CN117240407A - 一种连续帧帧头检测算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续帧帧头检测算法，按照滑动窗长度对整个时隙采样点进行分段，获取每个区间的最大相关值及其对应的位置，然后结合每个区间的最大相关值位置及其最大相关值进行连续帧的取舍判断。本发明在保证帧头检测准确率和数据传播准确率的前提下，一个时隙能够传输更多的数据帧，极大地提高时隙利用率。
Description
技术领域
本发明属于帧头检测技术领域，具体涉及一种连续帧帧头检测算法。
背景技术
峰值检测算法是通信协议中常用于确定时隙中单帧帧头位置的方法：首先，在发送端的有效载荷的首尾两端添加特殊字符（即前导、后导），以组帧的形式将数据发送出去，与此同时，将该特殊字符作为本地序列，保存在接收端；然后，接收端接收到数据后，在保存接收数据的同时，将本地序列与接收数据进行自相关运算，选择最大的自相关值作为峰值，峰值对应索引便是帧数据最后一个符合的位置，进而获得接收数据在时隙中的位置。
然而，现有基于峰值检测的帧头检测算法的前提是，一个时隙内只包含一帧数据（即单帧），若包含连续多帧数据，则无法通过此方法检测出连续多帧数据的帧头位置。随着收发设备频率的提升，时隙长度远大于数据帧长度，若仍然维持一个时隙内只包含一帧数据，则导致时隙利用率会大幅下降。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种连续帧帧头检测算法，能够针对连续帧进行分段峰值检测，判别出每个帧头的位置。
本发明保护一种连续帧帧头检测算法，包括以下步骤：
步骤1，初始化滑动窗数据为全零，其长度等于单帧长度，将整个时隙的采样点按照滑动窗长度划分为g段，即得到g个区间；
步骤2，利用该滑动窗遍历整个时隙，计算每个区间的最大相关值及其对应的位置；
步骤3，获取出现次数最多的最大相关值的位置p index ，遍历g个区间的所有最大相关值，第一个最大相关值位置与p index 相同的区间号赋值给p start ，最后一个最大相关值位置与p index 相同的区间号赋值给p end ，其中区间号i取值1,2,...,g；
步骤4，判断p end －p start ＋1与连续帧数m的关系：
若p end －p start ＋1＝m，则连续帧位置均已确定，结束；
若p end －p start ＋1＜m，则判断p start －1区间的最大相关值max squ (p start －1)与p end ＋1区间的最大相关值max squ (p end ＋1)的关系，若max squ (p start －1)＞max squ (p end ＋1)，则p start ＝p start －1，否则p end ＝p end ＋1，然后继续判断p end －p start ＋1与连续帧数m的关系直至p end －p start ＋1＝m；
若p end －p start ＋1＞m，则判断p start 区间的最大相关值max squ (p start )与p end 区间的最大相关值max squ (p end )的关系，若max squ (p start )＞max squ (p end )，则p end ＝p end －1，否则p start ＝p start ＋1，然后继续判断p end －p start ＋1与连续帧数m的关系直至p end －p start ＋1＝m；优选的，先判断p start 区间最大相关值位置pos(p start )、p end 区间最大相关值位置pos(p end )与pos index 的关系，若不等于pos index ，则舍弃该区间对应数据，若均等于pos index ，则再判断p start 区间的最大相关值max squ (p start )与p end 区间的最大相关值max squ (p end )的关系。
步骤5，返回区间p start 至p end 的数据帧帧头位置以及数据帧。
本发明还保护一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述连续帧帧头检测算法，以及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现上述连续帧帧头检测算法的各个步骤。
基于本发明公开的连续帧帧头检测算法，一个时隙能够传输更多的数据帧，极大地提高时隙利用率，且帧头检测准确率和数据传播准确率得到保证。
附图说明
图1为实施例1中时隙A包含5个突发的示意图；
图2为实施例1时隙区间划分及滑动窗移动示意图；
图3为实施例1中的连续帧帧头位置示例；
图4为实施例2中的连续帧帧头位置示例；
图5为实施例3中的连续帧帧头位置示例；
图6为实施例3帧头检测准确性中的和/>函数波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
假设时隙A长度为，其中包含5个突发，即包含5个连续帧，对应关系参照图1所示。用于相关值计算的滑动窗长度与单帧长度，即与帧1-5长度相等，本实施例用BL来表征单帧长度，则滑动窗长度也为BL。
将整个时隙的采样点按照滑动窗长度BL划分区间，以图1为例，时隙A被划分为8个区间，分别称之为区间A1-A8，如图2所示。此处区间号A1-A8中的A仅为区分于连续帧的序号，其实质为1,2,...,8。
利用BL长度的滑动窗遍历整个时隙（参照图2时隙A下方虚线段），计算每个区间的最大相关值及其对应的位置。由于时隙A是按照单帧长度BL划分的，因此帧1-5的帧头对应于每个区间的位置应该是相同的，参照图2。关于如何基于滑动窗计算相关值，属于现有技术，在此不予赘述。
然而，在实际数据传输过程中，由于噪声的干扰，峰值检测得到的位置可能与实际位置存在些许偏差，假设实际检测出的帧头位置如图3所示。
本实施例默认出现次数最多的最大相关值位置为真实帧头位置，记为p index ，故而图3中p index ＝10。
遍历8个区间的所有最大相关值，第一个最大相关值位置与p index 相同的区间号赋值给p start ，最后一个最大相关值位置与p index 相同的区间号赋值给p end ，则得到p start 区间号为A3，p end 区间号为A5，共找到3个连续帧，然而本实施例共发送了5个连续帧，因此需要进行进一步判断。
此处，很明显p end －p start ＋1＜m，则判断A2区间的最大相关值max squ (A2)与A6区间的最大相关值max squ (A6)的关系，若max squ (A2)＞max squ (A6)，则取A2区间，否则取A6区间。假设此轮取A2区间，则共找到4个连续帧（对应区间A2、A3、A4、A5），但p end －p start ＋1仍然小于m，需要再进行进一步判断，即判断A1区间的最大相关值max squ (A1)与A6区间的最大相关值max squ (A6)的关系，若max squ (A1)＞max squ (A6)，则取A1区间，否则取A6区间。由于A1区间没有对应帧，因此max squ (A1)＜max squ (A6)，此轮取A6区间，则找到全部5个连续帧，分别对应区间A2、A3、A4、A5、A6，与实际对应关系一致。
实施例2
在部分情况下，由于噪声影响较大，存在p end －p start ＋1＞m的情况，如图4所示，其中A1区间检测出的数据帧即为噪声导致（虚线表示），导致检测出6个连续帧。此种情况下，先判断A1区间与A6区间的帧头位置，若不等于p index ，则舍弃该区间对应数据。本实施例中A1区间与A6区间帧头对应位置均为10，因此再判断max squ (A1)与max squ (A6)的关系，绝大部分情况下噪声的最大相关值均小于真实帧的最大相关值，继而可以舍弃A1区间对应数据，得到实际的5个连续帧数据，分别对应区间A2、A3、A4、A5、A6。
实施例3
在更极端的情况下，如图5所示，时隙A中包含4个突发，即包含4个连续帧，而区间A1、A2均因为噪声检测出对应帧（虚线表示），先按照实施例2方法舍弃A1区间对应数据，再判断A2区间与A6区间的帧头位置，看是否等于p index ，此时A2区间帧头对应位置为11，则舍弃该区间对应数据，得到实际的5个连续帧数据，分别对应区间A2、A3、A4、A5、A6。此处体现了先判断p start 区间最大相关值位置pos(p start )、p end 区间最大相关值位置pos(p end )与pos index 的关系，若均等于pos index ，再判断p start 区间的最大相关值max squ (p start )与p end 区间的最大相关值max squ (p end )的关系的用处所在。
基于本发明公开的连续帧帧头检测算法，一个时隙能够传输更多的数据帧，极大地提高时隙利用率。下面验证本发明帧头检测的准确性。
设接收机对真实突发的估计为/>，/>和/>为二元函数，参照图6所示。利用Dice相似系数评估突发检测（即帧头检测）的准确性，Dice相似系数。显然，在无误差估计情况下，/>=1。
对于保护时间很短的突发信号，如果检测器无法检测到保护时间，信号内有大量突发样本，Dice相似系数仍很高；因此，引入突发检测错误（漏警率）和保护时间检测错误（虚警率）来度量。突发误差/>定义为识别为纯噪声样本的突发样本数与突发样本总数之比；保护误差/>定义为识别为突发样本的保护样本数与保护样本总数之比。
仿真以DVB-RCS2协议中WaveID=3为例，仿真参数如下表1所示，一个时隙内包含的采样点数为21440个采样点，单帧有2144个采样点，有效连续帧有12864个采样点，帧头位置随机选取，仿真结果下表2所示。该结果表明本申请提出的连续帧帧头检测算法具有与单帧帧头检测相近的准确度。
虽然当信噪比Es/N0低于5dB后，连续帧帧头检测的Dice相似系数、漏警率、虚警率数据相较于单帧帧头检测略微差一些，但是卫星通信对于不同的突发长度、不同的调制方式，有不同的信噪比标准，可以根据实际信噪比情况以及实际时隙利用率需求，考虑是否需要在一个时隙中传输多个连续帧。简而言之，本发明对于卫星通信中的帧头检测，具有实际进步意义。
表1
| 参数 | 值 |
| 频偏 | 3% |
| 相偏 | 100° |
| 蒙特卡洛模拟次数 | 1e4 |
表2
实施例4
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现实施例1所述的连续帧帧头检测算法。
实施例5
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现实施例1所述的连续帧帧头检测算法的各个步骤。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种连续帧帧头检测算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，初始化滑动窗数据为全零，其长度等于单帧长度，将整个时隙的采样点按照滑动窗长度划分为g段，即得到g个区间；
步骤2，利用该滑动窗遍历整个时隙，计算每个区间的最大相关值及其对应的位置；
步骤3，获取出现次数最多的最大相关值的位置pos index ，遍历g个区间的所有最大相关值，第一个最大相关值位置与pos index 相同的区间号赋值给p start ，最后一个最大相关值位置与pos index 相同的区间号赋值给p end ，其中区间号i取值1,2,...,g；
步骤4，判断p end －p start ＋1与连续帧数m的关系：
若p end －p start ＋1＝m，则连续帧位置均已确定，结束；
若p end －p start ＋1＜m，则判断p start －1区间的最大相关值max squ (p start －1)与p end ＋1区间的最大相关值max squ (p end ＋1)的关系，若max squ (p start －1)＞max squ (p end ＋1)，则p start ＝p start －1，否则p end ＝p end ＋1，然后继续判断p end －p start ＋1与连续帧数m的关系直至p end －p start ＋1＝m；
若p end －p start ＋1＞m，则判断p start 区间的最大相关值max squ (p start )与p end 区间的最大相关值max squ (p end )的关系，若max squ (p start )＞max squ (p end )，则p end ＝p end －1，否则p start ＝p start ＋1，然后继续判断p end －p start ＋1与连续帧数m的关系直至p end －p start ＋1＝m；
步骤5，返回区间p start 至p end 的数据帧帧头位置以及数据帧。
2.根据权利要求1所述的连续帧帧头检测算法，其特征在于，先判断p start 区间最大相关值位置pos(p start )、p end 区间最大相关值位置pos(p end )与pos index 的关系，若不等于pos index ，则舍弃该区间对应数据，若均等于pos index ，则再判断p start 区间的最大相关值max squ (p start )与p end 区间的最大相关值max squ (p end )的关系。
3.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1或2所述的连续帧帧头检测算法。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1或2所述的连续帧帧头检测算法的各个步骤。
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