CN102412862A - 一种用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法，该方法包括以下步骤：步骤一，对输入信号和本地伪码进行差分处理，利用FFT的圆周相关特性对差分处理后的输入信号和本地伪码进行并行搜索伪码相位，调整本地伪码相位使之与输入信号伪码同步，完成伪码相位捕获；步骤二，利用FFT对伪码同步后的输入信号和本地伪码进行并行搜索载波频偏，完成频偏纠正。本发明所述伪码捕获方法减少了搜索时间，提高了搜索速度，它的捕获时间不会随着伪码长度变长、载波频偏变大而增加，整个捕获过程中不需要相关器，资源消耗较少，可以根据系统对信噪比的要求灵活修改。

Description

一种用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法

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直扩通信伪码捕获方法。

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 Spread 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。结合载波频偏搜索的捕获按照实现方式不同可以分为伪码相位串行-载波频偏串行搜索捕获、伪码相位串行-载波频偏并行搜索捕获、伪码相位并行-载波频偏串行搜索捕获、伪码相位并行-载波频偏并行搜索捕获。所述伪码相位串行-载波频偏串行搜索捕获最大的缺点就是捕获时间太长，由于伪码相位和频偏均是串行搜索，因此当伪码较长，频偏较大的时候捕获时间将无法忍受。伪码串行-频偏并行搜索的PMF-FFT捕获方法虽然能一次性并行分析载波频偏，能适应大频偏的场景，但是它对伪码相位搜索是串行的，因此当伪码较长时，捕获时间仍然很大。伪码相位并行-载波频偏串行搜索的捕获方式分成两种，一种是伪码相位并行是通过并行相关器或者匹配滤波器完成的，它的并行相关器个数随着码长增长而增大，相应的系统开销很大；另一种是利用FFT能完成圆周相关原理来并行搜索伪码相位，这种方式虽然省下了资源，但是频偏搜索依然是串行的，因此在大频偏情况下搜索时间很长，使得捕获时间变大。

因此，针对无线传感器网络的受限条件，设计一种能满足无线传感器网络应用需求的适应大频偏的低资源消耗的实用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直扩通信伪码捕获方法，该方法可以明显地减少搜索时间，提高搜索速度。

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直扩通信伪码捕获方法，包括以下步骤：

步骤一，对输入信号和本地伪码进行差分处理，利用FFT的圆周相关特性对差分处理后的输入信号和本地伪码进行并行搜索伪码相位，调整本地伪码相位使本地伪码与输入信号同步，完成伪码相位捕获；所述步骤一的详细实现过程为：

1)对本地伪码进行差分处理；

2)对差分后的本地伪码做N点FFT处理，并将N个频率分量存储在固定位置；

3)对输入信号进行差分处理；

4)存储差分后的输入信号；

5)重复步骤3)至4)直至存储N个差分后的输入信号；

6)对所述N个差分后的输入信号做N点FFT处理；

7)将经过FFT处理的N个输入信号数据取共轭，然后与经过FFT处理的本地伪码数据进行对应频率分量相乘；

8)对步骤7)的乘积结果做N点FFT处理；

9)将经过FFT处理的乘积结果取模后存储；

10)重复步骤3)至9)，将所获得的取模后的乘积结果进行对应分量累加，直到累加序列长度达到预先设定值L₁，L₁为大于等于1的正整数；11)选取步骤10)中超过门限的最大值分量对应的位置为伪码同步点，完成伪码同步；若没有分量超过门限则返回步骤3)重新搜索。步骤11)中的门限是是自动门限，获取过程为：A1)先对经过差分处理的输入信号求功率，功率的具体求取方法是对每个点求平方之后再取N点的平均；A2)利用步骤A1)得到的功率乘以固定因子K₁，得到步骤11)的自动门限，其中固定因子K₁为小于1的正数。

步骤二，利用FFT对伪码同步后的输入信号和本地伪码进行并行搜索载波频偏，完成频偏纠正。所述步骤二的详细实现过程为：

12)将同步后的本地伪码与输入信号相乘，获得消除伪码相位信息而只有载波频偏信息的新序列；

13)对所述新序列做N点FFT处理；

14)对经过FFT处理后的新序列取模后存储；

15)重复步骤12)至14)，对存储结果进行对应分量累加；

16)重复步骤15)，直到累加段长度达到预先设定值L₂，L₂为大于等于1的正整数；

17)选择步骤16)中超过门限的最大值分量对应的位置为估计的频偏值，进行相应的频偏纠正；若没有分量超过门限则返回步骤12)重新搜索载波频偏位置；若连续两次载波频偏搜索均没有超过门限的分量，则返回步骤1)重新进行伪码相位搜索。步骤17)中的门限是是自动门限，获取过程为：B1)对步骤12)中所述新序列求功率，功率的具体求取方法是对每个点求平方之后再取N点的平均；B2)利用步骤B1)得到的功率乘以固定因子K₂，得到步骤17)的自动门限，其中固定因子为K₂为小于1的正数。

作为本发明的一种优选方案，伪码和频偏搜索中的非相关累加长度L₁、L₂是系统综合考虑为了提高判决信噪比而设置的自然数，L₁、L₂越大时，提高的判决信噪比就越大，当系统不需要提高判决信噪比时L₁和L₂的取值为1。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用差分处理消除载波频偏对伪码自相关性能的影响，将二维搜索的捕获问题降为一维搜索，减少了搜索时间，提高了搜索速度；

2、本发明的伪码相位搜索和载波频偏搜索均是并行执行的，因此整个捕获过程的时间很短，而且伪码相位搜索过程和载波频偏搜索均是做一次FFT就分析完，因此它的捕获时间不会随着伪码长度变长、载波频偏变大而增加；

3、本发明的伪码相位搜索和载波频偏搜索均利用FFT来完成，因此可以共用一套FFT结构来完成，整个捕获过程中不需要相关器，资源消耗较少；

4、本发明在伪码相位搜索和载波频偏搜索中分别设置了非相关累加长度L1和L2来提高捕获判决信噪比，并可以根据系统对信噪比的要求灵活修改。

附图说明

图1为本发明所述的伪码捕获方法的原理示意图；

图2为本发明所述的利用FFT并行搜索伪码相位的原理示意图；

图3为本发明所述的利用FFT并行搜索载波频偏的原理示意图。

具体实施方式

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

本实施例提供一种用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法，以下列场景为例对所述捕获方法进行描述。

扩频伪码序列是周期为1023的m序列补零得到的，周期为1024，码片速率为1MHz，节点晶振稳定度为25ppm，载波频率为2450MHz，因此收发节点间存在最大频偏范围为±122.5kHz，要求要在较短的时间内完成伪码的捕获。

图1是本发明所述的伪码捕获方法的原理示意图。该伪码捕获方法的过程为：对输入信号先进行伪码相位搜索再进行载波频偏纠正。在伪码相位搜索中采用差分处理消除载波频偏对伪码相关峰性能的影响。在本实施例中分别设置L₁和L₂为3和2，N取值1024，K₁取值0.02，K₂取值0.1，分成伪码相位搜索和载波频偏纠正两个部分完成。

【伪码相位搜索】

如图2所示，伪码相位搜索开始时，首先对本地伪码和接收信号(也称输入信号)进行差分处理。本地伪码

经差分处理后为

伪码差分处理的公式为b_n＝c_n·c_n-1，差分后的伪码仍然保持着m序列的自相关特性。接收信号序列r_n经差分处理后为x_n，接收信号序列的差分处理公式为将差分后的本地伪码b做N点FFT后得到

其中

将B_k存入固定位置的存储单元中。本地伪码仅在每次系统初始化的时候做一次FFT后存入存储单元中，随后每次直接使用存储单元中的数据B_k进行运算。在捕获开始时，①差分后的接收信号序列每N点做一次FFT得到

将序列X_k取共轭后得到②对取共轭后的

与存储在固定位置的存储单元中的本地伪码B_k序列相同频率分量相乘得到Y_k序列；③将Y_k(k＝0，1，…，N-1)序列做N点FFT后得到时域序列y_n，y_n则是差分后的本地伪码和差分后的接收信号的圆周相关结果。对y_n取模，并将|y_n|存储；④重复步骤①至③，将三次得到的|y_n|的对应位置分量进行累加后判决，选取超过门限的最大分量对应的位置为伪码相位同步点，完成伪码相位的同步；如果没有任何分量超过门限则继续重复步骤①至③，每重复三次步骤①至③就进行一次判决，直到超过门限为止。

【载波频偏纠正】

载波频偏纠正是在伪码相位同步之后进行的，因此在载波频偏纠正开始前需要消除伪码相位影响。如图3所示，载波频偏纠正过程为：①接收信号序列r_n与同步后的本地伪码相乘得到消除伪码影响的序列；②将消除伪码影响的序列每存储N点后进行FFT运算得到频域序列Z_k，并对Z_k取模，并将|Z_k|存储；③重复步骤①至②一次，将两次得到的|Z_k|进行对应频率分量累加后判决，选取超过门限的最大分量k_max，得到载波频偏估计值为Δf_est＝k_max/(T_cN)，其中T_c为码片周期，至此完成了载波频偏纠正；如果没有任何分量超过门限则继续重复步骤①至③；如果连续两次尝试均没有超过门限的频率分量，则认为伪码同步是误捕，因此重新进行伪码相位搜索捕获。

只有伪码相位搜索和载波频偏纠正这两方面都正确完成后才真正完成了本发明所述的伪码捕获任务。

本发明所述的伪码捕获方法在资源消耗、适应频偏能力、捕获速度等方面均有较大优势，能满足无线传感器网络中的资源、成本、功耗受限等要求。

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 (6)

1.一种用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一，对输入信号和本地伪码进行差分处理，利用FFT的圆周相关特性对差分处理后的输入信号和本地伪码进行并行搜索伪码相位，调整本地伪码相位使本地伪码与输入信号同步，完成伪码相位捕获；

步骤二，利用FFT对伪码同步后的输入信号和本地伪码进行并行搜索载波频偏，完成频偏纠正。

2.根据权利要求1所述的用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法，其特征在于，所述步骤一的详细实现过程为：

1)对本地伪码进行差分处理；

2)对差分后的本地伪码做N点FFT处理，并将N个频率分量存储在固定位置；

3)对输入信号进行差分处理；

4)存储差分后的输入信号；

5)重复步骤3)至4)直至存储N个差分后的输入信号；

6)对所述N个差分后的输入信号做N点FFT处理；

7)将经过FFT处理的N个输入信号数据取共轭，然后与经过FFT处理的本地伪码数据进行对应频率分量相乘；

8)对步骤7)的乘积结果做N点FFT处理；

9)将经过FFT处理的乘积结果取模后存储；

10)重复步骤3)至9)，将所获得的取模后的乘积结果进行对应分量累加，直到累加序列长度达到预先设定值L₁，L₁为大于等于1的正整数；

11)选取步骤10)中超过门限的最大值分量对应的位置为伪码同步点，完成伪码同步；若没有分量超过门限则返回步骤3)重新搜索。

3.根据权利要求2所述的用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法，其特征在于：步骤11)中的门限是是自动门限，获取过程为：

A1)先对经过差分处理的输入信号求功率，功率的具体求取方法是对每个点求平方之后再取N点的平均；

A2)利用步骤A1)得到的功率乘以固定因子K₁，得到步骤11)的自动门限，其中固定因子K₁为小于1的正数。

4.根据权利要求2所述的用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法，其特征在于，所述步骤二的详细实现过程为：

12)将同步后的本地伪码与输入信号相乘，获得消除伪码相位信息而只有载波频偏信息的新序列；

13)对所述新序列做N点FFT处理；

14)对经过FFT处理后的新序列取模后存储；

15)重复步骤12)至14)，对存储结果进行对应分量累加；

16)重复步骤15)，直到累加段长度达到预先设定值L₂，L₂为大于等于1的正整数；

17)选择步骤16)中超过门限的最大值分量对应的位置为估计的频偏值，进行相应的频偏纠正；若没有分量超过门限则返回步骤12)重新搜索载波频偏位置；若连续两次载波频偏搜索均没有超过门限的分量，则返回步骤1)重新进行伪码相位搜索。

5.根据权利要求4所述的用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法，其特征在于：步骤17)中的门限是是自动门限，获取过程为：

B1)对步骤12)中所述新序列求功率，功率的具体求取方法是对每个点求平方之后再取N点的平均；

B2)利用步骤B1)得到的功率乘以固定因子K₂，得到步骤17)的自动门限，其中固定因子为K₂为小于1的正数。

6.根据权利要求2或4所述的用于无线传感网的直扩通信伪码捕获方法，其特征在于：伪码和频偏搜索中的非相关累加长度L₁、L₂是系统综合考虑为了提高判决信噪比而设置的自然数，L₁、L₂越大时，提高的判决信噪比就越大，当系统不需要提高判决信噪比时L₁和L₂的取值为1。

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