CN113133088B - 一种无线通信信道扫描方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线通信信道扫描方法及装置，属于无线通信技术领域。本发明对初步筛选出的信道进行划分得到多个子频带，计算各子频带的平均功率，并以此筛选得到候选频点及信道列表；根据每个候选频点及信道功率增益调整后的信号平均功率选取增益调整量，按照选取的增益调整量调整接收侧可编程增益放大器，以接收每个候选频点及信道的信号数据，并对接收信号数据进行数字增益调整，将经过数字增益控制调整的接收信号与本地前导序列进行互相关检测，互相关峰值大于设定峰值的频点及信道为存在网络的频点及信道。通过上述过程，本发明无需对每个频点及信道都进行计算，同时也无需对预设的各增益值都进行尝试，从而减少STF相关的次数，节省计算量。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信信道扫描方法及装置，属于无线通信技术领域。
背景技术
对于终端而言，信道扫描就是从特定的频段和频点信道中找出合适的频点，基于该频点信道尝试接入网络并进行后续通信。
国网双模无线频段范围为470～510MHz，物理层支持3种通信模式和带宽，分别为Option1对应1MHz，Option2对应500kHz，Option3对应200kHz。相应地，根据不同信道带宽，将无线频段划分为多个信道，每一个网络使用同一个无线信道。CCO(CentralCoordinator，中央协调器)决定网络使用的无线信道号，STA(Station，站点)上电依次在每个无线信道上扫描，发现无线信道上存在网络，则尝试在该无线信道上接入网络。
根据国网双模无线技术规范，在470～510MHz频段范围内总共可以部署318个有效频点。在没有任何先验信息的前提下，需要较长的时间才能完全扫描一遍，继而影响到整个信道扫描过程。
一般网络工作频点的RSSI值要高于其他空闲频点的RSSI值，所以根据频段内各频点的RSSI值从高到低的排序关系，优先搜索高RSSI的频点，可以更容易发现网络的工作频点。为了缩短信道扫描时间，传统的做法是将信道扫描过程分为粗扫和精扫两个阶段处理。首先，在给定的频段上按照设定的步长进行粗搜，根据各频点RSSI值的大小，从高到低确定一个粗扫频点列表，排除一些RSSI过小的频点；其次，进一步评估粗扫频点周围的若干个精扫频点，得到精扫的频点列表，挑选最有可能的频点上报。通过粗扫和精扫两个步骤，在一定程度上减少了扫频处理的时间，达到了缩短搜网时间的目的。
而对于国网双模无线，可部署有效频点数量较大，如果还采用传统方法，整个信道扫描时间会很长。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线通信信道扫描方法及装置，以解决目前信道扫描过程中存在的效率低、耗时长的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种无线通信信道扫描方法，该扫描方法包括以下步骤：
1)根据接收信号的功率，初步筛选被占用的信道；
2)计算初步筛选出的信道内各子载波的功率，将初步筛选出的信道按照设定带宽进行划分得到多个子频带，计算各子频带的平均功率，并以此筛选得到候选频点及信道列表；
3)依次选取一个候选频点及信道，按照预设的增益值调节接收侧可编程增益放大器，计算经调节的后的接收信号的平均功率，选取平均功率小于等于预设门限对应的增益值或者预设的增益值中的最小增益值对接收信号进行数字增益控制调整；
4)将经过数字增益控制调整的接收信号与本地前导序列进行互相关检测，互相关峰值大于设定峰值的频点及信道为存在网络的频点及信道。
本发明还提供了一种无线通信信道扫描装置，该扫描装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现本发明所述的无线通信信道扫描方法。
本发明还提供了一种无线通信信道扫描装置，该装置包括功率评估模块，信道筛选模块和信道确定模块，
所述功率评估模块用于根据接收信号的功率，初步筛选被占用的信道；
所述信道筛选模块用于计算初步筛选出的信道内各子载波的功率，将初步筛选出的信道按照设定带宽进行划分得到多个子频带，计算各子频带的平均功率，并以此筛选得到候选频点及信道列表；
所述信道确定模块用于依次选取一个候选频点及信道，按照预设的增益值调节接收侧放大器，计算经调节的后的接收信号的平均功率，选取平均功率小于等于预设门限对应的增益值或者预设的增益值中的最小增益值对接收信号进行数字增益控制调整；并将经过数字增益控制调整的接收信号与本地前导序列进行互相关检测，选取互相关峰值大于设定峰值的频点及信道为存在网络的频点及信道。
本发明对初步筛选出的信道进行划分得到多个子频带，计算各子频带的平均功率，并以此筛选得到候选频点及信道列表；根据每个候选频点及信道功率增益调整后的信号平均功率选取增益调整量，按照选取的增益调整量调整接收侧可编程增益放大器以接收信号，并对每个候选频点及信道的接收信号进行数字增益调整，将经过数字增益控制调整的接收信号与本地前导序列进行互相关检测，互相关峰值大于设定峰值的频点及信道为存在网络的频点及信道。通过上述过程，本发明无需对每个频点及信道都进行计算，同时也无需对预设的各增益值都进行尝试，从而减少STF相关的次数，节省计算量。
进一步地，为准确获取每个候选频点及信道的增益调整量，所述步骤3)的实现过程如下：
a.依次选取候选信道扫描列表中的一个频点及信道，设置接收机滤波器；
b.根据预设的AGC调整增益列表，按照AGC增益值从大到小的顺序依次调节接收侧PGA并接收采样信号；
c.计算接收到的采样信号的平均功率；
d.判断此次调整的AGC增益值是否为所述AGC调整增益列表中的最小值，若不是，则进入到步骤e，若是，则进入到步骤f；
e.将接收到的采样信号的平均功率与预设门限进行比较，若小于等于预设门限，则转到步骤f，否则，返回到步骤b中按照下一个AGC增益值进行调整；
f.根据信号平均功率值对当前滑动窗口信号进行数字增益控制调整；
g.更新信号平均功率值，用于下一滑动窗口的数字增益控制调整判断。
进一步地，所述步骤g中信号平均功率更新采用的公式为：
iMeanPower＝iMeanPower·(1-β)+avrgPower·β
iMeanPower为信号平均功率，avrgPower为当前滑动窗口的信号平均功率，β为平滑因子，0≤β≤1。
进一步地，所述步骤1)中是按照无线信道带宽最大值作为扫描频率，对接收机接收到的数据进行扫描，计算接收数据的平均功率，选取接收数据平均功率大于预设阈值的信道作为初步筛选出的信道。
进一步地，所述接收数据平均功率采用的计算公式为：
RSSIdB＝10·log10(dRSSI)-GAGC
GAGC为当前接收自动增益控制调整的功率增益值，dRSSI为模拟数字转换器输出采样信号的平均功率值。
进一步地，所述步骤2)中设定带宽为无线信道带宽最小值。
进一步地，所述步骤2)中的候选频点及信道为平均功率大于设定功率的子频带对应的频点及信道。
附图说明
图1是无线无线通信系统中物理层帧结构示意图；
图2是本发明实施例中无线通信信道扫描方法的流程图；
图3是本发明实施例中信道扫描接收信号功率调整过程的流程示意图；
图4是本发明实施例中无线通信信道扫描装置的结构框图；
图5是本发明无线通信信道扫描装置中功率评估模块的组成结构示意图；
图6是本发明无线通信信道扫描装置中信道确定模块组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
方法实施例
在国网双模无线技术规范中，物理层帧结构如图1所示。物理协议数据单元(Physical Layer Protocol Data Unit，PPDU)由前导、SIG(PHR Control Signal，PHR控制字)、PHR(Physical Header，物理帧头)和PSDU(PHY Service Data Unit，物理层服务数据单元)组成。其中，前导分为短训练域(Short Training Field，STF)和长训练域(LongTraining Field，LTF)两部分，均为周期序列。PPDU信号有3种模式，分别为Option1对应1MHz，Option2对应500kHz，Option3对应200kHz。
国网双模无线的频段范围为470～510MHz，根据上述不同通信模式和带宽，可总共部署318个有效频点和信道。
为节省信道扫描时间，本发明首先设置接收机滤波器带宽为无线信道带宽最大值BWmax＝1MHz，每隔BWmax扫描频率，获取相应扫描频带内接收采样信号的平均功率，若接收采样信号的平均功率高于预设的阈值，则判定信道被占用。接着，在频域上计算频带内个子载波的功率，并以无线信道带宽最小值BWmin＝200kHz为单位计算最小频带的平均功率值，基于所述最小频带的平均功率值筛选获得候选信道及频点列表，再根据候选信道及频点，依次设置接收机滤波器以及调整功率增益值接收无线信号并进行前导同步互相关检测，最后根据同步互相关检测结果判决无线信道是否存在网络。该方法的实现流程如图2所示，具体过程如下。
1.根据接收数据的功率进行信道筛选。
将接收机滤波器带宽设置为无线信道带宽最大值BWmax，这里BWmax取值为1MHz，设置PLL本振每隔BWmax扫描频率，接收机接收空口中的数据，计算接收数据的平均功率，如果接收数据的平均功率高于预设的阈值Thld1，则判定信道被占用，并转到步骤2，否则继续。
接收数据平均功率的计算方法如下：
RSSIdB＝10·log10(dRSSI)-GAGC (1)
这里，GAGC为当前接收AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)调整的功率增益值，dRSSI为ADC(Analog to Digital Converter，模拟数字转换器)输出采样信号的平均功率值，
r[n]为ADC输出采样信号，n为采样信号索引，n＝0,1,...,N-1，N为接收时间窗内的数据长度，N可取值为128。
2.对筛选出的信道中的时域采样信号进行频域变换，并计算其中各子载波的功率。
本实施例采用傅立叶变换的方式将筛选出的信道中的时域采样信号进行频域变换，其中频带内各子载波的功率，计算方法如下：
scPower[k]＝|R[k]|2 (2)
这里，R[k]为扫描频带的频域采样信号，k为子载波编号。
3.根据得到的各子载波功率计算最小频带的平均功率值。
以无线信道带宽最小值BWmin为单位计算最小频带的平均功率值，计算方法如下：
这里，scPower[k]为子载波的功率，k为子载波编号，Kmin为带宽等于BWmin的信道所包含的子载波数，Kmin可取值为32。p为扫描频带按带宽BWmin划分后的子频带索引，
p＝1MHz/200kHz＝5。
4.根据最小频带的平均功率值确定候选频点及信道列表。
将得到最小频带的平均功率NRSSI[p]与预设的阈值Thld2相比较，如果满足NRSSI[p]大于Thld2，则对照预先存储的无线信道频点查找表，找到与子频带p最接近的频点及信道，记录为候选频点及信道。如果有连续多个子频带满足NRSSI[p]大于Thld2，那么先将这些子频带进行合并，再对照预先存储的无线信道频点查找表，找到与合并后的频带最接近的频点及信道，记录为候选频点及信道。
5.按照确定的候选频点及信道列表，依次设置接收机滤波器及调整功率增益值接收无线信号。
该步骤基于所述最小频带的平均功率值筛选获得候选信道及频点列表，再根据候选信道及频点，依次设置接收机滤波器以及调整功率增益值接收无线信号，实现流程如图3所示，具体包括以下步骤。
1)依次选取候选信道扫描列表中的一个频点及信道，设置接收机滤波器。
2)初始化信号平均功率值iMeanPower＝thrldSamplePower。根据预设的AGC调整增益列表GainList，按照AGC增益值从大到小的顺序依次尝试一个增益值，调节接收侧PGA(Programmable Gain Amplifier，可编程增益放大器)并接收采样信号。这里thrldSamplePower为预设的信号功率门限值，GainList＝[GainH,…,Gain1,Gain0]，且GainH＞…＞Gain1＞Gain0；为节省扫描时间，这里一般可设置3个增益值，从大到小可分别取值为70dB、40dB和10dB。
3)接收Ns个时域采样点(Ns为一个滑动窗的数据长度，可设置为当前搜索信道带宽对应的STF的长度)，计算当前滑动窗口的信号平均功率，记为avrgPower，这里，
r[i]为接收采样点信号，i为接收采样点信号的索引，I和Q分别为复数信号r[i]的实部和虚部。
4)判断此次AGC尝试是否为Gain0 dB，如果不是，则转到步骤5)，否则转到步骤6)。
5)对于AGC增益调整值大于Gain0 dB，首先将信号平均值iMeanPower与预设的门限值tDagcPower进行比较，tDagcPower是预设的一个门限值，是根据仿真得到的一个经验值，iMeanPower是根据实际接收信号计算得到的信号平均功率，这里的接收信号是经过增益调整后的，如果iMeanPower小于等于tDagcPower，则转到步骤6)，否则返回步骤2)，进行下一个AGC增益值尝试。
6)根据信号平均值iMeanPower对当前滑动窗口信号进行DAGC(DigitaliAutomatic Gain，数字增益控制)调整，将输入信号放大到合理的量化比特。
7)更新iMeanPower，用于下一滑动窗口DAGC调整判断，更新公式为：
iMeanPower＝iMeanPower·(1-β)+avrgPower·β
其中avrgPower为当前滑动窗口的信号平均功率，β为平滑因子，0≤β≤1，β可取值为0.05。一般而言，可以认为相邻两个滑动窗的接收信号平均功率变化不大。因而可以将当前窗口计算得到的信号平均功率，用于下一个滑动窗功率调整判断的依据，这样，无需存储一个窗口长度的数据，并且无需等待当前滑窗算出平均功率后再依此对当前滑窗进行功率调整，从而可以减少存储面积及处理时延。这里的iMeanPower存储的是根据接收数据计算得到的平均信号功率，每个滑动窗都会计算并更新，下一个滑窗会根据前一个滑窗计算得到的iMeanPower进行功率调整。
通过上述过程，可以确定所有频点的调整增益。
6.经过增益调整后的各频点的接收信号与本地前导序列进行互相关检测，根据互相关检测结果判决信道是否存在网络。
依次将经增益调整后各频点信道的接收信号与本地前导序列进行互相关运算，并将互相关峰值corrPower与预设的阈值Thld3相比较，如果corrPower大于等于Thld3，则判定所述当前扫描的信道中存在网络；否则判断是否达到预设的检测时间，如果检测时间未超时，则保持当前配置，继续接收数据并进行互相关检测；如果检测时间已超时，则标记当前频点信道为空闲信道，并继续下一个频点信道的接收扫描，直至遍历候选信道列表中的所有频点。
通过上述步骤，本发明能够在无线频段范围大、频点信道较多且多种信道带宽并存的情况下，高效地实现信道扫描，具有搜网速度快，精度高，实现复杂度低的特点，在OFDM系统中具有很高的应用价值。
装置实施例1
本实施例提出的装置包括处理器、存储器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行计算机程序时实现上述方法实施例的方法。也就是说，以上方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现无线通信信道扫描方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置；本实施例所指的存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。
通过上述存储器、处理器以及计算机程序构成的装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，处理器可以搭载各种操作系统，如windows操作系统、linux系统、android、iOS系统等。作为其他实施方式，装置还可以包括显示器，显示器用于将同步检测结果展示出来，以供工作人员参考。
装置实施例2
为实现上述无线通信信道扫描过程，本发明还提供了一种无线通信信道扫描装置，如图4所示，该装置包括功率评估模块、信道筛选模块和信道确定模块。其中功率评估模块包括能量检测子模块、时频转换子模块和功率计算子模块，如图5所示。能量检测子模块用于检测接收信号质量，获取接收数据平均功率RSSIdB；时频转换模块用于通过快速傅立叶变换，将时域数据转换成频域数据；功率计算子模块用于计算最小频带的平均功率值。信号筛选模块用于根据最小频带的平均功率值筛选得到候选频点及信道列表。如图6所示，信道确定模块包括增益调整子模块、互相关子模块和信道判决子模块，其中，增益调整子模块用于根据预设的接受功率增益列表，依次调整接收信号的功率；互相关子模块用于将经过功率增益调整后的信号与本地前导序列信号进行互相关计算；信道判决子模块用于根据互相关结果判断当前扫描频点信道是否存在网络。上述各模块的具体实现过程已在方法实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。
Claims (8)
1.一种无线通信信道扫描方法，其特征在于，该扫描方法包括以下步骤：
1)根据接收信号的功率，初步筛选被占用的信道；
2)计算初步筛选出的信道内各子载波的功率，将初步筛选出的信道按照设定带宽进行划分得到多个子频带，计算各子频带的平均功率，并以此筛选得到候选频点及信道列表；
3)对接收信号进行数字增益控制调整，具体实现过程如下：
a.依次选取候选信道扫描列表中的一个频点及信道，设置接收机滤波器；
b.根据预设的AGC调整增益列表，按照AGC增益值从大到小的顺序依次调节接收侧PGA并接收采样信号；
c.计算接收到的采样信号的平均功率；
d.判断此次调整的AGC增益值是否为所述AGC调整增益列表中的最小值，若不是，则进入到步骤e，若是，则进入到步骤f；
e.将接收到的采样信号的平均功率与预设门限进行比较，若小于等于预设门限，则转到步骤f，否则，返回到步骤b中按照下一个AGC增益值进行调整；
f.根据信号平均功率值对当前滑动窗口信号进行数字增益控制调整；
g.更新信号平均功率值，用于下一滑动窗口的数字增益控制调整判断；4)将经过数字增益控制调整的接收信号与本地前导序列进行互相关检测，互相关峰值大于设定峰值的频点及信道为存在网络的频点及信道。
2.根据权利要求1所述的无线通信信道扫描方法，其特征在于，所述步骤g中信号平均功率更新采用的公式为：
iMeanPower＝iMeanPower·(1-β)+avrgPower·β
iMeanPower为信号平均功率，avrgPower为当前滑动窗口的信号平均功率，β为平滑因子，0≤β≤1。
3.根据权利要求1所述的无线通信信道扫描方法，其特征在于，所述步骤1)中是按照无线信道带宽最大值作为扫描频率，对接收机接收到的数据进行扫描，计算接收数据的平均功率，选取接收数据平均功率大于预设阈值的信道作为初步筛选出的信道。
4.根据权利要求3所述的无线通信信道扫描方法，其特征在于，所述接收数据平均功率采用的计算公式为：
RSSIdB＝10·log10(dRSSI)-GAGC
GAGC为当前接收自动增益控制调整的功率增益值，dRSSI为模拟数字转换器输出采样信号的平均功率值。
5.根据权利要求1所述的无线通信信道扫描方法，其特征在于，所述步骤2)中设定带宽为无线信道带宽最小值。
6.根据权利要求1所述的无线通信信道扫描方法，其特征在于，所述步骤2)中的候选频点及信道为平均功率大于设定功率的子频带对应的频点及信道。
7.一种无线通信信道扫描装置，其特征在于，该扫描装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现如上述权利要求1-6任一项所述的无线通信信道扫描方法。
8.一种无线通信信道扫描装置，其特征在于，该装置包括功率评估模块，信道筛选模块和信道确定模块，
所述功率评估模块用于根据接收信号的功率，初步筛选被占用的信道；
所述信道筛选模块用于计算初步筛选出的信道内各子载波的功率，将初步筛选出的信道按照设定带宽进行划分得到多个子频带，计算各子频带的平均功率，并以此筛选得到候选频点及信道列表；
所述信道确定模块用于对接收信号进行数字增益控制调整,具体实现过程如下：
a.依次选取候选信道扫描列表中的一个频点及信道，设置接收机滤波器；
b.根据预设的AGC调整增益列表，按照AGC增益值从大到小的顺序依次调节接收侧PGA并接收采样信号；
c.计算接收到的采样信号的平均功率；
d.判断此次调整的AGC增益值是否为所述AGC调整增益列表中的最小值，若不是，则进入到步骤e，若是，则进入到步骤f；
e.将接收到的采样信号的平均功率与预设门限进行比较，若小于等于预设门限，则转到步骤f，否则，返回到步骤b中按照下一个AGC增益值进行调整；
f.根据信号平均功率值对当前滑动窗口信号进行数字增益控制调整；
g.更新信号平均功率值，用于下一滑动窗口的数字增益控制调整判断；
并将经过数字增益控制调整的接收信号与本地前导序列进行互相关检测，选取互相关峰值大于设定峰值的频点及信道为存在网络的频点及信道。
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