基于能量峰值检测的UWB导频模式估计算法.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于能量峰值检测的UWB导频模式估计算#法*王雪，钱志鸿5（吉林大学通信工程学院，长春130012）摘要：本文针对同步估计的导频模式依赖性，提出基于能量峰值检测的导频模式识别方法。接收机在接收到第一个导频符号后，计算该符号能量，并以该能量的70%作为门限，继而计算与第一个接收导频符号相隔多个符号间隔的一个符号周期内的符号能量，并与门限阈值相比对，判断所采取的发送导频模式。该方10法的提出避免了相关峰值检测法的弱抗噪声性，为导频识别提供了可行的研究方案，在TFC1、TFC3、TFC5的导频模式结构下，都可以有效识别当前采取的导频模式。关键词：导频识别；能量检测；MB-OFDMUWB中图分类号：TN9215AnenergydetectionbasedTFCidentificationschemeforMB-OFDMUWBsystemsWANGXue,QIANZhihong(Departmentofcommunicationengineering,JilinUniversity,Changchun,130012)Abstract:Apatternrecognitionmethodwasfirstproposedbasedonderivativeofenergypeak20detection.Receivercalculatesenergyofthefirstreceivedpilotsymbol.70%oftheenergyistakenasthethreshold.Thenenergyofasymbolperiodofseveralsymbolperiodsdistanceawayfromthefirstpilotsymbolsiscomputedandcomparedwiththethreshold.Matchingtheoutputofpilotsymbolsenergywithdifferentpatterns,preamblemodescouldbeestimated.Theproposedmethodavoidsweaknoiseresistanceofpeakdetection,whichcouldeffectivelydistinguishpreamblemodesofpilots,no25matterwithTFC1,TFC3,orTFC5.Keywords:TFCidentification；energydetection；MB-OFDMUWB0引言30基于MB-OFDM的超宽带系统是基于导频实现的系统，ECMA-368标准明确定义了一般模式与突发模式下的导频结构、分类、生成以及导频序列的序列元素。该标准定义了7种导频模式（preamblepatterns），其中包括4种跳频模式（TFI）与3种定频模式（FFI），每种导频模式包括4组跳频TFI与3组定频模式FFI，6个符号时隙周期的时频码如表1所示，其中7个TFC中的数字1，2，3表示所在的子频带序号。系统采用不同的时频码时，35所应用的传输导频序列也不同，ECMA-368中为每种TFC定义了一组唯一的长为128的导频序列[1]。表16个符号时隙周期的时频模式分类表Table1timefrequencypreamblemodesof6symbolsTFC序号类型前导符号子带序号基金项目：教育部高等学校博士学科点新教师基金（No.20130061120062）作者简介：王雪（1984年-），女，副教授，硕导，主要研究方向为物联网与D2D通信技术.E-mail:jluwangxue@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1TFI11231232TFI21321323TFI31122334TFI41133335FFI51111116FFI62222227FFI733333340在基于MB-OFDM的超宽带系统中，每个发送的OFDM符号依据所采用的时频码在不同的传输子带间进行切换。由此可见，导频模式以及时频码在基于MB-OFDM的超宽带系[2-5]统同步研究与符号传输方面起着重要的作用。在接收端，如果要实现正确接收，则必须准确地了解发送端所采用的时频码。所以，导频模式的识别是接收机准确接收的基础，也是[6-8]45同步操作中重要的环节。在目前的同步研究中，大都假设导频模式已知，关于导频模式的识别与判断一直鲜有研究。因此本章将利用导频自身性质，研究导频模式的识别判定方法。1相关检测导频模式判决方法在同步实现前，接收机扫描所有的子频带，在某一频带上监听可能到来的导频信号，如果一段周期内都没有检测到信息包，则接收机切换到其它频带继续监听。由于跳频的原因，50对于任何即将到达的信息包，只有接收机正在监听的子带符号可以被监听到。比如，对TFC1，接收机监听子带1，每三个导频符号周期将监听到一个符号。利用文献[9]提出的平行ACF结构，如图1所示，一旦ACF输出结果与表1中的结果相匹配，则可立即得到检测信号结果。如表2所示，检测器输出模式可以表明检测信号的TFC模式。TFC5、6和7由RF子带确定，不需要其它的过程。如果接收信号属于TFC1-4，则需要其它过程来确定导频模式。55并行ACFrn0123456ACFACFACFACFABCD图1基于ACF的并行导频识别结构Figure1PreamblestructurebasedonACF60-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn表2门限匹配后的检测器输出组合Table1OutputresultsofenergydetectionidentificationTFCABCDTFC1,201011001TFC3,40011TFC5-7111165接收机可以采取以下两种方案来确定传输TFC模式。1.计算接收信号与采取某种时频码的已知同步符号的互相关运算CCF，通过将CCF结果与预定义导频进行比较来确定TFC模式；2.接收机切换到其它子带，继续计算ACF，将通过判断ACF输出峰值的位置来确定TFC模式。70第一个方案需要额外的硬件，计算复杂度更高一些。此外，虽然同步序列具有很好的自相关特性，但是它们的互相关性并不强。这将造成CCF较低的输出峰均比。因此，选择门限以及降低噪声敏感性都是很困难的。相反，第二种方案并不要求绝对门限，计算复杂度也更低，并且不需要额外的硬件辅助，现有的硬件设置可以满足需求。假设已在子带1检测到输出模式[0101]，则接收机切换到子带2，继续计算符号与其相隔3NsT的子符号的ACF75运算。ACF输出峰值位置则可表明接收信号的TFC模式。2基于能量判决的导频识别方法与文献[9]的接收机监听方法类似，在进行基于能量判决的导频识别方法之前，接收机也需要扫描所有的子带，并在某一子带上监听可能到达的导频符号。当接收机检测到第一个到达的导频符号时，检测器计算当前符号能量，表达式如下。Ntotal280Er(1)rn(1)bn1当计算到接收符号能量之后，本文所提的能量判决识别法可以通过门限值判断后续符号周期内的能量值，选择第一个到达导频符号最大能量的70%作为门限，即maxEr(1)70%(2)b当确定了能量判决门限后，则以第1个检测到的导频符号标识为基准，该频带上第p（p=2、854）个符号周期的检测能量可以表示为Ntotal2Er(p)rnp1N(3)btotaln1-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn因这里根据采取的TFC模式不同，rb(p)中可能包括导频符号，也可能不含有用符号。此利用图2中所提出的导频模式识别结构，检测器在检测到第一个到达导频符号后，取该符号能量峰值的70%作为门限值，以之为后续相隔p个符号周期的能量检测提供比对参照，90当超过门限值时则相应的输出点A、B或C置“1”，输出判决如下式。Detectionoutput1,Erb(p)(4)(A,B,C)0,Erb(p)r(p)1234bErb(1)Erb(p)maxEr(1)70%bABC图2基于能量峰值检测的导频识别法95Figure2Identificationstructurebasedenergypeakdetection当A、B、C的输出组合与表3中数值相匹配时，则可确定所采取的导频模式。由此可以看出，与相关检测导频模式判决方法相比，本文所提出的能量检测识别法只需判决A、B、C三个物理量的组合即可，其中A的输出为初始判决检测与门限选择之用，当判决接收符号后，实际需要计算的只有B与C的组合，因此，判决计算量低于文献[9]的相关检测导频100模式判决方法。表3能量检测识别法输出组合Table3OutputresultsofenergydetectionidentificationTFCABCTFC1,2101TFC3,4110TFC5-71111053仿真与分析为了验证本文所提出的导频模式识别判决方法的有效性，将在几个不同的TFC模式下对比验证判决输出结果。所采取的仿真参数如下：N=128，N32，N165，载pretotal[16]波频率f=4.125MHz，其它参数参照协议所示。为方便起见，此处我们选取8个符号周期，即两个输出组合周期，来验证输出情况。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn110由于文献[9]所提方法是基于相关运算的，而相关运算具有很大的输出随机性与噪声敏感性，因此我们对文献[9]所提的相关检测导频模式判决方法进行验证。考虑到输出结果的随机性与稳定性，本文对同一条件下的相关检测判决方法仿真两次，比较两个输出的差异性，以此分析其稳定性。相关检测导频模式判决方法在CM1与CM2环境中采用TFC1的两次仿真输出峰值组合分别如图3、图4与图5、图6所示。115图3至图6表明相关检测导频模式识别法输出结果并不稳定，在存在信号的位置虽然有峰值输出，但是峰值范围并不确定，因此很难选择确定的峰值。同时，算法在不同信噪比环境下的输出结果也具有很大的随机性，SNR=30dB条件下的输出峰值可能高于SNR=0dB时的输出峰值，也可能远远低于它，即使对于同一信噪比环境，完全相同的仿真参数，前后两次仿真，其输出差异也较大。因此，提高导频模式判决方法的稳定性十分重要。此外，在120SNR=-10dB时，该方法的峰值输出并不能与表2相匹配，即该方法在较低信噪比环境下，很大程度上已经损失了有效性。180CM1SNR=-10CM1SNR-0160CM1SNR=10CM1SNR=3014012010080ACFoutput604020012345678p图3CM1中采用TFC1的ACF输出峰值（情况1）Figure3ACFoutputwithTFC1inCM1(case1)125120CM1SNR=-10CM1SNR-0CM1SNR=10100CM1SNR=308060ACFoutput4020012345678p图4CM1中采用TFC1的ACF输出峰值（情况2）Figure4ACFoutputwithTFC1inCM1(case2)-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn250CM2SNR=-10CM2SNR-0200CM2SNR=10CM2SNR=30150ACFoutput10050012345678p130图5CM2中采用TFC1的ACF输出峰值（情况1）Figure5ACFoutputwithTFC1inCM2(case1)80CM2SNR=-10CM2SNR-070CM2SNR=10CM2SNR=30605040ACFoutput302010012345678p图6CM2中采用TFC1的ACF输出峰值（情况2）Figure6ACFoutputwithTFC1inCM2(case2)135为进一步分析本文所提出的能量检测判决导频识别法的有效性与稳定性，对CM1与CM2环境下采用TFC1时的能量峰值输出进行仿真分析，仿真结果如图7和图8所示。对于时频模式1，输出峰值理论上出现在距第1个检测到的峰值3个与6个符号周期的位置，在图中对应的坐标是p=4与p=7的位置，可见在这些符号周期处都有峰值输出，即使在SNR=-10dB时，能量检测在p=4与p=7符号位置处的输出依然可与表3相匹配，验证140了该方案在不同信道模式下对TFC1模式的适用性。600500400CM1SNR=-10300CM1SNR-0CM1SNR=10EnergyoutputCM1SNR=30200100012345678p图7CM1中采用TFC1的能量检测输出峰值Figure7EnergyoutputwithTFC1inCM1-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn250CM2SNR=-10CM2SNR-0CM2SNR=10200CM2SNR=30150Energyoutput10050012345678145p图8CM2中采用TFC1的能量检测输出峰值Figure8EnergyoutputwithTFC1inCM2本文进一步在CM1与CM2信道环境下，采用TFC3进行数据传输，并在接收机处以能150量判决导频识别方法判别输出峰值位置，仿真结果分别如图9和图10所示。450CM1SNR=-10400CM1SNR-0CM1SNR=10350CM1SNR=30300250200Energyoutput15010050012345678p图9CM1中采用TFC3的能量检测输出峰值Figure9EnergyoutputwithTFC3inCM1450CM2SNR=-10400CM2SNR-0CM2SNR=10350CM2SNR=30300250200Energyoutput15010050012345678p155图10CM2中采用TFC3的能量检测输出峰值Figure10EnergyoutputwithTFC3inCM2当系统采用TFC3传输符号时，理论峰值输出位置为与第一个到达符号相距1个符号与6个符号周期处，即p=2与p=7处，而仿真的实际输出峰值也出现在p=2与p=7处。同时，160本文提出的基于能量峰值检测的导频识别方法，即使在低信噪比（SNR=-10dB）时，输出峰值的符号周期依然与理论相匹配，可见，本文所提方法抗噪声性能优于基于相关峰值识别方-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn法。为了使分析更为全面，本文进一步在TFC5模式下利用所提出的能量峰值检测法进行导频模式识别，在CM1与CM2环境下得到的仿真输出结果分别如图11与图12所示。700600500CM1SNR=-10CM1SNR-0400CM1SNR=10CM1SNR=30Energyoutput30020010012345678p165图11CM1中采用TFC5的能量检测输出峰值Figure11EnergyoutputwithTFC5inCM1600500CM2SNR=-10400CM2SNR-0CM2SNR=10CM2SNR=30300Energyoutput200100012345678p图12CM2中采用TFC5的能量检测输出峰值170Figure12EnergyoutputwithTFC5inCM2当系统采用TFC5传输时，本文提出的导频识别方法，对于p的任何取值，检测器输出结果理论上是近似的，或者维持在同一量级上，因为采用TFC5传输数据时，所有信号在同一频带上传输，即信号在该频带上是连续的，所以应该得到持续检测到的峰值。仿真输出结果大体上是满足这样的规律的，尤其在SNR>0dB时，当接收机监听到第1个到达导频符号175后，所有到达的符号峰值都大于第1个符号，因此对门限选择的依赖性很小；而当SNR=-10dB时，在其它符号周期处的，输出峰值具有一定的波动性，因此检测的准确性在一定程度上依赖门限的选择。4结论针对相关运算的噪声敏感性，以及算法复杂度等问题，本文提出了基于能量检测的导频180模式识别方法，不需要进行符号间运算，只需对当前符号进行能量检测，当检测到第一个到达的导频符号后，只需检测与其相距1个与4个符号周期的信号能量，即可判别模式类型。本章在CM1与CM2信道环境下对方案进行仿真，信噪比从-10dB变化至30dB，导频模式-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn分别取TFC1、TFC3、TFC5，定义8个符号周期的导频序列，仿真验证了本文所提基于能量峰值检测的导频模式识别方法，不仅提供了一种低复杂度的导频识别方法，同时也提出了185一种动态变化的门限选择法，这也是目前的研究中欠缺的。本方案的有效实现将为基于MB-OFDM的超宽带系统同步实现提供一种可行性。[参考文献](References)[1]StandardECMA-368.HighRateUltraWidebandPHYandMACStandard[S].1stEdition2005,Dec.190[2]H.Steendam,M.Moeneclaey,Synchronizationsensitivityofmulti-carriersystems,EuropeanCommunications,ETTspecialissueonmulti-carrierspreadspectrum,Vol.52,No.5,pp.834-844.(2004)[3]赵晶晶,霍凯,刘永祥,杨小琪.基于循环前缀的相位编码OFDM雷达多普勒频移估计和补偿[J].电子与信息学报,2017,(04):938-944.[4]HMinn,M.Zeng,VKBhargava.OntimingoffsetestimationforOFDMsystems.IEEECommunLett.,1954(6):242-244.(2000)[5]XueWang,ZhihongQian,HuiZhong,XuZhang,YoueCheng,etal.AtwosteptimingsynchronizationschemeforMB-OFDMbasedUWBsystems.RecentAdvancesinComputerScienceandInformationEngineering,vol.4,pp.185-190.(2011)[6]吴虹,林鹏,陈坤,刘勇.基于IEEE802.11ad的OFDM线性拟合频偏估计[J].华中科技大学学报(自然科学200版),2014,(12):101-105.[7]Y.Li,H.Minn,JacobsT,WinM,"FrequencyoffsetestimationforMB-OFDM-basedUWBsystems,"IEEETransactiononCommunications.Vol.56,No.6.pp.968-979.(2008)[8]XueWang,DanLiu,YingLiu,MolinWang,ZhihongQian.AlowcomplexityfrequencyoffsetestimationforMB-OFDMbasedUWBsystems.PreceedingsofWorldAcademyofScience,EngineeringandTechnology,205vol.58,pp.1036-1040.(2009)[9]Ye,Z.Z,Duan,C.Jetal.AsynchronizationdesignforUWB-basedWirelessMultimediasystems,IEEETransactionsonBroadcasting,Vol.56,No.2,pp.211-225.(2010)-9-'