一种前导参考循环互相关线性调频扩频短突发通信方法

本发明属于无线通信物理层可靠传输，特别是涉及一种前导参考循环互相关线性调频扩频短突发通信方法，在复杂近地多径、载波频率偏移、定时偏移、采样频率偏移和带内干扰共同存在时，利用前导参考谱与载荷谱循环互相关实现鲁棒同步和载荷检测。

背景技术：

1、地面无人车、无人机器狗、移动巡检机器人等近地移动平台，通常工作于城市道路、园区、厂房、地下通道等复杂环境。受地面反射、墙体遮挡、设备散射及非视距传播影响，近地无线链路容易出现多径衰落、时延扩展、载波频率偏移（carrier frequency offset，cfo）、定时偏移（timing offset，to）、采样频率偏移（sampling frequency offset，sfo）以及带内干扰等问题，从而影响短突发控制信息的可靠传输。

2、现有直接序列扩频（direct sequence spread spectrum，dsss）通信方法能够通过扩频码获得处理增益，并可结合耙式（rake）接收机实现一定的多径分集。然而，带宽、处理增益和短突发帧长受限时，dsss进一步降低误码率通常需要增加码长、能量、同步开销或接收复杂度；传统线性调频扩频（chirp spread spectrum，css）接收方式利用线性调频符号在频带内展开能量，lora（long range）进一步通过循环移位chirp承载多比特信息，凭借低复杂度、低功耗与低信噪比解调能力成为低功耗广域网典型物理层体制。然而，css多采用去线性调频（dechirp）后取频域最大峰值的单峰判决方法，在强多径和同频干扰条件下，容易受到峰值展宽、附加峰和峰间竞争影响，导致符号判决错误。

3、因此，现有扩频通信方法在复杂近地多径环境下仍存在同步与解调分离、多径频域结构利用不足、单峰检测鲁棒性较差等问题，难以兼顾短帧长、低同步开销和高可靠接收需求。亟需一种能够利用帧内前导结构辅助同步和载荷判决的线性调频扩频通信方法，以提高复杂多径和带内干扰条件下短突发通信的可靠性。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决复杂近地多径环境中传统dechirp-dft单峰检测容易受到峰值展宽、附加峰、峰间竞争以及带内干扰影响的问题，并解决短突发帧内cfo、to和sfo难以统一补偿的问题。本发明提出了一种前导参考循环互相关线性调频扩频(preamble-referenced cyclic cross-correlation css，prcc-css）通信方法，将帧结构、前导/帧同步定界符（start-of-frame delimiter，sfd）同步、参考谱构造和载荷解调统一到同一频域结构匹配过程。前导既用于帧检测和时频同步，也用于构造多径参考谱；sfd不仅用于帧边界确定，也与前导形成互补索引以恢复整数cfo与to, 并在粗同步基础上进一步估计小数cfo、小数to和sfo；载荷符号不再依赖单个dft峰值，而与前导参考谱进行整体循环匹配，通过循环互相关判决将多径频域结构从不利扰动转化为可复用的帧内参考特征，并给出了具体实施步骤。

2、为了实现本发明目的，本发明公开了一种前导参考循环互相关线性调频扩频短突发通信方法，包括以下步骤：

3、步骤1、在发送端构造短突发帧，包含前导序列和载荷符号；

4、步骤2、在接收端利用前导序列进行帧检测和粗同步，估计并补偿整数载波频偏cfo和整数定时偏移to；

5、步骤3、在粗同步的基础上进行细同步，进一步估计小数cfo、小数to和采样频率偏移sfo；

6、步骤4、完成同步补偿后，利用前导序列作为参考，对接收信号进行循环互相关检测，判决与解调载荷符号。

7、进一步地，步骤1具体包括以下步骤：

8、发送端构造线性调频扩频短突发帧，所述短突发帧依次包括前导、帧同步定界符sfd和载荷数据；基础上啁啾符号up-chirp的连续时间表达式为

9、

10、其中，为虚数单位，满足；为连续时间变量，表示up-chirp信号在一个符号周期内的时间；为信号带宽；为chirp符号周期，且；对基础up-chirp进行采样，得到离散形式

11、

12、其中，为扩频因子，为离散时间采样点的索引，满足；基础下啁啾符号down-chirp的连续时间表达式为

13、

14、发送端将待传输信息转换为二进制比特流，按个比特为一组进行分组，将每组转换为十进制调制信息，其中；

15、调制后的up-chirp符号表示为基础up-chirp的循环移位

16、

17、其中，表示取模运算；为保证符号间相位连续性，引入相位补偿项

18、

19、进一步化简为：

20、

21、完整短突发帧由前导、sfd和载荷数据依次组成

22、

23、其中，为前导中基础up-chirp的数量，为sfd中基础down-chirp的数量，为载荷数据中调制up-chirp的数量；

24、前导用于信号检测、粗同步和前导参考谱构造；sfd用于帧同步确认和载波频率偏移、符号定时偏移的联合估计；载荷数据用于承载待传输信息。

25、进一步地，步骤2具体包括以下步骤：

26、接收端对接收信号进行帧检测和粗同步，以确定前导位置、sfd位置，并对载波频率偏移和符号定时偏移进行初步估计；

27、接收端对接收信号进行直接非相干解调；首先进行去线性调频dechirp处理，将接收信号与基础down-chirp进行点乘

28、

29、其中为dechirp后的信号，为接收信号，为基础down-chirp的共轭；再对进行离散傅里叶变换

30、

31、其中是对进行离散傅里叶变换后的信号，为频率索引且；对dft输出取模，选择最高幅度对应的索引作为解调结果

32、

33、接收端以符号长度个采样点为单位，对接收信号进行针对up-chirp的直接非相干dnc解调；若连续个符号的解调索引都相同，则视为检测到前导，并将解调索引记录为；

34、前导检测完成后，接收端同时对接收信号进行针对up-chirp和down-chirp的直接非相干解调；当down-chirp解调得到的最大幅值大于up-chirp解调得到的最大幅值时，视为检测到sfd；对接下来个符号长度的接收信号进行针对down-chirp的dnc解调，将取模后的dft输出结果相加

35、

36、其中为遍历个符号的循环变量；选取最大幅值对应的索引，将其记录为；

37、根据前导解调索引和sfd解调索引的关系，对cfo和to进行初步估计；cfo对up-chirp和down-chirp解调的影响方向相同，to对二者解调的影响方向相反；因此，前导中基础up-chirp的解调索引与cfo和to的关系为

38、

39、sfd中基础down-chirp的解调索引与cfo和to的关系为

40、

41、其中为整数cfo，为整数to；由上述两式得

42、

43、其中，和分别为整数cfo与整数to估计值，之后对接收信号进行初步的cfo和to校正。

44、进一步地，步骤3具体包括以下步骤：

45、在完成步骤2的整数cfo和整数to校正后，接收端对前导符号序列进行精细处理以估计小数cfo、小数to及采样频率偏移sfo；接收端对第个前导符号进行整数补偿后的dechirp输出表示为

46、

47、其中为接收信号对应符号，；该输出包含小数cfo、小数to与多径叠加的等效符号结构，以及噪声和干扰项；

48、之后进行小数cfo的估计，先对相邻前导符号的dechirp输出进行相位差分以消除与有关的相位项，小数cfo估计为

49、

50、其中，为小数cfo估计值，为前导up-chirp个数，表示复数相位，为的共轭；为增强多径条件下的参考稳定性，对多个前导符号的频域输出作平均

51、

52、其中，为前导平均频谱，为第个前导符号整数与小数cfo补偿后的dechirp-dft输出，为频域bin索引；

53、小数to由平均谱主峰邻域插值得到

54、

55、其中，为小数to估计值，为的主峰索引；该插值只在主峰邻域进行，因此计算复杂度低于二维联合搜索；

56、采样频率偏移在载荷段表现为跨符号频域bin漂移；设接收端采样时钟的相对偏差为，则等效bin漂移写为

57、

58、其中，为由cfo估计得到的实际频偏估计值，为载频，为相邻符号间由sfo引起的等效bin漂移；后续载荷符号的频域索引按进行逐符号校正；上述同步参数均由同一帧前导估计，因此不需要长时信道跟踪；但其性能依赖前导长度、前导信噪比和帧内信道稳定性。

59、进一步地，步骤4具体包括以下步骤：

60、完成同步补偿后，第个载荷符号的dechirp-dft输出为

61、

62、其中，为第个载荷符号的频域输出，为同步补偿后的第个载荷符号接收样本，为基础up-chirp的共轭，为频域bin索引；

63、在帧内信道准静态且残余同步误差较小时，其幅度谱可近似看作多径等效频域结构的循环移位，即

64、

65、其中，为当前帧多径等效频域结构，为第个载荷符号的真实调制索引，为噪声、干扰和残余同步误差形成的扰动项；

66、以前导平均频谱作为当前帧参考谱，并进行门限截断以抑制噪声项

67、

68、其中，为截断后的参考谱，为门限截断算子，为由噪声底或前导平均谱分位数确定的门限，为示性函数；

69、由此构造循环互相关统计量

70、

71、其中，为第个载荷符号在候选循环移位下的匹配统计量，；

72、

73、其中，为第个载荷符号的判决索引。

74、与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1）给出了一种前导参考循环互相关线性调频扩频通信方法，能够利用前导与sfd的互补频域索引实现整数cfo与to联合估计，并结合相邻前导相位差、主峰邻域插值以及跨符号bin漂移完成小数cfo、小数to与sfo补偿，从而有效降低复杂时频偏条件下同步误差对通信性能的影响；2）提出的前导参考循环互相关线性调频扩频通信方法能够利用前导平均频谱构造当前帧多径参考结构，并通过参考谱与载荷谱之间的循环互相关完成整体频域匹配检测，从而有效降低传统dechirp-dft单峰检测对频域峰值展宽、附加峰以及峰间竞争的敏感性，提高复杂多径与带内干扰环境下短突发通信的可靠性。

75、为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。