CN114900282B - 基于ieee802.15.4协议中序列符号同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法，其包括S1获取接收机接收到的信号序列，并在信号序列上任意位置后截取出所有的与STF序列等长、且连续的待定序列；S2根据STF序列的性质，将每个待定序列划分为预设数量等长的序列片段；S3计算待定序列中的序列片段与序列片段间的相关度，并对所有相关度进行加权得到衡量待定序列与STF序列相关性的相关值；S4根据每个待定序列的相关值，计算同步的定时度量函数，并选取最大的定时度量函数对应的位置作为帧的起始位置。

Description

基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法

技术领域

本发明涉及通信领域的粗同步方法，具体涉及基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法。

背景技术

在通信系统中，信号在接收端的同步过程需要首先进行粗符号定时同步，其目的是对接收信号的同步头位置进行初步估计并与第二阶段的精同步联合计算出准确的帧起始位置。基于能量检测的帧同步算法是最基础的算法。当接收机接受到数据帧时，信号的能量会逐渐增加。因此，这种方式通常会根据噪声环境情况而设定一个阈值。当接受到的信号能量达到这个阈值时，则判断帧开始，粗同步结束。然而，这种方式并不适用于脉冲噪声环境。脉冲噪声的能量过大会使接收机发生误判得到错误的帧起始位置。因此，这种方式难以在智能电网通信系统中得到应用。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法解决了现有粗同步方法定时位置容易出现偏差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法，其包括：

S1、获取接收机接收到的信号序列，并在信号序列上任意位置后截取出所有的与STF序列等长、且连续的待定序列；

S2、根据STF序列的性质，将每个待定序列划分为预设数量等长的序列片段；

S3、计算待定序列中的序列片段与序列片段间的相关度，并对所有相关度进行加权得到衡量待定序列与STF序列相关性的相关值；

S4、根据每个待定序列的相关值，计算同步的定时度量函数，并选取最大的定时度量函数对应的位置作为帧的起始位置。

进一步地，所述步骤S3的第一种实现方式包括：

计算待定序列中的第一个序列片段与余下序列片段的相关度

其中，*表示共轭计算；r_i(d+n)为d位置后截取的待定序列中的第i个序列片段的第n+1个元素，0≤n≤L-1，L为STF序列的长度；

根据第一个序列片段与余下序列片段的相关度，确定待定序列的权重系数：

根据待定序列的权重系数和所有的相关度，计算待定序列的相关度值：

P(d)＝WA^d

其中，A^d为存储有待定序列所有相关度的矩阵。

进一步地，所述步骤S3的第二种实现方式包括：

获取已知的不加噪声的STF序列，并计算STF序列与待定序列中每个序列片段的相关度

其中，r_S(n)为未加噪声的STF中的S序列；r_i ^*(d+n)为d位置后截取的待定序列中的第i个序列片段的第n+1个元素的共轭复数，0≤n≤L-1，L为STF序列的长度；

根据STF序列与待定序列中序列片段的相关度，确定待定序列的权重系数：

W＝[0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 -3]

根据待定序列的权重系数和所有的相关度，计算待定序列的相关度值：

P(d)＝WA^d

其中，A^d为存储有待定序列所有相关度的矩阵。

进一步地，所述步骤S3的第三种实现方式包括：

计算待定序列中每两个序列片段的相关度

其中，*表示共轭计算；r_2i(d+n)为d位置后截取的待定序列中的第2i个序列片段的第n+1个元素，0≤n≤L-1，L为STF序列的长度；

根据相邻两个序列片段的相关度，确定待定序列的权重系数：

W＝[1111-2]

根据待定序列的权重系数和所有的相关度，计算待定序列的相关度值：

P(d)＝WA^d

其中，A^d为存储有待定序列所有相关度的矩阵。

进一步地，所述定时度量函数的计算公式为：

其中，P(d)为在位置d后截取的待定序列对应的相关值；N为信号序列的总长度；r(d+i)为接收到的信号序列的第d+i个元素；d为信号序列中任意位置，0≤d≤N。

进一步地，所述预设数量为10，STF序列的长度为16。

本发明的有益效果为：本方案通过计算序列片段间的相关度，再通过对相关度进行加权得到相关值，这样可以使准确定位点的定时度量函数值增大与非准确位置的差距，使峰值更为显著，这样在脉冲噪声和多径信道的影响下，信号粗同步得到的帧开始的位置会比已有的同步方式更加精确。

附图说明

图1为基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法的流程图。

图2为信号在无噪声无信道的情况下，利用步骤S3第一种实现方式得到的定时度量函数在无加权操作和有加权操作下的对比。

图3为信号在无噪声无信道的情况下，利用步骤S3第二种实现方式得到的定时度量函数在无加权操作和有加权操作下的对比。

图4为信号在无噪声无信道的情况下，利用步骤S4第一种实现方式得到的定时度量函数在无加权操作和有加权操作下的对比。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，其示出了基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法的流程图；该方法S包括步骤S1至步骤S4。

在步骤S1中，获取接收机接收到的信号序列，并在信号序列上任意位置后截取出所有的与STF序列等长、且连续的待定序列；下面结合实例对步骤S1进行说明：

假设接收的信号序列的长度是50，STF序列的长度是16，从信号序列的0位置开始，截取后面连续的16位作为待定序列，之后截取第1个位置后面的连续16位作为待定序列，以此内推，截取到第34个位置后面的连续16位作为待定序列，由于第35个位置后面的长度小于16，此时信号序列上与STF序列等长、且连续的待定序列截取完成，一共有34个待定序列。

在步骤S2中，根据STF序列的性质(STF序列的性质是指其由10段相同的子序列组成，并且最后一段子序列被取相反数)，将每个待定序列划分为预设数量等长的序列片段；假设每个待定序列的长度是16，预设数量为4，那么每个序列片段的长度即为4。

在步骤S3中，计算待定序列中的序列片段与序列片段间的相关度，并对所有相关度进行加权得到衡量待定序列与STF序列相关性的相关值；

在本方案中，给出了三种S3的具体实现方式，分别描述如下：

步骤S3的第一种实现方式包括：

计算待定序列中的第一个序列片段与余下序列片段的相关度

其中，*表示共轭计算；r_i(d+n)为d位置后截取的待定序列中的第i个序列片段的第n+1个元素，0≤n≤L-1，L为STF序列的长度；

根据第一个序列片段与余下序列片段的相关度，确定待定序列的权重系数：

其中，W的取值需要根据每段相关值在准确位置上的特殊程度而定，例如第一段与第二段的相关值在很多错误定位点都表现为最大值，因此这一项的特殊程度很低，其加权系数应该表现为较小。而随着参与相关的序列越来越靠后，其特殊程度也越来越强，加权系数也应该越来越大。特别是在最后一段的相关中，由于STF最后一段序列为-S，权重系数应该取较小的负数以增大在准确位置上定时度量函数的值与其他位置的差距。

根据待定序列的权重系数和所有的相关度，计算待定序列的相关度值：

P(d)＝WA^d

其中，A^d为存储有待定序列所有相关度的矩阵。

假设将待定序列划分为了10段，将信号r(d)在每个位置d上所对应的第1段序列和后9段序列分别进行相关，每一段的相关度

被存储在一个9×1的矩阵A^d中。

步骤S3的第二种实现方式包括：

获取已知的不加噪声的STF序列，并计算STF序列与待定序列中每个序列片段的相关度

其中，r_S(n)为未加噪声的STF中的S序列；

为d位置后截取的待定序列中的第i个序列片段的第n+1个元素的共轭复数，0≤n≤L-1，L为STF序列的长度；

根据STF序列与待定序列中序列片段的相关度，确定待定序列的权重系数：

W＝[0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 -3]

在本实现方式中，当1≤i≤9时，每个计算相关得到的值都在相同数量的错误定时位置上表现为最大，因此其特殊程度是一样的，可以加权一个较小的数。

根据待定序列的权重系数和所有的相关度，计算待定序列的相关度值：

P(d)＝WA^d

其中，A^d为存储有待定序列所有相关度的矩阵。

步骤S3的第三种实现方式包括：

计算待定序列中每两个序列片段的相关度

其中，*表示共轭计算；r_2i(d+n)为d位置后截取的待定序列中的第2i个序列片段的第n+1个元素，0≤n≤L-1，L为STF序列的长度；

假设待定序列被划分为10段，那么此处就有5组，每组分别为一二段，三四段、五六段、七八段和九十段。

根据相邻两个序列片段的相关度，确定待定序列的权重系数：

W＝[1 1 1 1 -2]

根据待定序列的权重系数和所有的相关度，计算待定序列的相关度值：

P(d)＝WA^d

其中，A^d为存储有待定序列所有相关度的矩阵。

本方案采用三种不同的加权方式放大了在正确同步位置上数据结构的独立特性，一定程度上可以解决帧开始的位置难以确定的问题。同时，权重系数最后一位的取反，让STF最后一段序列-S能在同步过程中发挥作用，从而保证了对正确位置的精准判定。

在步骤S4中，根据每个待定序列的相关值，计算同步的定时度量函数：

其中，P(d)为在位置d后截取的待定序列对应的相关值；N为信号序列的总长度；r(d+i)为接收到的信号序列的第d+i个元素；d为信号序列中任意位置，0≤d≤N。

选取最大的定时度量函数对应的位置作为帧的起始位置SOF＝max_d M(d)。

实施时，本方案优选预设数量为10，STF序列的长度为16。

如图2-图4所示，下面结合具体实例对本方案粗同步方法的准确度进行说明，从对比中可以看出，加权过后定时度量函数图像的峰更加清晰，峰值与其他位置的定时度量值差距更加明显。由此可见本方案能很大程度上提高粗同步的准确性：

图2为信号在无噪声无信道的情况下，利用步骤S3的第一种实现方式下得到的定时度量函数在无加权操作和有加权操作下的对比，其中：

无加权操作的P(d)可以表示为

P(d)＝∑∑A^d

定时度量函数仍可表示为

图3为信号在无噪声无信道的情况下，利用步骤S3的第二种实现方式下得到的定时度量函数在无加权操作和有加权操作下的对比。

图4为信号在无噪声无信道的情况下，利用步骤S3的第三种实现方式下得到的定时度量函数在无加权操作和有加权操作下的对比。

通过图2～图4可知，在加权过后，在正确位置上的定时度量值与其他位置的值差距非常明显，而未加权方式差距非常小，因此在噪声环境下，加权过后，得到的同步位置更准确。

对比图2～图4中有加权的图形可知，图2和图3中的峰值相较于图4而言，更显著，在粗同步时，采用步骤S3中的第一、二种实现方式优于第三种实现方式，即粗同步时找到帧的起始位置的准确度更高。

Claims (5)

1.基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法，其特征在于，包括：

S1、获取接收机接收到的信号序列，并在信号序列上任意位置后截取出所有的与STF序列等长、且连续的待定序列；

S2、根据STF的性质，将每个待定序列划分为预设数量等长的序列片段；

S3、计算待定序列中的序列片段与序列片段间的相关度，并对所有相关度进行加权得到衡量待定序列与STF序列相关性的相关值；

S4、根据每个待定序列的相关值，计算同步的定时度量函数，并选取最大的定时度量函数对应的位置作为帧的起始位置。

2.根据权利要求1所述的基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

计算待定序列中的第一个序列片段与余下序列片段的相关度

其中，*表示共轭计算；r_i(d+n)为d位置后截取的待定序列中的第i个序列片段的第n+1个元素，0≤n≤L-1，L为STF序列的长度；

根据第一个序列片段与余下序列片段的相关度，确定待定序列的权重系数：

根据待定序列的权重系数和所有的相关度，计算待定序列的相关度值：

P(d)＝WA^d

其中，A^d为存储有待定序列所有相关度的矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

计算待定序列中每两个序列片段的相关度

其中，*表示共轭计算；r_2i(d+n)为d位置后截取的待定序列中的第2i个序列片段的第n+1个元素，0≤n≤L-1，L为STF序列的长度；

根据相邻两个序列片段的相关度，确定待定序列的权重系数：

W＝[1 1 1 1 -2]

根据待定序列的权重系数和所有的相关度，计算待定序列的相关度值：

P(d)＝WA^d

其中，A^d为存储有待定序列所有相关度的矩阵。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法，其特征在于，所述定时度量函数的计算公式为：

其中，P(d)为在位置d后截取的待定序列对应的相关值；N为信号序列的总长度；r(d+i)为接收到的信号序列的第d+i个元素；d为信号序列中任意位置，0≤d≤N。

5.根据权利要求1-3任一所述的基于IEEE802.15.4协议中序列符号同步方法，其特征在于，所述预设数量为10，STF序列的长度为16。

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