CN111555856A - 一种基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，适用于多类通信系统，包括：(1)用于同步的导引序列在通信链路发送端无需改变，采用常规伪随机序列即可；(2)在链路接收端进行滑动相关之后，将相关输出序列分别进行N路不同延迟的差分处理；(3)对N路差分序列和未差分的相关输出序列，分别进行对应长度的累加求和运算，同时计算求和输出的模值；(4)对N路差分输出模值求平均，再与未差分输出模值进行加权求和，得到最终相关峰值，并与判决门限比较，判断同步与否。该方法不改变导引辅助同步的发送端原有结构和导引序列要求，利用接收端多路差分处理和加权求和消除信道频偏的影响，减小信道噪声累积，能够实现高动态信道下通信链路有效同步。

Description

一种基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，适用于具有大多普勒频偏的高动态无线信道。

背景技术

收发两端同步是无线通信系统不可或缺的环节，尤其是在由0、1数据构成的数字通信系统，而无线通信传输链路不可避免地面临收发两端的多普勒效应，对系统同步提出了更为严苛的要求。

无线通信系统收发时间同步实现主要有授时和相关两类实现方法，授时方法需要统一的时钟源，主要依靠北斗和GPS等系统，其应用受设备限制。相关法是基于辅助导引，通过接收端作相关并检测其峰值实现同步，主要包括自相关同步和互相关同步。自相关是利用设计的同步导引自身相关特性，对接收信号进行延时相关，互相关是将本地导引与接收信号进行相关。由于自相关法的叠加特性，使其抗噪性能差同步精度受限，而互相关法具有精度高、抗噪能力强的优点，不过其对频率偏移比较敏感。目前，地面移动通信、地空通信、卫星通信和深空探测通信的相关协议大多采用的是导引辅助同步方式。

传输信道多普勒效应，对不同通信系统同步性能的恶化程度不同，主要与辅助导引序列长度、传输符号速率、载波频率等有关，若多普勒频偏周期恰好接近同步导引持续时间，则接收端滑动相关峰值将严重削弱，具体的分析可见文献：田园，雷霞，肖悦，等“存在大频偏时的时间频率同步方法”电子科技大学学报，41卷，第2期，页码：212-216；MalikMuhammad Usman Gul,Xiaoli Ma,and Sungeun Lee,“Timing and FrequencySynchronization for OFDM Downlink Transmissions Using Zadoff-Chu Sequences,”IEEE Transaction on Wireless Communications,Volume:14 Issue:3,March 2015,Page(s):1716-1729。

对于典型的通信协议，规定了传输链路导引辅助同步的具体实现方式，通过设计辅助导引可一定程度上减小信道多普勒频移的不利影响，但对多普勒频移大小有特殊要求，同时无法有效满足卫星、深空探测等其他无线通信体制的适用性，详见文献：Yunsi Ma,Sanwen Zhou,Chaoxing Yan,et al.“Design of OFDM Timing Synchronization Basedon Correlations of Preamble Symbol”2016 Vehicular Technology Conference，IEEE，2016.

除m序列和Gold序列等伪随机序列外，具有良好特性的恒模零自相关(CAZAC)序列也可作为同步辅助导引，CAZAC序列本身具有一定的抗频偏能力。不过当信道多普勒效应产生的频偏过大时，虽然对接收端导引序列匹配相关峰值大小影响较弱，但会导致相关峰位置发生偏移，无法进行精确的时间同步，具体分析见文献：Anuja Das,Biswajit Mohanty,Benudhar Sahu,“Modified CAZAC Sequence Based Timing Synchronization Schemefor OFDM System,”Wireless Personal Communications,2019；严春林，李少谦，唐友喜，等“利用CAZAC序列的OFDM频率同步方法”电子与信息学报，28卷，第1期，页码：139-142。

社会的高速发展对信息高速可靠传输的需求更加迫切，人们需要在任何地点任何时间都能够进行稳定可靠的通信，这对无线通信系统提出了更高的要求。卫星通信具有覆盖范围广、通信距离远等优势，已成为海事、自然灾害应急和军事应用等必不可少的通信手段，同时移动通信的6G发展规划也将卫星通信作为其重要的组成部分。但是，卫星通信不可避免地面临高动态的星地传输链路，主要是源于卫星与地面终端相对高速运动和卫星通信所使用的频段Ku、Ka和EHF频率较高。通信传输稳定可靠的核心是传输链路两端的同步，而链路高动态产生的多普勒频偏严重影响其同步，从而恶化了链路传输性能。现有卫星通信系统采用的常规导引辅助同步方法无法有效抵抗多普勒效应的大频偏，所以如何在不改变原有导引辅助同步帧结构基础上，仅通过接收端处理消除多普勒效应的影响，是实现卫星通信等无线通信系统，在高动态信道条件下快速、准确同步所急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对无线通信系统现有导引辅助同步方法无法有效应对高动态信道所导致的多普勒效应问题，在不改变发送数据原有帧结构和辅助导引固有特征前提下，提供一种基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，可消除传输信道多普勒效应影响，同时抑制信道噪声，能够适用于采用导引辅助同步的各类无线通信系统。

本发明为解决无线通信系统在高动态信道条件下的收发同步问题，采用的技术方案为：

一种基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，包括如下步骤：

(1)发送端选取一种伪随机序列作为同步导引序列，并将同步导引序列调制映射，同时对待发送的信息数据采用相同的方式进行调制映射，将调制映射的信息数据与同步导引序列进行组帧，组帧后的数据进行成型、内插、变频处理和数模转换后由射频通道发送；

(2)接收端以符号速率对接收信号进行最佳抽取，得到接收信号序列，并获得与发送端一致的本地导引序列，利用本地导引序列对接收信号序列进行滑动相关处理，得到滑动相关序列；

(3)计算滑动相关序列的未差分相关峰值和差分相关峰值，并进行加权求和，得到最终的相关峰值，将最终的相关峰值与设定的判决门限进行比较，大于门限则表示同步，小于门限则表示未同步；

完成基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法。

其中，步骤(1)具体包括以下步骤：

(1-1)发送端依据抗信道环境噪声能力需求设定导引序列长度，依据保密需求设置生成多项式、初始状态和加密密钥参数；

(1-2)导引序列生成器利用设置的参数生成伪随机序列，作为同步导引序列；

(1-3)对同步导引序列进行调制映射，同时对待发送的信息数据采用相同的方式进行调制映射；

(1-4)将调制映射后的同步导引序列与待发送的信息数据进行组帧，组帧后的数据进行成型、内插、变频处理和数模转换后由射频通道发送。

其中，步骤(2)包括以下步骤：

(2-1)接收端对接收信号进行下变频和模数转换处理，同时以符号速率对接收信号进行最佳抽取，得到接收信号序列；

(2-2)利用与发送端相同参数设置的导引序列生成器产生本地导引序列，并采用与发送端相同的调制映射方式对本地导引序列进行调制映射，获得与发送端一致的本地导引序列；

(2-3)利用本地导引序列对接收信号序列进行滑动相关处理，得到滑动相关序列。

其中，步骤(3)包括以下步骤：

(3-1)对滑动相关序列进行累加，计算当前时刻对应的归一化未差分相关峰值；同时对滑动相关序列复制为N路，每路延迟不同整数倍的符号周期，延迟后的符号与未延时的符号共轭相乘，得到对应长度的N路差分相关序列，对N路差分相关序列分别累加求和，取相加之和的模值，得到对应的差分相关峰值；

(3-2)对未差分相关峰值和差分相关峰值加权求和，计算最终的相关峰值；

(3-3)将最终的相关峰值与设定的判决门限进行比较，大于门限则表示同步，小于门限则表示未同步.。

本发明以上述内容为核心基础，设计一种基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，实现过程包括发送端导引符号生成和数据组帧、接收端滑动相关、多路差分处理、差分和未差分相关峰值计算、最终相关峰值计算和同步判决等。

与已有的导引辅助同步技术方法相比，本发明优点在于：

1.本发明无需改变原有导引辅助同步方法的伪随机序列生成，及其与数据组帧的帧结构，同时发送和接收端处理简单，其计算过程易于在FPGA或DSP等芯片中编程实现。

2.本发明采用调制后的同步导引符号，与待发送数据符号具有相同的形式，增加了同步导引的隐蔽性。

3.本发明在接收端通过多路差分处理，获取差分相关峰值，能够消除高动态信道多普勒效应所产生的不利影响。

4.本发明采用差分相关峰与未差分相关峰加权求和，能够在消除多普勒效应不利影响同时提升抗信道噪声能力，适用于高动态信道条件下的各类无线通信系统。

附图说明

图1为本发明同步方法的系统流程图；

图2为本发明同步导引与数据组成的帧结构示意图；

图3为本发接收端滑动相关与相关峰值计算实现框图，Z^-1表示延迟一个符号周期，conj(*)表示取共轭，|·|表示取模值；

图4为本发明多路差分与相关峰值计算实现框图；

图5为本发明相关峰值加权求和实现同步判决框图。

具体实施方式

下面依据附图，对本发明的通信系统收发两端同步处理流程、导引数据组帧结构、接收端滑动相关具体实现、接收端多路差分相关实现结构和相关峰加权判决处理过程作进一步说明。

以下内容给出简要概述便于基本理解。此部分描述并非涵盖所有内容，且并非旨在确定所有方面关键或决定性要素，并非明确权利要求的保护范围。

一种基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，采用如下具体步骤实现：

(1)在传输信道噪声强度一定情况下，通信系统同步的抗噪能力与辅助导引序列的长度L′相关，故需依据信道环境和系统抗噪声需求设定导引序列长度。不过，导引序列越长占用通信链路的资源越多，降低了系统的传输效率。

确定导引序列长度L′基础上，由伪随机序列生成器输出对应长度的0、1导引序列。同时依据系统所采用的调制方式阶数M计算导引符号长度L，即：L＝L′/log₂(M)。若设导引序列长度为1024，系统采用QPSK调制，则最终发送的同步导引符号长度L为512。在此基础上对导引序列进行调制映射，得到L个导引符号，再与调制的数据符号组帧，帧结构可有三种形式，如图2。经过图1中的成型、内插、数模变换和变频处理，由天线发送。具体处理过程为：

(1-1)发送端包括辅助导引序列生成器、调制映射和数据组帧。辅助导引序列采用m序列、Gold序列或其他伪随机序列，设置伪随机序列生成器的生成多项式、初始状态和加密密钥参数。

(1-2)依据无线通信系统的抗信道噪声能力要求和传输的符号速率，设置同步导引长度L′，进而利用上述步骤生成0、1导引序列：

C_L′＝(c₁,c₂,…,c_L′),c_l∈(0,1)

(1-3)对0、1导引序列C_L′进行调制映射，得到调制后的导引符号P_L，记为

导引符号长度L＝L′/log₂(M)，其中M为调制映射阶数。同时对待发送的信息数据采用相同的方式进行调制映射；

(1-4)在发送端将导引符号P_L与待发送信息数据符号组帧，导引符号P_L插入的位置可为帧的起始、中间或末尾，组帧后的数据进行成型、内插和变频处理，然后DAC数模转换，由射频通道发送。

(2)接收端天线输出信号经下变频、模数转换、匹配滤波和位定时处理，以等于符号速率的采样率抽取，得到接收信号的符号序列。同时接收端采用相同参数和相同方法生成与发送端一致的同步导引符号。

进行同步标识判别，若已同步则进行后续数据解调处理，若未同步，则将接收信号序列与本地导引符号滑动相关，如图3，得到滑动相关序列。具体处理过程为：

(2-1)接收端将天线输出信号进行变频和ADC处理，同时完成符号位定时处理，以等于符号速率的采样率f_s对接收信号进行最佳抽取，得到接收信号序列r(n)，n＝1,2,3…。

(2-2)在接收端利用相同生成多项式、初始状态和秘钥的伪随机序列生成器，产生本地导引序列，进行与发送端相同的调制映射，获得与发送端一致的本地导引符号P_L；

(2-3)将接收信号序列r(n)与导引P_L进行滑动相关处理，输出滑动相关序列X(n)，X(n)＝[X₁(n) X₂(n) … X_L(n)]，描述如下：

(3)对滑动相关输出序列进行多路差分处理，每路差分所对应的延迟不同，按由小及大的递增趋势设置，将当前符号与延迟的符号共轭相乘，得到差分相关序列。对每路差分相关序列分别进行累加求和，依据设定的延迟大小，计算各路差分输出序列长度，再取模值并归一化，得到每路差分对应的相关峰值，对多路相关峰值求平均，输出最终的差分相关峰值，如图4所示。

最后对差分相关峰值和未差分相关峰值加权求和，及两个相关峰值分别乘以各自加权因子再相加，两个加权因子取值均为小于1大于0，且二者之和等于1。将两个相关峰值加权求和输出与判决门限比较，判断是否同步，若大于等于门限，则标识同步成功，同步标识设置为1，否则标识未同步，同步标识设置为0。完成整个多路差分加权相关同步过程。具体计算方式为：

(3-1)对滑动相关序列进行累加，计算当前时刻n对应的归一化未差分相关峰值R_NDT(n)：

在计算R_NDT(n)同时对滑动相关序列X(n)进行N路差分处理，首先是对进行不同延迟，设置N路延迟符号周期个数分别为k_i，i＝1,2,…,N，再将相关序列X(n)当前时刻符号与延迟的符号共轭相乘，得到N路差分后相关序列

对应的长度分别为L-k_i，假设k_i分别等于1～N，差分具体实现过程如下：

计算归一化差分相关峰值R_DT(n)，首先分别计算N路差分相关序列

所对应的归一化相关峰值

再对N路相关峰值求平均，具体实现如下：

(3-2)对未差分相关峰值R_NDT(n)和差分相关峰值R_DT(n)加权求和，计算最终的相关峰值R_MDT(n)，实现过程如下：

R_MDT(n)＝μ₁·R_DT(n)+μ₂·R_NDT(n)

其中，μ₁和μ₂分别为差分和未差分相关峰的加权因子，需满足如下所示的关系：

μ₁+μ₂＝1

(3-3)将最终的相关峰值R_MDT(n)与设定的判决门限γ进行比较，如若R_MDT(n)≥γ，则判决为同步，即n为收发数据同步时刻，如若R_MDT(n)＜γ，则表示未同步，如图5所示；

完成多路差分加权相关导引辅助同步过程。

本发明提供的基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，通过滑动相关序列差分处理，消除了信道多普勒频偏所产生的影响，同时利用多路不同延迟与加权求和，实现抗信道环境噪声能力的提升，能够有效完成高动态低信噪比信道条件下，无线通信系统收发两端同步，适用于卫星通信等高速移动通信场景。

Claims (4)

1.一种基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)发送端选取一种伪随机序列作为同步导引序列，并将同步导引序列调制映射，同时对待发送的信息数据采用相同的方式进行调制映射，将调制映射的信息数据与同步导引序列进行组帧，组帧后的数据进行成型、内插、变频处理和数模转换后由射频通道发送；

(2)接收端以符号速率对接收信号进行最佳抽取，得到接收信号序列，并获得与发送端一致的本地导引序列，利用本地导引序列对接收信号序列进行滑动相关处理，得到滑动相关序列；

(3)计算滑动相关序列的未差分相关峰值和差分相关峰值，并进行加权求和，得到最终的相关峰值，将最终的相关峰值与设定的判决门限进行比较，大于门限则表示同步，小于门限则表示未同步；

完成基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法。

2.根据权利要求1所述的基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下步骤：

(1-1)发送端依据抗信道环境噪声能力需求设定导引序列长度，依据保密需求设置生成多项式、初始状态和加密密钥参数；

(1-2)导引序列生成器利用设置的参数生成伪随机序列，作为同步导引序列；

(1-3)对同步导引序列进行调制映射，同时对待发送的信息数据采用相同的方式进行调制映射；

(1-4)将调制映射后的同步导引序列与待发送的信息数据进行组帧，组帧后的数据进行成型、内插、变频处理和数模转换后由射频通道发送。

3.根据权利要求2所述的基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，其特征在于，步骤(2)包括以下步骤：

(2-1)接收端对接收信号进行下变频和模数转换处理，同时以符号速率对接收信号进行最佳抽取，得到接收信号序列；

(2-2)利用与发送端相同参数设置的导引序列生成器产生本地导引序列，并采用与发送端相同的调制映射方式对本地导引序列进行调制映射，获得与发送端一致的本地导引序列；

(2-3)利用本地导引序列对接收信号序列进行滑动相关处理，得到滑动相关序列。

4.根据权利要求3所述的基于多路差分加权相关的导引辅助同步方法，其特征在于，步骤(3)包括以下步骤：

(3-1)对滑动相关序列进行累加，计算当前时刻对应的归一化未差分相关峰值；同时对滑动相关序列复制为N路，每路延迟不同整数倍的符号周期，延迟后的符号与未延时的符号共轭相乘，得到对应长度的N路差分相关序列，对N路差分相关序列分别累加求和，取相加之和的模值，得到对应的差分相关峰值；

(3-2)对未差分相关峰值和差分相关峰值加权求和，计算最终的相关峰值；

(3-3)将最终的相关峰值与设定的判决门限进行比较，大于门限则表示同步，小于门限则表示未同步.。

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