CN1794599A - 一种用于无线传感器网络的超宽带调制和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感器网络的超宽带调制和接收方法，包括步骤：(1)在所述无线传感器网络的发送端，将经过扩频编码后的发送信息比特以每m个分为一组，对第1个比特进行相位调制，并且对每组中的后m－1个比特进行位置调制，得到一个信息脉冲，其中m为大于或等于2的整数；(2)在相对于信息脉冲固定的位置上周期性地发送参考脉冲，并且使得信息脉冲与参考脉冲之间不会产生干扰；(3)在接收端，通过提取所述参考脉冲而对所述信息脉冲做相关以判决接收到的信号，从而得到发送端所发送的信息。根据本发明，不仅能显著提高信息的传输速率，而且在接收端不需要做复杂的信道估计，这样就大大简化了系统结构。

Description

一种用于无线传感器网络 的超宽带调制和接收方法

技术领域

本发明涉及一种应用于无线传感器网络的超宽带调制和接收方式，尤其是双相位置调制(BPPM)方案和自相关接收(ACR)方案。

背景技术

无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。超宽带技术是一种新兴的无线技术，在今后的几十年中将在多种应用范围内获得迅速发展，如无线视频，声频和数据发送领域以及家用网络设备领域。

超宽带无线传感器网络可以很好地解决传统无线传感器网络关于体积和功耗两大难题，以便于集成整个系统于一个芯片上，而且可以使得制造成本远低于同类产品。目前文献中针对超宽带常采用的调制方式是脉冲位置调制(PPM)，它是通过脉冲的不同位置来表示不同的信息。这种调制方法优点就是实现起来比较简单。另外脉冲相位调制(BPM)也比较常用，原理是通过改变相位来表示发送的信息。比较PPM和BPM，如果发送的比特速率特别高，PPM调制会浪费一些时间空间，效率较BPM有所降低。BPM的另外一个优点就是时间上均值为零，功率谱中不含有离散谱线。但是，BPM只能够实现一阶调制，大大限制了信息的传输速率。对于接收方式，目前常采用RAKE接收机，但是要准确估计各条径的时延和幅度很困难。

发明内容

针对WSN自身的特点，以及现有的UWB物理层调制及接收技术中存在的问题，本发明提出了一种新的基于无线传感器网络的超宽带调制和接收方式。这种方式解决了UWB信号的高阶调制以及降低了接收机的复杂度。在本发明中，发送一个不包含信息的参考脉冲，以在接收端作自相关接收，可以降低接收机的复杂度。

根据本发明，提供了一种用于无线传感器网络的超宽带调制和接收方法，包括步骤：

(1)在所述无线传感器网络的发送端，将经过扩频编码后的发送信息比特以每m个分为一组，对第1个比特进行相位调制，并且对每组中的后m-1个比特进行位置调制，得到一个信息脉冲，其中m为大于或等于2的整数；

(2)在相对于信息脉冲固定的位置上周期性地发送参考脉冲，并且使得信息脉冲与参考脉冲之间不会产生干扰；

(3)在接收端，通过提取所述参考脉冲而对所述信息脉冲做相关以判决接收到的信号，从而得到发送端所发送的信息。

优选地，步骤(2)还包括步骤：

根据调制阶数M以及位置脉冲相对于参考脉冲的时间偏移量δ，使得信息脉冲与参考脉冲之间没有会产生干扰。

优选地，通过接收端反馈回的信息对调制阶数M以及位置脉冲相对于参考脉冲的时间偏移量δ进行自适应地调整。

优选地，在步骤(2)中，当信道特性比较好时，增大参考脉冲的发送周期，以减少能量消耗，当信道特性比较差时，减小参考脉冲的发送周期。

优选地，步骤(3)还包括步骤：

在接收端，从所述固定位置提取出参考脉冲，与可能存在信息脉冲的各个位置分别作延时相关处理；以及

比较相关值的绝对值大小以确定脉冲的位置，从而解调出后m-1个比特，再根据相关值的相位来解调第1个比特，从而得到发送端所发送的信息。

优选地，m等于3。

根据本发明的基本构思，本发明中所述的双相位置调制(BPPM)是同时对m个比特进行相位和位置调制，并且发送一个参考脉冲来做自相关接收(ACR)，从而适应了WSN对系统低复杂度，高速率的要求。也就是说，将发送的脉冲分为两类，一类是信息脉冲，另外一类是参考脉冲。首先在发送端将m个比特分成两部分，其中第1个比特用来调制信息脉冲的相位，后m-1个比特用来调制信息脉冲的位置，这样构成一个信息脉冲；然后在固定的位置周期性发送参考脉冲。在接收端，通过提取参考脉冲来对信息脉冲作相关以判决接收到的信号。这种调制和接收方式实现相对简单，不仅能显著提高信息的传输速率，而且在接收端不需要做复杂的信道估计，这样就大大简化了系统结构，特别适用于无线传感器网络中。

附图说明

下面结合附图并参照具体实施方式来描述本发明，其中：

图1是本发明中调制方式的基本原理示意图；

图2是采用本发明的跳时BPPM信号的结构示意图；

图3是将本发明的BPPM调制方式和其它调制方式的仿真比较。

具体实施方式

针对WSN自身的特点，以及现有的UWB物理层调制及接收技术中存在的问题，本发明提出了一种新的基于无线传感器网络的超宽带调制和接收方式。这种方式解决了UWB信号的高阶调制以及降低了接收机的复杂度。具体步骤包括：

根据典型应用环境的信道特性，选取合适的调制阶数M以及时间偏移量δ，以保证信息脉冲与参考脉冲不会产生脉冲间的干扰；

将经过扩频编码后的信息比特以每m个分为一组，根据BPPM调制的特点，首先对第1个比特进行相位调制，然后(将分别去掉了)对每组中的后m-1个比特进行位置调制；

在保证信息脉冲与参考脉冲不会产生干扰的情况下，周期性的加入参考脉冲以构成发送脉冲序列；

在接收端，从固定的位置提取出参考脉冲，与可能存在信息脉冲的各个位置分别作延时相关处理；

比较相关值的绝对值大小以确定脉冲的位置，从而解调出后m-1个比特，再根据相关值的相位来解调第1个比特。

在本发明中，通过采用本发明中的调制和接收方法不仅可以提高信息的传输速率，而且能够降低系统的复杂度以适用于WSN的要求。

图1是假设M＝8(m＝log₂ M＝3)的BPPM调制结构示意图。可以看出由四个位置来确定后两个比特的信息，由相位来确定第一个比特的信息。图示中所采用的脉冲为二阶高斯求导脉冲。

图2是本发明所采用的发送符号的结构。其中的T_f，T_c分别是脉冲的平均重复时间间隔和跳时脉冲的单位时间。在系统中，一个符号由N_s个脉冲表示，δ表示时间的单位偏移量。其中在选取δ和M时应考虑到信道的特性，以保证不会造成脉冲间的干扰。发送脉冲可以由【公式1】描述。

【公式1】

$s^{\left(k\right)}\left(t\right)=s_I^{\left(k\right)}(t,m_i\mathrm{\δ})+s_R^{\left(k\right)}(t,T_c);$

其中 $s_I^{\left(k\right)}(t,m_i\mathrm{\δ})=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{d}^1{x}_j(t-m_i\mathrm{\δ}),s_R^{\left(k\right)}(t,T_c)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{x}_j(t-T_c).$

对于采用M阶调制方式的系统，需要采用的相关器和延迟器的个数都为2^m-1(其中m＝log₂M)，经过相关处理后的信号可以表示为【公式2】。

【公式2】

$r_i^{\left(k\right)}=E\left[y_R^{\left(k\right)}(t,T_c)y_I^{\left(k\right)}(t,m_i\mathrm{\δ})\right];$

其中， $y_I^{\left(k\right)}(t,m_i\mathrm{\δ})=s_I^{\left(k\right)}(t,m_i\mathrm{\δ})*h\left(t\right)+n_I\left(t\right),y_R^{\left(k\right)}(t,T_c)=s_R^{\left(k\right)}(t,T_c)*h\left(t\right)+n_R\left(t\right).$

判决时首先比较各个延迟相关结果的绝对值，得到后m-1个比特的估计值，然后根据所得的绝对值最大的相关值的相位(0°或180°)来判决第1个比特的估计值。

结合实例证明本专利的有效性，仿真中所采用的UWB脉冲是二阶高斯求导脉冲，信道是S.Ghassemzadeh和V.Tarokh所提出的S-V CM1信道模型，调制阶数M＝8。图3中比较了采用BPPM调制和其它传统调制方式的BER/SNR性能。可以看出，BPPM调制不仅能够提高信息的传输速率，而且在一定程度上降低比特错误概率。

Claims (6)

1、一种用于无线传感器网络的超宽带调制和接收方法，包括步骤：

(1)在所述无线传感器网络的发送端，将经过扩频编码后的发送信息比特以每m个分为一组，对第1个比特进行相位调制，并且对每组中的后m-1个比特进行位置调制，得到一个信息脉冲，其中m为大于或等于2的整数；

(2)在相对于信息脉冲固定的位置上周期性地发送参考脉冲，并且使得信息脉冲与参考脉冲之间不会产生干扰；

(3)在接收端，通过提取所述参考脉冲而对所述信息脉冲做相关以判决接收到的信号，从而得到发送端所发送的信息。

2、根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)还包括步骤：

根据调制阶数M以及位置脉冲相对于参考脉冲的时间偏移量δ，使得信息脉冲与参考脉冲之间没有会产生干扰。

3、根据权利要求2所述的方法，其中通过接收端反馈回的信息对调制阶数M以及位置脉冲相对于参考脉冲的时间偏移量δ进行自适应地调整。

4、根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(2)中，当信道特性比较好时，增大参考脉冲的发送周期，以减少能量消耗，当信道特性比较差时，减小参考脉冲的发送周期。

5、根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)还包括步骤：

在接收端，从所述固定位置提取出参考脉冲，与可能存在信息脉冲的各个位置分别作延时相关处理；以及

比较相关值的绝对值大小以确定脉冲的位置，从而解调出后m-1个比特，再根据相关值的相位来解调第1个比特，从而得到发送端所发送的信息。

6、根据权利要求1所述的方法，其中m等于3。