基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法及系统

技术特征：
1.一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一，在ldpc译码因子图模型基础上，添加校验节点满足概率检测节点集合gns，并与校验节点单向连接；添加校验节点归一化满足概率统计节点g
ave
，输出校验节点归一化满足概率，得到用于估计帧同步的帧同步归一化置信度，所述帧同步归一化置信度即为帧同步位置的代价函数；步骤二，确定帧同步滑动窗位置γ(τ)，移动滑动窗γ(τ)得到观测帧数据r(τ：τ n
c-1)，滑动窗口内信息序列r(τ：τ n
c-1)为因子图模型输入；步骤三，根据观测帧数据r(τ：τ n
c-1)的幅值初始化变量节点；步骤四，根据变量节点信息和校验约束关系更新全局因子图校验节点；步骤五，根据r(τ：τ n
c-1)的信道先验概率信息和校验节点信息更新全局因子图变量节点；当达到最大迭代次数时停止迭代过程，跳转到步骤六，否则跳转到步骤四，重复步骤四到步骤五，直至达到最大迭代次数时停止迭代；该步骤确保后续帧同步位置估计步骤在充分引入编码增益的情况下进行；步骤六，以校验节点归一化满足概率确定帧同步归一化置信度π(τ)，将编码增益引入帧同步过程；步骤七，计算码字近似后验概率并硬判决，输出该帧同步位置的译码判决结果，得到经过帧同步和译码过程后的比特序列步骤八，根据步骤六得到的帧同步归一化置信度判断帧同步位置，以所述帧同步归一化置信度的单峰值特性分析迭代增益引入点与帧同步位置的关系，以确定帧同步归一化置信度最大值的过程实现帧同步位置估计；由于利用编码自身结构特性通过编码辅助引入编码增益完成帧同步过程，提高帧同步准确性，无需在发射端插入导频符号，避免频谱利用率下降的问题，显著提升通信系统的吞吐量和传输速率；步骤九，输出该正确帧同步位置的译码判决比特序列，完成帧同步和译码过程；与传统接收机帧同步、信道译码惯序处理架构相比，该发明引入编码增益实现快速而准确的帧同步和信道译码同步，减小通信系统性能的损失。2.如权利要求1所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：步骤一实现方法为，建立ldpc译码因子图模型g＝(vns∪cns,ξ)，其中vns代表变量节点集合，大小为校验矩阵行维度n
c
；cns代表校验节点集合，大小为校验矩阵列维度n
c-n
b
，其中n
c
为码字序列长度，n
b
为信息序列长度；ξ代表连接变量节点和校验节点的边集合；在校验节点cns＝(c1,c2,...,c
k
)基础上添加校验节点满足概率检测节点gns＝(g1,g2,...,g
k
)，输出校验节点满足概率表示在码字序列r和校验矩阵h的条件下，经过k次迭代后检测节点g
n
输出校验节点c
n
符合校验约束的概率，即校验节点c
n
约束的所有变量节点的符号信息乘积模二和为0的概率：其中，c
n
表示接收概率信息的校验节点，v
m
表示传递概率信息的变量节点，g
n
表示检测节点符号索引，取值为0或1，v
m'
∈n(c
n
)表示v
m'
属于与校验节点c
n
相连的所有变量节点集合，{v
m
}表示所有变量节点集合，上标k表示译码迭代周期，i
c
(c
n
)表示校验节点c
n
对应的校
验约束成立，即：节点g
ave
输出第k个迭代周期校验节点归一化满足概率p
(k)
(g(k)|r(τ))为：其中，ρ为归一化因子，使得p
(k)
(g(k)|r(τ))取值范围在0到1；求和符号表明对所有校验节点的满足概率求和，并最终求得平均值来表征全部校验节点的约束满足概率情况；对于接收机接收的完整数据帧，以不同时延取接收序列中一完整码字长度的数据为一帧，作为因子图模型的输入，即滑动窗γ(τ)内n
c
长度信息序列r(τ：τ n
c-1)的幅值，其中τ为帧同步传输时延，定义滑动窗口起始位置；因子图输出为比特表示码字的近似后验概率信息的硬判决信息。3.如权利要求2所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：步骤二实现方法为，建立帧同步系统模型，考虑前级定时同步和载波同步已完成对定时误差和载波相位的精确估计，将帧同步过程简化为对帧补偿量τ0的估计问题，以r(t)表示经过awng信号后输入帧同步系统的接收信号，s(t)表示发射端信号，n(t)为在符号级别叠加的噪声，是均值为0，单边功率谱密度为n0的复高斯白噪声，τ0表示传输时延，得到帧同步系统模型为：r(t)＝s(t-τ0) n(t)其中，s(t)是第t时刻发送的符号，为0或1；在该系统模型基础上设置帧同步滑动窗γ(τ)，选择滑动窗长度为n
c
，即该滑动窗总包含一完整编码序列长度的数据；通过在接收序列上以t为单位移动帧同步滑动窗，得到滑动窗γ(τ)相对位置的帧结构，窗内为该相对帧结构的观测帧数据r(τ：τ n
c-1)；位置τ对应的正确帧同步概率为：p(τ|r(t)),τ∈[0,n
c-1]τ表示在接收充分统计量为r(t)的情况下，正确帧同步的可能位置，n
c
为帧的长度；通过在r(t)上滑动帧同步滑动窗最大化上述后验概率，得到在接收r(t)的情况下，正确帧同步的可能位置。4.如权利要求3所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：步骤三实现方法为，将帧同步滑动窗内的观测帧r(τ：τ n
c-1)信道先验概率信息输入因子图模型，初始化变量节点；根据高斯白噪声信道概率分布，帧结构t＝τ时因子图变量节点初始化信息为：其中，x
i
表示变量节点符号索引，取值为0或1；表示滑动窗为γ(τ)时序列r(τ：τ n
c-1)的信道先验概率信息，其中φ(t)表示接收序列幅值，l∈[0,n
c
)表示帧同步滑动窗内序列索引，σ2为信道噪声方差。5.如权利要求4所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：步骤四实现方法为，在已知观测帧序列r(τ：τ n
c-1)的先验信息r和校验约束关系h的条件下，得到校验节点向变量节点传递更新概率信息集合即校验节点向变量节点传递符号x
i
为0或1的概率：其中，v
m'
∈n(c
n
)\v
m
表示v
m'
属于与c
n
相连的，不包括v
m
的所有变量节点集合，～{v
m
}表示除了v
m
以外的所有变量节点集合，上标k表示译码迭代周期；校验节点信息代表除v
m
以外与校验节点c
n
相连的所有变量节点模二和为0的概率密度函数表征。6.如权利要求5所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：步骤五实现方法为，变量节点向校验节点传递更新概率信息集合即在已知信道接收序列r和校验矩阵h的条件下，变量节点向校验节点传递符号x
i
为0或1的概率，根据校验约束关系和校验节点信息，变量节点更新信息集合为：其中，c
n'
∈n(v
m
)\c
n
表示c
n'
属于与v
m
相连的，不包括c
n
的所有校验节点集合，λ
mn
为归一化参数，使得关系式满足当达到最大迭代次数时停止迭代过程，跳转到步骤六，否则跳转到步骤四，重复步骤四到步骤五，直至达到最大迭代次数时停止迭代；该步骤确保后续帧同步位置估计步骤在充分引入编码增益的情况下进行。7.如权利要求6所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：步骤六实现方法为，计算最后一个迭代周期时，节点g
ave
输出的校验节点归一化满足概率输出的校验节点归一化满足概率其中k0为停止迭代周期，即最大迭代次数；π(τ)表示了滑动窗γ(τ)内观测帧r(τ：τ n
c-1)经过迭代更新后的帧同步归一化置信度；步骤七实现方法为，对序列r(τ0：τ0 n
c-1)进行近似后验概率更新并判决输出码字，码字的近似后验概率为：当时，比特判决输出b
m
＝1，当时，比特判决输出b
m
＝0，输出译码序列。8.如权利要求7所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：步骤八实现方法为，将该滑动窗观测帧r(τ：τ n
c-1)的帧同步归一化置信度π(τ)和硬判决码字序列进行储存，并令τ＝τ 1，跳转到步骤二，重复步骤二到步骤七，对下一滑动窗的信息序列进行迭代更新计算π(τ)；当所有滑动窗的帧同步归一化置信度和硬判决码字序列均完成计算并储存后，通过对所有滑动窗观测帧的帧同步归一化置信度π(τ)进
行比较，找到最大值对应的滑动窗则为正确帧同步位置，为正确帧序列，即：由不同码型校验节点归一化满足概率在迭代过程中的变化趋势可知，非帧同步序列r(τ：τ n
c-1)输入因子图的序列为不可译码型，其校验节点归一化满足概率p
(k)
(g(k)|r(τ))在小于1的任一区间收敛或持续震荡，最终收敛于小于译码成功阈值的数值范围；而对于正确帧同步位置的序列r(τ0：τ0 n
c-1)，考虑到输入因子图的序列存在编码自身结构特性，构成可译码型，校验节点归一化满足概率p
(k)
(g(k)|r(τ))在大多数情况下可以达到译码成功阈值门限t，远远大于其余非帧同步位置的校验节点归一化满足概率；在低信噪比情况下，正确帧同步位置的序列即使存在非可译码型，仍然更符合校验约束关系；因此，根据分布统计可知正确帧同步位置的π(τ)在绝大多数情况下大于非帧同步位置的π(τ)，通过寻找π(τ)最大值可以确定帧同步位置。9.如权利要求8所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：步骤九实现方法为，当确定帧同步位置后，将序列r(τ0：τ0 n
c-1)的硬判决码字序列作为译码输出；此时，依据π(τ)最大值分布确定帧同步位置并通过迭代消息传递算法完成相应译码过程，输出译码码字序列，从而实现帧同步和译码过程。10.基于最大值检测的编码辅助盲帧同步系统，用于实现如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法，其特征在于：主要由观测帧滑动窗模块、信道译码模块、检测节点模块、硬判决模块、缓存模块、置信度检测模块和译码输出模块组成；观测帧滑动窗模块主要用于实现如下功能：根据帧结构滑动窗在接收序列上确定观测帧结构，为信道译码模块提供输入；信道译码模块主要用于实现如下功能：通过信道译码引入迭代增益提升帧同步性能，并同时完成信道译码过程；在传统信道译码模块结构的基础上添加检测节点模块，检测节点模块主要作用为构建用于估计帧同步位置的代价函数，即帧同步归一化置信度，将所述代价函数输入给缓存模块；硬判决模块主要用于实现如下功能：通过硬判决将信道译码软信息判决为0、1比特，输出帧同步和信道译码后的码字序列给缓存模块；缓存模块和置信度检测模块主要用于实现如下功能：存储帧同步归一化置信度并比较，利用帧同步归一化置信度单峰值特性确定迭代增益引入点和帧同步位置的对应关系，通过对缓存的帧同步归一化置信度进行最大值检测实现对帧同步位置的估计；译码输出模块主要用于实现如下功能：对同步位置的硬判决缓存数据读取并输出，实现译码输出。

技术总结
本发明公开的一种基于最大值检测的编码辅助盲帧同步方法及系统，属于通信信号处理领域。本发明根据LDPC因子图模型的校验节点归一化满足概率，得到用于帧同步位置估计的帧同步归一化置信度，根据帧同步归一化置信度的单峰值特性分析增益引入点和帧同步位置关系，以确定帧同步归一化置信度最大值的过程完成帧同步位置估计，进而实现帧同步和迭代译码。本发明无需插入导频实现帧同步，显著提升通信系统的吞吐量和传输速率；利用编码自身结构特性通过编码辅助引入编码增益，降低通信系统性能损失；利用帧同步归一化置信度单峰值特性寻找最大值，进而估计帧同步位置，针对连续通信系统实现帧同步过程，且同时完成迭代译码。且同时完成迭代译码。且同时完成迭代译码。


技术研发人员：周可歆 丁旭辉 胡东方 杨凯 安建平 卜祥元
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.10.08
技术公布日：2023/1/31