CN113595955B - 一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法，配置恒包络零自相关序列和伪随机序列，将恒包络零自相关序列的生成和系统的身份标识号关联，将伪随机序列的生成和系统的身份标识号关联，用配置的恒包络零自相关序列和伪随机序列实施时域频域同步方法，根据通信系统所在环境的信噪比水平的不同，可以配置多个相同的恒包络零自相关序列和配置所生成的恒包络零自相关序列长度，可以配置多个相同的伪随机序列和配置所生成的伪随机序列长度，解决了常见的前导序列结构难以适应变化繁杂的物联网应用场景，导致时域频域同步方法在超低信噪比中方法性能不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法。
背景技术
无线通信系统，尤其是移动通信，经历了从模拟通信到数字通信、2G/3G/4G/5G到正在研究的6G的飞速发展，无疑是技术革新最快、市场容量最大的产业之一。
现有的无线通信系统中常采用固定的前导序列结构作为接收机同步方法的基础；
但常见的前导序列结构难以适应变化繁杂的物联网应用场景，导致时域频域同步方法在超低信噪比也面临着方法性能不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法，旨在解决常见的前导序列结构难以适应变化繁杂的物联网应用场景，导致时域频域同步方法在超低信噪比中方法性能不足的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法，包括：
配置恒包络零自相关序列和伪随机序列；
将恒包络零自相关序列的生成和系统的身份标识号关联；
将伪随机序列的生成和系统的身份标识号关联；
用配置的恒包络零自相关序列和伪随机序列实施时域频域同步方法。
其中，所述恒包络零自相关序列为Zadoff-Chu序列、广义Chirp-Like序列、Frank序列和Golomb多项序列中的任意一种。
其中，所述伪随机序列为m序列和Gold序列中的任意一种。
其中，在用配置的恒包络零自相关序列和伪随机序列实施时域频域同步方法中的具体方式为：计算恒包络零自相关序列的小数倍频偏估计值；计算伪随机序列的整数倍频偏估计值；计算符号定时所需补偿的时偏。
其中，在计算恒包络零自相关序列的小数倍频偏估计值中的具体方式为：接收机将接收的信号进行小数倍频偏补偿；将配置的恒包络零自相关序列的分段长度与本体参考的恒包络零自相关序列进行互相关序列计算；将计算所得的互相关序列进行合并得到当前小数倍频偏估计值。
其中，在计算伪随机序列的整数倍频偏估计值中的具体方式为：接收机将接收的信号进行整数倍频偏补偿；将伪随机序列的分段长度和本体参考的伪随机序列进行互相关序列计算；将计算所得的互相关峰值进行合并得到当前整数倍频偏估计值。
其中，在计算符号定时所需补偿的时偏的具体方式为：对小数倍频偏估计值进行补偿；对整数倍频偏估计值进行补偿；计算补偿后的小数倍频偏估计值和整数倍频偏估计值的峰值位置与本地参考序列的时间偏差。
本发明的一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法，配置恒包络零自相关序列和伪随机序列，将恒包络零自相关序列的生成和系统的身份标识号关联，将伪随机序列的生成和系统的身份标识号关联，用配置的恒包络零自相关序列和伪随机序列实施时域频域同步方法，根据通信系统所在环境的信噪比水平的不同，可以配置多个相同的恒包络零自相关序列和配置所生成的恒包络零自相关序列长度，可以配置多个相同的伪随机序列和配置所生成的伪随机序列长度，解决了常见的前导序列结构难以适应变化繁杂的物联网应用场景，导致时域频域同步方法在超低信噪比中方法性能不足的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法的流程图；
图2是时域频域同步方法的实施流程图；
图3是用配置的恒包络零自相关序列和伪随机序列实施时域频域同步方法的具体流程图；
图4是计算恒包络零自相关序列的小数倍频偏估计值的具体流程图；
图5是计算伪随机序列的整数倍频偏估计值的具体流程图；
图6是计算符号定时所需补偿的时偏的具体流程图；
图7是实施例1的流程图；
图8是弹性前导序列结构的通用示例图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图5，本发明提供一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法，包括：
S1、配置恒包络零自相关序列和伪随机序列；
所述恒包络零自相关序列为Zadoff-Chu序列、广义Chirp-Like序列、Frank序列和Golomb多项序列中的任意一种，所述伪随机序列为m序列和Gold序列中的任意一种。
S2、将恒包络零自相关序列的生成和系统的身份标识号关联；
若在多用户系统中，将恒包络零自相关序列的生成和每个系统的身份标识号关联。
S3、将伪随机序列的生成和系统的身份标识号关联；
若在多用户系统中，将伪随机序列的生成和每个系统的身份标识号关联。
S4、用配置的恒包络零自相关序列和伪随机序列实施时域频域同步方法，具体方式为：
S41、计算恒包络零自相关序列的小数倍频偏估计值，具体方式为：
S411、接收机将接收的信号进行小数倍频偏补偿；
S412、将配置的恒包络零自相关序列的分段长度与本体参考的恒包络零自相关序列进行互相关序列计算；
S413、将计算所得的互相关序列进行合并得到当前小数倍频偏估计值。
S42、计算伪随机序列的整数倍频偏估计值，具体方式为：
S421、接收机将接收的信号进行整数倍频偏补偿；
S422、将伪随机序列的分段长度和本体参考的伪随机序列进行互相关序列计算；
S423、将计算所得的互相关峰值进行合并得到当前整数倍频偏估计值。
S43、计算符号定时所需补偿的时偏，具体方式为：
S431、对小数倍频偏估计值进行补偿；
S432、对整数倍频偏估计值进行补偿；
S433、计算补偿后的小数倍频偏估计值和整数倍频偏估计值的峰值位置与本地参考序列的时间偏差。
所述恒包络零自相关序列和所述伪随机序列组成弹性前导序列结构，设所配置的恒包络零自相关序列的分段长度为K，个数为M，所配置的伪随机序列序列的分段长度为L，个数为N，互相关序列计算公式为：
其中fm[n]和gm[n]分别表示第m段分段序列和本地参考序列，*表示卷积运算，表示x的共轭，/>表示等价于。
互相关序列合并公式为：
实施例1，是对基于WIoTa(Wide-range Internet Of Things communicAtionprotocol)协议的物联网通信中基本帧结构中的同步头的描述，该同步头是一种所述弹性前导序列结构在单载波系统中的应用体现，这些描述可以适用于其他的无线通信系统，首先对以下实施例中出现的各术语说明含义：GMSK:Gaussian Minimum-Shift Keying，高斯最小频移键控调制方式；ZC Symbol：Zadoff-Chu序列符号，在本实施例中表示WIoTa系统同步头中的一个Zadoff-Chu序列传输单位，是一个长度为奇数复数序列；Gold Symbol：Gold序列符号，在本实施例中表示WIoTa系统同步头中的一个Gold序列传输单位，是一个Gold序列经过GMSK调制后的复数序列；IoTE：Internet of Things Equipment，物联网设备，在本实施例中表示一个WIoTa系统的终端设备；AP:Access Point，接入点，在本实施例中表示一个WIoTa系统的基站。对于WIoTa通信系统，AP在发送下行数据前，会先发送一段帧头结构，其中包含了本发明所述弹性前导序列结构，则支持最低-23dB的基带接收信号信噪比下正常工作的所述弹性前导序列结构的一个实施例为：
S101、恒包络零自相关序列选用Zadoff-Chu序列，ZC Symbol个数为M＝6，长度为K＝1021，循环前缀长度为8；
对于ZC Symbol，其生成序列公式为：
其中u∈{1，...，Nzx}为ZC序列的根系数，n＝0，1，...，Nzx-1，Nzx为奇数，Nzx＝1021，u为WIoTa系统ID值关于Nzx做取模运算，用来区分不同系统。
在本实施例中，采用ZC序列有以下优点：原始ZC序列与其移动循环移动后所得的序列互不相关，自相关峰值尖锐；互相关和部分相关值接近零；任意ZC序列的幅值恒定，这一特性可以保证相应带宽内的每个频点经历相同的激励，便于实现相干检测中的无偏估计。
S102、伪随机序列选用Gold序列，个数为Gold Symbol个数为N＝2，长度为L＝1024，循环前缀长度为8；
对于Gold Symbol，其中用到的Gold序列是m序列的组合码，由优选对的两个m序列逐位模二加得到，当改变其中一个m序列的相位时，可得到一个新的Gold序列。对于采用周期为(2q-1)的m序列优选对生成的Gold序列(q为移位寄存器级数)，其具有与m序列优选对类似的自相关特性和互相关特性，序列个数为2q+1，在本实施例中，q＝31，且寄存器初始状态值为系统ID截取q位后得到，用来区分不同系统。
在本实施例中，采用Gold序列有以下优点：自相关特性具有尖锐的相关峰，但是自相关旁瓣的值不唯一，其旁瓣的极大值满足m序列优选对的条件；自相关函数当移位为0是，即为m序列优选对之一时，具有尖锐的自相关峰；其他移位时，自相关函数旁瓣具有三值特性；序列个数比m序列优选对多得多。
S103、IoTE对于M＝6个ZC Symbol长度的接收信号按照分段长度K＝1021和本地参考ZC Symbol进行互相关序列计算，并将M＝6个互相关序列进行相干合并，依据最大似然准则估计出当前接收信号的小数倍频偏并记录当前峰值位置；
S104、对接收信号补偿了小数倍频偏和峰值的时偏之后，再对于N＝2个GoldSymbol长度的接收信号按照分段长度L＝1024和本地参考Gold Symbol进行互相关峰值的计算，并将N＝2个互相关峰值进行相干合并，依据最大似然准则估计出当前接收信号的整数倍频偏；
S105、对于ZC序列，载波频偏反映在接收信号上是时域的循环移位，依据小数倍频偏和峰值时偏和整数倍频偏值，进一步计算接收到的ZC Symbol除去频偏带来的移位之后真正的时间偏差，即为符号定时所需补偿的时偏。
若当前接收信号进行上述同步流程之后，步骤S103和步骤S104所得的两个互相关峰值对于与接收信号能量的峰均比超过预设的阈值，则视为同步成功，同步流程结束；若未超过阈值，则视为当前接收信号中不包含WIoTa帧头(即所述弹性前导序列结构)，同步失败，继续接收信号并重新执行步骤S103-S105。
在本实施例中，针对WIoTa系统的接收机特性，同步正确的定义为载波频偏补偿至误差在22Hz以内，且符号定时误差在1个基带编码调制符号的周期以内。在此定义的基础上，可以从图中看出在-23dB的超低信噪比条件下，本实施例中所述同步方法的同步正确率达到了83.6％，虚警率为0.8％，漏检率为15.6％，能够满足IoTE的进行正常的基带数据处理。
以上所揭露的仅为本发明一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (3)
1.一种弹性前导序列结构和时域频域同步方法，其特征在于，包括：
配置恒包络零自相关序列和伪随机序列；
将恒包络零自相关序列的生成和系统的身份标识号关联；
将伪随机序列的生成和系统的身份标识号关联；
用配置的恒包络零自相关序列和伪随机序列实施时域频域同步方法中的具体方式为：计算恒包络零自相关序列的小数倍频偏估计值；计算伪随机序列的整数倍频偏估计值；计算符号定时所需补偿的时偏；
在计算恒包络零自相关序列的小数倍频偏估计值中的具体方式为：接收机将接收的信号进行小数倍频偏补偿；将配置的恒包络零自相关序列的分段长度与本体参考的恒包络零自相关序列进行互相关序列计算；将计算所得的互相关序列进行合并得到当前小数倍频偏估计值，在计算伪随机序列的整数倍频偏估计值中的具体方式为：接收机将接收的信号进行整数倍频偏补偿；将伪随机序列的分段长度和本体参考的伪随机序列进行互相关序列计算；将计算所得的互相关峰值进行合并得到当前整数倍频偏估计值，在计算符号定时所需补偿的时偏的具体方式为：对小数倍频偏估计值进行补偿；对整数倍频偏估计值进行补偿；计算补偿后的小数倍频偏估计值和整数倍频偏估计值的峰值位置与本地参考序列的时间偏差。
2.如权利要求1所述的弹性前导序列结构和时域频域同步方法，其特征在于，
所述恒包络零自相关序列为Zadoff-Chu序列、广义Chirp-Like序列、Frank序列和Golomb多项序列中的任意一种。
3.如权利要求1所述的弹性前导序列结构和时域频域同步方法，其特征在于，
所述伪随机序列为m序列和Gold序列中的任意一种。
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