一种基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法

本发明属于无线通信，特别涉及一种基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法。

背景技术：

1、随着社会的飞速发展，无线通信和智能通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色，而信号帧头检测是通信过程中实现同步的关键。通信系统中的信息都是按照一定的帧格式进行传输的，帧是数据传输的基本单位,信号帧结构识别技术对于合作通信具有重要意义，而信号帧头检测是信号帧结构识别的基础，对于解析信号起着重要的作用。目前，该领域提出的许多方法普遍存在帧头检测速度慢、效率低等问题。因此，研究一种快速、有效的信号帧头检测方法具有重要的意义。

2、信号帧检测算法主要有基于互相关的检测方法和基于模式匹配的检测方法。一是基于互相关的帧头检测方法，目前实际工程中常用的检测帧头方法是利用互相关算法计算出帧头和信号数据之间的相似度，划分阈值来确定帧头所在的位置，从而识别出通信协议。虽然互相关算法抗误码能力较强，但其计算量比较大、帧头检测速度慢，特别是在帧长数据较长时这个问题更加突出。二是基于模式匹配的检测方法，如陶曌等人(2017)提出一种对模式串进行分组预处理并使用字符组计算跳跃集的分组算法(quick search,qs)，给出坏字符组启发规则与最佳分组长度的计算方法。虽然这类方法的检测速度较快，但需要考虑比特流中字符集简单和在通信数据传输过程中误码的影响。因此提出一种面向比特流数据且具有较强抗误码能力的等长帧信号检测算法显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术中的问题而提出了一种基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，该算法具有复杂度低，检测速度快，能够有效克服通信数据传输过程中误码的影响。为达到上述目的所采取的技术方案是：

2、一种基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，包括如下步骤：

3、步骤a、接收基带信号数据，进行定时同步和载波同步；

4、步骤b、将载波同步后的信号数据进行硬判决得到链路层比特流数据；

5、步骤c、生成已知帧头的好后缀数组表，根据已知帧头长度l确定局部错误容限n和整体错误容限m；

6、步骤d、将帧头和比特流数据左对齐进行匹配，匹配下标的跳跃规则对应帧头的好后缀数组表，帧头与比特流的匹配方向是从右向左，帧头整体的移动的方向是从左向右；

7、步骤e、将帧头与比特流数据开始进行匹配，若在符合局部错误容限和整体错误容限下，帧头与比特流中某一段序列匹配成功则记录匹配下标位置；

8、步骤f、重复步骤e直至匹配下标移动到比特流数据尾部。

9、优选的，在步骤a中，接收到的信号首先进行数字下变频之后，中心频率搬移至零频附近，然后定时同步进行数据同步，然后进行载波同步将信号一个符号四个采样点变换为一个符号一个采样点。

10、优选的，在步骤b中，根据信号的调制方式的星座图将载波同步后进行硬判决得到链路层的比特流数据。

11、优选的，在步骤c中，在进行帧头p的比较过程中，当发生失配时，帧头p的部分比特p1已比较完毕，好后缀则按以下三种情况讨论：

12、(1)若p1在帧头p中的其他位置也出现过，则移动帧头p，使得其中除已比较过的处于最右边的p1与发生失配时比特流数据t中已比较的p1位置对齐，并开始下一轮比较。

13、(2)若p1在帧头p中的其他位置从未出现过，但是可以在比特流p中最左的位置找到p2，使得p2在p中处于最右边部分，那么移动帧头p，使得帧头p中的p2与发生失配时比特流t中已比较的p2位置对齐，并开始下一轮比较。

14、(3)若p1在帧头p中的其他位置从未出现过，并且在帧头p中最左的位置找不到p2，使得p2在p1中处于最右边部分，则直接移动帧头p，使得帧头p的首部与发生失配时比特流t中已比较的p1的下一个位置对齐，并开始下一轮比较。

15、设帧头p的滑动距离为lp,则好后缀计算公式如下：

16、shift(lp)＝min{s|(p[lp+1...m]＝p[lp-s+1...m-s])&&

17、(p[lp]≠p[lp-s](lp＞s),

18、p[s+1...m]＝p[1...m](lp≤s)}

19、局部错误容限和整体错误容限都与帧头长度l具有一定的比例关系，具体如下：

20、m＝k1·l，n＝k2·l

21、其中k1和k2的大小由技术人员自行设定，一般不超过30％。

22、优选的，在步骤d中，将帧头和比特流数据左对齐然后进行匹配，匹配下标的跳跃距离按照帧头的好后缀数组表进行跳跃，帧头与比特流的匹配方向是从右向左，而帧头整体的移动的方向是从左向右。

23、优选的，在步骤e中，若已匹配成功的比特序列超过整个帧头长度一定比例(比例大小由技术人员自行设定，一般不超过20％)且符合局部错误容限n时，匹配移动下标在本轮匹配的起始位置后的l比特范围内不再按照好后缀数组表移动，而是逐比特移动匹配，如果在此范围内符合整体错误容限m的情况下帧头与比特流数据匹配成功，则记录匹配移动下标位置后继续按照好后缀数组表移动，记录下的匹配移动下标位置就是帧头起始位置。

24、本发明所具有的有益效果为：提出了一种基于模式匹配的等长帧信号快速检测算法。通过将模式匹配查找的方法应用于信号检测领域，利用模式匹配检测速度快的优点弥补了现有信号检测方法的缺陷，通过修改模式算法匹配下标的移动规则使其适用于比特流数据，并加入了局部错误容限和整体错误容限，极大的增强了算法的抗误码能力。理论分析和仿真实验结果表明，在高斯信道下，算法的检测概率和虚警概率均有明显改善，且复杂度更低、检测速度更快。同时，通过实测数据的检测结果，本专利适用于实际工程中。

技术特征：

1.一种基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，其特征在于，接收到的信号首先进行数字下变频之后，中心频率搬移至零频附近，然后定时同步进行数据同步，然后进行载波同步将信号一个符号四个采样点变换为一个符号一个采样点。

3.根据权利要求1所述的基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，其特征在于，根据信号的调制方式的星座图将载波同步后进行硬判决得到链路层的比特流数据。

4.根据权利要求1所述的基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，其特征在于，在进行帧头p的比较过程中，当发生失配时，帧头p的部分比特p1已比较完毕，好后缀则按以下三种情况讨论：

5.根据权利要求1所述的基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，其特征在于，设帧头p的滑动距离为lp,则好后缀计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，其特征在于，将帧头和比特流数据左对齐然后进行匹配，匹配下标的跳跃距离按照帧头的好后缀数组表进行跳跃，帧头与比特流的匹配方向是从右向左，而帧头整体的移动的方向是从左向右。

7.根据权利要求1所述的基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，其特征在于，若已匹配成功的比特序列超过整个帧头长度一定比例且符合局部错误容限n时，匹配移动下标在本轮匹配的起始位置后的l比特范围内不再按照好后缀数组表移动，而是逐比特移动匹配，如果在此范围内符合整体错误容限m的情况下帧头与比特流数据匹配成功，则记录匹配移动下标位置后继续按照好后缀数组表移动，记录下的匹配移动下标位置就是帧头起始位置。

技术总结
本发明公开了一种基于模式匹配的等长帧信号快速检测方法，包括如下步骤：步骤A、接收基带信号数据，进行定时同步和载波同步；步骤B、将载波同步后的信号数据进行硬判决得到链路层比特流数据；步骤C：生成已知帧头的好后缀数组表，根据已知帧头长度L确定局部错误容限N和整体错误容限M；步骤D：将帧头和比特流数据左对齐进行匹配，匹配下标的跳跃规则对应帧头的好后缀数组表；步骤E：将帧头与比特流数据开始进行匹配，在符合局部错误容限和整体错误容限下，帧头与比特流中某一段序列匹配成功则记录匹配下标位置；步骤F：重复步骤E直至匹配下标移动到比特流数据尾部。本发明具有信号检测速度快和能够有效克服通信信道中噪声影响的优点。

技术研发人员：王忠勇,张树峰,刘宏华,孙红,巩克现,宋凯飞,王玮
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25