CN107733464A - 一种Chirp扩频通信系统的联合检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Chirp扩频通信系统的联合检测方法及系统，该方法通过最小二乘法结合干扰抑制得到时域信道参数中非零系数的位置集合；通过对位置集合中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波得到较准确的估计时域信道参数；RAKE接收机获得估计信道时域参数，然后根据最大比合并原则把多条路径分量合并起来；该方法干扰抑制可以有效地增强信噪比，有助于判断多径分量的位置，再结合最小二乘法和卡尔曼滤波可以得到较准确的信道时域参数，然后采用最大比合并把多条路径分量合并以提高信噪比降低误码率。本发明在多径信道上具有很好的性能，可以有效地抵抗多径干扰，对工程上的应用具有一定价值。

Description

一种Chirp扩频通信系统的联合检测方法及系统

技术领域

本发明涉及通讯领域，更具体地，涉及一种Chirp扩频通信系统的联合检测方法及系统。

背景技术

伴随着物联网时代的来临，用户需求的增长，数以亿计的物体需要接入网络，逐步实现“万物互联”的伟大构想。大规模的终端节点部署必然对网络有着更为严苛的要求，提出了低功耗、低成本、高覆盖、大容量等条件，对此催生出低功耗广域网及其底层技术。其中Chirp扩频系统(CSS，Chirp Spread Spectrum)就是专为低功耗广域网设计，CSS作为物理层传输技术不仅有着低功耗、远距离的优势，还具备低复杂度、抗干扰能力强的特性。IEEE802.15.4a-2007明确指明以 CSS为物理层技术适用于长距离和高速运动的场合，CSS在物联网中有着广阔的应用场景。

由于传播环境中可能存在高楼、山体、树木等物体，电磁波从发射机发射出来，在传播的过程中经过这些障碍物的反射，会引起多条传送路径的出现，各条路径传播随时间变化即到达接收点的各场分量之间的相位关系不同，叠加合成即引发了多径效应。多径效应的产生会导致信号发生扭曲，从而引起符号间干扰。为了提高通信系统的可靠性，有必要展开对CSS系统抗多径干扰的研究。

在CSS通信系统中，解决多径干扰的方法大致分为两种：一种是在发射端采用预编码技术；Nanotron公司创新出一种多重选择预编码，在发射端进行信道估计的前提下，通过对发射信号预编码使得多个路径的信号到达接收机时叠加成等效的单径信号，从而有效的抵抗多径带来的码间串扰。该方法实际上是增加了发射机的复杂度以抵抗多径干扰，很适合在下行链路中实现。因为基站充当发射机，进行多重选择预编码，从而终端节点不需要进行复杂的接收算法，可以大大节省了终端硬件的成本。另一种在接收端采用传统的RAKE接收技术。低功耗广域网终端节点使用电池提供能源，因此功率受限，此外多径效应使得发送信号的能量分散，加剧了误码率的恶化。RAKE接收机是一种捕获多径信号，然后采用分集合并的方式获得系统增益的自适应接收机，本质上是将分散的多条路径分量收集起来，提高接收信噪比以获性能提高，但RAKE接收需要估计时域信道参数。 J.D.Jeong、S.H.Jang和J.W.Chong在2009年论文集中提出了几种RAKE接收机结构，但该文献也没有提出相关的信道估计算法。可是RAKE接收机需要获取准确的信道信息前提下才能有效地进行工作，为此在CSS通信系统中设计有效的信号检测方法已经成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明一种抗干扰能力强的Chirp扩频通信系统的联合检测方法。

本发明的又一目的在于提供一种Chirp扩频通信系统的联合检测系统。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种Chirp扩频通信系统的联合检测方法，包括以下步骤：

S1：通过最小二乘法结合干扰抑制得到时域信道参数中非零系数的位置集合；

S2：通过对位置集合中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波得到较准确的估计时域信道参数；

S3：RAKE接收机获得估计信道时域参数，然后根据最大比合并原则把多条路径分量合并起来。

进一步地，所述步骤S1的具体过程是：

S11：初始化导频符号计数k＝1，初始化时域信道参数中非零系数的位置集合L，L₀＝Φ，初始化估计时域信道系数向量

S12：对于第K个导频符号，采用LS信道估计算法，得到时域信道参数中非零系数的位置集合L_k，即确定变量l的取值。

进一步地，所述步骤S2的具体过程是：

S21：遍历位置集合L_k中的所有l的取值，初始化第l径卡尔曼跟踪的参数：和P_l(k-1)＝1；

S22：然后利用时域信道参数状态变量的量测方程和状态方程，对L_k中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波，得到估计值更新估计时域信道系数向量

S23：判断是否已经处理完所有导频符号，是则结束跟踪过程，若没有则处理下一导频符号，k＝k+1，L_k＝L_K-1，返回S22。

进一步地，所述步骤S3的具体过程是：

S31：初始化构造向量g[l]＝0，0≤l≤K-1；对估计时域信道系数向量求均值：初始化迭代次数t＝0；

S32：找到估计时域信道系数向量最大值所在的位置p，即：

S33：更新向量g和的值，即把上个步骤得到的位置p对应的元素添加到构建向量g中，同时把中此位置的值清零，即和同时，若p＝0，则令若位置p∈{1,2,…,L-2}，令左相邻和右相邻的值为零：

S34：迭代次数加1：t＝t+1，如果t＜k则返回S32，否则结束算法，采用 MRC算法求出合并向量

一种Chirp扩频通信系统的联合检测系统，包括：

LS-IM-KL信道估计模块，用于估计出较准确的时域信道参数；

RAKE接收机模块，用于对多径能量进行分集合并；

所述LS-IM-KL信道估计模块包括：

最小二乘法单元，用于估计时域信道参数；

干扰抑制单元，用于增强信噪比，提高有效路径的辨识度，剔除虚经，完成时域向量的重构，表现出时域信道的稀疏性；

卡尔曼滤波单元，用于提高信道估计的准确度；

所述RAKE接收机模块包括：

最大比合并单元，用于对多径分量分集合并起来。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明方法通过最小二乘法结合干扰抑制得到时域信道参数中非零系数的位置集合；通过对位置集合中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波得到较准确的估计时域信道参数；RAKE接收机获得估计信道时域参数，然后根据最大比合并原则把多条路径分量合并起来；该方法干扰抑制可以有效地增强信噪比，有助于判断多径分量的位置，再结合最小二乘法和卡尔曼滤波可以得到较准确的信道时域参数，然后采用最大比合并把多条路径分量合并以提高信噪比降低误码率。本发明在多径信道上具有很好地性能，可以有效地抵抗多径干扰，对工程上的应用具有一定价值。

附图说明

图1描述了本发明应用在CSS通信系统的框图；

图2描述了本发明干扰抑制单元示意图；

图3描述了本发明LS-KF信道估计流程图；

图4描述了本发明RAKE接收机模型示意图；

图5描述了本发明联合检测算法的基本步骤。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，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；

对于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。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明联合检测模块在Chirp扩频系统的接收端，是接收端一个必不可少的重要模块，其性能的好坏直接关系到通信系统的可靠性，如果检测模块的性能达不到要求会使得整个通信系统有较高的误码率，服务质量严重下降。本发明由LS-IM-KL信道估计模块和RAKE接收机模块两大部分组成。

所述LS-IM-KL信道估计模块使用了干扰抑制、最小二乘法、卡尔曼滤波。干扰抑制单元如图2所示，由于脉冲信号之间相关以及白噪声互不相关，在每个符号周期内有用信号通过相干叠加而得到增强，有用信号功率增强的速度大于噪声功率增强的速度，因此表现为信噪比增强，即噪声受到抑制。最小二乘法由于结构简单易于实现在实际中被广泛应用，本文借鉴滑动窗思想，同时利用Chirp 信号之间相关系数低的优点，将LS算法移植到CSS通信系统中，但LS算法容易受到噪声影响。因此为了进一步提高信道估计算法的准确度，结合了卡尔曼滤波。卡尔曼滤波算法用状态空间法描述系统的，由状态方程和量测方程所组成。卡尔曼滤波用前一个状态的估计值和最近一个观测数据来估计状态变量的当前值，并以状态变量的估计值的形式给出。利用在信道时域参数前后导频符号间的变化存在相关性的前提下，以卡尔曼滤波的方法提高信道估计的准确度。请参阅图3，其为LS-KF信道估计流程图。在进行LS-KL信道估计时，先由LS估计出导频时域信道参数中非零系数的位置集合L_k，然后对各个有效路径的信道参数进行卡尔曼滤波。具体流程为：初始化导频符号计数k＝1，初始化时域信道参数中非零系数的位置集合L，L₀＝Φ；对于第K个导频符号，采用LS信道估计算法，得到时域信道参数中非零系数的位置集合L_k，即确定变量l的取值；遍历位置集合L_k中的所有l的取值，初始化第l径卡尔曼跟踪的参数：和P_l(k-1)＝1；然后利用时域信道参数状态变量的量测方程和状态方程，对L_k中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波，得到估计值判断是否已经处理完所有导频符号，是则结束跟踪过程，若没有则处理下一导频符号，k＝k+1，L_k＝L_K-1，返回上一步；本发明的研究对象是时不变信道，LS-KF仅对导频进行了卡尔曼滤波操作，总体而言，其计算复杂度取决于 LS算法，而LS算法的复杂度以复数乘法次数比较则是O(Q²)，其中Q为子Chirp 码片个数。

在无线信道中，信号由于多径传播特性会产生多径分量，时延扩展会使发送信号经历选择性衰落，具体表现为接收信号由多个幅度和相位互不相同的信号叠加而成，导致接收信号的波形很难正确计算，对系统性能造成很大的影响。RAKE 接收机可以作为抵抗衰落多径信道的自适应接收机，RAKE接收机能够对多径能量进行分集合并，提高信号检测性能。RAKE接收机捕获的多径信号必须是在时域上表现为互不重叠的正交组合，而CSS通信系统具有良好地多径分辨能力，很好地满足这一要求。只要在接收端同一脉冲多个分量两两之间的时延大于脉冲持续时间，就称这两条路径是可辨别的，即多径信号相互独立。因此RAKE接收技术非常适用于本发明联合检测方法。上述的RAKE接收机模块如图4所示，本文采用的是最大比合并原则，最大比合并的实现方式即通过给分集的N路不同信号乘上一个不同的系数，是分集合并技术中的最优选择，相对于选择合并和等增益合并可以获得最好的性能，性能提升可以带来更高的信噪比，进而带来更好地误码率。

本发明一种Chirp扩频通信系统的联合检测方法主要是由LS-IM-KL信道估计模块通过接收到的导频信号估计出较准确的信道时域参数，采用MRC准则的 RAKE接收机根据LS-IM-KL信道估计模块估计出来的信道时域参数分集合并出信号。本发明Chirp扩频通信系统的联合检测方法的基本步骤如图5所示。

步骤S1：通过最小二乘法结合干扰抑制得到时域信道参数中非零系数的位置集合；

S11：初始化导频符号计数k＝1，初始化时域信道参数中非零系数的位置集合L，L₀＝Φ，初始化估计时域信道系数向量

S12：对于第K个导频符号，采用LS信道估计算法，得到时域信道参数中非零系数的位置集合L_k，即确定变量l的取值。

步骤S2：通过对位置集合中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波得到较准确的估计时域信道参数；

S21：遍历位置集合L_k中的所有l的取值，初始化第l径卡尔曼跟踪的参数：和P_l(k-1)＝1；

S22：然后利用时域信道参数状态变量的量测方程和状态方程，对L_k中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波，得到估计值更新估计时域信道系数向量

S23：判断是否已经处理完所有导频符号，是则结束跟踪过程，若没有则处理下一导频符号，k＝k+1，L_k＝L_K-1，返回S22。

步骤S3：RAKE接收机获得估计信道时域参数，然后根据最大比合并原则把多条路径分量合并起来。

S31：初始化构造向量g[l]＝0，0≤l≤K-1；对估计时域信道系数向量求均值：初始化迭代次数t＝0；

S32：找到估计时域信道系数向量最大值所在的位置p，即：

S33：更新向量g和的值，即把上个步骤得到的位置p对应的元素添加到构建向量g中，同时把中此位置的值清零，即和同时，若p＝0，则令若位置p∈{1,2,…,L-2}，令左相邻和右相邻的值为零：

S34：迭代次数加1：t＝t+1，如果t＜k则返回S32，否则结束算法，采用MRC算法求出合并向量

本发明一种Chirp扩频通信系统的联合检测方法关键在于对稀疏信道进行重构，只保留其中最大的K个值，其余置零，其中步骤S3的S3.3至关重要，即从第一条路径开始，每一次找出估计信道向量最大值之后，都将其相邻值置零。因为真实的信道路径之间的时间间隔通常大于1个采样点，干扰会造成虚径判断，因此将其置零。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种Chirp扩频通信系统的联合检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过最小二乘法结合干扰抑制得到时域信道参数中非零系数的位置集合；

S2：通过对位置集合中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波得到较准确的估计时域信道参数；

S3：RAKE接收机获得估计信道时域参数，然后根据最大比合并原则把多条路径分量合并起来。

2.根据权利要求1所述的Chirp扩频通信系统的联合检测方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程是：

S11：初始化导频符号计数k＝1，初始化时域信道参数中非零系数的位置集合L，L₀＝Φ，初始化估计时域信道系数向量

S12：对于第K个导频符号，采用LS信道估计算法，得到时域信道参数中非零系数的位置集合L_k，即确定变量l的取值。

3.根据权利要求2所述的Chirp扩频通信系统的联合检测方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程是：

S21：遍历位置集合L_k中的所有l的取值，初始化第l径卡尔曼跟踪的参数：和P_l(k-1)＝1；

S22：然后利用时域信道参数状态变量的量测方程和状态方程，对L_k中所有延时路径的信道参数进行卡尔曼滤波，得到估计值更新估计时域信道系数向量

S23：判断是否已经处理完所有导频符号，是则结束跟踪过程，若没有则处理下一导频符号，k＝k+1，L_k＝L_K-1，返回S22。

4.根据权利要求3所述的Chirp扩频通信系统的联合检测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程是：

S31：初始化构造向量g[l]＝0，0≤l≤K-1；对估计时域信道系数向量求均值：初始化迭代次数t＝0；

S32：找到估计时域信道系数向量最大值所在的位置p，即：

S33：更新向量g和的值，即把上个步骤得到的位置p对应的元素添加到构建向量g中，同时把中此位置的值清零，即和同时，若p＝0，则令若位置p∈{1,2,…,L-2}，令左相邻和右相邻的值为零：

S34：迭代次数加1：t＝t+1，如果t＜k则返回S32，否则结束算法，采用MRC算法求出合并向量

5.一种应用如权利要求4所述的Chirp扩频通信系统的联合检测方法的系统，其特征在于，包括：

LS-IM-KL信道估计模块，用于估计出较准确的时域信道参数；

RAKE接收机模块，用于对多径能量进行分集合并；

所述LS-IM-KL信道估计模块包括：

最小二乘法单元，用于估计时域信道参数；

干扰抑制单元，用于增强信噪比，提高有效路径的辨识度，剔除虚经，完成时域向量的重构，表现出时域信道的稀疏性；

卡尔曼滤波单元，用于提高信道估计的准确度；

所述RAKE接收机模块包括：

最大比合并单元，用于对多径分量分集合并起来。