CN111865550B - 基于双路导频的无帧头无线通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种无帧头无线通讯方法。基于双路导频的无帧头无线通讯方法，包括：在业务信道对业务数据传输完成后，将信号符号替换为预设的符号码，降低信号符号的功率，并提高导频信号的功率，在下一次业务数据发送前，对导频信号进行恢复，进行业务数据的传输；从接收链路上得到导频信号功率比，业务数据传输起止由导频信号功率比的迟滞触发。本发明对业务数据和管理数据进行分离，两者间物理隔离良好。由于采用无帧头设计，避免了传统双路导频中帧头、载荷不同调制来回切换的要求。

Description

基于双路导频的无帧头无线通讯方法

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种无帧头无线通讯方法。

背景技术

现代数字通讯系统中，通常采用正交幅度调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)以提高频谱利用率，通讯是技术与成本的折中。数字无线通讯系统通常有赖于本振而非原子钟、GPS生成频率。且受空间衰落变化，两者本振频率必然存在偏差，且随时间累积。根据国家标准，需要支持100dB/s快衰，而空间衰落的改变，轻则加重LDPC纠错负担进而增加时延，重则导致解码错误，因此同步和信号估计必不可少。

双路导频法以其结构简单、信号干扰少的优势，广泛用以载波同步的保持和锁定、符号同步、信道评估等。且随着数字通讯复杂度的提升，导频所需电路开销必将进一步降低，但实时性、可靠性、准确性优势明显。但当前的应用中，双路导频法的空口帧格式通常表现为自相关帧头、跳内管理数据和传输数据，上述使用方式存在以下不足：

1)自相关帧头作为固定开销，本身具有低调制、低编码率的特征，是对带宽资源的浪费；

2)三块数据采用不同的调制模式，需要频繁进行切换，对稳定性构成挑战；

3)数据传输易受对头阻塞、巨型帧等影响，管理数据发出去后，需要经过一定时间准备生效，或者由于控制报文被切片，将导致控制相应不及时。

发明内容

本发明针对现有的双路导频法采用自相关帧头、跳内管理数据和传输数据存在众多不足的技术问题，目的在于提供一种基于双路导频的无帧头无线通讯方法。

基于双路导频的无帧头无线通讯方法，包括：

在业务信道对业务数据传输完成后，将发射链路的信号符号替换为预设的符号码，并降低信号符号功率，提高导频信号功率，在下一次所述业务数据发送前，对所述导频信号进行恢复，恢复所述信号符号的功率，进行所述业务数据的传输；

从接收链路上获取导频功率和信号功率，得到导频信号功率比，所述业务数据正常传输时，所述导频功率比将在一定范围内波动，所述业务数据传输结束时，所述导频信号功率比阶跃到最大值，下一次所述业务数据开始前，所述导频信号功率比将跌落到最小值，所述业务数据传输起止由所述导频信号功率比的迟滞触发。

进一步，将所述发射链路的信号符号替换为预设的符号码后，还对导频信号进行编码，生成导频信道，进行管理数据的传输。

进一步，在业务信道对业务数据传输过程中，若接收到强制切换信号，则将所述发射链路的信号符号替换为预设的符号码，对导频信号进行编码，生成导频信道，进行管理数据的传输，并在所述管理数据传输完成后，对所述导频信号进行恢复，恢复成业务信道，继续进行所述业务数据的传输。

进一步，对所述导频信号功率比进行施密特触发，当所述导频信号功率比达到预设高位，标识所述接收链路处于空闲，此时所述导频信号功率比保持高位，或进入所述管理数据传输模式，此时所述导频信号功率比在一定范围波动；

当所述导频信号功率比达到预设低位，所述接收链路进入业务数据传输模式。

当进入所述管理数据传输模式时，则认为所述导频信道工作，接收的数据按管理数据处理；当所述导频信号功率比达到预设低位，则认为所述业务信道工作。

进一步，所述在业务数据传输完成或接收到强行切换信号后，将发射链路的信号符号替换为预设的符号码，包括：

所述符号码为以1和-1为周期的符号码。

进一步，所述对导频信号进行编码，生成导频信道，包括：

同步增加所述导频功率、降低所述信号符号的信号符号功率，然后对所述导频信号进行编码，生成所述导频信道。

进一步，所述业务信道与所述导频信道间存在确定的相位差：

因此，通过相位延时，信道切换，不影响载波同步、符号同步等保持。

本发明的积极进步效果在于：本发明采用基于双路导频的无帧头无线通讯方法，对业务数据和管理数据进行分离，分别传输在不同的信道上，两者间物理隔离良好。由于采用无帧头设计，对数据帧的起始的精确标识，摒弃了低阶调制帧头，避免了传统双路导频中帧头、载荷不同调制来回切换的要求，电路结构更简洁，提升了可靠性。

附图说明

图1为本发明发射链路的一种流程图；

图2为本发明接收链路的一种流程图；

图3为成型滤波器的一种频域图；

图4为成型滤波器的一种时域图；

图5为本发明符号信号和导频信号的一种时域图；

图6为本发明导频信号功率比的一种时域图；

图7为本发明导频信号功率比的一种状态图；

图8为本发明正常抽取符号时的状态图；

图9为本发明延时抽取符号时的状态图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

为方便理解，先对双路导频工作原理进行简述：

通过QAM调制生成两路正交信号I/Q，以复数域表示为：(I+jQ)

双路导频的插入方法如下：

1)对所述正交信号I/Q进行二倍频采样

2)对1)输出信号进行压缩

3)在零点加入导频功率，实际实现是，以如下方式进行：

(I+jQ)·cosP+A·sinP

其中

k＝log₂M,M标识QAM调制

f_t为码元的时钟频率

A为预设的导频功率

N表示采样点。

插入导频后，输出符号可表示为：

显然地，导频符号与信号符号存在确定的相位差或时延。

参照图1至图9，基于双路导频的无帧头无线通讯方法，包括如下步骤实现：

S1，在业务信道对业务数据传输完成后，将发射链路的信号符号替换为预设的符号码，降低信号符号的功率，并提高导频信号的功率，在下一次业务数据发送前，对导频信号进行恢复，恢复信号符号的功率，进行业务数据的传输。

本步骤在业务信道对业务数据传输完成后，此时是在非业务数据传输时，将发射链路的信号符号替换为预设的符号码，用以将信号符号与导频符号之间的干扰相互抵消，用于在接收链路端通过导频信号功率比即可判断是否为业务数据的传输。本步骤的方式，替代了现有的自相关帧头，实现双路导频下的无帧头数据传输目的。

在一个实施例中，将发射链路的信号符号替换为预设的符号码后，还对导频信号进行编码，生成导频信道，进行管理数据的传输。

本实施例在符号码将信号符号与导频符号之间的干扰相互抵消后，通过对导频信号进行编码，生成新的传输通道，即导频信道，导频信道与传统的业务信道在在工作时序上互斥，在信号提取点也相互独立，具备物理级隔离。

在一个实施例中，在业务信道对业务数据传输过程中，若接收到强制切换信号，则将发射链路的信号符号替换为预设的符号码，对导频信号进行编码，生成导频信道，进行管理数据的传输，并在管理数据传输完成后，对导频信号进行恢复，恢复成业务信道，继续进行业务数据的传输。

本步骤的触发有两种形式，一种是在在业务信道对业务数据传输完成后，此时是在非业务数据传输时，对导频信号进行编码，生成新的传输通道，即导频信道，导频信道与传统的业务信道在在工作时序上互斥，在信号提取点也相互独立，具备物理级隔离。另一种是接收到强行切换信号后，此时利用管理数据与业务数据的物理隔离性，业务数据传输过程中，可强行切换到导频信道，业务数据进入缓存等待，优先发送紧急管理指令，可有效避免队头阻塞、巨型帧等对管理数据传输的阻碍。

本步骤中，将发射链路的信号符号替换为预设的符号码时，符号码为以1和-1为周期的符号码。

对导频信号进行编码时，通过同步增加预设导频功率、降低信号符号的信号符号功率实现，致使生成导频信道。本步骤中的发射链路的具体结构可以采用现有技术中具有双路导频的发射链路即可。

S2，从接收链路上获取导频功率和信号功率，得到导频信号功率比，业务数据正常传输时，导频功率比将在一定范围内波动，业务数据传输结束时，导频信号功率比阶跃到最大值，下一次业务数据开始前，导频信号功率比将跌落到最小值，业务数据传输起止由帧头判决和定长帧长变更为导频信号功率比的迟滞触发。

在一个实施例中，对导频信号功率比进行迟滞触发，导频信号功率比达到预设高位，标识接收链路处于空闲，此时导频信号功率比保持高位，或进入管理数据传输模式，此时导频信号功率比在一定范围波动；当导频信号功率比达到预设低位，接收链路进入业务数据传输模式。当进入管理数据传输模式时，则认为导频信道工作，接收的数据按管理数据处理；当导频信号功率比达到预设低位，则认为业务信道工作。

当发射链路将所述发射链路的信号符号替换为预设的符号码后，还进行管理数据的传输后，在接收链路上，无需与发射链路进行其他交互，只需在导频信号功率比处于高位情况下，就认为发射链路发送的是管理数据。

本步骤中的接收链路为对接收的信号进行正交解调且载波同步的接收链路。接收链路的具体结构可以采用现有技术中具有双路导频的接收链路即可。

如图2所示，假设载波同步完成前，两端载波信号分别为α，β，则有：

(cosα+jsinα)·(cosβ+jsinβ)

＝cos(α+β)+jsin(α+β)

记Δc＝(α+β)

因此解调结果为：

[(I_n·cosP+A·sinP)+j·(Q_n·cosP+A·sinP)]·(cosΔc+jsinΔc)

＝(I_n·cosP+A·sinP)·cosΔc-(Q_n·cosP+A·sinP)·sinΔc

+j[(I_n·cosP+A·sinP)·sinΔc+(Q_n·cosP+A·sinP)·cosΔc]

I＝(I_n·cosP+A·sinP)·cosΔc-(Q_n·cosP+A·sinP)·sinΔc

Q＝(I_n·cosP+A·sinP)·sinΔc+(Q_n·cosP+A·sinP)·cosΔc

显然地，当载波同步完成后，有cosΔc≈1,sinΔc≈0

信号I和Q两路近似为：

I＝I_n·cosP+A·sinP

Q＝Q_n·cosP+A·sinP

此时计算：

因此通过低通滤波器，或者滑动平均滤波器，可以快速估算导频功率的值。

估算信号功率的值：

通过低通滤波或者滑动平均，由于导频功率远低于符号功率，因此可以估算出符号功率。

导频信号功率比为导频功率的值除以信号功率的值。

另外，成型滤波器在滤波和消除码间串扰方面具有重要意义，通常采用根升余弦滤波器实现，根升余弦滤波器的频时域波形如图3和图4所示，插入导频前，各信号符号间隔为T，此时根据升余弦滤波器时域波形，信号在其他点功率泄漏几乎为0，因此传输过程中互不干扰，因此，显而易见地：

1)对接收链路来说，导频信息与数据信息仅存在确定的相位差。

2)根据傅里叶变换特性，频域上的非周期对应于时域的连续性。导频与信号总体上处于互相污染的情况。为保证信号传输质量，导频功率往往远低于信号功率。当前的对导频的使用中，通常是固定的。而在空闲时期，通常采用伪随机数填充。

3)高稳晶振是数字无线通讯的标配，因此在一定时间内具有自持性。面向信道评估，依据国家标准，数字无线通讯需要支持100dB/s的快衰，假使不做补偿，毫秒级标尺上幅度偏差不超过1.2％，影响可忽略。因此导频功能在时间上存在冗余。

传统的无线通讯，数据帧通常设计如下：

低调制、强自相关的数据序列，加低调制可变的跳内管理数据，加高调制的业务数据。在实际使用中，通常需要对帧头自相关序列进行解码判决，并通过自相关触发。

本发明中，在接收端，数据帧起始，不依赖额外的帧头，而是通过监控导频信号与业务信号的功率比，默认情况下：

1)数据功率能够准确测量获得；

2)由于根升余弦滤波器等，数据功率会泄漏到导频上，可能导致导频功率测量不准。

3)从接收端功率谱密度来看，接收的导频功率必然小于业务数据。

由于时域上能量泄漏，相邻的导频和信号互相干扰。本发明引入导频信号功率比的概念，由接收链路来测量导频功率与同时刻信号功率之间的比值。通过判断导频信号功率比，确定业务数据发送起始和截止时刻，由接收端来测量导频功率和信号功率之间的比值。如图5和图6所示，通过替换符号码，信号符号和导频符号之间的干扰相互抵消，可以准确的测量导频功率和信号功率，通过对导频信号进行编码后，导频信道与业务信道在在工作时序上互斥，因此在数据传输完成后或接收到强制切换信号后，当导频信号功率比处于高位时，可以将管理数据通过导频信道传输，当导频信号功率比处于低位时，业务数据通过业务信道传输，实现管理与业务数据的物理级隔离。

具体的，如图7所示，本发明的实现原理以导频信号功率比(PSR，Pilot-Signal-Rate)为指标，通过阈值分割，在业务数据发送结束或接收到强制切换信号时，进行如下a和b步骤：

a)发送端将信号符号替换为1，-1周期的符号码，从而尽肯能降低导频与业务数据功率间的泄漏影响，此时信号符号与导频符号之间的干扰相互抵消，准确测量导频功率和信号功率，估算的导频信号功率比处于低位。

b)发送端同步增加导频功率，降低信号符号功率，从接收端看来，此时导频功率远大于业务数据，导频信号功率比处于高位。

导频信号功率比将生成一个上升沿，在下一次业务数学发送前，管理数据传输完成后，执行c步骤，导频信号功率比将生成一个下降沿：

c)当预备数据传输时，将导频功率和信号符号功率恢复到发送结束时或接收到强制切换信号前的状态，此时导频功率远小于数据功率，导频信号功率比处于低位。然后将业务数据从1/-1周期的符号码切换到具体业务数据源。

d)接收端实时监控导频信号功率比。

步骤a)结束时，导频信号功率比达到最低；

步骤b)结束时，导频信号功率比跳转到最高；

步骤c)结束时，导频信号功率比先达到最低，后有所恢复。

本发明相比于传统的无线通讯模式，具有以下优势：

1)捕获速率更快，不需要对数据进行解码；

2)准确率更高，仅计算导频信号功率比，对信噪比要求不高。

由于PSR具有三种状态，为了避免误判，可以采用迟滞触发模式。又可知，在，双路导频法中，导频信息与数据信息仅存在确定的相位差。因此，本发明，通过相位延时，信道切换，不影响载波同步、符号同步等保持。

具体的，如图8所示，非延时时，发射链路发射的导频信号，接收链路视为导频信号进行处理。如图9所示，对接收链路进行优化处理，当接收链路将符号抽取的时刻延时pi/2，以实现合适的相位设计，发送链路周期性发送低功率的符号1，-1，完美契合接收链路导频信号处理。对发送链路导频信息进行编码，接收链路将视作信号进行处理。当数据发送结束后，检测到PSR发生跳转，此时恢复正常。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.基于双路导频的无帧头无线通讯方法，其特征在于，包括：

在业务信道对业务数据传输完成后，将发射链路的信号符号替换为预设的符号码，降低信号符号的功率，并提高导频信号的功率，在下一次所述业务数据发送前，对所述导频信号进行恢复，恢复所述信号符号的功率，进行所述业务数据的传输；

从接收链路上获取导频功率和信号功率，得到导频信号功率比，所述业务数据正常传输时，所述导频功率比将在最小值与最大值之间波动，所述业务数据传输结束时，所述导频信号功率比阶跃到最大值，下一次所述业务数据开始前，所述导频信号功率比将跌落到最小值，所述业务数据传输起止由所述导频信号功率比的迟滞触发；

将所述发射链路的信号符号替换为预设的符号码后，还对导频信号进行编码，生成导频信道，进行管理数据的传输。

2.如权利要求1所述的基于双路导频的无帧头无线通讯方法，其特征在于，在业务信道对业务数据传输过程中，若接收到强制切换信号，则将所述发射链路的信号符号替换为预设的符号码，对导频信号进行编码，生成导频信道，进行管理数据的传输，并在所述管理数据传输完成后，对所述导频信号进行恢复，恢复成业务信道，继续进行所述业务数据的传输。

3.如权利要求1或2所述的基于双路导频的无帧头无线通讯方法，其特征在于，对所述导频信号功率比进行迟滞触发，所述导频信号功率比达到预设高位，标识所述接收链路处于空闲，此时所述导频信号功率比保持高位，或进入所述管理数据传输模式，此时所述导频信号功率比在最小值与最大值之间波动；

当所述导频信号功率比达到预设低位，所述接收链路进入业务数据传输模式。

4.如权利要求1所述的基于双路导频的无帧头无线通讯方法，其特征在于，所述在业务数据传输完成或接收到强行切换信号后，将发射链路的信号符号替换为预设的符号码，包括：

所述符号码为以1和-1为周期的符号码。

5.如权利要求3所述的基于双路导频的无帧头无线通讯方法，其特征在于，所述业务信道与所述导频信道间存在确定的相位差：

因此，通过相位延时，信道切换，不影响载波同步、符号同步保持。

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