CN105472719A - 一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明供公开了一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法。包括以下步骤，步骤一，发射双频或多频的唤醒信号；步骤二，按照设定的起始频率、变换点数和频率分辨率对唤醒信号执行单位圆上的CZT变换；步骤三：搜索CZT变换的细化谱的极值，估计的各频率分量之间的相对频率间隔和相对幅度关系如果保持不变，则判断为是唤醒信号，否则不是；步骤四：当信号判定为唤醒信号后，给整个通信节点上电，使节点转入工作状态，当节点工作完毕后，切断电源，节点转入休眠状态。本发明由于具有高的频率分辨率，可以采用多组频率组合，对水下传感器网路的多个节点进行唤醒，而不必担心相互干扰，大大降低检测虚警，延长水下无线传感器网络的使用寿命。

Description

一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法

技术领域

本发明属于水下通信领域，尤其涉及一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法。

背景技术

水下无线传感器网络按其功能主要分为水下数据监测网络和水下数据传输网络两种类型。这些网络由各种无线传感器节点构成，包括各种浮/潜标等固定的通信或网关节点，以及UUV或水面舰船等各种移动节点。固定的通信或网关节点需要长期在水下执行监测和数据传输任务，因此只能靠电池供电，尤其是布放在远海的节点电池更不易更新和维护，因此降低功耗，延长节点的工作时间，是水下无线传感器网络长期稳定工作的前提。

目前降低水下网络节点功耗最常用的办法是采用值班机制，即节点不工作时进入休眠状态，以便降低不必要的能量损耗，当节点需要工作时，通过移动节点或者岸基发射唤醒信号，使节点转入工作状态。发射唤醒信号的主控节点位于岸基或者舰船等移动节点上，不需考虑能量损耗。水下的网络节点在休眠时，只有电源模块保持值班状态，随时监听主控节点发射的唤醒信号，其他部分不工作。当检测到唤醒信号后，电源管理模块给整个节点上电，使节点转入全速运转的工作状态；当工作完毕后，节点告知电源管理模块切断电源，节点再次进入休眠状态。为了尽量减少能量消耗，电源管理模块常采用以超低功耗处理器为核心的处理电路，然而，低功耗处理器的性能较差，很难完成较复杂的信号检测算法。

目前的检测算法，常采用频率检测的方法，采用固定阈值或者按照一定规则的浮动阈值判断是否是唤醒信号。其主要缺点是：一是频率分辨率较低，相近频率干扰时，虚警显著提高；二是对环境噪声的自适应的能力较差，当环境改变时，采用的阈值规则往往需重新调整。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有频率分辨率高的、抗相近频率干扰的能力强的，一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法。

一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法，包括以下步骤，

步骤一：发射机发射唤醒信号：

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{A}_{k}sin\left(2{\mathrm{\πf}}_{k}t\right)$

其中，K为唤醒信号中频率的个数，A_k为对应频率分量的幅度，△f_k＝f_k+1-f_k频率间隔；

接收机接收信号，得到节点输入的信号为：

$x\left(t\right)=s\left(t\right)+n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{A}_k^{\′}\sin (2{\mathrm{\πf}}_k^{\′}t+{\mathrm{\φ}}_0)+n\left(t\right)$

其中n(t)为噪声，s(t)为输入节点的唤醒信号，A′_k和f′_k分别为经过发射机、水声信道和接收机后的信号分量的频率和幅度；

步骤二：对节点输入信号按照采样频率fs进行采样，得到信号x(n)，n＝1,…N，对x(n)作单位圆上的CZT变换，变换的频率点数为r＝0,1,…M-1；

$X\left(Z_r\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)A^{-n}{W}^{nr}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)A^{-n}{W}^{r^2/2}{W}^{n^2/2}{W}^{-{(r-n)}^2/2}$

令 $g\left(n\right)=x\left(n\right)A^{-n}{W}^{n^2/2},h\left(n\right)=W^{-n^2/2},$ 得到：

$X\left(Z_r\right)=W^{r^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}g\left(n\right)h(r-n)-W^{r^2/2}\[g\left(r\right)*h\left(r\right)\]=W^{r^2/2}y\left(r\right)$

其中， $y\left(r\right)=g\left(r\right)*h\left(r\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}g\left(n\right)W^{-{(r-n)}^2/2}$

上述单位圆上的CZT变换公式中，W＝e^-j2πΔf，则：

$X\left(r\right)=e^{-2{\mathrm{\πfr}}^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)e^{-j2{\mathrm{\πnf}}_0}{e}^{-j2{\mathrm{\πn}}^2\mathrm{\Δ}f/2}{e}^{2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}f{(r-n)}^2/2}$

其中， $g\left(n\right)=x\left(n\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;nf}}_0}{e}^{-j2{\mathrm{\&pi;n}}^2\mathrm{\&Delta;}f/2},h\left(n\right)=e^{j2{\mathrm{\&pi;n}}^2\mathrm{\&Delta;}f/2},$ f₀为变换的下限频率，f₀<f₁，△f为变换的频率分辨率，f₀+M△f>f_K；

步骤三：首先从CZT变换的结果中搜索K个最大的极值，按照对应的频率大小排序，如果各频率分量之间的相对频率间隔和相对幅度关系保持不变，则判断为是唤醒信号，否则不是；即：

其中，

步骤四：当信号判定为唤醒信号后，电源管理模块给整个通信节点上电，使节点转入工作状态，当节点工作完毕后，节点告知电源管理模块切断电源，使节点转入休眠状态；如果不是唤醒信号，对下一帧数据重复步骤一到步骤四的操作。

本发明一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法，还可以包括：

唤醒信号为双频或多个频率，数据长度N和变换的点数M满足条件L≥N+M-1，且L为2的整数次幂。

有益效果：

本发明是一种新的专门用于水下无线传感器网络节点唤醒信号检测的方法，该方法采用CZT对唤醒信号的频谱进行细化，因此具有较高的频率分辨率，具有较好的抗相近频率干扰的能力；水声信道是频率选择性衰落信道，不同频率的信号具有不同的衰减系数，发射和接收之间的相对移动也会产生多普勒频移，对唤醒信号的检测具有很大的负面影响。本发明通过采用频率接近的双频或多频脉冲作为唤醒信号，在接收端，各频率分量之间的幅度或者频移等相关参数保持相对不变，利用这种相对关系不变性进行唤醒信号判别，避免传统能量阈值方法对水声信道和环境噪声适应性差的缺陷。另外，由于较高的频率分辨率，可以采用多组频率组合，对水下传感器网路的多个节点进行唤醒，而不必担心相互干扰，大大降低检测虚警，间接延长水下无线传感器网络的使用寿命。

附图说明

图1CZT变换计算步骤；

图2唤醒信号检测流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的主要目的是提供一种用于水下无线传感器网络通信节点的唤醒信号检测算法，通过设计频率相近的双频或多频唤醒信号，结合单位圆上的线性调频Z变换(ChirpZTransform，CZT)对谱进行细化，利用频率间隔和幅度参数相对不变的特性对信号进行判别，解决现有方法抗干扰能力差，虚警较高的问题，具体的技术方案如下：

1.发射的唤醒信号的参考形式如公式(1)所示：

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{A}_{k}sin\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_{k}t\right)---\left(1\right)$

其中，K代表唤醒信号中频率的个数，A_k为对应频率分量的幅度，△f_k＝f_k+1-f_k频率间隔，可根据需要设计，一般为几Hz～十几Hz。

节点输入的信号为：

$x\left(t\right)=s\left(t\right)+n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{A}_k^{\&prime;}\sin (2{\mathrm{\&pi;f}}_k^{\&prime;}t+{\mathrm{\&phi;}}_0)+n\left(t\right)---\left(2\right)$

其中n(t)为噪声，s(t)为输入节点的唤醒信号，A′_k和f′_k分别为经过发射机、水声信道和接收机后的信号分量的频率和幅度。因为频率间隔较近，因此经过发射机、水声信道和接收机产生的频偏和衰减基本相同，因此各频率分量之间的幅度比和频率间隔也基本保持不变。

2.基于CZT的频谱细化

对节点输入信号按照一定的采样频率fs进行采样，得到信号x(n)，假设x(n)的长度为n＝1,…N，对x(n)作单位圆上的CZT变换，变换的频率点数为r＝0,1,…M-1，即：

$X\left(Z_r\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\right)A^{-n}{W}^{nr}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\right)A^{-n}{W}^{r^2/2}{W}^{n^2/2}{W}^{-{(r-n)}^2/2}---\left(3\right)$

令

$g\left(n\right)=x\left(n\right)A^{-n}{W}^{n^2/2}---\left(4\right)$

$h\left(n\right)=W^{-n^2/2}---\left(5\right)$

则(3)式可以写成：

$X\left(Z_r\right)=W^{r^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}g\left(n\right)h(r-n)-W^{r^2/2}\&lsqb;g\left(r\right)*h\left(r\right)\&rsqb;=W^{r^2/2}y\left(r\right)---\left(6\right)$

其中，

$y\left(r\right)=g\left(r\right)*h\left(r\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}g\left(n\right)W^{-{(r-n)}^2/2}---\left(7\right)$

上述单位圆上的CZT变换公式中，W＝e^-j2πΔf，则

$g\left(n\right)=x\left(n\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;nf}}_0}{e}^{-j2{\mathrm{\&pi;n}}^2\mathrm{\&Delta;}f/2}---\left(8\right)$

$h\left(n\right)=e^{j2{\mathrm{\&pi;n}}^2\mathrm{\&Delta;}f/2}---\left(9\right)$

其中，f₀为变换的下限频率，f₀<f₁,△f为变换的频率增量或者频率分辨率,f₀+M△f>f_K。则，公式(6)可写为：

$X\left(r\right)=e^{-2{\mathrm{\&pi;\&Delta;fr}}^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;nf}}_0}{e}^{-j2{\mathrm{\&pi;n}}^2\mathrm{\&Delta;}f/2}{e}^{2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&Delta;}f{(r-n)}^2/2}---\left(10\right)$

对应第r个频点的频率为f₀+r△f，对应的幅度为|X(r)|，利用时域相关定理上述的相关运算可用FFT的快速算法来计算。

3.信号判别

首先从上述CZT变换的结果中搜索K个最大的极值，按照对应的频率大小排序，用f_m1,f_m2…,f_mK代表对应的频率，A_m1,A_m2…,A_mK代表对应的幅度。

假设：

那么,

当信号判定为唤醒信号后，电源管理模块给整个通信节点上电，使节点转入工作状态，当节点工作完毕后，节点告知电源管理模块切断电源，使节点转入休眠状态。

唤醒信号可根据需要设计双频或多个频率，频率间隔和幅度可以相同，也可以不同，执行检测时则根据预设好的参数进行检测。在单位圆上执行CZT变换，进行频谱细化时，初始频率f₀和频率分辨率△f可根据唤醒信号的频率成分，按照工程实际需要灵活选择，数据长度N可根据所使用的超低功耗芯片的性能指标来选择，变换的点数M可根据唤醒信号的频率范围及频率分辨率来决定，但要求L≥N+M-1，且L为2的整数次幂，且不应当不超过芯片运算能力。

结合附图1和附图2，以双频唤醒信号为例进行说明,具体步骤如下：

1.唤醒信号的两个频率分别为8kHz和8.01kHz，即发射的参考信号形式为：

r(t)＝A₁sin(2πf₁t)+A₂sin(2πf₂t)(13)

可令A₁＝A₂＝1，f₁＝8kHz，f₂＝8.01kHz，每帧数据长度为N＝256，计算的频率点数M＝20,初始频率f₀＝7.95,频率分辨率△f＝1Hz。

2.对接收机的信号进行采样，假设采样频率fs＝24kHz，得到电源管理模块的输入信号x(n),根据公式(4)、公式(5)、公式(8)和公式(9)，结合附图1，计算中间信号序列h(n)和g(n)，n＝0,1,…N-1。

3.将h(n)转换成一个L点的新序列，L为2的整数次幂，且L≥N+M-1,具体的如下：

$h^{\&prime;}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}h\left(n\right)& 0\&le;n\&le;M-1\\ 0& M\&le;n\&le;L-N\\ h(L-n)& L-N\&le;n\&le;L-1\end{array}\right.---\left(14\right)$

因为h(n)和h'(n)与数据无关，因此可预先计算好，不必每次都计算。

4.对g(n)补零，使其长度变为L,即

$g^{\&prime;}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}g\left(n\right)& n=0,1,\mathrm{...},N-1\\ 0& N\&le;n\&le;L-1\end{array}\right.---\left(15\right)$

5.计算g'(n)的FFT，h'(n)的FFT可以线下计算就可以，分别用G’(k)和H’(k)来表示；

6.计算Y’(k)＝G’(k)H’(k)的反变换得y(r),取前M个点；

7.结合公式(6)和公式(10)计算X(r)；

8.在f₁＝8kHz，f₂＝8.01kHz检索X(r)最大的两个峰值，并按频率大小排序，分别用f_m1，f_m2表示检测到的频率，A_m1，A_m2表示对应的幅度，因为发射、水声信道和多普勒等因素，两个频率分量的频率和幅度不可避免的发生偏移，但其相对间隔和幅度大致保持不变；

9.假设：

那么,

10.如果输入信号是唤醒信号，则电源管理模块给整个通信节点上电，使其进入工作状态，工作结束后断开电源，使其转入休眠状态，电源模块进入值班状态；如果不是唤醒信号，对下一帧数据重复上边的操作。

唤醒信号也可根据需要设计多个频率，频率间隔和幅度可以不同，执行检测时则根据预设好的参数，利用上述类似的方法进行检测。在单位圆上执行CZT变换，进行频谱细化时，初始频率f₀和频率分辨率△f可根据唤醒信号的频率成分，按照工程实际需要灵活选择，数据长度N可根据所使用的超低功耗芯片的性能指标来选择，变换的点数M可根据唤醒信号的频率范围及频率分辨率来决定，但要求L≥N+M-1，且L为2的整数次幂，且不应当不超过芯片运算能力。

本发明提供一种用于水下无线传感器网络通信节点唤醒信号的检测方法，通过设计频率相近的双频或多频唤醒信号，结合单位圆上的线性调频Z变换(ChirpZTransform，CZT)对谱进行细化，利用唤醒信号频率分量之间的频率间隔和幅度参数相对不变的特性对信号进行判别，解决现有方法抗干扰能力差，虚警较高的问题。该方法的关键点包括：(1)发射唤醒信号由频率接近的双频或多频的信号构成；(2)按照一定的起始频率、变换点数和频率分辨率对唤醒信号执行单位圆上的CZT变换；(3)搜索CZT细化谱的极值，与参考唤醒信号相较，估计的各频率分量之间的相对频率间隔和相对幅度关系如果保持不变，则判断为是唤醒信号，否则不是。另外，由于较高的频率分辨率，可以采用多组频率组合，对水下传感器网路的多个节点进行唤醒，而不必担心相互干扰，大大降低检测虚警，间接延长水下无线传感器网络的使用寿命。

Claims (2)

1.一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：发射机发射唤醒信号：

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{A}_{k}sin\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_{k}t\right)$

其中，K为唤醒信号中频率的个数，A_k为对应频率分量的幅度，△f_k＝f_k+1-f_k频率间隔；

接收机接收信号，得到节点输入的信号为：

$x\left(t\right)=s\left(t\right)+n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{A}_k^{\&prime;}sin(2{\mathrm{\&pi;f}}_k^{\&prime;}t+{\mathrm{\&phi;}}_0)+n\left(t\right)$

其中n(t)为噪声，s(t)为输入节点的唤醒信号，A'_k和f′_k分别为经过发射机、水声信道和接收机后的信号分量的频率和幅度；

步骤二：对节点输入信号按照采样频率fs进行采样，得到信号x(n)，n＝1,…N，对x(n)作单位圆上的CZT变换，变换的频率点数为r＝0,1,…M-1；

$X\left(Z_r\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\right)A^{-n}{W}^{nr}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\right)A^{-n}{W}^{r^2/2}{W}^{n^2/2}{W}^{-{(r-n)}^2/2}$

令 $g\left(n\right)=x\left(n\right)A^{-n}{W}^{n^2/2},h\left(n\right)=W^{-n^2/2},$ 得到：

$X\left(Z_r\right)=W^{r^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}g\left(n\right)h(r-n)=W^{r^2/2}\&lsqb;g\left(r\right)*h\left(r\right)\&rsqb;=W^{r^2/2}y\left(r\right)$

其中， $y\left(r\right)=g\left(r\right)*h\left(r\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}g\left(n\right)W^{-{(r-n)}^2/2}$

上述单位圆上的CZT变换公式中，W＝e^-j2πΔf，则：

$X\left(r\right)=e^{-2{\mathrm{\&pi;\&Delta;fr}}^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;nf}}_0}{e}^{-j2{\mathrm{\&pi;n}}^2\mathrm{\&Delta;}f/2}{e}^{2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&Delta;}f{(r-n)}^2/2}$

其中， $g\left(n\right)=x\left(n\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;nf}}_0}{e}^{-j2{\mathrm{\&pi;n}}^2\mathrm{\&Delta;}f/2},h\left(n\right)=e^{j2{\mathrm{\&pi;n}}^2\mathrm{\&Delta;}f/2},$ f₀为变换的下限频率，f₀<f₁，△f为变换的频率分辨率，f₀+M△f>f_K；

步骤三：首先从CZT变换的结果中搜索K个最大的极值，按照对应的频率大小排序，如果各频率分量之间的相对频率间隔和相对幅度关系保持不变，则判断为是唤醒信号，否则不是；即：

其中，

步骤四：当信号判定为唤醒信号后，电源管理模块给整个通信节点上电，使节点转入工作状态，当节点工作完毕后，节点告知电源管理模块切断电源，使节点转入休眠状态；如果不是唤醒信号，对下一帧数据重复步骤一到步骤四的操作。

2.根据权利要求1所述的一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法，其特征在于：所述的唤醒信号为双频或多个频率，数据长度N和变换的点数M满足条件L≥N+M-1，且L为2的整数次幂。