基于前导序列隐式信道质量指示的帧控制自适应编码方法与流程

发明涉及通信控制，特别涉及基于前导序列隐式信道质量指示的帧控制自适应编码方法。

背景技术：

1、在国家电网“双模通信互联互通技术规范”所定义的plc（power linecommunication, 电力线通信）物理层协议中，帧控制符号承载着数据帧的解调关键参数（如调制编码方案mcs、数据长度、导频图样等），是接收端正确解析后续数据载荷的前提。该协议规定帧控制符号采用固定的鲁棒编码方案（如重复编码结合bpsk调制），以确保在最恶劣信道条件下仍能可靠接收。

2、在现有的电力线通信标准与协议中，帧控制信息的传输普遍采用固定的调制编码方案，不随信道条件变化。代表性的现有方案包括以下三类：

3、（a）固定鲁棒编码方案：以itu-t g.9903（g3-plc）和g.9904（prime）标准为代表，帧控制符号固定采用bpsk（binary phase shift keying，二进制相移键控））调制结合高冗余度的前向纠错编码（如1/2码率卷积码加重复编码），在任何信道条件下均以同一套参数传输。国家电网现行双模通信协议中的fc符号亦遵循此范式，即以固定编码速率和调制阶数发送帧控制信息，接收端以固定解调方式处理。

4、固定鲁棒编码方案虽然保证了最差信道条件下的接收可靠性，但在中高信噪比信道（如近距离通信、信道条件良好的时段）下造成了严重的频谱效率浪费。以bpsk对比qpsk（quadrature phase shift keying，正交相移键控）为例，qpsk可在相同带宽下传输两倍信息量，而固定bpsk方案无法利用这部分信道容量。在plc信道中，信道条件随电网负载、接入设备数量、时段等因素大幅波动，固定方案意味着系统始终以“最低公分母”运行，整体吞吐量受限。

5、（b）显式信令指示方案：以ieee 802.11（wi-fi）系列的signal字段为代表：物理层帧头中包含一个独立的信令字段，以最鲁棒的模式（如bpsk + 1/2码率）传输该字段本身，而该字段的内容明确指示了后续数据部分的调制编码方案。plc领域的homeplug av标准中，帧控制字段也采用类似思路：fc（frame control，帧控制）内部若干比特用于标识后续载荷的调制方式和码率。

6、但帧控制信令字段本身的传输仍依赖固定的鲁棒编码，且该字段所占用的比特本身就是宝贵的物理层开销。当信令字段因信道恶化而解调失败时，不仅mcs（modulationand coding scheme，调制与编码策略）信息丢失，整个数据帧都无法解析。更为关键的是，在plc这种强冲激噪声信道中，fc符号的接收可靠性并不总能保证；一旦fc解调失败，即便后续数据符号以高mcs发送（说明信道条件其实良好），接收端也无从知晓其解调参数，导致整个帧丢失。换言之，fc符号本身成为了可靠性的单一故障点（single point offailure）。

7、（c）独立信道质量反馈方案：接收端通过测量信道质量参数（如信噪比snr估计值），经由上行反馈信道将推荐mcs发送给对端，发送端根据反馈调整后续帧的编码方案。典型的协议如3gpp lte/nr中通过cqi（channel quality indicator）上报机制实现。

8、但这种方案需要建立并维护双向反馈链路，引入额外的交互时延。在plc点对多点通信场景（如集中器与多只电表通信）中，中央节点需要为每个终端维护独立的信道质量状态，协议复杂度显著增加。此外，反馈信息本身也需要物理层资源承载，同样存在传输可靠性问题。

9、综合来看，现有技术的共同缺陷在于：帧控制信息的调制编码方案与其所处的信道条件之间缺乏高效的耦合机制——要么完全无耦合（固定方案），要么只能通过消耗帧控制自身比特来实现耦合（显式信令），要么依赖额外的反馈回路（独立反馈）。

技术实现思路

1、针对现有技术中信道条件变化导致帧控制信息的调制编码方案传输稳定性较低的技术问题，本发明提出基于前导序列隐式信道质量指示的帧控制自适应编码方法，利用前导序列（preamble）自身的参数选择来隐式携带帧控制信息的调制编码方案指示，使接收端在完成前导同步的同时即可获知帧控制信息的调制编码方案，提高稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、基于前导序列隐式信道质量指示的帧控制自适应编码方法，具体包括以下步骤：

4、s1：构建前导序列的生成参数与帧控制调制编码策略的第一映射关系；

5、s2：发送端根据信道质量估计遍历第一映射关系，确定mcs等级和生成参数，根据生成参数生成前导序列和fc编码数据；

6、s3：接收端在前导序列同步阶段执行并行多根检测机制，完成对fc编码数据的解码得到调制编码策略。

7、优选地，所述s1中，前导序列的生成参数包括zc序列的根序号、循环移位量和/或初始相位旋转角。

8、优选地，所述s2中，mcs等级的确定方法为：

9、在双向通信场景中，接收端在解调完上一帧后，通过上层协议将信道质量指示反馈给发送端，发送端根据反馈值选择mcs等级。

10、优选地，所述s2中，mcs等级的确定方法为：

11、在时分双工模式下，发送端通过测量反向接收信号的snr来推断前向信道质量指示，确定mcs等级。

12、优选地，所述s2中，mcs等级的确定方法为：

13、发送端维护一个滑动窗口内的ack/nack历史记录；若最近m个帧中nack比例低于阈值t1，则将mcs等级提升一级；若高于阈值t2，则将mcs等级降低一级。

14、优选地，所述s2中，按照mcs等级对应的调制编码策略对数据进行编码和符号映射，得到fc编码数据。

15、优选地，所述s3包括：

16、s3-1：在前导序列同步阶段，采用k个副本同时执行k路频域互相关计算，得到k个计算结果；

17、s3-2：将k个计算结果中幅度最大对应的前导序列作为判决结果，确定对应的mcs等级和帧控制调制编码策略；

18、s3-3：同时采用频域同步算法提取fc编码数据；

19、s3-4：根据判决结果对应的帧控制调制编码策略对fc编码数据进行解调和解码，得到调制编码策略。

20、优选地，所述s3-1中，接收端在本地维护k个候选前导序列的副本，对应k种可能的根序号。

21、优选地，所述s3-3中，fc编码数据包括调整编码策略。

22、优选地，还包括校正机制：

23、利用fc解调结果的校验位对判决结果进行校验确认：若fc的crc校验失败，k个计算结果中幅度排名第二的前导序列对应的mcs重新解调fc编码数据。

24、综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

25、1.本发明通过将以前导序列的生成参数选择作为帧控制信息调制编码方案的隐式指示手段，接收端在完成前导同步的同时即可获知帧控制信息的调制编码方案，解决fc因信道波动解调失败失去解调参数的问题，提高了帧控制信息的调制编码方案传输的稳定性。

26、2.前导序列的生成参数不占用额外的信令开销，节省了这部分物理层开销。

27、3.接收端采用并行检测，对k种可能的候选前导序列参数同时执行频域互相关，以最大相关值对应的候选参数为判决结果，一次性完成同步参数提取与mcs信息恢复，提高了处理效率。