CN114584163B - 一种自适应门限的水下通信节点唤醒信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应门限的水下通信节点唤醒信号检测方法，包括如下步骤：步骤一：设定伪随机二进制信号P(t)作为唤醒信号和本地序列；步骤二：根据历史噪声与本地序列相关输出绝对值|R _np |，计算均值μ和方差σ；步骤三：根据|R _np |的统计分布和预设虚警概率P _fa ，估计相关干扰量β；步骤四：根据当前信号与本地序列相关输出绝对值|R _rp |，计算峰值ρ _max ；步骤五：|R _rp |和矩形窗W做滑动相关得到相关均值函数α，结合β计算检测门限λ；步骤六：判断ρ _max 是否超过λ，超过则唤醒，反之视当前信号为新的噪声重新开始检测。本发明通过估计噪声对接收端的相关输出结果的影响，进行自适应门限调整，适合复杂的随机时变水声通信信道，解决水下通信节点唤醒信号检测方法抗干扰能力较差，容易错检、漏检的问题。

Description

一种自适应门限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，具体涉及一种自适应门限的水下通信节点唤醒信号检测方法。

背景技术

水下声通信节点大多利用电池供电，有效降低节点能耗可以延长水下传感网络的生存周期。因此水下声通信节点常采用休眠值班机制，即在系统在无处理任务时休眠，直到值班电路检测到特定信号存在，再被唤醒重新进入工作状态。

常用的水下声通信节点唤醒检测算法中，一类方法是接收端在频域上检测特定频点是否存在，或频率变化是否符合某种规律。但水声信道衰落的频率选择性可能会使某些频点能量远低于预期，导致漏检。另一类方法则是接收端对接收信号做匹配滤波，输出峰值超过预设门限后才被唤醒。但预设的固定能量门限无法根据环境做出调整，抗干扰能力较差。目前尚无一种唤醒检测方法是通过估计噪声对接收端的相关输出结果的影响，进行自适应门限调整的。

发明内容

本发明针对目前水下通信节点唤醒信号检测方法抗干扰能力较差，容易错检、漏检的问题，目的在于提供一种能根据环境噪声自适应调整判决门限的水下通信节点唤醒信号检测方法，实现复杂水声信道中的高可靠唤醒，同时适用于值班电路的低功耗处理平台。

本发明的技术方案为：一种自适应门限的水下通信节点唤醒信号检测方法，包括如下步骤：

步骤一、设定伪随机二进制信号序列P(t)，作为发射端的唤醒信号和接收端的本地序列，t为采样点；

步骤二、在唤醒信号发射前，接收端先接收一段时长为的噪声n(t)，噪声n(t)和本地序列做相关，得到噪声与本地序列相关结果R _np ，并计算绝对值|R _np |的均值μ和方差σ；

步骤三、估计x=|R _np |的统计分布，接收端得到该统计分布的逆概率密度函数F ^-1(x)；根据设定的虚警概率P _fa ，计算出加权系数k=F ^-1(1-P _fa )，然后得到相关干扰量

；

步骤四、接收端接收一段时长为T ₂ 的信号r(t)，信号r(t)与本地序列做相关，得到信号与序列相关结果R _rp ，并计算绝对值|R _rp |的峰值ρ _max ；

步骤五、设置长度为L，幅值为

的矩形窗W；接收端将|R _rp |和W做滑动相关，得到相关均值函数α，并计算出最终的检测门限λ=α+β；

步骤六、判断ρ _max 是否超过门限λ；如果ρ _max ≤λ，接收端判定信号r(t)为噪声，回到步骤二重新开始检测；如果ρ _max ＞λ，接收端则判定为接收到唤醒信号，该接收端所在节点被唤醒进而转入工作状态。

进一步的，所述步骤1中，序列

是伪随机序列经过脉冲整形和载波调制后的。

进一步的，根据设定的虚警概率

，计算出加权系数

，虚警概率的 取值区间应为：

。

进一步的，为了保证噪声特性估计有效，所述

。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明是一种新的专门用于水下声通信节点的自适应门限的唤醒检测方法。首先利用历史噪声和本地序列的相关输出结果，估计了相关干扰量。然后利用当前信号和本地序列的相关输出结果，估计了相关均值函数。相关干扰量和均值函数相加后才得到最终的检测门限，避免了仅由当前相关输出结果设置门限带来的负面影响。同时根据检测结果不断更新历史噪声，因此门限可以根据环境噪声变化进行自适应调整，适合复杂的随机时变水声通信信道，使得唤醒可靠性和抗干扰能力显著提高。此外，门限的设置还融入了恒虚警概率检测的思想，使得平均的检测虚警性能控制在预设虚警概率范围内。

附图说明

图1为一种自适应门限的水下通信节点唤醒信号检测流程图；

图2为具体实施方式中当前接收信号判断为噪声时的|R _rp |、ρ _max 和λ之间的比较；

图3为具体实施方式中当前接收信号判断为唤醒信号时的|R _rp |、ρ _max 和λ之间的比较。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明实施例，提供一种自适应门限的水下通信节点唤醒信号检测方法，能根据环境噪声变化进行自适应门限调整，如图1所示，具体的技术方案如下：

步骤1、设定伪随机二进制信号：

设定伪随机二进制信号序列P(t)，作为发射端的唤醒信号和接收端的本地序列。在实际应用中，P(t)应是伪随机序列经过脉冲整形和载波调制后的。构成P(t)的伪随机序列可以根据指标需求在伪随机序列族中任意挑选。为了避免唤醒信号相关峰值不被淹没在噪声内，保证唤醒的可靠性，P(t)的生成序列长度尽量大于31个比特。

步骤2、根据历史噪声与本地序列相关输出结果，计算方差和均值：

在唤醒信号发射前，接收端先接收一段时长为

的噪声

作为历史噪声。

和本地序列做相关，得到噪声与序列相关结果R _np ，并计算绝对值|R _np |的均值μ和方差σ。接 收端预先选取的噪声时长

不宜过短，应该大于P(t)的长度，避免因样本数过少造成后续 噪声相关输出结果估计的统计特性和实际不吻合。而为了减少运算量，

值也不宜过大，具 体数值据工程实际而定。

步骤3、根据统计分布和预设虚警概率，估计相关干扰量：

估计x=|R _np |的统计分布，接收端得到该统计分布的逆概率密度函数F ^-1(x)。根据 设定的虚警概率P _fa ，计算出加权系数k=F ^-1(1-P _fa )，虚警概率的预设取值区间应为：

。然后得到相关干扰量

。

步骤4、根据当前信号与本地序列相关输出结果，计算峰值：

接收端接收一段时长为T ₂ 的信号r(t)。为了保证噪声特性估计有效，应当

。 当前处理的信号有两种划分方式：一种是历史噪声之后重新接收时长为T ₂ 的信号。另一种 是历史噪声之后接收小于T ₂ 时长的信号，和历史噪声一并构成新的时长为T ₂ 的处理信号。r (t)与本地序列做相关，得到信号与序列相关结果R _rp ，并计算绝对值|R _rp |的峰值ρ _max 。

步骤5、获取相关均值函数，计算检测门限：

设置长度为L，幅值为

的矩形窗W。接收端将|R _rp |和W做滑动相关，得到相关均值函数α，并计算出最终的检测门限λ=α+β。矩形窗的窗长不宜过短，避免当前接收信号是唤醒信号的情况下，相关均值函数在峰值时刻的门限过高导致漏检。矩形窗的窗长也不宜过长，避免当前接收信号是噪声的情况下，均值函数过于平滑，强相关值超过门限导致虚警。

步骤6、判断是否唤醒：判断ρ _max 是否超过门限λ。如果ρ _max ≤λ，接收端判定为接收到的是噪声，此时的r(t)也视为历史噪声，重新开始检测。当ρ _max ＞λ，接收端则判定为接收到唤醒信号，该节点被唤醒进而转入工作状态。

下面以Gold序列生成的伪随机二进制信号为例，结合图1进行说明：

1.设定伪随机二进制信号序列P(t)，作为发射端的唤醒信号和接收端的本地序列。

2.在唤醒信号发射前，接收端先接收一段时长

秒的噪声n(t)。噪声n(t) 和本地序列做相关，得到噪声与序列相关结果R _np ，并计算绝对值|R _np |的均值μ和方差σ。

3.估计x=|R _np |的统计分布，接收端得到该分布的逆概率密度函数F ^-1(x)。根据设 定的虚警概率

，计算出加权系数k=F ^-1(1-P _fa )，然后得到相关干扰量

。

4.接收端再接收一段时长

秒的信号r(t)。r(t)与本地序列做相关，得 到信号与序列相关结果R _rp ，并计算绝对值|R _rp |的峰值ρ _max 。

5.设置长度为

采样点长，幅值为

的矩形窗

。接收端将|R _rp |和

做 滑动相关，得到相关均值函数α，并计算出最终的检测门限λ=α+β。

判断ρ _max 是否超过门限λ。假如当前接收信号的|R _rp |、ρ _max 以及λ的关系如图2所示， 可以看出

。接收端判定此时接收到的不是唤醒信号，并将r(t)视作新的噪声，重 新开始检测流程。假如当前接收信号的|R _rp |、ρ _max 以及λ的关系如图3所示，可以看出ρ _max ＞λ。 接收端判定此时接收到的是唤醒信号，该接收端所在的节点被唤醒进而转入工作状态。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种自适应门限的水下通信节点唤醒信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设定伪随机二进制信号序列P(t)，作为发射端的唤醒信号和接收端的本地序列，t代表采样点；P(t)是伪随机序列经过脉冲整形和载波调制后的，为了避免唤醒信号相关峰值不被淹没在噪声内，保证唤醒的可靠性，P(t)的生成序列长度大于31个比特；

步骤二、在唤醒信号发射前，接收端先接收一段时长为

的噪声n(t)，噪声n(t)和本地 序列做相关，得到噪声与本地序列相关结果R _np ，并计算绝对值|R _np |的均值μ和方差σ；

步骤三、估计x=|R _rp |的统计分布，接收端得到该统计分布的逆概率密度函数F ^-1(x)；根据设定的虚警概率P _fa ，计算出加权系数k=F ^-1(1-P _fa )，然后得到相关干扰量

；

步骤四、接收端接收一段时长为T ₂ 的信号r(t)，信号r(t)与本地序列做相关，得到信号r(t)与本地序列相关结果R _rp ，并计算绝对值|R _rp |的峰值ρ _max ；其中，

；

步骤五、设置长度为L，幅值为

的矩形窗W，接收端将|R _rp |和W做滑动相关，得到相关均值函数α，并计算出最终的检测门限λ=α+β；

步骤六、判断ρ _max 是否超过门限λ；如果ρ _max ≤λ，接收端判定信号r(t)为噪声，回到步骤二重新开始检测；如果ρ _max ＞λ，接收端则判定为接收到唤醒信号，该接收端所在节点被唤醒进而转入工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种自适应门限的水下通信节点唤醒信号检测方法，其特征 在于，所述步骤三中，根据设定的虚警概率

，计算出加权系数

，虚警概率的 取值区间应为：

。

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