构如表2所示：
表2
Figure GDA0003755846230000081
通常用漏检概率和虚警概率来描述接收信号的检测性能。漏检概率表示在一定数量的通信过程中，发送端已经发送信号，但是接收端没有检测到发送信号的概率，用PM来表示；虚警概率指在一定数量的通信过程中，发送端未发送信号，而接收端误把噪声当作发送信号的概率，用PFA表示。在相同信噪比下，漏检概率会随门限值的增加而增大，虚警概率随门限增加逐渐减小。在门限值无限大时，漏检概率为1而虚警概率为0，当两者的累积分布曲线(CDF)在某一指标以下交叉时，曲线之间的范围处的漏检概率和虚警概率同时近似为0。随着信噪比的增加，PM的CDF和PFA的CDF之间的间隔会越大，定时同步性能也就越好。
本发明仿真了参考方案和本发明所提方案在AWGN信道下不加载波频偏时的检测性能，测试不同判决门限和不同信噪比(SNR)下的漏检概率和虚警概率，绘制CDF曲线。根据公式(3)和公式(1)，接收端计算本地前导符号P与接收信号y(n)的滑动互相关值C(n)，峰值检测装置获得C(n)的最大值，假设最大值位置为nmax，当nmax在准确位置左右128点范围内且C(nmax)≥Threshold时，认为定时准确，否则漏检；在只发送噪声不发送有效信号时，以同样的方法计算接收信号的滑动互相关函数值C′(n)，如果
Figure GDA0003755846230000082
，使得C′(n′)≥Threshold，则认为此时出现虚警。采用蒙特卡洛法，迭代10000次，图5A示例了在极低信噪比(-22.6dB)下，本发明所提方案的漏检概率和虚警概率的CDF曲线，图5B示例了在极低信噪比(-23.5dB)下，参考文献方案的漏检概率和虚警概率的CDF曲线。
由于漏检概率和虚警概率的CDF曲线之间的距离越远，峰值判决余量越大，定时同步检测性能越好。工程上，一般将漏检概率和虚警概率均达到10-3为检测算法工作参考点。由图5A～5B分析可知，本发明所提方案和参考文献方案分别在-22.6dB和-23.5dB信噪比下可满足工作要求，即本发明所提前导方案的同步性能仅比参考文献方案差0.9dB。
但是，对于8192长的前导信号来说，参考方案需要做3×108次实乘运算和3×108次实加运算，而本发明所提出的方案在互相关计算中省去乘法操作，只需要完成3×108次实数加法运算即可。若接收信号量化位宽为10比特，本发明所提方案的检测运算复杂度将比参考文献方案低一个数量级。
此外，通过过采样成形滤波处理，本发明所提出的前导方案的输出信号带宽可有效限制在采样频率以内。图6展示了本发明所提方案的8192点前导信号的采样率归一化的频谱。如图中所示，当前导信号带外衰减降低到-40dB时，其带宽为采样率的70％左右。
以下将从互相关性能、计算复杂度两方面详细地阐述本发明的优越性。
1、互相关性能
两种方案的前导符号P均采用2个前导基符号级联，即K＝2，本地序列为截取全部前导符号获得。仿真对比两种前导信号的互相关特性。通过AWGN信道，接收端经过滑动互相关装置，按照等式(1)计算得到归一化的互相关序列C(n)，图7A示例出两种方案在极低信噪比(-25dB)下的滑动互相关值C(n)的能量，图7B示例出两种方案在极低信噪比(-20dB)下的滑动互相关值C(n)的能量。
由图7A～7B可以看出，本发明所提出的前导信号在极低信噪比下具有良好的互相关特性，在噪声功率高出信号功率约100～300倍的情况下，前导符号的互相关函数在定时点附近仍然具有较为尖锐的峰值，能够较为容易地判断得到峰值位置，降低了误判的概率，与基于OFDM调制的前导参考文献方案相比，两者具有相近的互相关特性。
2、计算复杂度
从公式(1)可以看出，计算一个互相关值操作实质上为两个等长的M点复序列进行逐点相乘再累加求平均，共需要M次复乘和(M-1)次复加。一次复数的点乘运算需要4次实数相乘与2次实数相加，M次复乘就需要4M次实乘和2M次实加；一次复数加法运算需要2次实数加法，那么(M-1)次复加共需要2(M-1)次实加运算。因此，计算得到一个互相关样点共需要4M次实乘运算和4M-2次实加运算，若要求出M个互相关函数样本点的值就需要M倍的运算量，也即是4M2次实乘和4M2-2M次实加运算。计算复杂度随前导符号点数的增加而成倍增大，但是乘法器对硬件资源的占用远远大于加法器，较大的乘法运算量会大大降低运算速度。
在本发明所提方案中，前导信号P的实部和虚部均为二值序列，也即p(i)的取值范围为{1+j，1-j，-1+j，-1-j}，根据公式(3)，在进行实数乘法运算时，只需要根据I(pl(i))和Q(pl(i))的符号判断对被乘的数据做实加或实减运算即可，这样复乘运算中的实乘操作被消除，只需要做2次实数加运算。所以，在本发明方案中，计算一个样点值只需要4M-2次实加运算，整个滑动互相关函数值的计算量就被降低为4M2-2M个实加运算，计算复杂度与参考文献方案相比大大降低，芯片处理信号时的资源消耗变少，相同消耗下的运算速度较快。表3列出两种方案的计算复杂度对比：
表3
算法复杂度 M<sup>2</sup>复乘 M(M-1)复加 参考方案 本发明
实乘 4M<sup>2</sup> \ 4M<sup>2</sup> 0
实加 2M<sup>2</sup> 2M(M-1)实加 4M<sup>2</sup>-2M 4M<sup>2</sup>-2M
需要说明的是，实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。基于这样的理解，本发明还提供一种计算机程序产品，包括一个或多个计算机指令。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存储的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(如：软盘、硬盘、磁带)、光介质(如：DVD)、或者半导体介质(如：固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
最后，本发明还提供一种超高速移动宽带通信中前导信号的发送设备，以及一种超高速移动宽带通信中前导信号的接收设备。
超高速移动宽带通信中前导信号的发送设备包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述发送设备执行前述任一实施例介绍的超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法。
超高速移动宽带通信中前导信号的接收设备包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述接收设备执行前述任一实施例介绍的超高速移动宽带通信中前导信号的接收方法。
上述存储器可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)等。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
综上所述，本发明的超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法与接收方法，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法，其特征在于，包括：
生成一段长度为N的时域前导基序列A，所述时域前导基序列A为二进制伪随机复序列，其包含的每个符号的实部和虚部均为极性符号-1或+1；
将所述时域前导基序列A中每个符号重复R倍后按原顺序排列生成一段长度为L的时域前导基符号D；
以D为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号P；
在所述前导符号P之后级联数据符号，形成发送信号基带帧B；
将所述基带帧B经由过采样率为R的过采样滤波器得到滤波后的基带帧信号S，以限制基带信号带宽；
将所述基带帧信号S通过上变频，形成射频信号，并向外发送。
2.根据权利要求1所述的前导信号发送方法，其特征在于，所述过采样率R≥2。
3.根据权利要求1所述的前导信号发送方法，其特征在于，所述前导符号P为所述时域前导基符号D重复K倍后级联扩展获得，其中，K≥1。
4.一种超高速移动宽带通信中前导信号的接收方法，其特征在于，包括：
接收射频信号，并将其下变频到基带信号；
将所述基带信号经过A/D采样，形成离散基带信号Y；
对从所述离散基带信号Y中截取的离散基带信号序列y(n)进行滑动互相关操作；
对滑动互相关输出序列C(n)进行能量峰值检测操作，以将采样值范围内大于预设阈值的相关值判定为相关峰值C(n')；
基于所述相关峰值C(n')的采样值序号n'，确定发送端前导符号P在所述离散基带信号序列y(n)中对应的时间位置；
所述前导符号P的获取方法包括：生成一段长度为N的时域前导基序列A，生成一段长度为L的时域前导基符号D，以D为最小单元，级联扩展任意长度，构成所述前导符号P，其中，所述时域前导基序列A为二进制伪随机复序列，其包含的每个符号的实部和虚部均为极性符号-1或+1，所述时域前导基符号D为所述时域前导基序列A中每个符号重复R倍后按原顺序排列获得。
5.根据权利要求4所述的前导信号接收方法，其特征在于，所述对离散基带信号序列y(n)进行滑动互相关操作的步骤包括：
从所述发送端前导符号P中截取长度为M的全部或部分序列，生成本地序列PL；
从所述离散基带信号Y中截取长度为M的离散基带信号序列y(n)；
将所述本地序列PL的每个元素pl(n)与y(n)做共轭相乘之后累加，并进行能量归一化，以获得所述滑动互相关输出序列C(n)。
6.根据权利要求4所述的前导信号接收方法，其特征在于，所述将采样值范围内大于预设阈值的相关值判定为相关峰值的步骤还包括：当检测到多个大于所述预设阈值的相关值时，将最后检测得到的相关值判定为所述相关峰值C(n')。
7.一种超高速移动宽带通信中前导信号的发送系统，其特征在于，包括：
时域前导基序列生成模块，用于生成一段长度为N的时域前导基序列A，所述时域前导基序列A为二进制伪随机复序列，其包含的每个符号的实部和虚部均为极性符号-1或+1；
时域前导基符号生成模块，用于将所述时域前导基序列A中每个符号重复R倍后按原顺序排列生成一段长度为L的时域前导基符号D；
前导基符号级联扩展模块，用于以D为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号P；
基带帧成帧模块，用于在所述前导符号P之后级联数据符号，形成发送信号基带帧B；
脉冲成形滤波模块，用于将所述基带帧B经由过采样率为R的过采样滤波器，得到滤波后的基带帧信号S，以限制基带信号带宽；
射频信号发送模块，用于将所述基带帧信号S通过上变频，形成射频信号，并向外发送。
8.一种超高速移动宽带通信中前导信号的接收系统，其特征在于，包括：
射频信号接收模块，用于接收射频信号，并将其下变频到基带信号；将所述基带信号经过A/D采样，形成离散基带信号Y；
滑动互相关模块，用于对从所述离散基带信号Y中截取的离散基带信号序列y(n)进行滑动互相关操作；
峰值检测模块，用于对滑动互相关输出序列C(n)进行能量峰值检测操作，以将采样值范围内大于预设阈值的相关值判定为相关峰值C(n')；
定时估计模块，用于基于所述相关峰值C(n')的采样值序号n'，确定发送端前导符号P在所述离散基带信号序列y(n)中对应的时间位置；
所述前导符号P的获取方法包括：生成一段长度为N的时域前导基序列A，生成一段长度为L的时域前导基符号D，以D为最小单元，级联扩展任意长度，构成所述前导符号P，其中，所述时域前导基序列A为二进制伪随机复序列，其包含的每个符号的实部和虚部均为极性符号-1或+1，所述时域前导基符号D为所述时域前导基序列A中每个符号重复R倍后按原顺序排列获得。
9.根据权利要求8所述的前导信号接收系统，其特征在于，还包括：本地序列生成模块，用于从所述发送端前导符号P中截取长度为M的全部或部分序列，生成本地序列PL；所述滑动互相关模块还用于：
从所述离散基带信号Y中截取长度为M的离散基带信号序列y(n)；
将所述本地序列PL的每个元素pl(n)与y(n)做共轭相乘之后累加，并进行能量归一化，以获得所述滑动互相关输出序列C(n)。
10.一种存储介质，其中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器加载执行时，实现如权利要求1至3中任一所述的超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法。
11.一种存储介质，其中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器加载执行时，实现如权利要求4至6中任一所述的超高速移动宽带通信中前导信号的接收方法。
12.一种超高速移动宽带通信中前导信号的发送设备，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述发送设备执行如权利要求1至3中任一所述的超高速移动宽带通信中前导信号的发送方法。
13.一种超高速移动宽带通信中前导信号的接收设备，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述接收设备执行如权利要求4至6中任一所述的超高速移动宽带通信中前导信号的接收方法。
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5305347A (en) * 1990-09-07 1994-04-19 Deutsche Aerospace Ag Method of detecting the frequency deviation in digital communication transmissions
US6151371A (en) * 1996-11-27 2000-11-21 Nec Corporation Automatic frequency control circuit
CN101079688A (zh) * 2006-05-23 2007-11-28 中兴通讯股份有限公司 一种正交频分复用系统中实现同步的方法
CN101778067A (zh) * 2009-12-31 2010-07-14 北京交通大学 基于物理层前导和导频的信道均衡方法及系统
EP2410708A2 (en) * 2004-08-16 2012-01-25 ZTE San Diego, Inc. Fast cell search and accurate synchronization in wireless communications
CN102469057A (zh) * 2010-11-11 2012-05-23 上海明波通信技术有限公司 适用于突发式通信系统的帧同步方法和装置
CN103563283A (zh) * 2011-01-28 2014-02-05 马维尔国际贸易有限公司 用于远程wlan的物理层帧格式
CN105721375A (zh) * 2016-03-28 2016-06-29 电子科技大学 一种低信噪比短前导突发信号的解调系统及方法
CN106788958A (zh) * 2015-11-20 2017-05-31 北京信威通信技术股份有限公司 信号同步方法及系统
CN107181710A (zh) * 2016-03-10 2017-09-19 中国科学院上海高等研究院 一种前导信号的发送接收系统及方法
WO2018045247A1 (en) * 2016-09-02 2018-03-08 Intel Corporation Physical random access channel (prach) design for unlicensed carriers in lte

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7035285B2 (en) * 2000-04-07 2006-04-25 Broadcom Corporation Transceiver method and signal therefor embodied in a carrier wave for a frame-based communications network
KR100715910B1 (ko) * 2004-09-20 2007-05-08 삼성전자주식회사 다중 접속 방식을 사용하는 이동 통신 시스템의 셀 탐색장치 및 방법
US7738357B2 (en) * 2005-06-17 2010-06-15 Broadcom Corporation Apparatus and method for carrier frequency offset estimation and correction in a wireless communication system
US9432077B2 (en) * 2012-02-08 2016-08-30 Texas Instruments Incorporated DSSS preamble detection for smart utility networks
KR102590851B1 (ko) * 2016-05-09 2023-10-19 한국전자통신연구원 케이블 네트워크에서의 동기 획득 방법과 물리계층 송신기 및 물리계층 수신기

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5305347A (en) * 1990-09-07 1994-04-19 Deutsche Aerospace Ag Method of detecting the frequency deviation in digital communication transmissions
US6151371A (en) * 1996-11-27 2000-11-21 Nec Corporation Automatic frequency control circuit
EP2410708A2 (en) * 2004-08-16 2012-01-25 ZTE San Diego, Inc. Fast cell search and accurate synchronization in wireless communications
CN101079688A (zh) * 2006-05-23 2007-11-28 中兴通讯股份有限公司 一种正交频分复用系统中实现同步的方法
CN101778067A (zh) * 2009-12-31 2010-07-14 北京交通大学 基于物理层前导和导频的信道均衡方法及系统
CN102469057A (zh) * 2010-11-11 2012-05-23 上海明波通信技术有限公司 适用于突发式通信系统的帧同步方法和装置
CN103563283A (zh) * 2011-01-28 2014-02-05 马维尔国际贸易有限公司 用于远程wlan的物理层帧格式
CN106788958A (zh) * 2015-11-20 2017-05-31 北京信威通信技术股份有限公司 信号同步方法及系统
CN107181710A (zh) * 2016-03-10 2017-09-19 中国科学院上海高等研究院 一种前导信号的发送接收系统及方法
CN105721375A (zh) * 2016-03-28 2016-06-29 电子科技大学 一种低信噪比短前导突发信号的解调系统及方法
WO2018045247A1 (en) * 2016-09-02 2018-03-08 Intel Corporation Physical random access channel (prach) design for unlicensed carriers in lte

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Acquisition performance improvement by Barker sequence repetition in a preamble for DS-CDMA systems with symbol-length spreading codes";Seung Joon Lee等;《IEEE Transactions on Vehicular Technology》;20030808;全文 *
"基于新型前导符号的OFDM同步算法";贾玮玮 慕福奇;《电视技术》;20170824;第41卷(第4期);全文 *

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