CN112398566B - 一种用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法，包括：步骤1、无线网络节点A和B相互通信，节点A发送一帧包含发送时刻标签及约定的伪随机序列的数据至节点B；步骤2、节点B进行粗同步确定接收的伪随机序列时间起点及粗同步时刻；步骤3、节点B对接收的数据进行从伪随机序列时间起点依次向后进行多次采样获得M+1组数据；步骤4、节点B对本地约定的伪随机序列进行过采样，得到一组本地序列数据；步骤5、将本地序列数据与M+1组数据分别进行相关累加取绝对值，得到M+1个相关值；步骤6、采用拟合算法对M+1个相关值进行拟合计算，得到高精度同步时间点，从而计算得到本地高精度到达时间信息。本发明的计算方法实现简单，计算精度高。

Description

一种用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法及装置。

背景技术

采用无线互联的分布式协同体制中，到达时间(Time of Arrival，简称TOA)的测量是实现全网时间统一、协同工作的基础。猝发通信由于具有传输时间短、随机突发等特点，适用于节点机动性强、动态高、容易受到干扰的特定领域。因此，猝发通信体制下精确测量TOA具有十分重要的意义。

猝发通信由于采用短时隙、突发传输模式，需要在较短时间内(一般为毫秒或者百微秒量级)完成精确的TOA计算。在常规的猝发通信体制中，TOA的计算多采用相关法，即将接收序列与本地序列进行相关，根据相关结果判断是否同步，从而计算出TOA。该方案存在以下缺陷：由于只在采样速率下进行相关计算，TOA的计算精度局限于一个采样点的时间分辨率，当采样速率受限于功耗、器件水平等因素时，不能获得高精度的计算结果。

在连续波通信体制中，常采用延迟锁定环(Delay Lock Loop，简称DLL)计算TOA，其主要原理是通过环路进行长时间的积分、反馈和迭代，从而提升TOA的计算精度。该技术可用于猝发通信，但在大机动、高动态条件下存在以下缺陷：一、为了跟踪快速变化的外部条件，环路的更新周期较短，容易导致环路抖动过大，造成TOA计算值的剧烈变化，降低TOA的计算精度；二、为了满足环路的收敛需求，单个突发时隙的长度较长，增加了通信链路受到干扰的概率，降低了TOA计算值的有效性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种猝发通信体制下的高精度到达时间计算方法及无线通信收发装置，在传统猝发通信同步方法的基础上，从相关值的特性入手，提高TOA 的计算精度，特别适用于采用短时隙、突发传输以及低采样率模式的通信系统。

本发明采用的技术方案如下：一种用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法，包括以下步骤：

步骤1、无线网络节点A和B相互通信，节点A发送一帧包含发送时刻标签及约定的伪随机序列的数据至节点B；

步骤2、节点B进行粗同步确定接收的伪随机序列时间起点及粗同步时刻；

步骤3、节点B对接收的数据进行从伪随机序列时间起点依次向后进行多次采样获得M+1 组数据；

步骤4、节点B对本地约定的伪随机序列进行过采样，得到一组本地序列数据；

步骤5、将本地序列数据与M+1组数据分别进行相关累加取绝对值，得到M+1个相关值；

步骤6、采用拟合算法对M+1个相关值进行拟合计算，得到一个高精度同步时间点，从而计算得到本地高精度到达时间信息。

进一步的，所述步骤2中粗同步的具体方法为：节点B对接收到的原始信号进行采样，在采样速率上与本地伪随机序列进行相关，得到一个相关值，将该相关值与门限比较，如果大于门限，则认为粗同步完成，确定接收伪随机序列时间起点和粗同步时刻；所述采样速率为伪随机序列的码片速率。

进一步的，所述步骤3的具体过程为：节点B在粗同步确定的时间起点，用K倍码片速率的采样速率对原始信号进行采样，获得1组数据；将采样时间起点向后挪动M个采样点，依次获得M组数据，得到M+1组数据。

进一步的，步骤4的具体过程为：节点B对本地伪随机序列进行K倍过采样，得到1组长度为原伪随机序列长度K倍的本地序列数据，将本地序列数据与步骤3得到的M+1组数据分别进行相关累加取绝对值，得到M+1个相关值。

进一步的，所述拟合算法为：

其中，P_i(i＝1、2…、M+1)为M+1个相关值，N为拟合出的采样点。

进一步的，所述到达时间信息的计算方法为：TOA＝T₁-T₀+N，其中T₀为发送时刻标签记录的发送时刻，T₁为粗同步时刻。

进一步的，所述采样倍数K大于等于3，小于等于8。主要考虑因素为：一个码片包含的样点数过少(小于3)，则拟合的误差较大；样点数过多，增加了计算的复杂度，并且不能改善拟合的精度。

进一步的，所述分组数M为K的3倍。主要考虑因素为：拟合算法的输入参数应有相关性，根据伪随机序列的特性可知，当前码片以及前后各1个码片，共3个码片的相关值具有相关性。

本发明还提供了一种基于上述的高精度到达时间计算方法的无线通信收发装置，其特征在于，包括收发天线、无线通信收发装置、控制终端；

收发天线，用于无线信号的发射和接收；无线通信收发装置，用于高精度的TOA计算；控制终端，用于对无线通信收发装置的控制；

所述无线通信收发装置，包括数字接收前端、接收序列分配模块、M+1个相关器、本地序列产生器、相关值拟合模块；数字接收前端连接至接收序列分配模块，控制终端对接收序列分配模块的粗同步采样点起始位置进行控制；接收序列分配模块分别与M+1个相关器一输入端连接；本地序列产生器分别与M+1个相关器另一输入端连接；M+1个相关器输出端接至相关值拟合模块，由拟合模块输出TOA信息。

进一步的，所述相关值拟合模块原理为拟合算法为：

其中，P_i(i＝1、2…、M+1)为M+1个相关值，N为拟合出的采样点；到达时间信息的计算方法为：TOA＝T₁-T₀+N，其中T₀为发送时刻标签记录的发送时刻，T₁为粗同步时刻。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

(1)本发明的计算方法实现简单，计算精度高，仅需要在传统猝发通信同步方法的基础上增加相关值拟合模块。在其他条件一致的情况下，如果设计采样率为50Msps，本发明的计算精度可以从传统同步方法的20纳秒提升到2纳秒。

(2)本发明的计算方法动态适应能力强，在猝发通信体制下，由于采用了拟合算法，克服了DLL技术环路稳定性差，所需突发时隙长的问题(时隙长度能够从DLL技术的百毫秒量级缩短至毫秒或者百微秒量级)，在大机动、高动态的环境中取得了更加稳定、精确的TOA信息。

附图说明

图1是本发明高精度到达时间计算方法流程图。

图2是本发明中的无线通信收发装置示意图。

图3为本发明中的本地序列与接收序列相关的原理图。

图4为本发明提出的相关值拟合算法原理图。

附图标记：1-收发天线，2-无线通信收发装置，3-控制终端，4-数字接收前端，5-接收序列分配模块，6-相关器，7-相关值拟合模块，8-本地序列产生器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明采用了基于多路相关值拟合采样点的算法，实现高精度的TOA获取，具体方案如下：

步骤1、无线网络节点A和B相互通信，节点A发送一帧包含发送时刻标签及约定的伪随机序列的数据至节点B；

步骤2、节点B进行粗同步确定接收的伪随机序列时间起点及粗同步时刻；

步骤3、节点B对接收的数据进行多次采样获得M+1组数据；

步骤4、节点B对本地约定的伪随机序列进行过采样，得到一组本地序列数据；

步骤5、将本地序列数据与M+1组数据分别进行相关累加取绝对值，得到M+1个相关值；

步骤6、采用拟合算法对M+1个相关值进行拟合计算，得到一个高精度同步时间点，从而计算得到本地高精度到达时间信息。

具体的，步骤2中粗同步的具体方法为：节点B对接收到的原始信号进行采样，在采样速率上与本地伪随机序列进行相关，得到一个相关值，将该相关值与门限比较，如果大于门限，则认为粗同步完成，确定接收伪随机序列的起点和粗同步时刻；所述采样速率为伪随机序列的码片速率，其中，门限可根据实际需求进行设置。

步骤3的具体过程为：节点B在粗同步确定的时间起点，用K倍码片速率的采样速率对原始信号进行采样，获得1组数据；将采样时间起点向后挪动M个采样点，依次获得M组数据，得到M+1组数据。

步骤4的具体过程为：节点B对本地伪随机序列进行K倍过采样，得到1组长度为原伪随机序列长度K倍的本地序列数据，将本地序列数据与步骤3得到的M+1组数据分别进行相关累加取绝对值，得到M+1个相关值。

步骤6中的，拟合算法为：

其中，P_i(i＝1、2…、M+1)为M+1个相关值，N为拟合出的采样点。根据拟合处的采样点，进行到达时间信息的计算：TOA＝T₁-T₀+N，其中T₀为发送时刻标签记录的发送时刻。

本发明中，采样倍数K大于等于3，小于等于8。主要考虑因素为：一个码片包含的样点数过少(小于3)，则拟合的误差较大；样点数过多，增加了计算的复杂度，并且不能改善拟合的精度。分组数M为K的3倍。主要考虑因素为：拟合算法的输入参数应有相关性，根据伪随机序列的特性可知，当前码片以及前后各1个码片，共3个码片的相关值具有相关性。

如图2所示，本发明还提供了一种基于上述的高精度到达时间计算方法的无线通信收发装置，包括收发天线、无线通信收发装置、控制终端；

收发天线，用于无线信号的发射和接收；无线通信收发装置，用于高精度的TOA计算；控制终端，用于对无线通信收发装置的控制；

所述无线通信收发装置，如图3所示，包括数字接收前端、接收序列分配模块、M+1个相关器、本地序列产生器、相关值拟合模块；数字接收前端连接至接收序列分配模块，控制终端对接收序列分配模块的粗同步采样点起始位置进行控制；接收序列分配模块分别与M+1个相关器一输入端连接；本地序列产生器分别与M+1个相关器另一输入端连接；M+1个相关器输出端接至相关值拟合模块，由拟合模块输出TOA信息。

所述相关值拟合模块原理为拟合算法为：

其中，P_i(i＝1、2…、M+1)为M+1个相关值，N为拟合出的采样点；通过如图4所示的设计即实现该算法的功能。

在一个优选实施例中，过采样因子K设计为4，分组数M设计为12，则具体计算过程如下：

步骤1、节点A在T₀时刻通过无线通信收发装置单元2和天线单元1，发射一帧数据，该数据包含时刻标签T₀和伪随机序列；

步骤2、节点B通过无线通信收发装置单元2和天线单元1，采用与节点A码片速率相同的采样速率，对接收到的伪随机序列原始信号进行采样，并用与节点A相同的伪随机序列与采样后的数据进行相关，获得的相关值大于门限，则认为粗同步成功；给出接收到的伪随机序列在码片速率级别的起点，同时记录当前节点B的时刻为T₁。

步骤3、节点B粗同步成功后，采用4倍码片速率的采样速率，对接收到的伪随机序列原始信号进行采样，并从粗同步给出的采样起点开始，将采样起始点依次往后移动0-12个采样点，从而获得13组过采样接收序列；

步骤4、节点B对本地伪随机序列进行4倍过采样，将该过采样序列与接收到的13组接收序列进行相关，得到13个相关值；

步骤5、采用相关值拟合算法单元7、单元9和单元10，获得一个高精度同步时间点，从而获得本地高精度到达时间信息TOA＝T₁-T₀+N。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明的计算方法实现简单，计算精度高，仅需要在传统猝发通信同步方法的基础上增加相关值拟合模块。在其他条件一致的情况下，如果设计采样率为50Msps，本发明的计算精度可以从传统同步方法的20纳秒提升到2纳秒。

(2)本发明的计算方法动态适应能力强，在猝发通信体制下，由于采用了拟合算法，克服了DLL技术环路稳定性差，所需突发时隙长的问题(时隙长度能够从DLL技术的百毫秒量级缩短至毫秒或者百微秒量级)，在大机动、高动态的环境中取得了更加稳定、精确的TOA信息。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (8)

1.一种用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、无线网络节点A和B相互通信，节点A发送一帧包含发送时刻标签及约定的伪随机序列的数据至节点B；

步骤2、节点B进行粗同步确定接收的伪随机序列时间起点及粗同步时刻；

步骤3、节点B对接收的数据从伪随机序列时间起点依次向后进行多次采样获得M+1组数据；

步骤4、节点B对本地约定的伪随机序列进行过采样，得到一组本地序列数据；

步骤5、将本地序列数据与M+1组数据分别进行相关累加取绝对值，得到M+1个相关值；

步骤6、采用拟合算法对M+1个相关值进行拟合计算，得到一个高精度同步时间点，从而计算得到本地高精度到达时间信息；

所述步骤6中的拟合算法为：

其中，P_i(i＝1、2…、M+1)为M+1个相关值，N为拟合出的采样点；

到达时间信息的计算方法为：TOA＝T₁-T₀+N，其中T₀为发送时刻标签记录的发送时刻，T₁为粗同步时刻。

2.根据权利要求1所述的用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法，其特征在于，所述步骤2中粗同步的具体方法为：节点B对接收到的原始信号进行采样，在采样速率上与本地伪随机序列进行相关，得到一个相关值，将该相关值与门限比较，如果大于门限，则认为粗同步完成，确定接收伪随机序列时间起点和粗同步时刻；所述采样速率为伪随机序列的码片速率。

3.根据权利要求2所述的用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：节点B在粗同步确定的时间起点，用K倍码片速率的采样速率对原始信号进行采样，获得1组数据；将采样时间起点向后挪动M个采样点，依次获得M组数据，得到M+1组数据。

4.根据权利要求3所述的用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法，其特征在于，步骤4和步骤5的具体过程为：节点B对本地伪随机序列进行K倍过采样，得到1组长度为原伪随机序列长度K倍的本地序列数据，将本地序列数据与步骤3得到的M+1组数据分别进行相关累加取绝对值，得到M+1个相关值。

5.根据权利要求3或4所述的用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法，其特征在于，采样倍数K大于等于3，小于等于8。

6.根据权利要求5所述的用于猝发通信体制的高精度到达时间计算方法，其特征在于，分组数M为K的3倍。

7.一种基于权利要求1-6之一所述的高精度到达时间计算方法的无线通信系统，其特征在于，包括收发天线、无线通信收发装置和控制终端，

收发天线，用于无线信号的发射和接收；无线通信收发装置，用于高精度的TOA计算；

控制终端，用于对无线通信收发装置的控制；

所述无线通信收发装置，包括数字接收前端、接收序列分配模块、M+1个相关器、本地序列产生器和相关值拟合模块；数字接收前端连接至接收序列分配模块，控制终端对接收序列分配模块的粗同步采样点起始位置进行控制；接收序列分配模块分别与M+1个相关器一输入端连接；本地序列产生器分别与M+1个相关器另一输入端连接；M+1个相关器输出端接至相关值拟合模块，由拟合模块输出TOA信息。

8.根据权利要求7所述的无线通信系统，其特征在于，所述相关值拟合模块原理为拟合算法为：

其中，P_i(i＝1、2…、M+1)为M+1个相关值，N为拟合出的采样点；到达时间信息的计算方法为：TOA＝T₁-T₀+N，其中T₀为发送时刻标签记录的发送时刻，T₁为粗同步时刻。

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