一种提高物联网帧结构前导检测成功率的系统及方法

1.本发明属于物联网通信领域，涉及帧结构前导搜索算法实现，具体涉及一种提高物联网帧结构前导检测成功率的系统及方法。


背景技术：

2.在物联网通信过程，没有类似公网有严格的定时和资源配置，物联网中数据的收发都采用突发方式来实现。突发结构由前导，帧控制和载荷组成，前导由固定结构组成，并且接收端和发送端都已知，用于接收端进行接收信号自动增益(简称：agc)调整，定时和频域同步调整，根据不同系统设计需求，可以用于信道估计，为帧控制和载荷接收提供信道均衡信息。
3.在物联网系统中，帧结构前导搜索，通常采用两种方式。第一种方式比较简单，即搜索接收信号(received signal strength indication，rssi)强度，接收端基带部分将收到的数据首先进行rssi计算，如果rssi计算值大于一定门限则判定存在有效帧突发前导，否则是没有前导。另外一种方式，采用相关计算方法，即将收到数据和本地前导序列进行相关计算，相关峰值大于一定的门限，则判定存在有效帧突发前导，该方法也称为滤波器检查方法。
4.在实际工程中，采用rssi方式虽然简单，但是这种性能最差，特别在干扰较大的场景，rssi计算值很大，但是区分噪声功率和有效前导信号功率，所以在实际工程仅仅用于初步判定或agc调整，不用于前导的最终判定。
5.在实际工程中，帧突发前导的判定主要采用接收序列和本地序列相关进行判定，这种方式准确率将大大提高，在实际工程中也得到广泛使用。在接收信道底噪较大情况，根据信号相关性特点，也能够判定出是否存在有效的帧突发前导。但是这种方法也会存在一些问题，判定是否存在有效的帧结构突发，是根据相关功率门限来判定的，底噪增加的情况，相关功率也会存在抬升现象，也会存在将噪声误判定成帧结构突发的前导。
6.在宽带微功率无线电力抄表系统中，帧突发采用的线性调频(简称：chirp)调制方式。前导是由多个上行chirp符号和下行chirp符号组成，这种帧突发结构在发送端和接收端都提前已知。
7.在接收端将实时接收来自发送端的无线数据，假设为receive_data，收到数据之后将实时和本地upchirp进行相关计算，计算出相关值为xcor_upchirp。如果xcor_upchirp大于固定门限delatvalue，则判定为存在有效的upchirp信号，然后继续搜索其它upchirp符号，直到搜索完所有downchirp信号。最终判定前导结束位置。
8.正如前面描述，上面计算xcor_upchirp值，这个和接收到receive_data的底噪存在很大相关性，如果底噪增加，那么xcor_upchirp也会增加了，所以给确定合理delatvalue值带来很大困难。delatvalue定义太大，则容易存在前导漏检，delatvalue定义太小，则容易存在前导误检。
9.因此，亟需一种能够提高物联网帧结构前导搜索准确率，同时避免前导漏检或误
检的方法。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高物联网帧结构前导检测成功率的系统及方法，提高帧结构前导搜索准确率，并且可以避免前导漏检或误检。
11.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
12.方案一：一种提高物联网帧结构前导检测成功率的系统，如图1所示，该系统包括接收模块、本地正序列生成模块、本地反序列生成模块、正序列相关模块、反序列相关模块、判决门限值计算模块和前导判决模块；
13.所述接收模块，用于完成传输介质上的帧结构数据；
14.所述本地正序列生成模块，用于完成和发送端发送序列相同性质的数据，称为正序列；
15.所述本地反序列生成模块，用于完成和发送端发送序列相反性质的数据，称为反序列，根据前导序列特征，前导序列的反序列可以存在不同的形式；
16.所述正序列相关模块，用于完成接收帧结构数据和正序列进行相关计算，计算结果称为正序列相关值；
17.所述反序列相关模块，用于完成接收帧结构数据和反序列进行相关计算，称为反序列相关值；
18.所述判决门限值计算模块，用于完成计算判决门限值计算，计算方法为正序列相关值减去反序列相关值的绝对值；
19.所述前导判决模块，用于完成最终判定是否是前导数据，如果判决门限值大于一个固定判决门限值，则表示是有效前导数据，否则不是前导数据，固定判决门限值来源系统仿真和实际测试结果。
20.进一步，所述正序列相关模块采用upchirp时域滤波器。
21.进一步，所述反序列相关模块采用downchirp时域滤波器。
22.方案二：一种提高物联网帧结构前导检测成功率的方法，具体包括以下步骤：
23.s1：首先在接收端本地生成一个符号的正序列和反序列数据，分别记为position_sequences数组和negative_sequence数组；然后接收端在接收介质上接收数据，并且保存在receive_data数组中，接收数据长度为一个符号的长度单元；如图2中1步。
24.s2：使用position_sequences数组和receive_data数组进行相关计算，记为正序列相关值p_xcor；采用公式表示为：p_xcor＝xcorr(receive_data,position_sequences)，其中xcorr表示相关计算符；如图2中2步。
25.s3：使用negative_sequences数组和receive_data数组进行相关计算，记为反序列相关值n_xcor；采用公式表示为：n_xcor＝xcorr(receive_data,negative_sequence)；如图2中3步。
26.s4：计算接收信号的前导符号判决门限值r_thresholdvalue，其取值为正序列相关值和反序列相关值的差值绝对值，表达式为：r_thresholdvalue＝abs(p_xcor
–
n_xcor)，其中abs表示取绝对值计算符；如图2中4步。
27.s5：确定固定判决门限值preamblea_thresholdvalue，为系统仿真和实际测试决
定的；如果r_thresholdvalue大于preamblea_thresholdvalue，则表明接收到一个有效的前导符号；否则表明接收到噪声，不是有效的前导符号；如图2中5步。
28.s6：如果在步骤s5中接收到一个有效的前导符号，则接收端启动前导接收过程，否则接续在接收介质上接收数据。如图2中6步。
29.进一步，步骤s2中，将接收到的receive_data通过本地upchirp时域滤波器，输出正序列相关值p_xcor。
30.进一步，步骤s3中，将接收到的receive_data通过本地downchirp时域滤波器，输出反序列相关值n_xcor。
31.本发明的有益效果在于：本发明将前导分成两部分，前面前导符号由正序列构成，后面前导符号由反序列构成。在进行有效前导符号判定的时候，不仅与正序列进行相关计算，同时还与反序列进行相关计算，本发明方法在强噪声干扰或信号饱和的时候，正序列相关值和反序列相关值都会抬升，那么他们的相差值的绝对值都比较小，很好避免造成误判概率。
32.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
33.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
34.图1为本发明帧结构前导结构图；
35.图2为本发明帧结构前导判决流程图；
36.图3为实施例1中宽带微功率无线帧结构图；
37.图4为实施例1中宽带微功率无线帧结构前导结构图；
38.图5为实施例1中宽带微功率无线通信帧结构前导upchirp符号时域判决框图；
39.图6为实施例1中宽带微功率无线通信系统帧前导符号时域判决流程图；
40.图7为实施例1中upchirp时域滤波器模块输出值示意图。
具体实施方式
41.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
42.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是
可以理解的。
43.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
44.实施例1：
45.为了说明本发明在实际场景中使用方法，本实施例使用宽带微功率无线通信系统进行说明。在本实施例中宽带微功率无线通信系统主要用于电力抄表，属于一种典型的物联网应用，由于无线信道比较恶劣，该系统采用chirp调制方式。该系统帧结构定义如图3所示。
46.无线帧结构中前导，帧控制和载荷都由chirp调制组成，其中前导部分由固定带宽、固定工作频点和固定符号长度构成，发送端和接收端都完全已知状态。
47.在该实施例中，帧结构前导采用两种chirp调制方式。一种是upchirp信号，另外一种是downchirp信号，如图4所示。在接收端也存在两种滤波器，即upchirp时域滤波器和downchirp时域滤波器。
48.在进行宽带微功率无线通信系统帧结构搜索过程中，首先搜索帧前导部分内容，目前通常采用方法，接收端接收到数据之后，通过upchirp时域滤波器进行检波，根据滤波器输出峰值判定是否是帧结构前导upchirp符号，在检查过程中不会使用downchirp时域滤波器。但是在本发明中将采用upchirp和downchirp时域滤波器配合使用来判定是否是帧结构中upchirp前导符号。
49.本发明在该实施例中采用chirp调制方式，在帧结构中，前导和帧控制都采用该调制方式。帧结构中前导符号判决功能框图如图5所示，根据本发明描述，帧结构前导upchirp符号功能款图可以由接收模块，upchirp时域滤波器，downchirp时域滤波器，判决门限计算abs(p_xcor-n_xcor)，以及前导判决模块构成。其中upchirp时域滤波器就是正序列相关器，downchirp时域滤波器就是反序列相关器。
50.具体是操作流程如图6所示。
51.步骤1：接收端从无线接口上接收到宽带微功率无线信号，首先对信号进行下变频转换，将接收信号从载波频率转换到基带信号，记为receive_data，接收数据长度为一个标准符号长度。如图6中1步。
52.步骤2：将接收到的receive_data通过本地upchirp时域滤波器，则从滤波器输出一个相关功率值，记为p_xcor值。如图6中2步。
53.步骤3：将接收到的receive_data通过本地downchirp时域滤波器，则从滤波器输出一个相关功率值，记为n_xcor值。如图6中3步。
54.步骤4：计算无线信道接收数据receive_data的upchirp符号判决值。upchirp_thresholdvalue＝abs(p_xcor-n_xcor)。abs为取绝对值计算符号。如图6中4步。
55.步骤5：upchirp_thresholdvalue和判决门限preamble_upchirpthresholdvalue进行比较，如果upchirp_thresholdvalue大于等于preamble_upchirpthresholdvalue值，
则表明接收端接收到一个完成的upchirp前导符号，继续步骤6。否则表示不是帧结构中的前导符号或不完整的前导upchirp符号。如图6中5步。
56.步骤6：前面步骤1～步骤5过程，确定已经接收到一个帧结构前导upchirp符号，则继续搜索其它upchirp符号。以后确定upchirp符号和downchirp符号转换位置，如图6中6步。
57.在本实施例中，接收端为了方便进行帧结构前导，通常把upchirp时域滤波器和downchirp时域滤波器设计看成一个upchirp时域滤波器模块，如图5所示。接收信号经过upchirp时域滤波器模块之后直接输出一个相关峰值。但是接收端不能确定帧结构前导中每个符号的开始位置，所以需要不停监视帧结构中upchirp符号和downchirp符号的转换点。
58.在本实施例中，接收数据是一组移动的序列数据，如图7所示，数据从接收模块送到upchirp时域滤波器模块，接收模块接收数据送到upchirp时域滤波器模块的步长，即是确定帧结构前导中upchirp符号和downchirp符号精度，也是前导同步精度。
59.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。