CN113078937B - 一种tdd体制下的数据链下行链路的捕获方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法及其系统，包括：S1：地面端通过上行链路传输上行时隙数据至机载端；S2：机载端通过下行链路反馈下行时隙数据至地面端；S3：计算所述下行时隙数据的相关峰值；S4：基于自适应门限对所述相关峰值进行下行链路判定；S5：在首次捕获所述下行链路时，基于预设捕获时间窗口持续捕获所述下行链路。本发明通过设置预设捕获时间窗口与相关匹配运算相配合进行帧头的捕获，有效地保证了真实帧头的捕获成功率，并根据无人机状态调用相应的预设捕获时间窗口值，有效降低了帧头误判率，进一步提升了真实帧头的捕获成功率。

Description

一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法及其系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法及其系统。
背景技术
无人驾驶飞机(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)简称为无人机，具有尺寸小，重量轻；机动性能好，适应性强；结构简单，成本低廉；使用限制少、无人员伤亡、隐蔽性好等优点，在军事和民用领域均得到了很广泛的应用。而数据链系统，包括遥测、遥控、信息传输和跟踪测量设备等，是无人机系统的重要组成部分，根据数据链传输方向的不同分为由地面基站向无人机终端传递指令的上行链路以及方向相反的下行链路，上行链路以窄带通信链路为主，通过地面基站对无人机的飞行状态进行控制，下行链路则负责完成包含无人机各状态参数的遥测数据和无人机所获得的静态图像、视频数据的信息传递，数据量较大。
基于TDD体制下的数据链系统，其上行链路和下行链路的收发是时分的，同时上下行链路的切换较快，这需要地面端和机载终端不停的进行帧捕获，若是通信过程中出现漏捕和错捕，则会造成数据丢失，对下行链路来说则会导致视频卡顿、机载端状态丢失、无法跟踪无人机姿态等情况，因此TDD体制下的数据链系统帧捕获技术是及其重要的，采用先进、可靠的帧头捕获体制技术，一方面可以大大降低漏捕和错捕概率，保证数据的正确传输，另一方面准确的帧头捕获可以增强无人机的可靠性，以免控制信息丢失，造成无人机失控。
但是，传统的TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法通常仅利用数据的相关性计算出相关峰，并与一个门限进行比对来判断帧头是否捕获到，从而完成下行链路数据的帧头捕获。该种判断方式容易出现两种判断错误的情况：①.当系统并未捕获但被误认为已经捕获的情况，这通常是由于判决门限低引起的，被称为虚警；②.当判决门限设置过高时，真实的帧头将会被过滤掉，这种情况下则会产生漏捕。
综上所述，传统的TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法存在帧头误判、帧头漏判的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法及其系统，通过改进数据处理方法，解决了传统的TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法存在的帧头误判、帧头漏判的问题。
为解决以上问题，本发明的技术方案为采用一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法，包括：S1：地面端通过上行链路传输上行时隙数据至机载端；S2：机载端通过下行链路反馈下行时隙数据至地面端；S3：计算所述下行时隙数据的相关峰值；S4：基于自适应门限对所述相关峰值进行下行链路判定；S5：在首次捕获所述下行链路时，基于预设捕获时间窗口持续捕获所述下行链路。
可选地，所述S5包括：S51：所述地面端在初始捕获状态时，首次捕获所述下行链路的情况下，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第一时间，并进入捕获跟踪状态；S52：所述地面端在捕获跟踪状态内第二次捕获所述下行链路时，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第二时间；S53：计算所述第一时间与所述第二时间的第一时间差值并判定所述第一时间差值是否在所述预设捕获时间窗口内；S54：若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口内，所述地面端进入捕获锁定状态，若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口外，所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态。
可选地，所述S5还包括：若无人机处于运动状态，所述地面端在捕获跟踪状态内，进行所述下行链路的多次捕获并至少采集所述相关峰值超过所述自适应门限的所述第二时间和第三时间；计算所述第一时间与所述第二时间的所述第一时间差值，计算所述第二时间与所述第三时间的所述第二时间差值；若所述第二时间差值在所述预设捕获时间窗口内且所述第二时间差值与所述第一时间差值的差值小于时间阈值，所述地面端进入捕获锁定状态，反之所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态。
可选地，生成所述预设捕获时间窗口的方法包括：判定所述无人机的飞行状态；若所述无人机处于静止状态，所述预设捕获时间窗口为t1，t1为下行超帧持续时间；若所述无人机处于运动状态，所述预设捕获时间窗口为[t1-Δt，t1+Δt]。
可选地，所述S4包括：利用公式threshold＝C×avg_power计算所述自适应门限，其中，threshold为所述自适应门限，C为阈值系数，avg_power为所述地面端接收到的信号的平均功率；在所述相关峰值高于所述自适应门限时，判定捕获到所述下行链路；在所述相关峰值低于所述自适应门限时，判定未捕获到所述下行链路，等待接收下一次信号。
可选地，所述S3包括：基于预存储的帧头已知符号与所述下行时隙数据进行相关匹配计算，利用公式
Figure BDA0002985015410000031
计算所述下行时隙数据的所述相关峰值，其中，u(k)为所述相关峰值，为L为已知符号长度，rk为接收到的信号序列，
Figure BDA0002985015410000032
为预存储的所述帧头已知符号。
相应地，本发明提供，一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获系统，包括：机载端，用于通过下行链路反馈下行时隙数据至地面端；所述地面端，用于通过上行链路传输上行时隙数据至机载端，并基于所述下行时隙数据计算相关峰值后，基于自适应门限对所述相关峰值进行下行链路判定，在首次捕获所述下行链路时，基于预设捕获时间窗口持续捕获所述下行链路。
可选地，所述地面端在初始捕获状态时，首次捕获所述下行链路的情况下，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第一时间，并进入捕获跟踪状态，所述地面端在捕获跟踪状态内第二次捕获所述下行链路时，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第二时间，计算所述第一时间与所述第二时间的第一时间差值并判定所述第一时间差值是否在所述预设捕获时间窗口内，其中，若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口内，所述地面端进入捕获锁定状态，若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口外，所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态。
可选地，所述地面端基于预存储的帧头已知符号与所述下行时隙数据进行相关匹配计算，利用公式
Figure BDA0002985015410000041
计算所述下行时隙数据的所述相关峰值，其中，u(k)为所述相关峰值，为L为已知符号长度，rk为接收到的信号序列，
Figure BDA0002985015410000042
为预存储的所述帧头已知符号。
本发明的首要改进之处为提供的TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法，通过利用在TDD机制下，地面端接收到连续两帧下行链路的时间差基本恒定的特性，设置预设捕获时间窗口与相关匹配运算相配合进行帧头的捕获，有效地保证了真实帧头的捕获成功率，并根据无人机状态调用相应的预设捕获时间窗口值，有效降低了帧头误判率，进一步提升了真实帧头的捕获成功率。
附图说明
图1是本发明的TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法的简化流程图；
图2是本发明的TDD体制下的数据链下行链路的捕获系统的简化模块连接图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法，包括：
S1：地面端通过上行链路传输上行时隙数据至机载端。其中，机载端与地面端之间采用TDD(时分双工)技术进行通信，即系统收发采用同一个物理端口，收发分时进行，其特点是：通过时间片对发射和接收信道进行分离，单方向资源在时间上不连续。具体的，在初始时刻，地面端发送上行突发，经过传输延时后，机载端捕获到该上行突发；由于上行突发时隙持续时间为已知值，因此机载端在捕获到上行突发后，经过一段固定时延以及一定的处理时延后，开始发送下行突发；同样，经过传输延时后，地面端捕获到该下行突发；由于下行突发时隙持续时间为已知值，因此，地面端在捕获到下行突发后，经过一段固定时延及一定的处理时延后，开始发送上行突发；地面端与机载端之间通过重复上述步骤进行通信，即构成TDD收发系统。
S2：机载端通过下行链路反馈下行时隙数据至地面端。
S3：计算所述下行时隙数据的相关峰值。
进一步的，所述S3包括：基于预存储的帧头已知符号与所述下行时隙数据进行相关匹配计算，利用公式
Figure BDA0002985015410000051
计算所述下行时隙数据的所述相关峰值，其中，u(k)为所述相关峰值，为L为已知符号长度，rk为接收到的信号序列，
Figure BDA0002985015410000052
为预存储的所述帧头已知符号。
S4：基于自适应门限对所述相关峰值进行下行链路判定。
进一步的，所述S4包括：利用公式threshold＝C×avg_power计算所述自适应门限，其中，threshold为所述自适应门限，C为阈值系数，avg_power为所述地面端接收到的信号的平均功率，即IQ两路信号进入基带后，根据公式
Figure BDA0002985015410000053
可得到IQ信号功率，再经过一定时间周期内的接收信号累加做均值计算，得到信号平均功率；在所述相关峰值高于所述自适应门限时，判定捕获到所述下行链路；在所述相关峰值低于所述自适应门限时，判定未捕获到所述下行链路，等待接收下一次信号。
S5：在首次捕获所述下行链路时，基于预设捕获时间窗口持续捕获所述下行链路。
进一步的，所述S5包括：S51：所述地面端在初始捕获状态时，首次捕获所述下行链路的情况下，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第一时间，并进入捕获跟踪状态；S52：所述地面端在捕获跟踪状态内第二次捕获所述下行链路时，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第二时间；S53：计算所述第一时间与所述第二时间的第一时间差值并判定所述第一时间差值是否在所述预设捕获时间窗口内；S54：若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口内，所述地面端进入捕获锁定状态，若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口外，所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态。
更进一步的，由于系统在实际运行中，由于无人机的移动带来的机载端与地面端之间的距离改变，以及实际应用场景中可能存在的系统误差，导致地面端接收到连续两帧下行链路的时间差无法完全一致，因此，本发明通过设置在无人机处于运动状态时，调用数值为一个阈值区间的预设捕获时间窗口进行捕获判定，提升了帧头捕获的准确率，并进一步添加至少连续三帧下行链路之间的相关峰值时间差的判定，保证了帧头捕获的准确率的同时降低了误判率，具体的，所述S5还包括：若无人机处于运动状态，所述地面端在捕获跟踪状态内，进行所述下行链路的多次捕获并至少采集所述相关峰值超过所述自适应门限的所述第二时间和第三时间；计算所述第一时间与所述第二时间的所述第一时间差值，计算所述第二时间与所述第三时间的所述第二时间差值；若所述第二时间差值在所述预设捕获时间窗口内且所述第二时间差值与所述第一时间差值的差值小于时间阈值，所述地面端进入捕获锁定状态，反之所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态。其中，本领域人员应当知悉的是，上述第一、第二、第三等限定仅为说明本方法的工作方式，在实际应用中由于TDD收发系统的持续性收发特性，地面端可以利用任意的至少连续三帧下行链路之间的相关峰值时间差进行捕获判定。具体的，时间阈值可由本领域技术人员根据实际无人机自身参数、运动参数进行自行设定，例如：在无人机以30m/s运动，且运动方向在地面与无人机的坐标直线上的情况下，所述时间阈值为0.002us。
更进一步的，生成所述预设捕获时间窗口的方法包括：判定所述无人机的飞行状态；若所述无人机处于静止状态，所述预设捕获时间窗口为t1，t1为下行超帧持续时间；若所述无人机处于运动状态，所述预设捕获时间窗口为[t1-Δt，t1+Δt]。其中，Δt为无人机在两帧下行链路数据采集时的位移改变量产生的理论数据传输时间改变量；下行超帧持续时间为机载端发往地面端一帧超帧持续的时间，与超帧结构有关。
更进一步的，发明人在使用上述方法进行下行链路数据的帧头捕捉试验时发现，虽然本方法极大的提升了真实帧头的捕获率，但在部分实验环境下存在较低程度的帧头漏判，经分析发现其原因在于预设的所述自适应门限虽然能够较好的降低虚警和漏捕概率，但是自适应门限的设定仅能在理想环境下进行标定，而系统的实际应用场景中包含较多环境复杂的应用场景，存在环境干扰、信号传输中存在的介质干扰等系统误差问题造成实际地面端接收的信号的能量强度可能比理想值低，在此情况下，仅单纯的使用自适应门限进行帧头捕捉会造成一定概率的漏捕，因此，本发明进一步的提出：地面端在捕获跟踪和捕获锁定状态下，若采集的下行链路数据出现相关峰峰值略小于门限值的情况，则先将该次捕获硬判定为捕获成功状态，同时开始计时，直到下一次的相关峰峰值到来时再停止计时，若计时值等于或接近超帧持续时间，则可认定该次相关峰峰值虽小于自适应门限，但确实采集到了真实的帧头，可以判定依然捕获成功，从而大大降低漏帧的情况。
本发明通过利用在TDD机制下，地面端接收到连续两帧下行链路的时间差基本恒定的特性，设置预设捕获时间窗口与相关匹配运算相配合进行帧头的捕获，有效地保证了真实帧头的捕获成功率，并根据无人机状态调用相应的预设捕获时间窗口值，有效降低了帧头误判率，进一步提升了真实帧头的捕获成功率。
相应的，如图2所示，本发明提供，一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获系统，包括：机载端，用于通过下行链路反馈下行时隙数据至地面端；所述地面端，用于通过上行链路传输上行时隙数据至机载端，并基于所述下行时隙数据计算相关峰值后，基于自适应门限对所述相关峰值进行下行链路判定，在首次捕获所述下行链路时，基于预设捕获时间窗口持续捕获所述下行链路。
进一步的，所述地面端在初始捕获状态时，首次捕获所述下行链路的情况下，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第一时间，并进入捕获跟踪状态，所述地面端在捕获跟踪状态内第二次捕获所述下行链路时，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第二时间，计算所述第一时间与所述第二时间的第一时间差值并判定所述第一时间差值是否在所述预设捕获时间窗口内，其中，若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口内，所述地面端进入捕获锁定状态，若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口外，所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态。
更进一步的，所述地面端基于预存储的帧头已知符号与所述下行时隙数据进行相关匹配计算，利用公式
Figure BDA0002985015410000081
计算所述下行时隙数据的所述相关峰值，其中，u(k)为所述相关峰值，为L为已知符号长度，rk为接收到的信号序列，
Figure BDA0002985015410000082
为预存储的所述帧头已知符号。
以上对本发明实施例所提供的TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法及其系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (6)

1.一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获方法，其特征在于，包括：
S1：地面端通过上行链路传输上行时隙数据至机载端；
S2：机载端通过下行链路反馈下行时隙数据至所述地面端；
S3：计算所述下行时隙数据的相关峰值；
S4：基于自适应门限对所述相关峰值进行下行链路判定；
S5：在首次捕获所述下行链路时，基于预设捕获时间窗口持续捕获所述下行链路，包括：S51：所述地面端在初始捕获状态时，首次捕获所述下行链路的情况下，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第一时间，并进入捕获跟踪状态；S52：所述地面端在捕获跟踪状态内第二次捕获所述下行链路时，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第二时间；S53：计算所述第一时间与所述第二时间的第一时间差值并判定所述第一时间差值是否在所述预设捕获时间窗口内；S54：若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口内，所述地面端进入捕获锁定状态，若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口外，所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态；其中，若无人机处于运动状态，所述地面端在捕获跟踪状态内，进行所述下行链路的多次捕获并至少采集所述相关峰值超过所述自适应门限的所述第二时间和第三时间；计算所述第一时间与所述第二时间的所述第一时间差值，计算所述第二时间与所述第三时间的所述第二时间差值；若所述第二时间差值在所述预设捕获时间窗口内且所述第二时间差值与所述第一时间差值的差值小于时间阈值，所述地面端进入捕获锁定状态，反之所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态。
2.根据权利要求1所述的数据链下行链路的捕获方法，其特征在于，生成所述预设捕获时间窗口的方法包括：
判定所述无人机的飞行状态；
若所述无人机处于静止状态，所述预设捕获时间窗口为t1，t1为下行超帧持续时间；
若所述无人机处于运动状态，所述预设捕获时间窗口为[t1-Δt，t1+Δt]。
3.根据权利要求2所述的数据链下行链路的捕获方法，其特征在于，所述S4包括：
利用公式threshold＝C×avg_power计算所述自适应门限，其中，threshold为所述自适应门限，C为阈值系数，avg_power为所述地面端接收到的信号的平均功率；
在所述相关峰值高于所述自适应门限时，判定捕获到所述下行链路；
在所述相关峰值低于所述自适应门限时，判定未捕获到所述下行链路，等待接收下一次信号。
4.根据权利要求3所述的数据链下行链路的捕获方法，其特征在于，所述S3包括：
基于预存储的帧头已知符号与所述下行时隙数据进行相关匹配计算，利用公式
Figure FDA0003877916470000021
计算所述下行时隙数据的所述相关峰值，其中，u(k)为所述相关峰值，为L为已知符号长度，rk为接收到的信号序列，
Figure FDA0003877916470000022
为预存储的所述帧头已知符号。
5.一种TDD体制下的数据链下行链路的捕获系统，其特征在于，包括：
机载端，用于通过下行链路反馈下行时隙数据至地面端；
所述地面端，用于通过上行链路传输上行时隙数据至机载端，并基于所述下行时隙数据计算相关峰值后，基于自适应门限对所述相关峰值进行下行链路判定，在首次捕获所述下行链路时，基于预设捕获时间窗口持续捕获所述下行链路，包括：所述地面端在初始捕获状态时，首次捕获所述下行链路的情况下，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第一时间，并进入捕获跟踪状态；所述地面端在捕获跟踪状态内第二次捕获所述下行链路时，采集所述相关峰值超过所述自适应门限的第二时间；计算所述第一时间与所述第二时间的第一时间差值并判定所述第一时间差值是否在所述预设捕获时间窗口内；若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口内，所述地面端进入捕获锁定状态，若所述第一时间差值在所述预设捕获时间窗口外，所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态；其中，若无人机处于运动状态，所述地面端在捕获跟踪状态内，进行所述下行链路的多次捕获并至少采集所述相关峰值超过所述自适应门限的所述第二时间和第三时间；计算所述第一时间与所述第二时间的所述第一时间差值，计算所述第二时间与所述第三时间的所述第二时间差值；若所述第二时间差值在所述预设捕获时间窗口内且所述第二时间差值与所述第一时间差值的差值小于时间阈值，所述地面端进入捕获锁定状态，反之所述地面端判定捕获超时并重新进入所述初始捕获状态。
6.根据权利要求5所述的数据链下行链路的捕获系统，其特征在于，所述地面端基于预存储的帧头已知符号与所述下行时隙数据进行相关匹配计算，利用公式
Figure FDA0003877916470000031
计算所述下行时隙数据的所述相关峰值，其中，u(k)为所述相关峰值，为L为已知符号长度，rk为接收到的信号序列，
Figure FDA0003877916470000032
为预存储的所述帧头已知符号。
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