基于信噪比排序的自适应广义选择分集合并方法和系统

本发明涉及通信系统领域，尤其涉及基于信噪比排序的自适应广义选择分集合并方法和系统。

背景技术：

利用分集技术，可以有效减轻由于噪声和干扰对信号产生的影响，从而提高信号质量。发送接收示意图如图1所示。

在接收端可以使用的分集合并技术的不同算法包括最大比合并(mrc)、等增益合并(egc)、选择合并(sc)、切换驻留合并(ssc)、广义选择合并(gsc)、自适应广义选择合并(a-gsc)等方法。

最大比合并(mrc)是以合并信号信噪比最大化为合并准则来进行合并权值的选取的算法。最大比合并(mrc)的权值系数与信号幅值呈现正相关，与噪声功率呈反相关，因此最大比合并(mrc)的本质是对于信道条件好的支路给予较大加权系数，反之则给予较小加权系数。因此最大比合并(mrc)对有用信号进行增强，而对噪声及干扰进行减弱，从而能够对接收信号进行增强。假设噪声分量之间相互独立，则最大比合并(mrc)的合并信噪比为所有合并支路的信噪比的和。

广义选择合并是在所有l条分支中选出性能最好的lc条分支进行最大比(mrc)或等增益合并(egc)，在降低系统复杂度的同时又确保了一定的性能，其硬件复杂度远远低于最大比合并(mrc)。但是该方案可能由于合并分支lc过大而导致合并一些很弱的分支或合并分支lc过小而导致忽略一些强分支，影响系统性能。对合并分支lc的选取只能靠提前设定，不能依据信道情况来灵活变化，缺乏自适应性。

自适应广义选择合并(a-gsc)，会不断添加最强的分支，以达到预定的通信质量，直到估计出添加下一个分支不会补偿与预期性能的差距。与已知的广义选择合并(gsc)接收方案类似，该接收方式周期性地向发射信号插入短的训练模式。在此期间，接收机执行所有必要的操作，以达到适当的分集合并方案。通过采用自适应广义选择合并(a-gsc)方案，接收机试图将合并信噪比γc提高到阈值γt以上，γt决定通信的总体质量要求，通常根据需要动态调整。然而,阈值γt并不是决定合并分支数量的唯一标准，一旦接收机估计到增加下一个分支并不能补偿与预期性能的差距时，它就会停止选择过程，并按照最大比合并(mrc)规则合并所选择的分支。但是，该方案在每帧的训练模式周期内都要估计所有分集分支的信噪比，当训练模式间隔远小于信道变化情况时，会浪费大量计算资源和功耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于信噪比排序的自适应分集合并方法和系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于信噪比排序的自适应分集合并方法，所述方法包括：

接收多路分支信号；

对每一路分支信号各取一帧数据，经解析获取每一路分支信号当前帧有效数据的部分信息作为预判信息；

根据上一帧参与合并的分支信噪比排序结果，选取若干个分支作为第一分支集，根据当前帧的预判信息依次计算第一分支集中各分支的信噪比，根据这些分支的信噪比，将符合分集合并条件的分支当前帧存入集合中，并记录当前帧参与合并的分支信噪比排序结果；

对集合中的数据帧采用最大比合并准则进行分集合并。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：

当收到的数据帧为第一帧时，由该帧的预判信息分别计算每一路分支的信噪比；

根据信噪比进行排序，选取符合预设条件的若干分支，按照自适应广义选择合并方法进行合并，并记录第一帧参与合并的分支信噪比排序结果。

作为上述方法的一种改进，所述由该帧的预判信息分别计算每一路分支的信噪比；具体包括：

对每一路分支第一帧的预判信息进行时域-频域变换；

对变换后的预判信息计算二阶矩m2为：

其中，yn为频域的预判信息，n为预判信息的长度，e为求取均值的运算符；

计算四阶矩m4为：

由二阶矩m2和四阶矩m4计算得到该路分支的预判信息功率估计值s1为：

由二阶矩m2和信号功率估计值s1，计算得到该路分支的预判信息噪声功率估计值s2为：

s2＝m2-s1

由信号功率估计值s1和噪声功率估计值s2，计算得到该路分支的预判信息信噪比估计值ρ为：

作为上述方法的一种改进，所述根据信噪比进行排序，选取符合预设条件的若干分支，按照自适应广义选择合并方法进行合并，并记录第一帧参与合并的分支信噪比排序结果；具体包括：

根据每一路分支信噪比的数值大小进行排序，得到分支信噪比排序结果；

从分支信噪比排序结果中依次取出每一路分支进行判断，如果该分支满足预设条件且信噪比小于等于预设的阈值γt，则按照自适应广义选择合并方法对该分支的第一帧进行合并；

当分支信噪比排序结果中的每一路分支判断完成后，记录第一帧参与合并的分支信噪比排序结果。

作为上述方法的一种改进，所述根据上一帧参与合并的分支信噪比排序结果，选取若干个分支作为第一分支集，根据当前帧的预判信息依次计算第一分支集中各分支的信噪比，根据这些分支的信噪比，将符合分集合并条件的分支当前帧存入集合中，并记录当前帧参与合并的分支信噪比排序结果；具体包括：

步骤1)根据上一帧参与合并的分支信噪比排序结果，选取若干个分支作为第一分支集；

步骤2)从第一分支集中取出剩余信噪比最大的分支；

步骤3)由预判信息计算该分支当前帧的信噪比；

步骤4)判断该分支当前帧的信噪比是否符合预设条件，如果符合，将该帧存入集合中，并转至步骤5)；如果不符合，则转至步骤6)；

步骤5)对集合中的分支当前帧的信噪比求和得到输出信噪比，判断输出信噪比是否大于阈值，如果为是，转至步骤7)，如果为否，转至步骤6)；

步骤6)判断第一分支集的分支是否遍历完毕，如果为是，则转至步骤7)，如果为否，则转至步骤2)；

步骤7)判断所有分支是否筛选完毕，如果为是，转至步骤8)；如果为否，随机选取其余分支，并转至步骤3)；

步骤8)使用最大比合并规则对集合内的数据帧进行合并，并记录当前帧参与合并的分支信噪比排序结果。

作为上述方法的一种改进，所述判断该分支当前帧的信噪比是否符合预设条件，如果符合，将该帧存入集合中；具体为：

从分支信噪比排序结果中依次取出每一路分支的信噪比与给定μ值相乘，μ∈(0，1)，判断乘积是否大于γ(1)且信噪比小于等于设定的阈值γt，如果符合，则将该帧数据存入集合中；其中，γ(1)为上一帧参与合并的分支信噪比排序集合中的信噪比最大值。

一种基于信噪比排序的自适应分集合并系统，所述系统包括：接收模块、获取模块、判断模块和分集合并模块；其中，

所述接收模块，用于接收多路分支信号；

所述获取模块，用于对每一路分支信号各取一帧数据，经解析获取每一路分支信号当前帧有效数据的部分信息作为预判信息；

所述判断模块，用于根据上一帧参与合并的分支信噪比排序结果，选取若干个分支作为第一分支集，根据当前帧的预判信息依次计算第一分支集中各分支的信噪比，根据这些分支的信噪比，将符合分集合并条件的分支当前帧存入集合中，并记录当前帧参与合并的分支信噪比排序结果；

所述分集合并模块，用于对集合中的数据帧采用最大比合并准则进行分集合并。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明在与自适应广义选择合并(a-gsc)方案性能差距不大的同时，可以减少不必要的对分集分支信噪比的计算，尤其是在训练模式间隔远小于信道变化的情况时，大大减少了系统需要的处理时间和系统计算的复杂度和功耗，实现简单而有效，对信道环境的变化具有更好的自适应性；

2、在实际应用中，若发送端或接收端处于时而移动时而静止的状态，则信道常常在慢衰落和快衰落之间切换，本发明中的分集合并方法既适用于慢衰落的环境，又适用于快衰落的环境，具有更好的自适应性，尤其在慢衰落环境下，训练模式间隔远小于信道的变化情况，参考上一帧时分集分支的信噪比情况来选取本帧选择参与合并的分集分支，优先筛选上一帧的较强分支，可以在对性能影响不大的同时减少大量不必要的计算资源的消耗。

附图说明

图1是本发明实施例1的发送接收示意图；

图2是本发明实施例1的自适应分集合并方法流程图；

图3是本发明实施例1使用的ieee802.11a物理层协议数据单元(ppdu)帧结构；

图4是本发明实施例2的自适应分集合并系统组成图。

附图标记

201、接收单元202、获取单元203、计算单元

204、第一判断单元205、第二判断单元206、第三判断单元

207、第四判断单元208、分集合并单元

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图2所示，本发明的实施例1提供了一种基于信噪比排序的自适应分集合并方法。

该自适应广义选择分集合并方法实施步骤分为训练模式和数据模式，训练模式和数据模式不是以处理的数据来划分，而是以处理状态来划分。训练模式进行判断、信噪比估计、筛选参与合并的天线分支等操作，而数据模式依照训练模式得到的信息进行mrc合并。具体步骤如下：

训练模式：

(1)接收多路分集信号；

(2)第一帧按照自适应广义选择合并(a-gsc)方法合并；

(3)在其余帧的训练模式，将前一帧参与合并的分集分支按照其在前一帧的信噪比大小来从大到小排序；

(4)依照排序结果，计算第一个分支(即上一帧的最强分支)在本帧的信噪比，判断其是否满足预设条件；

(5)判断输出信噪比是否大于设定的阈值γt，其中输出信噪比为参与合并的分集分支信噪比之和，若小于则依照排序结果按顺序对后续分支进行类似操作，直到输出信噪比大于阈值γt；

(6)若信噪比仍小于阈值γt，则随机选取其余未经过筛选的分集分支进行估计判断，直到输出信噪比大于阈值γt或所有分集分支都被筛选完；

数据模式：

(7)将通过筛选的分集分支按照最大比合并(mrc)准则合并。

其中(4)中判断分集分支是否满足预设条件的步骤包括：

(a)设定一个μ值，其中μ∈(0，1)；

(b)设定γ(1)值为上一帧参与合并的分集分支中信噪比的最大值，若是第一帧则γ(1)为第一帧参与合并的分集支路中信噪比的最大值；

(c)判断分集分支信噪比与给定μ值的乘积是否大于γ(1)，若大于则该分集分支满足预设条件；

第一帧按照自适应广义选择合并(a-gsc)方法合并；

多路分集信号由参考信号和非参考信号组成。其中，参考信号是收、发两端均已知的、用于辅助接收(信道估计计算)的序列，又称为训练序列；非参考信号就是发送端发送的，需要接收端通过均衡、解调、解码等过程才能得到的数据序列。

在其余帧的训练模式进行如下操作；如图2所示：

s101、接收多路分集信号；

s102、将上一帧参与合并的分支依照其在上一帧的信噪比从大到小排序；

s103、依照排序结果，取出剩余的还未被筛选的最强分支；

s104、计算该分支信噪比；

本方案利用帧中的有效数据部分作为预判信息，由此进行信噪比估计：将接收到的经过时域-频域变换的有效数据利用二阶四阶矩法来进行信噪比估计的计算。先计算二阶矩：

其中yn为接收到的去掉循环前缀以及经过时域-频域变换的有效数据部分，n范围为有效数据部分的长度，e为求均值。

再计算四阶矩：

信号功率估计值为：

噪声功率估计值为：

s2＝m2-s1

信噪比估计值为：

s105、判断计算出的该分支信噪比是否满足预设条件，若是，则进行s106；若否，则进行s108；

s106、将该分支加入分集合并；

s107、判断输出信噪比是否大于设定的阈值，若是，则进行s111；若否，则进行s108；

s108、判断参与排序的所有分支是否全部筛选完毕，若是，则进行s109；若否，则进行s103；

s109、判断所有分支是否筛选完毕，若是，则进行s111；若否，则进行s110；

s110、随机选取其余未经过筛选的分支，进行s104；

s111、使用mrc准则进行分集合并；

其中，mrc准则为最大比合并准则。

本发明方法将上一帧选择的参与合并的分集分支的情况作为参考来进行本帧分集分支的筛选，优先判断上一帧的较强分支，将符合预设条件的分支加入合并中，在输出信噪比超出设定阈值后停止筛选，然后根据mrc准则进行分集合并。

计算分集分支信噪比与给定μ值的乘积，若该乘积值大于γ(1)，则判断为满足预设条件；若该乘积值小于或者等于γ(1)，则判断为不满足预设条件；

具体的，μ是预先给定的值，并且一般设μ∈(0，1)；γ(1)为上一帧参与合并的分集分支中信噪比的最大值，若是第一帧则γ(1)为第一帧参与合并的分集分支中信噪比的最大值；

可能的替换方案：设置一个值，每次在接收的帧数达到该值时重新对所有分集分支的信噪比都进行计算来筛选参与合并的分支，然后再下一帧继续按照该方案的方法进行，该值可以根据实际情况动态地变化。对信噪比的计算也可以采用其他方法。

如图3所示，为ieee802.11a的帧格式，这里选取该帧的数据域部分作为预判信息，由此计算信噪比。

需要说明的是，本实施例以ieee802.11a的帧格式和二阶四阶矩法进行信噪比估计为例说明本方法，但是不局限于该协议，也不局限于二阶四阶矩法的信噪比估计方法，只要是多天线接收都满足本方法。

实施例2

基于上述方法，本发明的实施例2提出了一种基于信噪比排序的自适应分集合并系统。所述系统包括：接收模块、获取模块、判断模块和分集合并模块；如图4所示，其中，

接收模块，用于接收多路分支信号；由接收单元201组成；

获取模块，用于对每一路分支信号各取一帧数据，经解析获取每一路分支信号当前帧有效数据的部分信息作为预判信息；由获取单元202组成；

判断模块，用于根据上一帧参与合并的分支信噪比排序结果，选取若干个分支作为第一分支集，从第一分支集中，根据当前帧的预判信息依次计算对应分支的信噪比，根据这些分支的信噪比，将符合分集合并条件的分支当前帧存入集合中，并记录当前帧参与合并的分支信噪比排序结果；具体包括计算单元203、第一判断单元204、第二判断单元205、第三判断单元206和第四判断单元207：

计算单元203，用于根据分集信号，计算其信噪比；若为第一帧则计算所有分集分支的信噪比并将其按照从大到小的顺序排序；

第一判断单元204，用于判断分集分支信噪比是否满足预设条件；若判断结果为是，则将该分支加入分集合并单元并进入第二判断单元205；若判断结果为否，则将该分支不加入分集合并单元，进入第三判断单元206；

第二判断单元205，用于判断输出信噪比是否超出阈值γt，若判断结果为是，则进入分集合并单元208；若判断结果为否，则进入第三判断单元206；

第三判断单元206，用于判断上一帧参与合并的分集分支是否全部被筛选完，若判断结果为是，则进入第四判断单元；若判断结果为否，则进入计算单元203；

第四判断单元207，用于判断所有分集分支是否全部被筛选完，若判断结果为是，则进入分集合并单元208；若判断结果为否，则随机选取还未被筛选的一个分集分支进入计算单元203；

分集合并模块，用于对集合中的数据帧采用最大比合并准则进行分集合并，由分集合并单元208组成。

信道的情况可能在信号传输的几帧内变化都不大，本帧分集分支的信噪比情况可能和上一帧相同或差别不大，则参与合并的分集分支也和上一帧相同即可，没有必要像a-gsc方案一样每帧都重新计算所有分集分支的信噪比，尤其在训练模式间隔远小于信道变化的情况下，该方案可以在达到与a-gsc方案性能差距不大的同时，显著减少需要计算信噪比的分支数和系统在训练模式需要处理的时间，节省计算资源的消耗；且使用该合并方案可以剔除对系统性能增益不大的分支，具有更好的自适应性，减少了系统的功耗。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。