CN101594280B - 一种无线网络中实时侦听载波信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，首先接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频，得到基带采样接收信号；从接收信号中的任意采样点开始，读取一个码元周期长度的接收信号；对接收信号中的每个采样点进行共轭操作后与其相邻的上一时刻采样点的相乘，得到一组相关值序列；对相关值序列进行统计操作，得到的统计值作为判决值；计算上述接收信号中所有采样点的幅度的平方值后再累加，得到接收信号的能量统计值；计算判决值与总能量统计值的比值，再将比例值与门限比较，从而判断出信道状态。本方法的优点是不需要时间和载波同步，降低了计算量和复杂度，增加了系统实现的实时性，提高了算法对系统环境的鲁棒性。

Description

一种无线网络中实时侦听载波信号的方法

技术领域

本发明涉及一种短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

使用带冲突避免的多址通信协议的系统，一般采用侦听载波信号的机制来实时侦听信道，通过对信道中同类信号的检测判断信道是否被占用，以避免与无线网络中正在传输的数据发生冲突，达到提高网络效率的目的。在基于带冲突避免的载波侦听多址的通信协议中，实时侦听载波信号对网络通信非常重要。

实时侦听载波信号的过程就是检测信号的过程。可以利用信号的调制特性来完成检测。传统的实时侦听载波信号方法是通过解调方式来完成的，将接收到的信号解调，判断是否为此协议规定的信号。为了保证解调的准确性能，在数字域对接收信号进行处理时，一般需要2倍信号带宽以上的采样率对接收信号进行采样，以防止接收信号在数字接收时产生失真，从而影响解调性能。此外，为了能够良好的解调，系统又必须对接收信号进行时间和频率上的同步与估计，这样又加大了实时侦听载波信号的计算量，导致了功耗的大幅度提高。

另外，大部分通信协议对完成实时侦听载波信号的时间都有严格的规定，而传统的基于解调来实现实时侦听载波信号的方法必须接收到基带发射信号的前同步头，才能完成同步和解调，判断信道是否空闲，从而导致了侦听的实时性下降，同时也很难满足通信协议对实时侦听载波信号时间的要求。

为了能够对从数据包任何位置起接收到的数据进行实时侦听载波信号，并且降低常规侦听方法中的复杂度，需要设计新的实时侦听载波信号算法。

发明内容

本发明的目的是提出一种短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，在满足性能的前提下，解决实时侦听载波信号方法的复杂度问题。在实时侦听载波信号的方法中，利用连续相位调制信号在一个码元周期时间上的相位累积偏转为零度的特性，得到当前信道中是否存在连续相位调制信号的估计。

本发明的具体方案如下：一种短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，包括以下各步骤：

步骤1、接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频，得到基带2倍采样接收信号；

步骤2、从上述接收信号中的任意采样点开始，读取一个码片周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]，其中N表示一个码片周期内的采样信号个数；

步骤3、对上述接收信号中的每个采样点进行共轭操作后与其相邻的采样点相乘，得到一组相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N-1]，其中

(·)^*表示共轭操作；

步骤4、对相关值序列C进行数值统计操作，得到统计值作为判决值，记为R；

步骤5、计算接收信号序列r中所有采样点的幅度的平方值后再累加，得到接收信号的能量统计值，记为

步骤6、计算上述判决值与上述能量统计值的比值U＝R/P，若该比值U大于域值Y，则有载波信号，并且载波监听操作结束，返回载波忙的信息，其中0.4≤Y≤0.5；

步骤7、若上述判决值与能量统计值的比值U小于或等于域值Y，说明无载波信号，返回载波空闲的信息，并重复步骤2到6的操作，一直到监听时间结束；

其特征在于：所述步骤6中的域值Y的获取方法如下：

步骤61、在不同接收信噪比条件下统计比值U在[01]区间内的分布；

步骤62、在没有信号发送的时刻，对接收的射频信号进行下变频，得到基带2倍高斯白噪声采样信号；

步骤63、将上述高斯白噪声采样信号作为接收信号，得到高斯白噪声采样信号的比值U′，并统计比值U′在[01]区间内的分布；

步骤64、比较不同接收信噪比条件下统计比值U和高斯白噪声采样信号的比值U′的分布，寻找两个分布取相同数值时对应的比值，把该比值作为域值Y。

本发明的另一优选方案：所述步骤4中对相关值序列C进行数值统计操作的方法，是将相关值序列中所有值进行累加，得到的累加值作为统计值

本发明的另一优选方案：所述步骤4中对相关值序列C进行数值统计操作的方法，包括如下步骤：

步骤41、根据相关值序列中每个值虚部取绝对值，得到移相后的相关值序列；

步骤42、将上述移相后的相关值序列中所有相关值进行累加，得到的累加值作为统计值。

本发明提出的短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，具有以下优点：

(1)本发明利用了信号的调制特性来检测信号，不用对接收信号解调就可以完成实时侦听载波信号，降低了系统的复杂度；

(2)本发明中实时监听载波信号的算法可以从接收数据的任何位置开始，不需要时间和载波的同步与估计，降低了算法的复杂度，提高了算法对系统环境的鲁棒性；

(3)本发明中的数值统计操作只需要简单的符号判断和加法操作来实现，很大程度的减少了计算量；

(4)本发明方法不受载波频率偏移大小的影响，降低了算法对系统硬件设计的要求，减少了算法的计算量。

附图说明

图1是本发明的通信系统接收机信号流方向示意图；

图2是本发明的通信系统接收机实时侦听载波信号方法的原理示意图。

具体实施方法

本发明提出的短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，首先接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频处理后得到基带采样接收信号，对一个时间段内的基带采样接收信号进行相邻点的共轭相乘得到相关值序列，通过对相关值序列直接叠加或者将虚部都转换为正数后叠加得到统计值，再与接收信号的能量统计值进行比较来判断当前信道是否已被占用。

上述侦听载波信号的方法中，对一个时间内的采样接收信号进行相邻点的共轭相乘得到相关值序列的方法，包括以下各步骤：

(1)接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频，得到基带2倍采样接收信号；

(2)从上述接收信号中的任意采样点开始，读取一个码片周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]，其中N表示一个码元周期时间的采样信号个数；

(3)对上述接收信号中的每个采样点进行共轭操作后与其相邻的采样点相乘，得到一组相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N-1]，其中

(·)^*表示共轭操作；

(4)对相关值序列C进行数值统计操作，得到统计值作为判决值，记为R；

(5)计算接收信号序列r中所有采样点的幅度的平方值后再累加，得到接收信号的能量统计值，记为

(6)计算上述判决值与上述能量统计值的比值U＝R/P，若该比值U大于域值Y，则有载波信号，并且该载波监听操作结束，返回载波忙的信息，其中0.4≤Y≤0.5；

(7)若上述判决值与能量统计值的比值U小于或等于域值Y，说明无载波信号，返回载波空闲的信息，并重复步骤(2)到(6)的操作，一直到监听时间结束。

上述侦听载波信号的方法中，对相关值序列虚部都转换为正数后叠加得到统计值的方法，包括以下各步骤：将相关值序列中所有值进行累加，得到的累加值作为统计值

上述侦听载波信号的方法中，对相关值序列虚部都转换为正数后叠加得到统计值的方法，包括以下各步骤：

(1)根据相关值序列中每个值虚部取绝对值，得到移相后的相关值序列；

(2)将上述移相后的相关值序列中所有相关值进行累加，得到的累加值作为统计值。

上述侦听载波信号的方法中，域值Y获取的方法，包括以下各步骤：

(1)在不同接收信噪比条件下统计比值U在[01]区间内的分布；

(2)在没有信号发送的时刻，对接收的射频信号进行下变频，得到基带2倍高斯白噪声采样信号；

(3)将上述高斯白噪声采样信号作为接收信号，执行无线网络中实时侦听载波信号的方法中的步骤(2)～(6)，可以得到高斯白噪声采样信号的比值U′，并统计比值U′在[01]区间内的分布；

(4)比较不同接收信噪比条件下统计比值U和高斯白噪声采样信号的比值U′的分布，寻找两个分布取相同数值时对应的比值，把该比值作为域值Y。

以下详细介绍本发明的一个实施例：

以基于IEEE 802.15.4b标准的无线通信系统为例，该系统发射信号采用最小相移健控调制方式，这样发射信号的相位随着时间是连续变化的，避免了相位突变，降低了信号带宽以外的频率响应，并且调制后的复数信号模值恒为1，即本地扩频序列只与相位有关系。在本发明的实施例中，基于IEEE 802.15.4b标准的使用带冲突避免的多址通信协议的系统，采用侦听载波信号的机制来实时侦听信道，通过对信道中同类信号的检测判断信道是否被占用，以避免与无线网络中正在传输的数据发生冲突。

在接收过程中首先接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频处理后得到基带接收数字信号。从接收数字信号中选取任意一段长度为一个码元周期的接收信号，记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]。基于IEEE 802.15.4b标准的恒模发射信号经过无线信道会发生幅度和相位的变化，并且经过上、下变频等射频器件后，会存在频率偏移的影响，因此接收信号可以表示为：

r_i＝a·exp{α_i+2πΔft_i+β}，i＝1，2，...，N-1，

其中a，β分别表示无线信道引起接收信号幅度和相位的变化，α_i，t_i表示第i个采样信号的调制相位和发送时间，Δf表示载波的频率偏移，N为一个码元周期内的采样点个数。

对这段接收信号做相邻点共轭相乘，得到一组相关值序列：

$c_i=r_i^{*}\·r_{i+1}={\left|a\right|}^2\·\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}+2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{ft}}_{i+1}+\mathrm{\β}-({\mathrm{\α}}_i+2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{ft}}_i+\mathrm{\β})\}$

${=\left|a\right|}^2\·\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i+2\mathrm{\π\Δf}(t_{i+1}-t_i)\}={\left|a\right|}^2\·\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i+2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{fT}}_s\},$

其中c_i为第一组序列中的值，r_i为2倍采样基带接收信号的采样点。

然后对上面相关值序列进行统计操作，可以累加所有相关值得到统计值：

$R=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a\right|}^2\·\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i+2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{fT}}_s\}$

$={\left|a\right|}^2\exp \left\{2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{fT}}_s\right\}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i\}$

$\≈{\left|a\right|}^2\exp \left\{2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{fT}}_s\right\}\exp \underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i\}\≈{\left|a\right|}^2\exp \left\{2\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{fT}}_s\right\}\exp \{{\mathrm{\α}}_N-{\mathrm{\α}}_1\}.$

基于IEEE 802.15.4b标准的发射信号在任一个周期时间内相位累计变化了0度，所以统计值R＝|a|²exp{2πΔfT_s}。这意味着当信道传送了基于IEEE 802.15.4b标准的信号，该算法能在不估计和补偿频偏的情况下检查出该信号的相关特性。

对上面相关值序列进行统计操作，还可以将相关值序列中每个值虚部取绝对值c′_i＝Re al(c_i)+j*|Im ag(c_i)|，得到移相后的相关值序列后再进行累加，得到的累加值作为统计值：

$R=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i^{\′},$

其中Real(·)和Imag(·)分别表示对复数取实部和虚部的操作

为了防止接收信号能量对该算法统计值的影响，需要计算接收信号幅度的平方值后再累加，将得到的两个累加值相乘，得到两段接收信号的总能量统计值，记为P：

$P=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_i\right|}^2.$

最后，计算上述两个统计量的比值U＝R/P，若该比值大于域值Y，则有载波信号，若小于或等于域值Y，则无载波信号。

在基于IEEE 802.15.4b标准的系统中，在不同接收信噪比条件下统计比值U在[01]区间内的分布。考虑到统计比值U会受到接收机高斯白噪声的影响，所以还需要单独分析在没有信号发送的情况下，接收信号只包含高斯白噪声时统计比值U′在[01]区间内的分布。比较不同接收信噪比条件下统计比值U和高斯白噪声采样信号的比值U′的分布，寻找两个分布曲线交界的数值，把该数值作为域值Y。在本实施例中，利用符合IEEE 802.15.4b标准的信号进行统计的结果，可以得出该域值Y的取值在0.4≤Y≤0.5之间。

Claims (3)

1.一种短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，包括以下各步骤：

步骤1、接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频，得到基带2倍采样接收信号；

步骤2、从上述接收信号中的任意采样点开始，读取一个码片周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N]，其中N表示一个码片周期内的采样信号个数；

步骤3、对上述接收信号中的每个采样点进行共轭操作后与其相邻的采样点相乘，得到一组相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N-1]，其中(·)^*表示共轭操作；

步骤4、对相关值序列C进行数值统计操作，得到统计值作为判决值，记为R；

步骤5、计算接收信号序列r中所有采样点的幅度的平方值后再累加，得到接收信号的能量统计值，记为

步骤6、计算上述判决值与上述能量统计值的比值U＝R/P，若该比值U大于域值Y，则有载波信号，并且载波监听操作结束，返回载波忙的信息，其中0.4≤Y≤0.5；

步骤7、若上述判决值与能量统计值的比值U小于或等于域值Y，说明无载波信号，返回载波空闲的信息，并重复步骤2到6的操作，一直到监听时间结束；

其特征在于：所述步骤6中的域值Y的获取方法如下：

步骤61、在不同接收信噪比条件下统计比值U在[0 1]区间内的分布；

步骤62、在没有信号发送的时刻，对接收的射频信号进行下变频，得到基带2倍高斯白噪声采样信号；

步骤63、将上述高斯白噪声采样信号作为接收信号，执行上述步骤2～6，得到高斯白噪声采样信号的比值U′，并统计比值U′在[0 1]区间内的分布；

步骤64、比较不同接收信噪比条件下统计比值U和高斯白噪声采样信号的比值U′的分布，寻找两个分布取相同数值时对应的比值，把该比值作为域值Y。

2.如权利要求1所述的一种短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，其特征在于：所述步骤4中对相关值序列C进行数值统计操作的方法，是将相关值序列中所有值进行累加，得到的累加值作为统计值

3.如权利要求1所述的一种短程无线网络中实时侦听载波信号的方法，其特征在于：所述步骤4中对相关值序列C进行数值统计操作的方法，包括如下步骤：

步骤41、根据相关值序列中每个值虚部取绝对值，得到移相后的相关值序列；

步骤42、将上述移相后的相关值序列中所有相关值进行累加，得到的累加值作为统计值。

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