CN108809876B - 基于不变检验的bpsk信号单符号差分检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测方法，接收端收到的信号接收值包括已知码片和未知码片，方法包括：S1、对每个码片周期内收到的信号接收值进行匹配滤波采样，得到接收数据样值序列；S2、从接收数据样值序列中提取已知码片对应的已知样值序列；S3、对已知样值序列进行处理，得到星座集重构统计量

；S4、利用星座集重构统计量

重构星座集并划分判决域；S5、从接收数据样值序列中提取未知码片对应的未知样值序列，并对未知样值序列进行比特级差分处理，得到判决统计量；S6、根据重构后的星座集和划分后的判决域对判决统计量进行检测判决。本发明不需要对频偏影响进行估计和补偿，降低计算复杂度，减少节点能量消耗，而且不会造成检测性能的损失。

Description

基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测方法及装置

技术领域

本发明涉及信号检测技术领域，具体的说是基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测方法及装置。

背景技术

处于最底层的感知层是物联网(Internet of Things,IoT)的皮肤和五官，是联系物理世界与信息世界的纽带，负责识别物体，数据采集和信息的初次传输。在网络层准确及时传送数据的前提下，应用层处理数据时的计算精确与数据挖掘结论的准确性将取决于感知层数据的质量。而“全面感知”、“可靠传输”和“智能处理”也正是物联网三大基本特征。因此，感知数据准确性决定了物联网系统的实际应用价值，感知层是物联网的核心，对其研究意义重大。

相对于初出茅庐的低功耗蜂窝物联网(即广域物联技术，如当前主流的NB- IOT/eMTC/LoRa等)，低功耗短距离物联网(即局域物联网技术，如应用已久的WiFi/蓝牙 /ZigBee等)方兴未艾，仍是当前物联网接入网技术的研究热点。它涵盖多种不同网络类型，低速率无线个域网(Low-rateWireless Personal Area Network，LR-WPAN)便是其中最为重要一类。当前，LR-WPAN的具体实现手段层出不穷，呈现多样化发展态势(具体包括ZigBee等七种之多)，应用领域自然也极为广泛。但它们在感知层多采用统一架构，即在2003年12月便出现第一版且发展成熟的IEEE 802.15.4协议。该标准把低能耗、低速率、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备间的低速互联提供统一标准。

针对不同数据传输速率(包括20～250Kb/s四种)需求，IEEE 802.15.4协议涉及多种感知层结构，但以牺牲带宽利用率为代价的二进制相移键控键控(BPSK)调制最有能力为感知数据的初次传输提供高可靠性。因此，研究符合LR-WPAN特性的BPSK信号强鲁棒性检测技术，是保障感知数据准确可靠运达应用层的最根本出发点之一，也是其在工业、农业和服务业中应用时亟需解决的最根本核心难题之一。

如图1所示，802.15.4协议在不同载波频段上采用调制方式和数据传输速率不同。在四个典型的频段总共提供48个信道：868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道，950MHz频段21个信道。如图2所示，在868/915/950-MHz频段上，发送端信号处理过程相同，只是数据速率不同。发送方首先将物理层数据协议单元 (PPDU)的二进制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一位转换为长度为15的片序列，最后使用BPSK调制到信道上。差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算：

其中E_n是差分编码的结果，R_n为要编码的原始比特， E_n-1是上一次差分编码的结果。对每个发送的数据包，R₁是第一个原始比特，计算E₁时假定 E₀＝0。差分解码过程与编码过程类似：

对每个接收到的数据包，E₁为第一个需要解码的比特，计算E₁时假定E₀＝0。如图3所示，差分编码后的每个比特被转换为长度为15的片序列。扩频后的序列使用BPSK调制方式调制到载波上。

如图4所示，IEEE 802.15.4协议物理层数据帧结构的第一个字段是四个字节共计32 位的全零前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符(SFD)字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，表示为一个物理帧的开始，收发器接收完成前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。帧长度由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理层服务数据单元(PSDU)，一般用来承载MAC帧。

为追求极致可靠性，基于完美同步(Perfect Synchronization)的理想相干检测(Ideal Coherent Detection)是必然的技术手段。然而，由于完美同步的不可实现性，在实际应用中采用的相干检测技术只能称为伪相干(Pseudocoherent)，且存在成本高，能耗大，载波获取费时费力，对载波跟踪误差敏感和相位模糊等诸多不利因素。因此，能显著克服上述缺点的非相干序列检测(Noncoherent Sequence Detection)技术最适于在追求低能耗、低速率、低成本的 LR-WPAN中应用。而提高参考信号信噪比和改善其对冗余参数(NuisanceParameter)的鲁棒性则是该项技术亟待解决难题，这也一直是国内外研究的重中之重。

传统典型的的IEEE 802.15.4中BPSK调制物理层现有的单符号差分检测(即非相干检测)方法主要有“最佳检测法”和“简化形式检测法”两种，二者的详细比较如图5所示。由图5可知，现有检测方法都无法做到检测性能、鲁棒性、能耗、实现复杂度和成本之间的统筹兼顾，因此不适合在LR-WPAN中应用。除此之外，现有技术中还有一些其他的检测方法，这些检测方法主要是利用除法运算和反正切运算来对频率偏移信息进行估计，然后用在后续的检测判决过程。

传统简化形式检测法的不足之处是：该方案中的频率偏移信息Nω₀T_c的估计过程存在较为严重的“过估计”或“欠估计”现象，会导致检测性能的大幅下降，没有在实现复杂和性能之间达到较好的平衡匹配。如图6所示，在误包率为10-2时，相对于最佳检测法，简化形式检测法的性能损失超过1dB；在误比特率为10-3时，相对于最佳检测法，简化形式检测法的性能损失也超过1dB。而802.15.4网络MAC层采用循环冗余校验(CRC)来判断传输帧的正确性，自动请求重传(ARQ)协议据此确定传输帧是否需要重传，而没有采用前向纠错(FEC)机制，故物理层接收机性能的优劣将对能耗产生巨大的影响。在信道条件较差时，如果采用该简化形式检测法，同一PSDU数据帧可能经过多次重传才能成功被MAC层接收。如果数据量巨大则多次重传的通信过程也将消耗可观的能量，这会降低能量供给匮乏的802.15.4网络的使用寿命。而其他的检测方法虽然能够得到好的性能，但是运算过程复杂，对于能量供给严格受限的802.15.4网络终端节点来说，会带来较高的能耗。

最后，这几种传统方法的共同不足之处是：它们都要先对判决统计量进行频偏影响补偿，然后判决的检测机制，如图7所示。这种先进行频偏影响估计/补偿再进行数据检测的方法制约了系统能效、成本和性能的进一步优化，限制了LR-WPAN技术的应用深度和广度。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测方法，不需要对频偏影响进行估计和补偿，从而降低计算复杂度，减少节点能量消耗，而且不会造成检测性能的损失，同时还提供了一种检测装置。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测方法，接收端收到的信号接收值包括已知码片和未知码片，所述检测方法包括如下步骤：S1、对每个码片周期内收到的信号接收值进行匹配滤波采样，得到接收数据样值序列； S2、从接收数据样值序列中提取已知码片对应的已知样值序列；S3、对已知样值序列进行处理，得到星座集重构统计量Y；S4、利用星座集重构统计量Y重构星座集并划分判决域；S5、从接收数据样值序列中提取未知码片对应的未知样值序列，并对未知样值序列进行比特级差分处理，得到判决统计量；S6、根据重构后的星座集和划分后的判决域，并结合判决统计量进行检测判决。

进一步地，所述S1中，接收数据样值序列表示为

其中s_m,k表示第m个码片周期内的第k个码片发送数据，s_m,k∈{+1,-1}，ω₀＝2πf₀,f₀和θ分别为频率偏移和相位偏移，T_c表示扩频码码片周期，η_m,k为复基带加性高斯白噪声，f₀和θ保持不变；所述S3中，星座集重构统计量

其中Nω₀T_c是频偏影响值，η₁是噪声。

进一步地，所述S4中，利用所述星座集重构统计量Y重构星座集的步骤包括：S4.1、根据Y的实部和虚部确定Y在观测空间中的位置，并将Y的位置选定为BPSK信号星座点 (+1,0)在频偏影响值Nω₀T_c的作用下产生的新的正极性星座点；S4.2、通过对Y的实部和虚部进行取反的到Y关于星座原点的对称点Y'，并将Y'的位置选定为BPSK信号星座点(-1,0) 在频偏影响值Nω₀T_c的作用下产生的新的负极性星座点。

进一步地，所述S4中，利用所述星座集重构统计量Y划分判决域的方法包括：S4.3、连接Y的位置和Y'的位置，得到划分基准线；S4.4、做划分基准线的垂直平分线，该垂直平分线命名为最大似然检测判决线；S4.5、最大似然检测判决线将观测空间平均分成两个判决域。

进一步地，所述S6中，对判决统计量进行检测判决的方法为：分别计算判决统计量值与正极性星座点和负极性星座点之间的距离，并且将与判决统计量距离较近的一个星座点作为判决结果。

进一步地，计算判决统计量与正极性星座点或者负极性星座点之间的距离采用欧式距离，具体的计算方法是：

式中d_E表示欧式距离值， (x₁，y₁)表示判决统计量在观测空间中的坐标，(x₂，y₂)表示新的正极性星座点或者新的负极性星座点在观测空间中的坐标。

基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测装置，包括：信号接收模块，用于获取信号接收值；样值获取模块，用于从信号接收值中提取接收数据样值序列和从接收数据样值序列中提取已知样值序列与未知样值序列；运算处理模块，用于根据已知样值序列得到星座集重构统计量和根据未知样值序列得到判决统计量；星座集模块，用于根据星座集重构统计量重构星座集和划分观测域；检测判决模块，用于根据重构后的星座集和划分后的观测域对判决统计量进行检测判决。

进一步地，所述信号接收模块包括模拟量接收模块和离散处理模块，模拟量接收模块从信道中接收发送端发送的模拟信号并且将模拟信号传输给离散处理模块，离散处理模块对模拟信号进行离散化处理得到离散形式的信号接收值。

有益效果：本发明的检测方法采用“先进行星座集重构，再对观测空间进行判决域划分，最后进行检测”的过程，虽然对PSDU进行判决所需的判决统计量中包含频偏影响值，但是完全不需要事先对其补偿消除，因此能够大幅地降低计算量，从而节约能源，对于能源供给受限的802.15.4网络节点来说，能够延长其单次充电的使用时间及整体的使用寿命，而且不会降低检测性能。

附图说明

图1为IEEE 802.15.4协议物理层四个频段基本特性图；

图2为IEEE 802.15.4协议868/915/950-MHz频段物理层数据发送过程图；

图3为IEEE 802.15.4协议868/915/950-MHz频段扩频映射方式图；

图4为IEEE 802.15.4协议物理层帧结构图；

图5为传统的两种检测方法的详细比较图；

图6为传统的两种检测方法的性能比较图；

图7为传统的两种检测方法的流程示意图；

图8为本发明重构星座集的过程及划分判决域的方法示意图；

图9为本发明与传统三种检测方法的性能比较图；

图10为本发明检测方法中频率偏移量的概率分布图；

图11为应用本发明检测方法的802.15.4通信系统的流程框图；

图12为本发明检测方法在进行星座集重构时所需的统计量的实现模块图；

图13为本发明检测方法在进行数据检测时所需的统计量的实现模块图；

图14为检测判决过程的示意图；

图15为本发明的BPSK信号波形非相干检测方法鲁棒性结果图；

图16为本发明的检测机制的等效传输模型图；

图17为本发明检测装置的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例以IEEE 802.15.4系统为例来进行说明，通信环境为915MHz频段，信道的载波中心频率为924MHz，频率偏移f₀服从如图10所示的三角对称分布，相位偏移θ在 (0，2π]内服从均匀分布，PSDU的数据长度为20个字节。

基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测方法，接收端收到的信号接收值包括已知码片和未知码片，其中已知码片包括32个全零比特的前导码和帧起始分隔符，未知码片包括物理帧头和PSDU，检测方法包括S1～S6。

S1、对每个码片周期内收到的信号接收值进行匹配滤波采样，得到接收数据样值序列，接收数据样值序列表示为

其中s_m,k表示第m个码片周期内的第k个码片发送数据，s_m,k∈{+1,-1}，ω₀＝2πf₀,f₀和θ分别为频率偏移和相位偏移，T_c表示扩频码码片周期，η_m,k为复基带加性高斯白噪声，假设f₀和θ在整个数据帧中保持不变。

S2、从接收数据样值序列中提取已知码片对应的已知样值序列，这里已知码片选择 32个全零比特的前导码。

S3、对已知样值序列进行处理，具体过程如图12所示，得到星座集重构统计量Y，

其中Nω₀T_c是频偏影响值，η₁是噪声。

S4、利用星座集重构统计量Y重构星座集并划分判决域。

如图8所示，利用星座集重构统计量Y重构星座集的步骤包括S4.1～S4.2。

S4.1、根据Y的实部和虚部确定Y在观测空间中的位置，并将Y的位置选定为BPSK信号星座点(+1,0)在频偏影响值Nω₀T_c的作用下产生的新的正极性星座点。

S4.2、通过对Y的实部和虚部进行取反的到Y关于星座原点的对称点Y'，并将Y'的位置选定为BPSK信号星座点(-1,0)在频偏影响值Nω₀T_c的作用下产生的新的负极性星座点。

划分判决域的方法包括S4.4～S4.5。

S4.3、连接Y的位置和Y'的位置，得到划分基准线。

S4.4、做划分基准线的垂直平分线，该垂直平分线命名为最大似然检测判决线。

S4.5、最大似然检测判决线将观测空间平均分成两个判决域。

S5、从接收数据样值序列中提取未知码片对应的未知样值序列，并对未知样值序列进行比特级差分处理，得到判决统计量A[m]，这里未知码片指PSDU，具体过程如图13所示；

S6、根据重构后的星座集和划分后的判决域对判决统计量进行检测判决，检测判决的方法为：分别计算判决统计量与正极性星座点和负极性星座点之间的距离，并且将与判决统计量距离较近的一个星座点作为判决结果，具体方法为

式中

表示检测判决得到的第m个比特数据，Re(·)表示取实部运算，Im(·)表示取虚部运算，d_E{(x₁,y₁),(x₂,y₂)}表示取欧式距离运算，

式中d_E表示欧式距离值，(x₁，y₁)表示判决统计量在观测空间中的坐标，(x₂，y₂)表示新的正极性星座点或者新的负极性星座点在观测空间中的坐标。

本发明的检测方法采用“先进行星座集重构，再对观测空间进行判决域划分，最后进行检测”的过程，虽然对PSDU进行判决所需的判决统计量A[m]中包含频偏影响值Nω₀T_c，但是完全不需要事先对其补偿消除，因此能够大幅地降低计算量，从而节约能源，对于能源供给受限的802.15.4网络节点来说，能够延长其单次充电的使用时间及整体的使用寿命。

如图9所示，本发明的检测方法和传统两种检测方法在性能上相比较，每个信噪比下至少采集3000帧错误。可见，本发明公布的接收机和传统最佳检测法的检测性能基本一致，性能损失极低。和传统简化接收机相比，在误包率为1×10-3时，可获得不小于1.7dB 的增益。故本发明公布的方案在实现复杂度和检测性能之间达到了更好的平衡匹配。图15 为所示为本发明公布的接收机鲁棒性结果图。可见，发明公布的接收机对频偏f₀具有较强的鲁棒性。

本发明的理论依据阐述如下。

首先，根据“加性高斯白噪声下对信号星座集进行旋转不会改变最大似然检测的错误概率(简称不变检验)”理论和“加性高斯白噪声下确知信号的最大似然检测判决线必经过原点”的结论，本发明将传统传输模型抽象成如图16所示的比特级复向量信道传输模型，然后通过最大似然检测来恢复数据。图16中E(k)表示发送比特，s₀＝1和s₁＝-1表示传统信号星座点的振幅，

和

表示经频偏影响旋转后的新星座点，η(k)表示所有噪声项，频偏f₀在不同数据帧之间时变。

图16的等效模型将原来需要消除的频偏影响嵌入到发送端信号星座集中来考虑，从而将传统研究中的“噪声中具有未知随机参量的波形检测”问题很简单地转换成“噪声中确知信号的波形检测”问题，完全不需要估计和补偿过程。

其次，由于

故有

可变换为Re(A[m])·Re(Y)+Im(A[m])·Im(Y)≥0，从而得到如式(3)所示的检测判决表达式，进而得到如图14所示的检测判决过程。

如图17所示，基于上述的检测方法，本发明还提供一种基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测装置，包括信号接收模块、样值获取模块、运算处理模块、星座集模块和检测判决模块。

信号接收模块，用于获取信号接收值。信号接收模块包括模拟量接收模块和离散处理模块，模拟量接收模块从信道中接收发送端发送的模拟信号并且将模拟信号传输给离散处理模块，离散处理模块对模拟信号进行离散化处理得到离散形式的信号接收值。

样值获取模块，用于从信号接收值中提取接收数据样值序列和从接收数据样值序列中提取已知样值序列与未知样值序列。

运算处理模块，用于根据已知样值序列得到星座集重构统计量和根据未知样值序列得到判决统计量。

星座集模块，用于根据星座集重构统计量重构星座集和划分观测域。

检测判决模块，用于根据重构后的星座集和划分后的观测域对判决统计量进行检测判决。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测方法，接收端收到的信号接收值包括已知码片和未知码片，其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：

S1、对每个码片周期内收到的信号接收值进行匹配滤波采样，得到接收数据样值序列；接收数据样值序列表示为

其中s_m,k表示第m个码片周期内的第k个码片发送数据，s_m,k∈{+1,-1}，ω₀＝2πf₀,f₀和θ分别为频率偏移和相位偏移，T_c表示扩频码码片周期，η_m,k为复基带加性高斯白噪声，f₀和θ保持不变；

S2、从接收数据样值序列中提取已知码片对应的已知样值序列；

S3、对已知样值序列进行处理，得到星座集重构统计量Y，

其中

是频偏影响值，η₁是噪声；

S4、利用星座集重构统计量Y重构星座集并划分判决域；

重构星座集的步骤包括：

S4.1、根据Y的实部和虚部确定Y在观测空间中的位置，并将Y的位置选定为BPSK信号星座点(+1,0)在频偏影响值

的作用下产生的新的正极性星座点；

S4.2、通过对Y的实部和虚部进行取反得到Y关于星座原点的对称点Y'，并将Y'的位置选定为BPSK信号星座点(-1,0)在频偏影响值

的作用下产生的新的负极性星座点；

划分判决域的方法包括：

S4.3、连接Y的位置和Y'的位置，得到划分基准线；

S4.4、做划分基准线的垂直平分线，该垂直平分线命名为最大似然检测判决线；

S4.5、最大似然检测判决线将观测空间平均分成两个判决域；

S5、从接收数据样值序列中提取未知码片对应的未知样值序列，并对未知样值序列进行比特级差分处理，得到判决统计量；

S6、根据重构后的星座集和划分后的判决域，并结合判决统计量进行检测判决，方法为：分别计算判决统计量与正极性星座点和负极性星座点之间的距离，并且将与判决统计量距离较近的一个星座点作为判决结果。

2.如权利要求1所述的基于不变检验的BPSK信号单符号差分检测方法，其特征在于：计算判决统计量与正极性星座点或者负极性星座点之间的距离采用欧式距离，具体的计算方法是：

式中d_E表示欧式距离值，(x₁，y₁)表示判决统计量在观测空间中的坐标，(x₂，y₂)表示新的正极性星座点或者新的负极性星座点在观测空间中的坐标。

3.如权利要求1所述的检测方法的检测装置，其特征在于：包括：

信号接收模块，用于获取信号接收值；

样值获取模块，用于从信号接收值中提取接收数据样值序列和从接收数据样值序列中提取已知样值序列与未知样值序列；

运算处理模块，用于根据已知样值序列得到星座集重构统计量和根据未知样值序列得到判决统计量；

星座集模块，用于根据星座集重构统计量重构星座集和划分观测域；

检测判决模块，用于根据重构后的星座集和划分后的观测域，并结合判决统计量进行检测判决。

4.如权利要求3所述的检测装置，其特征在于：所述信号接收模块包括模拟量接收模块和离散处理模块，模拟量接收模块从信道中接收发送端发送的模拟信号并且将模拟信号传输给离散处理模块，离散处理模块对模拟信号进行离散化处理得到离散形式的信号接收值。

Images