CN101951273B - 一种用于无线传感网的长码字捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感网的长码字捕获方法，该方法包括以下步骤：步骤一，粗捕，将本地伪码的同步相位不确定范围由伪码周长M缩小到L_new+1，其中L_new为对接收信号和本地伪码做均值处理的平均点数；步骤二，细捕，通过累加相关判决方法将由粗捕获得的伪码同步相位不确定范围L_new+1精确到伪码相位同步点。本发明的捕获时间和相关器件资源是PMF-FFT捕获方法的1/L_new，FFT点数是PMF-FFT捕获方法的1/L_new，仅在最大频偏超过FFT的分析带宽的时候才会有一个数据周期的确认时间增加，与串行搜索频偏的捕获方法相比大大减少了捕获时间，可以在不增加主时钟频率的情况下进行FFT的时分复用，保证FFT的处理时钟速率与输入信号速率一致。

Description

一种用于无线传感网的长码字捕获方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种用于无线传感网的长码字捕获方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由具有无线通信、感知及计算能力的微型传感器节点组成的“智能”网络，它涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，现已广泛应用于军事、农业、环境检测、医疗卫生、工业、智能交通等各种领域。鉴于无线传感器网络应用的恶劣环境和IEEE802.15.4标准的制定，具有抗多径衰落、抗干扰能力强、发射功率低、截获率低、保密性好等特点的直接序列扩频(Direct Sequence Speed Spectrum，DSSS)技术在无线传感器网络通信中发挥了巨大的作用和优势。由于大多数无线传感器网络中的节点受资源、成本、功耗的限制，应用于无线传感网中的DSSS通信需满足低资源消耗、大载波频偏、低物理层开销等要求。由于捕获部分是DSSS的关键和资源消耗最多的模块，因此在大频偏环境下如何做到节省资源地快速捕获是非常重要的。

DSSS中的伪码捕获是基于伪码的自相关特性进行的，即当本地伪码和接收序列的伪码完全对齐时，自相关值达到最大，而两者之间相差一个码片以上时，自相关值接近为零。然而当存在频偏时，就算本地伪码和接收序列的伪码完全对齐，自相关值由于受到频偏的影响可能会变得很小甚至接近为零。因此当存在频偏时，PN码的捕获不仅要搜索伪码相位，同时还要搜索载波频偏，是一个二维的搜索过程，其搜索速度直接影响接收机的性能。

目前国内外文献提出了很多快速捕获方法，主要可以分成时域捕获和频域捕获这两方面。基于时域的方法有；1)基于滑动相关器的串行或者并行捕获；2)改进时域相关结构，减少每次相关的冗余计算，通过实现递推关系减少运算量；3)利用辅助序列，用最大似然估计方法求出码相位同步点，伪码相位同步捕获时间缩短了，但开销增大了；4)研究了m序列的捕获，通过本原多项式性质利用寄存器移位方法进行捕获，大大节省了开销，捕获时间也大大减少，但是该方法抗噪性能较差。频域捕获的方法有：1)利用FFT做循环相关来完成伪码的并行匹配相关搜索，该方法的资源开销和捕获时间均有减少。然而以上这些算法都存在同样的问题，即载波频偏搜索均需要串行搜索，因此在载波频偏较大时，这些算法捕获均有困难，且捕获时间也很长。将时域部分匹配相关(PMF)和频域FFT处理相结合的技术PMF-FFT能并行搜索频偏，使捕获速度大大提高，因此得到越来越多学者的研究。基于PMF-FFT的快速捕获是一种串行搜索伪码相位，并行搜索频偏的捕获算法，当伪码相位同步时可以用FFT一次性分析频偏，完成载波频偏纠正。PMF-FFT的捕获性能与部分相关器长度X，部分相关器个数P以及FFT点数N的组合有关。然而针对长码字捕获，PMF-FFT所需要的相关器单元总长度为PN码码长，FFT的点数也随之相应增加，资源消耗太大，不能直接应用于无线传感器网络中。

因此，针对无线传感器网络的资源受限问题，设计一种能满足无线传感器网络应用需求的长码字通信的快速捕获方法已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于无线传感网的长码字捕获方法，该方法可以大大减少捕获时间、节省器件资源。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种用于无线传感网的长码字捕获方法包括以下步骤：

步骤一，粗捕，将本地伪码的同步相位不确定范围由伪码周长M缩小到L_new+1，其中L_new为对接收信号和本地伪码做均值处理的平均点数；

步骤二，细捕，通过累加相关判决方法将由粗捕获得的伪码同步相位不确定范围L_new+1精确到伪码相位同步点。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤一的详细实现过程为：

1)对接收信号和伪码分别进行均值处理，平均点数均为L_new；

2)将均值处理后的接收信号依次送入P个部分相关器中，与均值处理后的本地伪码做相关运算，输出P个相关值；

3)每次按照一定的抽取方式从P个相关值中抽取N个相关值进行FFT运算，并将运算结果取模后保存；其中N＝P/L_new；将L_new次FFT运算结果的对应频率分量叠加后得到一次频偏并行分析的结果；

4)采用W段非相关累加办法将频偏并行分析的结果的对应频率分量进行叠加后判决，选取超过门限的最大值分量为估计的频偏值，并进行频偏纠正，粗捕过程完成；若没有超过门限的分量则返回步骤1)重新开始搜索。

作为本发明的另一种优选方案，所述步骤二的详细实现过程为：

5)通过L_new+1个累加器分别对L_new+1个伪码同步相位进行相关累加确认，相关累加一个数据周期长度后进行判决，选取最大值分量对应的相位为伪码相位同步点。

作为本发明的再一种优选方案，所述长码字捕获方法还包括在搜索过程中载波最大频偏超过FFT的分析带宽时所采用的补充方法，所述补充方法包括以下步骤：

A)当载波频偏超过了FFT的分析带宽时，将载波频偏以分析带宽为单位进行分段；

B)对步骤4)所述的频偏值以分析带宽为周期进行扩展，得到v个可能的频偏估计值；

C)利用累加器和DDS对每个可能的频偏估计值进行一个数据周期长度的相关累加，选取累加结果为最大值分量的频偏估计值为正确的频偏值。

本发明的有益效果在于：

1.本发明利用均值法来减小粗捕的不确定相位搜索范围，相较于PMF-FFT捕获方法，本发明的捕获时间和相关器件资源是PMF-FFT捕获方法的1/L_new；

2.本发明并行搜索载波频偏，在大频偏情况下搜索时间不受影响，仅在最大频偏超过FFT的分析带宽的时候才会有一个数据周期的确认时间增加，与串行搜索频偏的捕获方法相比，本发明的捕获时间已经大量减少了；

3.本发明通过对部分相关器按照一定的抽取方式进行时分复用FFT模块，相对于PMF-FFT捕获方法，本发明的FFT点数是PMF-FFT捕获方法的1/L_new；

4.本发明结合均值法和时分复用FFT模块，可以在不增加主时钟频率的情况下进行FFT的时分复用，保证FFT的处理时钟速率与输入信号速率一致。

附图说明

图1为本发明所述的粗捕方法的原理示意图；

图2为实施例二中粗捕方法的示意图；

图3为本发明所述的补充方法的原理示意图。

具体实施方式

本发明通过结合均值法和基于FFT的部分相关的捕获方法，提出一种能减少资源消耗的适应大频偏的用于无线传感网的长码字捕获方法。该方法通过均值法减少模糊相位搜索，减少相关器个数，通过时分复用FFT运算减少FFT点数，在抗频偏能力不受影响情况下节省了资源，满足了资源、成本受限的无线传感器网络的应用要求，特别适合长码字通信的应用。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

假设用PMF-FFT捕获时满足系统的抗频偏能力的设置为：部分相关器长度为X，部分相关器个数为P，FFT点数也为P，其中伪码码长M＝XP。

本实施例提供一种用于无线传感网的长码字捕获方法，如图1所示，该方法包括粗捕和细捕两个部分。

【粗捕】

将伪码相位不确定范围由M(即伪码周长)缩小到L_new+1(即均值法所产生的相位不确定范围)，其具体实现步骤为：

1)将接收信号和伪码分别进行均值处理，均值处理的平均点数都是L_new；

2)将均值处理后的接收信号依次送入部分相关器中，与均值处理后的伪码做相关运算，此时每个部分相关器的长度为X/L_new；

3)将部分相关器的相关值送入N点的FFT模块分析，每次按照一定的抽取方式从P(P＞N)个部分相关器中抽取N个部分相关器的输出值进行FFT运算，并将运算结果取模后保存；其中FFT点数N＝P/L_new；将L_new次FFT运算结果对应频率分量叠加后得到一次频偏并行分析的结果；

4)采用W段非相关累加办法来提高判决信噪比，将W段频偏并行分析的结果的对应频率响应分量叠加后判决，选取超过门限的最大值分量为估计的频偏值，并进行频偏纠正，而此时接收信号序列与本地伪码同步上了，伪码的相位不确定性属于L_new+1范围内，粗捕过程完成，若没有超过门限则重新开始搜索。

【细捕】

粗捕将伪码的同步相位不确定范围缩小到L_new+1内，细捕则只需要在L_new+1内搜索具体的同步相位点，其具体实现步骤为：

通过L_new+1个累加器分别对L_new+1个相位进行相关累加确认，相关累加一个数据周期长度后进行判决，选取最大值对应的相位为伪码精确同步相位点。

【补充方法】

FFT的分析带宽为每个子序列时间长度的倒数，它的频率分辨率为整个序列时间长度的倒数。本发明所述方法将PMF-FFT的点数减少到传统方法的FFT点数的1/L_new，且是在保证整个序列时间长度不变的原则下来减少FFT点数的，因此FFT的频率分辨率不变；但是该方法使得每个子序列的时间长度增加了L_new倍，因此减少了它的分析带宽；分析带宽的减少可能会使原本能纠正的频偏现在不处于FFT的分析带宽内而使得本发明所述方法变得不适用，因此针对这种最大频偏可能超过分析带宽的情况，本实施例提供一种补充方法，该补充方法的具体步骤如下：

1)将频偏范围0～Δf_max(对频偏稍做处理，使得频偏范围是从0开始的正数)按分析带宽进行分段，即取

v取值为1，2，...，其中T_c为码片周期，

为取整运算；

2)对经过捕获得到的频偏Δf_e进行处理，根据v值得到几个可能的频偏估计值Δf_ei，其中Δf_ei＝Δf_e+i/(L_newXT_c)，i＝1，2，...，v；

3)对这v个可能的频偏估计值分别进行检验，通过增加v个累加器和DDS，利用一个数据周期长度的相关累加结果进行验证，选取最大值分量为正确的频偏值。

通过上述补充方法使得FFT的分析带宽与原来保持一致了，这种方法仅用在减小的分析带宽满足不了频偏范围的情况，当分析带宽满足频偏范围时不需使用。

实施例二

本实施例提供实施例一所述的用于无线传感网的长码字捕获方法的一种具体实例。实例中：扩频伪码序列是由周期为8191的m序列补零得到的，周期为8192；码片速率为1MHz；节点晶振稳定度为20ppm，载波频率为780MHz，因此收发节点间存在最大频偏范围为-31.2kHz～+31.2kHz，对信号频偏做预处理得到频偏为正值，取值范围为(0～+62.4kHz)；L_new的取值为1，2，4，8，最小取值为1的时候就跟PMF-FFT捕获方法完全相同，最大取值为8是考虑到均值法平均的点数越多，信噪比损失就越大，因此一般不宜超过8；本实例设置L_new为2；部分相关器长度为8，部分相关器个数为512。

本实例通过粗捕和细捕两步来完成，粗捕是通过均值法将伪码相位不确定范围从8192减少到3(由于均值产生的相位不确定性)，细捕再在3个不确定相位中精确出正确的同步相位。

【粗捕】

如图2所示，本地伪码存储的是4096个伪码，它们是8192个伪码序列经过相邻两两平均得到的。接收信号(包括I，Q两路的复信号)以输入速率f_s送入平均模块，平均模块对接收信号的相邻两点做平均后输出，因此输出速率为f_s/2。将输出速率f_s/2依次送入部分相关器中，每个部分相关器的长度为8，将512个部分相关器分成两组，第一组(奇数组)是部分相关器1，3，...，511，第二组(偶数组)是部分相关器2，4，...，512。捕获过程中的相关处理以及寄存器移位的时钟均是f_s/2，做FFT运算的时钟速率为f_s，每完成一次相关运算和寄存器移位操作时就要完成两次FFT运算。因此完成一次频偏并行搜索需要两个T_s(T_s＝1/f_s)时间节拍，第一个节拍将第一组部分相关器做256点的FFT运算，第二个节拍将第二组部分相关器做256点的FFT运算，两个T_s时间节拍后将对应的这两组结果相同的频率分量幅值进行叠加后存储，这样便完成了一次频偏并行搜索。

采用非相关累加的办法来提高判决信噪比，将经过均值后的接收序列每隔4096个码元的频偏并行搜索结果累加存储，在本实例中采用两段累加的办法，因此每经过两个数据周期则对累加的频偏并行搜索结果进行判决，选取超过门限的最大分量对应的位置为估计的频偏值，如果没有任何分量超过门限则重新搜索。

在本实施例中，FFT的分析带宽为31.2kHz，然而本实施例的最大频偏有62.4kHz，此方法的FFT分析带宽小于最大频偏，因此需要采用补充方法(又称校验方法)确认，具体步骤如下：

1)将最大频偏62.4kHz按照FFT的分析带宽进行分段，v＝62.4/31.2＝2，因此只需要要在两个可能的频偏分量中选择即可；

2)若经过捕获得到的频偏为Δf_e(仅属于分析带宽内的，即小于等于31.2kHz)，那么可能的两个频偏值为Δf_e1＝Δf_e和Δf_e2＝Δf_e+31.2kHz；

3)对这两个可能的频偏估计值分别校验，具体校验方法如图3所示，经过一个数据周期长度的相关累加结果进行验证，选取最大值为正确的频偏估计值。

【细捕】

粗捕纠正了频偏同时将相位不确定范围缩小到3个可能模糊的相位点，细捕则只需要在这三个模糊相位中搜索正确的同步相位点。通过3个累加器分别对这3个可能模糊的相位点进行相关累加确认，相关累加一个数据周期长度后进行判决，选取最大值对应的相位为伪码精确同步相位点。

完成了粗捕和细捕这两个步骤，就完成了伪码的快速捕获。

本发明针对PMF-FFT用于长码字捕获中出现的资源开销太大的问题进行了研究，提出了一种用于无线传感网的长码字捕获方法，该方法结合了均值法和改进PMF-FFT捕获方法，减少了总的相关器单元个数，同时改进了PMF-FFT实现结构，将部分相关器按照时分方式分组进行FFT运算，在保证FFT频率分析性能不受影响的情况下减少PMF-FFT的FFT点数，从而从相关器资源和FFT点数这两方面减少捕获资源消耗。与传统的PMF-FFT捕获方法相比，在资源消耗和平均捕获时间上均有较明显的优势，特别适应无线传感器网中利用长码字通信这种资源消耗很大的应用场景。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (2)

1.一种用于无线传感网的长码字捕获方法，其特征在于，所述捕获方法包括以下步骤：

步骤一，粗捕，将本地伪码的同步相位不确定范围由伪码周长M缩小到L_new+1，其中L_new为对接收信号和本地伪码做均值处理的平均点数；所述步骤一的详细实现过程为：

1)对接收信号和伪码分别进行均值处理，平均点数均为L_new；

2)将均值处理后的接收信号依次送入P个部分相关器中，与均值处理后的本地伪码做相关运算，输出P个相关值；

3)每次按照一定的抽取方式从P个相关值中抽取N个相关值进行FFT运算，并将运算结果取模后保存；其中N＝P/L_new；将L_new次FFT运算结果的对应频率分量叠加后得到一次频偏并行分析的结果；

4)采用W段非相关累加办法将频偏并行分析的结果的对应频率分量进行叠加后判决，选取超过门限的最大值分量为估计的频偏值，并进行频偏纠正，粗捕过程完成；若没有超过门限的分量则返回步骤1)重新开始搜索；

步骤二，细捕，通过累加相关判决方法将由粗捕获得的伪码同步相位不确定范围L_new+1精确到伪码相位同步点；所述步骤二的详细实现过程为：

5)通过L_new+1个累加器分别对L_new+1个伪码同步相位进行相关累加确认，相关累加一个数据周期长度后进行判决，选取最大值分量对应的相位为伪码相位同步点。

2.根据权利要求1所述的用于无线传感网的长码字捕获方法，其特征在于：所述长码字捕获方法还包括在搜索过程中载波最大频偏超过FFT的分析带宽时所采用的补充方法，所述补充方法包括以下步骤：

A)当载波频偏超过了FFT的分析带宽时，将载波频偏以分析带宽为单位进行分段；

B)对步骤4)所述的频偏值以分析带宽为周期进行扩展，得到v个可能的频偏估计值；

C)利用累加器和DDS对每个可能的频偏估计值进行一个数据周期长度的相关累加，选取累加结果为最大值分量的频偏估计值为正确的频偏值。

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