一种数据包前导序列和包头及其处理方法和数据帧与流程

本发明涉及数据传输领域，更确切地说是一种数据包前导序列和包头及数据包前导序列和包头的处理方法。

背景技术：

随着无线通信技术的发展及其应用范围的扩张，各个领域的用户对大覆盖范围、低功率要求的无线设备的需求越来越强烈，其中最典型的需求为物联网设备，物联网设备通过多种方式接入互联网，形成一个巨大网络，实现了互联网从人向物的延伸，物联网设备可以是各种信息传感器和控制器，也可以是各种智能化的家用电器。

802.11Wi-Fi无线通信标准是目前应用范围最广的无线接入技术标准，在物联网领域，Wi-Fi物联网接入方式是应用最广，成本最低，可扩展性最好的物联网接入方式之一。实际应用中，大部分的物联网设备功能较单一，数据交换量相对较小，而且在多数情况下，这些设备主要依靠电池供电，发射功率有限，但多数情况，在Wi-Fi物联网组网时，设备间的空间距离较大，设备分布密度较小。因此，传统的Wi-Fi接入逐渐无法满足市场的低功耗、长距离的接入要求。

正常的1Mbps或2Mbps的802.11b模式，数据速率较低，灵敏度在所有的802.11模式中为最低，较为适合低功率、长距离的应用场景。现有技术中常用的改良方式为针对数据部分的可靠接收需求，在正常的1Mbps或2Mbps的802.11b模式中加入MPDU数据部分的信道编解码，以降低该模式下的数据接收灵敏度要求。但是，正常的802.11b模式的数据帧，在MPDU数据字段之前，还包括前导码中的SYNC字段、起始帧分界符(SFD，start frame delimiter)字段和PLCP包头字段，参看图1。在没有改善这三个字段检测接收性能的情况下，三个字段中任何一个字段的检测性能过低，都会成为包检测的瓶颈，从而使上述的MPDU数据部分的改良无法在实际应用中实现灵敏度的改善。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种数据包前导序列和包头及其处理方法和数据包，其可以增强长距离、弱信号情况下的接收检测率。

一种数据包前导序列和包头的处理方法，包括以下步骤：

前导序列中的SYNC字段使用固定模式的比特序列代替加扰伪随机比特序列，并用Barker码扩频；

延长扩频码的长度对前导序列中的SFD字段扩频；

延长扩频码的长度对包头字段扩频。

所述固定模式的比特序列为规律序列。

SFD字段扩频码的长度延长为Barker码的整倍数周期组合，包头字段扩频码的长度延长为Barker码的整倍数周期组合。

SFD字段扩频码的长度延长为二倍或四倍的Barker码序列，包头字段扩频码的长度延长为二倍或四倍的Barker码序列。

SFD字段和包头字段的延长扩频码的码片速率不变，符号周期长度延长为原符号周期的整数倍，信号带宽不变。

一种数据包前导序列和包头，包括：

前导序列，其包括SYNC字段和SFD字段，SYNC字段包括固定模式的比特序列，该固定模式的比特序列用Barker码扩频；

SFD字段扩频包括对前导序列中的SFD字段扩频的延长扩频码；

包头字段包括对包头字段扩频的延长扩频码。

所述固定模式的比特序列为规律序列。

SFD字段扩频码的长度延长为Barker码的整倍数周期组合，包头字段扩频码的长度延长为Barker码的整倍数周期组合。

SFD字段和包头字段的延长扩频码的码片速率不变，符号周期长度延长为原符号周期的整数倍，信号带宽不变。

一种数据帧，包括上述的的前导序列和包头，还包括MPDU数据。

与现有技术相比，在弱信号、长距离应用场景中，本发明能够显著提高前导序列和PLCP包头字段的检测接收性能，更好地对抗远距离信道条件，增强了信号传输的稳定性；本发明使用原Barker码组合延长扩频序列，仅需要对现有Wi-Fi设备的电路实现做很小的修改，实现简单。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是现有技术的PLCP帧的结构示意图。

图2是本发明实施例的PLCP帧的结构示意图。

图3是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明的具体实施方式：

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图3所示，一种数据包前导序列和包头的处理方法，包括以下步骤：

前导序列中的SYNC字段使用固定模式的比特序列代替加扰伪随机比特序列，并用Barker码扩频，所述固定模式的比特序列为规律序列；延长扩频码的长度对前导序列中的SFD字段扩频；延长扩频码的长度对包头字段扩频。

本发明所述固定模式的比特序列为规律序列。SFD字段扩频码的长度延长为Barker码的整倍数周期组合，包头字段扩频码的长度延长为Barker码的整倍数周期组合。

本发明在前导序列SYNC中使用固定模式的比特序列代替正常802.11b中SYNC字段的加扰伪随机比特序列，然后进行正常Barker码扩展；并用整数倍固定模式组合Barker码扩展 SFD字段和PLCP包头字段的比特序列，以提高SYNC字段、SFD字段和PLCP包头字段在长距离、弱信号情况下的接收检测率。

本发明中Barker码扩频和整数倍固定模式组合Barker码扩频的码片速率相同，即对于SFD字段和PLCP包头字段，符号周期为正常802.11b扩频符号周期整数倍。

本发明中规律序列为交替序列如[1010]，也可以为其他模式的规律序列。

本发明能够显著提高前导序列和PLCP包头字段的检测接收性能，更好地对抗远距离信道条件，增强了信号传输的稳定性；本发明使用原Barker码组合延长扩频序列，仅需要对现有Wi-Fi设备的电路实现做很小的修改，实现简单。

一种数据包前导序列和包头，包括：

前导序列，其包括SYNC字段和SFD字段，SYNC字段包括固定模式的比特序列，该固定模式的比特序列用Barker码扩频；

SFD字段扩频包括对前导序列中的SFD字段扩频的延长扩频码；

包头字段包括对包头字段扩频的延长扩频码。

本发明还公开了一种数据帧，包括上述的前导序列和包头，还包括MPDU数据。

本发明中的SYNC字段：

正常802.11b模式的SYNC字段由128个加扰后的比特1构成，为伪随机序列,该字段用于AGC的信号检测和频偏估计、部分的均衡器训练等。对于频偏的估计，其估计结果的准确性依赖于对Barker码扩频后的SYNC字段的解扩和比特硬判决。对于长距离、弱信号的情况，比特硬判决结果极不可靠，会导致频偏估计失败，进而使系统的Barker码相关结果变弱，造成信号检测可靠性大幅降低。

本发明将SYNC字段的加扰序列替换为规律的比特序列，如[0101]交替序列，利用规律比特序列前后比特相对符号已知的特性，辅助进行频偏检测，使频偏估计结果不再依赖于比特硬判决结果，扩大了频偏估计范围，从而提高了该字段检测的可靠性，以对抗更大的频偏。

在长距离、弱信号的情况下，由于信噪比极低，Barker相关强度与大信号情况相比变弱，为了在SYNC字段可靠完成包检测，不干扰其他字段接收，根据目标信号强度，适当延长SYNC字段的时间长度，以提高检测性能。

本发明中，采用与正常标准802.11b不同的SYNC字段比特序列，以方便接收机利用两种SYNC比特序列在Barker码扩频后的不同相关特性，在该字段的传输时间中，提前区分正常标准802.11b包和改进后的长距离、低功耗的Wi-Fi包，并可以进一步判断信号强度，从而采取不同的接收方法。

SFD字段：

SFD字段为PLCP数据帧开始标志，正常802.11b模式的SFD字段的比特序列用长度11的Barker码扩频调制，其接收性能与802.11b 1Mbps性能相当。当MPDU字段增加了信道编解码后，该MPDU字段的接收检测性能提高，而SFD字段接收检测性能也需要相应提高，否则接收机会因为SFD接收错误将当前包丢弃。

本发明中用延长扩频码长度，提高扩频增益的方法，改善SFD字段的接收性能。优选的扩频序列为原Barker序列的整倍数周期组合，优选为两倍Barker序列[+-]、四倍Barker序列[+--+]等。其中加长扩频序列的码片速率不变，仅符号周期长度延长为原符号周期的整数倍，因此信号带宽不变。两倍与四倍Barker码序列组合，与原Barker码序列扩频相比，可分别增加3dB和6dB的扩频增益。

同时，新扩频序列由原Barker码序列组合而成，码片速率不变，可以使正常802.11b设备检测到信道占用情况，避免发包冲突和干扰。

PLCP包头字段：

PLCP包头字段包含了当前包的传输信息，在正常802.11b模式的PLCP包中，以1Mbps速率传输，其接收性能与SFD字段相当。该字段中在32比特信息之后加16比特CRC校验比特。同理，若在MPDU字段加信道编解码，该字段的接收校验性能应该相应提高，否则接收机会因为PLCP包头字段CRC校验出错而将当前包丢弃。

与SFD字段的类似，对PLCP包头字段，本发明也采用加长的Barker码扩频序列，提高扩频增益的方法，来改善PLCP包头字段的检测接收性能。

SFD字段和PLCP包头字段的加长扩频序列可以相同，也可以不同，即：两个字段可以采用不同长度的加长扩频序列，如一个采用[+-]组合，一个采用[+--+]组合；也可以采用不同组合模式的加长扩频序列，如一个采用[+--+]组合，一个采用[++--]组合。

实施例1

如图2所示，本发明的一种PLCP帧结构，其包括：

SYNC字段将长度为128比特的伪随机序列替换为长度为256比特的[1010]比特序列，以原Barker码进行扩频，以11MHz的码片速率，SYNC字段总时长256微秒。

该SYNC字段时长加长一倍，有利于弱信号、长距离应用场景中的AGC信号检测；同时[1010]固定模式比特序列，使频偏估计不依赖于比特硬判决结果，提高了弱信号、长距离应用中的频偏估计精度和频偏估计范围，保证了AGC对前导信号的快速准确检测。

SFD字段长度为16比特，以4倍长[+--+]Barker码组合扩频序列扩频，11MHz的码片速率，总时长64微秒。

PLCP包头字段长度为48比特，以4倍长[+--+]Barker码组合序列扩频，11MHz的码片速率，总时长为192微秒。

接收机以4倍长[+--+]Barker码组合扩频序列解扩该SFD字段和PLCP包头字段，可以获得6dB接收灵敏度增益。对比802.11中编码冗余最高、编码保护最强的1/2卷积码解码器，增益也为6dB左右。因此，该4倍长[+--+]Barker码组合扩频序列，可以保证SFD字段和PLCP包头字段具有与信道编码后的MPDU数据字段相当或更高的接收性能，解决了SFD字段和MPDU数据字段的接收瓶颈问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。