CN113726707B - 一种未编码mpsk信号的低复杂度多符号非相干检测方法 - Google Patents

Abstract

一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，接收端的检测器采用的检测方法包括以下步骤：S1：对接收信号进行匹配滤波采样后得到离散接收样值序列；S2：对的连续相位空间进行量化，得出量化集合；S3：在第k个符号周期内，对量化集合给出的每个相位值，利用离散接收样值序列和16个扩频码序列计算相干度量值，比较16个相干度量值后得出最大度量值，并找出与其对应的扩频码序列，形成集合；S4：在多个符号周期内，利用S3中得出的集合，计算所有的非相干度量值，挑选出最大非相干度量值，最大非相干度量值对应的扩频序列作为判决结果。本方法具有计算复杂度低，鲁棒性强，可靠性高的特点。

Description

一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法。

背景技术

目前，为加快现代化城市建设步伐，提升城市治理效率，提升市民生活品质，国家不断出台政策，加大对智慧城市建设的扶持力度，促进智慧城市的发展。全球第二大市场研究机构Markets and Markets发布报告称，2018年全球智慧城市市场规模为3080亿美元，预计到2023年这一数字将增长为7172亿美元，预测期(2018-2023年)内的年复合增长率为18.4％。

随着智慧城市建设进程不断推进，新型智慧城市渐入大众视野。新型智慧城市在建设和服务上呈现出四大新特征：全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用以及以人为本的可持续创新。广泛覆盖的信息感知网络是智慧城市的基础。任何一座城市拥有的信息资源都是海量的，为了更及时全面地获取城市信息，更准确地判断城市状况，智慧城市的中心系统需要拥有城市的各类要素交流所需信息的能力。新型智慧城市的信息感知网络应覆盖城市的时间、空间、对象等各个维度，能够采集不同属性、不同形式、不同密度的信息。

物联网包含感知层、网络层、平台层、应用层四层结构。处于最底层的感知层是物联网(Internet of Things，IoT)的皮肤和五官，是联系智慧城市等物理世界与信息世界的纽带，负责识别智慧城市中的物体，数据采集和信息的初次传输。在网络层准确及时传送数据的前提下，应用层处理数据的精确性与数据挖掘结论的准确性将取决于感知层数据的质量。而“全面感知”、“可靠传输”和“智能处理”也正是物联网三大基本特征。因此，感知数据准确性决定了物联网系统在智慧城市中的实际应用价值，感知层是物联网的核心，感知层数据可靠传输是其最为关键的技术之一。

2009年公布的IEEE 802.15.4c协议，是为中国低功耗短距离无线个人局域网定制的物理层规范。针对不同速率需求，该协议为中国低功耗短距离无线个人局域网提供了偏移四相相移键控(Offset-quadrature Phase Shift Keying，O-QPSK)和多进制相移键控(Multiple Phase Shift Keying，MPSK)两种物理层结构。其中，MPSK调制物理层最有能力为智慧城市感知数据的可靠与快速传输提供坚实保障。因此，研究符合无线个人局域网特性的MPSK信号强鲁棒性检测技术，是保障感知数据准确运达应用层的最根本出发点之一，也是物联网技术在智慧城市中应用时亟需解决的难题之一。

如图12所示，IEEE 802.15.4c协议在不同载波频段上采用不同的调制方式和数据传输速率。如图13所示，O-QPSK和MPSK两种调制方式共享780MHz频段，在779-787MHz频段上有8个信道。其中，0～3信道采用O-QPSK调制方式，4～7信道采用MPSK调制方式。本发明内容的调制方式采用MPSK调制，载波频率采用780MHz频段上的最大频率，即786MHz；

如图14所示，IEEE 802.15.4c物理层协议数据单元(PPDU)主要由同步头(SHR)、物理层帧头(PHR)和物理层(PHY)负载三部分构成。PPDU的SHR包括前导符和帧起始符(SFD)两部分，主要作用为允许接收设备同步并锁定在比特流。其中，前导符字段占4字节，为32位的全零比特。帧起始分隔符(SFD)字段占1个字节，其值固定为0xA7，表示为一个物理帧的开始。PPDU的PHR字段占1个字节。其中，低7位表示帧长度，其值即为物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节；高1位为保留位。PPDU的PHY负载，又称为物理层服务数据单元(PSDU)，该字段长度可变，一般用来承载介质访问控制(MAC)帧；

如图15所示，发送端将来自PPDU的二进制数据通过调制和扩频函数依次进行处理，从图14中的前导码(Preamble)字段开始，到PSDU的最后一个字节结束。PPDU每个字节的低4位被映射为一个数据符号，高4位被映射为下一个数据符号，每个数据符号再分别映射为长度为16的伪随机(PN)码片序列；

如图1所示，在780MHz频段上，MPSK物理层在每个数据符号周期内包含4个比特位。首先对4个比特位进行码片序列长度为16的直接序列扩频调制，共有16种长度为16的扩频码序列可供选择。然后对形成的16个复数形式的码片逐个进行MPSK的射频调制和脉冲成形，经射频天线发送至信道。

现有关于IEEE 802.15.4c协议信号检测技术的研究多集中在O-QPSK调制物理层，而对MPSK调制物理层的研究则很少涉及，这样会不适应新型智慧城市的高速发展，造成通信不完善的局面。这在一定程度上限制了物联网技术在中国新型智慧城市中的应用深度和广度。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，具有计算复杂度低，鲁棒性强，可靠性高的特点。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，发送端将信源产生的二进制比特序列进行分组，每组包含4个比特位，对每个分组经码片序列长度为16的直接序列扩频调制后，其有16种扩频码序列供选择，每个复数形式的码片再经MPSK的射频调制和脉冲成型，从而形成一个周期的发送符号，此周期内包含16个码片周期的连续形式发送信号，经射频天线发送至信道；信道传输过程中会引入随机振幅衰落和随机相位偏移θ，这里假设θ在[0，2π]之间服从均匀分布，接收端对接收信号进行检测；接收端的检测器采用的检测方法包括以下步骤：

S1：对接收信号进行匹配滤波采样后得到离散接收样值序列r^(k)；

S2：对[0，2π]的连续相位空间进行量化，得出量化集合Λ，其阶数为L，即Λ＝{θ₁，θ₂，…θ_L}；

S3：在第k个符号周期内，对S2中{θ₁，θ₂，…θ_L}给出的每个相位值，利用S1中的离散接收样值序列r^(k)和16个扩频码序列{s_y，1≤y≤16}计算相干度量值，共计16个，比较16个相干度量值后得出最大度量值，并找出与其对应的扩频码序列，形成集合 为第k个周期对应的第i个相位量化值，/>为最大度量值对应的扩频码序列，该集合中共有L个元素；

S4：在多个符号周期内，利用S3中得出的计算所有的非相干度量值，挑选出最大非相干度量值，最大非相干度量值对应的扩频序列作为判决结果。

进一步，所述步骤S1具体包括：

在对收接信号进行匹配滤波采样后得到离散接收样值序列中，第k个符号周期对应的离散接收样值序列为：即含有16个离散样值，其中，|h_k，j|和/>分别表示信道传输引起的衰落的振幅和相位，s^(k)表示发送端第k符号周期的扩频码序列，/>s^(k)从16种扩频码片序列{s_y，1≤y≤16}中随机选取的一种，η_k，i是离散、循环对称、均值为零且方差为σ²的复高斯随机变量，|h_k，j|和/>均是随机的、未知的、恒定的，且均与η_k，j统计独立，h^(k)在每个数据帧中保持不变。

进一步，所述步骤S2具体包括：

即/>0≤m≤L-1，我们对连续的相位空间进行均匀量化。

进一步，所述步骤S3具体包括以下子步骤：

S31：在第k个符号周期内，对于{θ₁，θ₂，…θ_L}中的每一个相位值θ_i，1≤i≤L，根据S1中接收样值序列r^(k)和已有的16种扩频码序列{s_y，1≤y≤16}，计算与θ_i对应的16个相干度量值：(s_y)^*表示s_y的共轭；

S32：寻找与{θ₁，θ₂，…θ_L}中每一个相位值θ_i对应的最大相干度量值，并记录该度量值对应的扩频码序列：

进一步的，所述步骤S4具体包括以下子步骤：

S41：在N个连续的符号周期内，利用S3中得出的判决结果计算非相干度量值/>其中，R^(k)＝{r^(k)，r^(k+1)，…r^(k+N-1)}，R^(k)表示S1中给出的N个连续符号周期内的接收样值序列。/> 表示在连续N个符号周期内得出的候选发送扩频码序列，/>表示/>的共轭，第k个符号周期为N个连续符号周期的起始周期；

S42：寻找最大非相干度量值对应的作为最终判决结果：/>

本发明有益效果是：

本发明提出的一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，具有可靠性高、鲁棒性强，且计算复杂度低的特点。具体表现在：

与理想相干检测方案相比，本发明所提方案的性能损失不大，对相偏的鲁棒性极强。特别是在低信噪比条件下，传统相干检测对信道传输引入的随机参量(如随机相位)的估计与跟踪已变得十分苦难，本发明提供的非相干检测方法不需要估计随机参量，而是采用均匀量化的方法，故鲁棒性更高。

与暴力搜索形式的多符号非相干检测方案相比，实现复杂度大大降低。传统暴力搜索形式的多符号非相干检测方案实现复杂度与观测符号区间长度N呈指数级增长关系。即使N＝2，需要对16²＝256个候选序列进行度量值计算与比较。而本发明提供的多符号检测方案实现复杂度与观测符号区间长度无关，仅仅与随机参量量化集合的阶数L有关，复杂度大大降低。

本发明所提检测方案的性能优异，完全能够满足IEEE 80215.4c协议中规定的性能要求。

附图说明

图1是MPSK物理层数据扩频映射方式图；

图2是不同量化阶数下本发明检测方法的BER性能图；

图3是不同量化阶数下本发明检测方法的SER性能图；

图4是不同量化阶数下本发明检测方法的PER性能图；

图5是相偏鲁棒性BER图，其中，相位服从维纳过程θ_x+1＝θ_x+Δx，Δx是一个均值为零的高斯随机变量，θ₁在(-π，π)之间服从均匀分布。图5是Δx的标准差取不同值时的仿真结果。本结果中检测方法的量化阶数取L＝4；

图6是相偏鲁棒性SER图，仿真参数设置方式与图5中相同；

图7是相偏鲁棒性PER图，仿真参数设置方式与图5中相同；

图8是相偏鲁棒性BER图，相位的设置方式与图5中相同，但量化阶数取L＝6；

图9是相偏鲁棒性SER图，仿真参数设置方式与图8中相同；

图10是相偏鲁棒性PER图，仿真参数设置方式与图8中相同；

图11是本发明实施例中通信系统的工作流程图；

图12是IEEE 802.15.4协议物理层两个频段基本参数特性图；

图13是IEEE 802.15.4协议物理层的信道结构图；

图14是IEEE 802.15.4协议物理层帧结构图；

图15是IEEE 802.15.4协议786MHz频段物理层数据调制过程图

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例以IEEE 802.15.4系统为例来进行说明，其通信环境为780MHz频段，信道的载波中心频率为786MHz，PSDU的数据长度为22个字节，码片传输速率为1×10⁶chip/s，调制方式为MPSK。

如图11所示，在发送端，系统的工作过程为：发送端将信源产生的二进制比特序列进行分组，每组包含4个比特位，首先对4个比特位进行码片序列长度为16的直接序列扩频调制，共有16种长度为16的扩频码序列可供选择。对每个分组经MPSK扩频调制和脉冲成型后形成一个周期的发送符号，此周期内包含16个码片周期的连续形式发送信号，经射频天线发送至信道。信道传输过程中会引入随机振幅衰落和随机相位偏移θ，这里假设θ在[0，2π]之间服从均匀分布。

接收端在收到信号后，按照本发明的方法进行信号检测，具体过程如下：一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，其特征在于：检测器采用的检测方法包括以下步骤：

S1：对接收信号进行匹配滤波采样后得到离散的接收样值序列r^(k)；

S2：对[0，2π]的连续相位空间进行量化，得出量化集合Λ，其阶数为L，即Λ＝{θ₁，θ₂，…θ_L}；

S3：在第k个符号周期内，对S2中{θ₁，θ₂，…θ_L}给出的每个相位值，利用S1中的离散接收样值序列和16个扩频码序列{s_y，1≤y≤16}计算相干度量值，共计16个。比较16个相干度量值后得出最大度量值，并找出与其对应的扩频码序列形成集合/>该集合中共有L个元素；即在每个符号周期内，集合Λ中的每个量化值θ_i，都要根据最大相干度量值找出一个与其对应的扩频序列/>共计L个；

S4：在多个符号周期内，利用S3中得出的计算所有的非相干度量值，挑选出最大非相干度量值对应的扩频序列作为判决结果。

所述步骤S1具体包括：

在对接收信号进行匹配滤波采样后得到离散的接收样值序列中，第k个符号周期对应的序列为：即含有16个离散样值。其中，|h_k，j|和/>分别表示信道传输引起的衰落的振幅和相位，s^(k)表示发送端第k符号周期的扩频码片序列，/>s^(k)是从图1所示的16种可能的扩频码片序列{s_y，1≤y≤16}中随机选取的一种。η_k，i是离散、循环对称、均值为零且方差为σ²的复高斯随机变量。|h_k，j|和/>均是随机的、未知的、恒定的，且均与η_k，j统计独立。h^(k)在每个数据帧中保持不变，即对所有的k有，|h_k，j|＝h，/>

所述步骤S2具体包括：

即/>0≤m≤L-1，L≥2，我们对连续的相位空间进行均匀量化。例如，当L＝2时，Λ＝{0，π}；当L＝4时，/>

所述步骤S3具体包括以下子步骤：

S31：在第k个符号周期内，对于{θ₁，θ₂，…θ_L}中的每一个相位值θ_i，1≤i≤L，根据S1中接收样值序列r^(k)和已有的16种扩频码序列{s_y，1≤y≤16}，计算与θ_i对应的16个相干度量值：(s_y)^*表示s_y的共轭。

S32：寻找与{θ₁，θ₂，…θ_L}中每一个相位值θ_i对应的最大相干度量值，并记录该度量值以及与其对应的扩频码序列：

所述步骤S4具体包括以下子步骤：

S41：在N个连续的符号周期内，利用S3中得出的判决结果计算非相干度量值/>其中，R^(k)＝{r^(k)，r^(k+1)，…r^{k+N-1)}表示S1中给出的N个连续符号周期内的接收样值序列。/>表示S32在连续N个符号周期内得出的候选发送扩频码序列，/>表示/>的共轭，N≥2，这里第k个符号周期为N个连续符号周期的起始周期。/>共有L种可能，例如，当L＝4，N＝2时，/> 可取得值为/>和/>

S42：寻找最大非相干度量值对应的作为最终判决结果：/>

如图2至图4所示，当量化阶数增大时，本发明提出的多符号检测方法没有出现错误平层现象，并且增大量化阶数可以明显的改善误包率(PER)。检测结果表明量化阶数为6足以提供良好的性能。

在图5至图10中，给出了维纳过程中不同标准差条件下，量化阶数为L＝4和L＝6的仿真性能。由图5至图10可知，当标准差增大时，本发明的检测性能未衰减。这是由于相位空间量化后，相位估计值可随相偏动态调整，故具有较好鲁棒性。

本发明内在理论依据叙述如下：

对于相位调制而言，由于发送信息携带在传输码片的相位上，故衰落信道下的判定区域与信道引起的振幅尺度无关。因此，可只考虑相位的影响。

传统GLRT的判决表达式可写为：

其中，θ表示信道传输引入的随机相位偏移。交换(1)中两个求最大值的顺序并不改变最终的判决结果，因此可得与(1)等价的GLRT判决表达式：

显然，经等价变换后，式(2)中的检测可看做一个相干检测过程，故可以逐个符号进行。

由于随机相位空间中有无数多个元素，故式(2)需要遍历连续相位空间中的每一个元素，故实现复杂度仍比较大。可考虑通过对连续相位空间进行量化处理的方式来降低实现复杂度，而均匀量化实现最为简单，特别适合在IEEE802.15.4c中运用。故这里考虑量化结果为{θ₁，θ₂，…θ_L}。

量化完毕后，对{θ₁，θ₂，…θ_L}中的每一个相位值，可以利用逐符号的相干检测过程求出与其对应的判决结果，共计有L个。为进一步消除随机相位的影响，在得出L个判决结果后，可以再利用非相干检测的判决方法对L个判决结果进行搜索，得出最终的判决结果。

综上所述，本发明提出的一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，具有可靠性高、鲁棒性强，且计算复杂度低的特点。具体表现在：①由图2至图3可知，与理想相干检测相比，本发明所提方案的性能损失不大；由图5至图10可知，本发明所提方案对相偏的鲁棒性极强。②在实际应用中，当低信噪比较低时，传统理想相干检测对信道传输引入的随机参量(如随机相位)的估计与跟踪已变得十分苦难，本发明提供的非相干检测方法不需要估计随机参量，而是采用均匀量化的方法，故鲁棒性更高。③与传统暴力搜索形式的多符号非相干检测方案相比，实现复杂度大大降低。传统暴力搜索形式的多符号非相干检测方案实现复杂度与观测符号区间长度N呈指数级增长关系。例如，即使N＝2，需要对16²＝256个候选序列进行非相干度量值计算与比较。而本发明提供的多符号检测方案实现复杂度与观测符号区间长度无关，仅仅与随机参量量化集合的阶数L有关，复杂度大大降低。例如，当N＝2时，L＝6时，只需要进行L×16×N＝6×16×2＝192次相干度量值计算和L＝6次非相干度量值计算。相干度量值的计算，仅涉及相关和取实部运算，复杂度较低。而非相干度量值的计算次数从256降为6，下降了约98％。

以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，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，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，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 (3)

1.一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，发送端将信源产生的二进制比特序列进行分组，每组包含4个比特位，对每个分组经码片序列长度为16的直接序列扩频调制后，其有16种扩频码序列供选择，每个复数形式的码片再经MPSK的射频调制和脉冲成型，从而形成一个周期的发送符号，此周期内包含16个码片周期的连续形式发送信号，经射频天线发送至信道；信道传输过程中会引入随机振幅衰落和随机相位偏移θ，这里假设θ在[0,2π]之间服从均匀分布，接收端对接收信号进行检测；其特征在于：接收端的检测器采用的检测方法包括以下步骤：

S1：对接收信号进行匹配滤波采样后得到离散接收样值序列r^(k)；

S2：对[0,2π]的连续相位空间进行量化，得出量化集合Λ，其阶数为L，即Λ＝{θ₁,θ₂,…θ_L}；

S3：在第k个符号周期内，对S2中{θ₁,θ₂,…θ_L}给出的每个相位值，利用S1中的离散接收样值序列r^(k)和16个扩频码序列{s_y,1≤y≤16}计算相干度量值，共计16个，比较16个相干度量值后得出最大度量值，并找出与其对应的扩频码序列，形成集合θ_i ^(k)为第k个周期对应的第i个相位量化值，/>为最大度量值对应的扩频码序列，该集合中共有L个元素；

所述步骤S3具体包括以下子步骤：

S31：在第k个符号周期内，对于{θ₁,θ₂,…θ_L}中的每一个相位值θ_i,1≤i≤L，根据S1中接收样值序列r^(k)和已有的16种扩频码序列{s_y,1≤y≤16}，计算与θ_i对应的16个相干度量值：(s_y)^*表示s_y的共轭；

S32：寻找与{θ₁,θ₂,…θ_L}中每一个相位值θ_i对应的最大相干度量值，并记录该度量值对应的扩频码序列：

S4：在多个符号周期内，利用S3中得出的计算多个非相干度量值，挑选出最大非相干度量值，最大非相干度量值对应的扩频序列作为判决结果；

所述步骤S4具体包括以下子步骤：

S41：在N个连续的符号周期内，利用S3中得出的判决结果计算非相干度量值/>其中，R^(k)＝{r^(k),r^(k+1),…r^(k+N-1)}，R^(k)表示S1中给出的N个连续符号周期内的接收样值序列，/> 表示在连续N个符号周期内得出的候选发送扩频码序列，/>表示/>的共轭，第k个符号周期为N个连续符号周期的起始周期；

S42：寻找最大非相干度量值对应的作为最终判决结果：/>

2.如权利要求1所述的一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：

在对收接信号进行匹配滤波采样后得到离散接收样值序列中，第k个符号周期对应的离散接收样值序列为：即含有16个离散样值，其中，|h_k,j|和/>分别表示信道传输引起的衰落的振幅和相位，s^(k)表示发送端第k符号周期的扩频码序列，/>s^(k)从16种扩频码片序列{s_y,1≤y≤16}中随机选取的一种，η_k,i是离散、循环对称、均值为零且方差为σ²的复高斯随机变量，|h_k,j|和/>均与η_k,j统计独立，h^(k)在每个数据帧中保持不变。

3.如权利要求1所述的一种未编码MPSK信号的低复杂度多符号非相干检测方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：即/>我们对连续的相位空间进行均匀量化。