CN1674570A

CN1674570A - 短程无线网络数据发送方法

Info

Publication number: CN1674570A
Application number: CN 200510067960
Authority: CN
Inventors: 田亚飞; 杨晨阳; 刘婷婷; 郦亮
Original assignee: WEIXUNZIJING SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd BEIJING; Beihang University
Current assignee: WEIXUNZIJING SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd BEIJING; Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2005-04-30
Filing date: 2005-04-30
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2025-04-30
Also published as: CN100452789C

Abstract

本发明涉及一种的短程无线网络数据发送方法，属于无线通信技术领域。首先建立一个比特序列与扩频序列之间的映射表；将网络中介质访问控制子层发来的数据进行成帧，从比特序列与扩频序列之间的映射表中，检索与成帧后的数据包中的比特序列相对应的扩频序列；将扩频序列进行脉冲成形，成为基带信号；将基带信号调制到同相和正交载波上，成为射频发射信号。本发明提出的短程无线网络数据发送方法，通过使用线性调频序列，改善了扩频序列之间的互相关特性，提高了频谱的利用率，改善了前同步头序列的自相关特性和频偏下的适应性，并且使接收机具有更低的复杂度和功耗。

Description

短程无线网络数据发送方法

技术领域

本发明涉及一种短程无线网络数据发送方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

在短程无线网络的应用中，人们除了关心它的数据率和作用距离，还特别关心它的功率消耗，因为大多数短程无线网络设备是用电池供电的。其中数据的发送方法决定了系统的功率效率、通信性能、抗干扰能力，接收机设计决定了接收机结构、算法复杂度和接收性能，两者一起决定了系统传输一个比特所要消耗的能量。

IEEE 802.15.4是一个专为低速、低功耗设计的短程无线网络标准，它规定了信道访问机制——介质访问控制子层和数据发送方法——物理层，网络其它部分的协议和整个802系列兼容。802.15.4共包括三个工作频段，其中868M频段可以在欧洲使用，915M频段可以在美国使用，而2.4G频段是一个国际频段，在世界上大多数国家都可以使用。所以这里只介绍2.4G频段的数据发送方法。

IEEE 802.15.4标准采用的是基于数据包的传输方法，每个数据包可以传输0～127个字节的数据，这些数据被称为物理层的服务数据单元。在服务数据单元被发射以前需要先组成物理层的协议数据单元，以方便系统对这些数据的正确接收。协议数据单元包括前同步头、帧定界符、物理层信头和物理层服务数据单元四个部分，如图1所示。

前同步头被接收机用来做时间和频率同步，它由32个二进制0所组成。

帧定界符用来指示前同步头的结束以及数据域的开始，它由8个比特组成。

物理层信头由8个比特组成，其中7个比特表示帧长，即其后的物理层服务数据单元所包含的字节数，剩下的1个比特为保留位。

物理层服务数据单元用来传输介质访问控制子层发来的数据，它的长度可变。

IEEE 802.15.4标准2.4G频段使用16元准正交调制技术。在每一个数据码元周期内，根据待发射的四个信息比特，从16个接近正交的伪随机序列中选出一个作为扩频序列。每个扩频序列由32个元素组成，其中的每个元素称为一个码片。数据码元选出的扩频序列连接在一起，其中的码片再根据偏移四相移键控(以下简称O-QPSK)调制到载波上，然后用半正弦脉冲进行成形。O-QPSK调制后再以半正弦脉冲进行成形实际上是最小频移键控(MSK)的一种实现方式，最小频移键控具有包络恒定和相位连续变化的特点，这些特点有利于发射机功率放大器的设计，并且降低对邻信道的干扰。

上面所述的IEEE 802.15.4标准2.4G频段的发送方法在低速、低功耗的应用中有相当多的优势，其不足之处是，第一，它的扩频序列之间是准正交的，序列互相关的旁瓣和峰值比最大可达到0.25，这会使解调时发生错误判决的概率增加；第二，它用32位码片序列表示4个比特，再加上半正弦成形脉冲，在250Kb/s的数据率下发射功率谱的主瓣达到了3MHz，谱效率只有0.083b/s/Hz；第三，它的前同步头由第一个扩频序列周期重复构成，但是这一序列的自相关特性不够理想，虽然是32位长的序列，其峰值旁瓣比只有4，这不利于时间同步的建立；第四，它的前同步头序列受频率偏移的影响很大，当频率偏移超过一定值后，接收信号和本地序列的滑动相关可能会没有峰值。

发明内容

本发明的目的是针对802.15.4标准的不足之处，提出一种短程无线网络数据发送方法，以改善扩频序列之间的互相关特性，提高频谱的利用率，改善前同步头序列的自相关特性和频偏下的适应性，并且使接收机具有更低的计算量、复杂度和功耗。

本发明提出的短程无线网络数据发送方法，包括以下各步骤：

(1)建立一个比特序列与扩频序列之间的映射表；

(2)将网络中介质访问控制子层发来的数据进行成帧，成为如下格式：

前同步头

帧定界符

物理层信头

物理层服务数据单元

(3)从上述比特序列与扩频序列之间的映射表中，检索与成帧后的数据包中的比特序列相对应的扩频序列；

(4)将上述检索到的扩频序列进行脉冲成形，成为基带信号；

(5)将上述基带信号调制到同相和正交载波上，成为射频发射信号。

上述方法中建立比特序列与扩频序列之间的映射表的方法，包括以下步骤：

(1)以线性调频序列为初始扩频序列，对初始扩频序列进行循环移位，得到所有扩频序列；

(2)使扩频序列与比特序列相对应，对应的方法为：表示比特序列的十进制数与循环移位的位数相对应。

上述方法的成帧后的数据包中，对组成帧定界符的比特序列，根据所述的映射表检索到与其相对应的扩频序列后，对该扩频序列进行共轭变换。

本发明提出的短程无线网络数据发送方法，具有以下优点：

(1)本发明中，将成帧后的数据包中的比特序列映射成扩频序列，可以降低发射功率，抑制窄带干扰和多径干扰；

(2)成帧后的数据包中的各部分的映射，都是基于同一个线性调频序列，因此实现的硬件系统结构简单；

(3)与已有技术相比，本发明方法减小了扩频序列的长度和循环移位的间隔，提高了系统的频谱利用率；

(4)线性调频序列具有恒定的包络，在脉冲成形以后发射信号仍具有很低的峰均功率比；

(5)所有扩频序列之间完全正交，因此本发明方法具有良好的解调性能；

(6)线性调频序列具有理想的自相关性，易于实现数据传输中的时间同步，并且使接收机具有很好的分集抗多径的能力；

(7)线性调频序列自相关峰值的大小对频偏不敏感，增强了前同步头在频偏下的适应性。

附图说明

图1是本发明方法协议数据单元的帧格式。

图2是序列的周期自相关过程示意图。

图3是逆傅立叶变换矩阵。

图4逆傅立叶变换矩阵列向量对本发明的线性调频序列的影响示意图。

图5和图6分别说明本发明方法中比特序列和扩频序列的不同映射关系示意图。

图7是本发明方法得到的基带信号的成形脉冲波形图。

具体实施方式

本发明提出的短程无线网络数据发送方法，首先建立一个比特序列与扩频序列之间的映射表；将网络中介质访问控制子层发来的数据进行成帧，成为如下格式：

前同步头

帧定界符

物理层信头

物理层服务数据单元

从上述比特序列与扩频序列之间的映射表中，检索与成帧后的数据包中的比特序列相对应的扩频序列；将上述检索到的扩频序列进行脉冲成形，成为基带信号；将上述基带信号调制到同相和正交载波上，成为射频发射信号。

下面结合附图详细介绍本发明的内容：

本发明的短程无线网络数据发送方法首先要建立一个映射表，用来检索和待发射的比特序列相对应的扩频序列。在此映射表中，初始扩频序列是一个线性调频序列，其它扩频序列是这一初始序列的循环移位。构成初始扩频序列的线性调频序列由N个元素组成，N是一个偶数，其中第n个元素a_n的表达式为，

n＝0，1，…，N-1，M是与N互质的整数。线性调频序列是恒包络的复数序列，其相位随采样点呈非线性变化，频率随采样点呈线性变化，所以可以把其看成是线性调频信号的采样序列。这一序列由David C.Chu在1972年提出，国际上又把它称为Zadoff-Chu序列。

线性调频序列具有理想的周期自相关特性，即两个相同的线性调频序列只有在对齐的时候才具有非零的相关值，其它情况下相关值都为零。序列的周期自相关的过程如图2所示，这一特性可以用公式表示为，

R (k) = Σ_{n = 0}^{N - 1} a_{(n + k) % N} a_{n}^{*} = \{\begin{matrix} N, & k = 0 \\ 0, & k = 1, \cdot \cdot \cdot, N - 1 \end{matrix}

式中％表示求模运算，即当n+k超过N后，a的下标再从0开始计算，这相当于对线性调频序列做循环移位操作。而这样的周期自相关特性也意味着，线性调频序列的各循环移位序列之间是完全正交的。

线性调频序列和傅立叶变换(以下简称DFT)或逆傅立叶变换(以下简称IDFT)矩阵的列向量之间存在特殊的关系，DFT/IDFT矩阵的列向量乘到线性调频序列上，会让其产生循环移位的效果。相乘以后得到的新序列和线性调频序列的循环移位序列之间只有一个固定的相位差。图3所示是N＝8时的IDFT阵，它是对一个序列做逆傅里叶变换时所用的矩阵，它的元素和DFT阵中的元素是共轭的关系。在图4中，M＝1，N＝8的线性调频序列和此IDFT矩阵的第2列相乘，得到的新序列和线性调频序列向上循环移两位后的序列只差固定的相位-π/2。这样一种关系用公式可以表示为，

\exp (j \frac{π n^{2}}{N}) \cdot \exp (j \frac{2 πk}{N} n) = \exp (- j \frac{k^{2} π}{N}) \cdot \exp (j \frac{π {(n + k)}^{2}}{N})

这里左边第一项表示线性调频序列，第二项表示IDFT阵的第k列；右边第一项表示跟k有关但是跟n无关的一个固定相位差，第二项表示向左/向上循环移k位后的线性调频序列。

映射表中的其它扩频序列是由初始扩频序列经过循环移位产生的。每一个比特序列就对应着其中的一种循环移位，具体的对应关系是比特序列的十进制表示决定了循环移位的位数。如图5所示，初始扩频序列有16个元素，即N＝16，比特序列有4个元素，比特序列和其对应的扩频序列各有16组，扩频序列的循环移位间隔为1，比特序列十进制表示分别为0～15，而比特序列的十进制表示就等于扩频序列循环移位的位数，其中比特序列的十进制表示被称为数据码元。图6所示，初始序列有16个元素，比特序列有3个元素，比特序列和其对应的扩频序列各有8组，扩频序列的循环移位间隔为2，比特序列的十进制表示为0～7，扩频序列循环移位的位数是比特序列十进制表示的二倍。本发明方法中，初始扩频序列可以有16个元素，也可以有多于或少于16个元素，循环移位的间隔可以是1或大于1。

本发明方法采用基于数据包的传输模式，每个数据包的负载被称为物理层的服务数据单元。服务数据单元在被发射以前需要先组成物理层的协议数据单元，以方便系统对这些数据的正确接收。协议数据单元的格式如已有技术的图1所示，它包括前同步头、帧定界符、物理层信头和物理层服务数据单元四个部分。

前同步头用来检测接收信号的到来，辅助进行自动增益控制，以及进行时间和频率同步、信道估计等工作。前同步头由一组重复的比特0所组成，在本发明的一个实施例中，它由32个比特0所组成。

帧定界符用来指示前同步头的结束以及数据域的开始，也用来辅助时频同步的工作，它也由一组重复的比特0所组成，但帧定界符处的比特序列映射成扩频序列后，扩频序列的元素要取共轭。这是协议数据单元的四个部分中唯一需要特别处理的一个部分。在本发明的一个实施例中，帧定界符由8个比特0所组成。

物理层信头用来表示服务数据单元的长度、调制方式、数据率等信息。在本发明的一个实施例中，服务数据单元的调制方式和数据率都是固定的，物理层信头由8个比特组成，表示服务数据单元中的字节数。数据率也可以是可变的，例如物理层信头由12个比特组成，其中8个比特用来表示服务数据单元中的字节数，2个比特用来表示4种可能的数据率，另外两个比特作为保留位。

物理层协议数据单元中的比特经过扩频和调制才能发射出去。首先把协议数据单元中的比特按从前到后的顺序分成一组组的比特序列，然后根据映射表检索出每组比特序列对应的扩频序列，这些扩频序列经过脉冲成形，然后调制到同相正交两路载波上发射出去。

脉冲成形的目的主要是对发射信号的功率谱进行调整，降低它对相邻信道的干扰。在一种可能的实施例中，采用截短后的升余弦滚降滤波器的冲激响应作为成形脉冲，升余弦滚降滤波器的冲激响应为

h (t) = \frac{\sin (πt / T)}{πt / T} \frac{\cos (απt / T)}{1 - (4 α^{2} t^{2} / T^{2})},

这里α是滚降因子，T是码片周期。当α＝0.2时，截短后的升余弦滚降滤波器的冲激响应如图7所示。

前同步头处重复的比特0经过映射后变成了周期重复的线性调频序列，因为线性调频序列具有理想的周期自相关特性，所以在时间同步的过程中，接收信号和本地序列的滑动相关只有一个峰值，没有其它旁瓣的干扰，这可以提高时间同步的性能。

因为IDFT阵的列向量就相当于是一个频率偏移，所以可以看出，当接收信号上存在相应的频偏时，接收信号和本地序列滑动相关值的大小不受影响。这意味着接收信号中存在较大频偏时，仍然可以很好的完成时间同步，这增强了时间同步在频偏下的适应性。

帧定界符处重复的比特0经过映射后也是周期重复的线性调频序列，但是本发明中线性调频序列的元素要进行共轭变换。这样做的目的是为了造成帧定界符和前同步头的不同，利用这一不同可以检测到前同步头的结束，并且当接收信号中存在频偏时可以和前同步头一起完成时频联合同步。

由于不同的比特序列之间对应的扩频序列是完全正交的，即不同的扩频序列之间的相关值为零，所以在解调时错误判决发生的概率就会降低。

在本发明中，如果每个比特序列包含4个比特，对应的扩频序列包含16个码片，当采用滚降因子为0.2的升余弦滤波器作脉冲成形时，传输200Kb/s的数据率只需要1MHz的带宽，谱效率达到了0.2b/s/Hz。

Claims

1、一种短程无线网络数据发送方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)建立一个比特序列与扩频序列之间的映射表；

(2)将网络中介质访问控制子层发来的数据进行成帧，成为如下格式：前同步头帧定界符物理层信头物理层服务数据单元

(4)将上述检索到的扩频序列进行脉冲成形，成为基带信号；

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中建立比特序列与扩频序列之间的映射表的方法，包括以下步骤：

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于成帧后的数据包中，对组成帧定界符的比特序列，根据所述的映射表检索到与其相对应的扩频序列后，对该扩频序列进行共轭变换。