專利名稱：一種用于無線傳感網的長碼字捕獲方法
專利說明本發(fā)明屬于無線通信技術領域，涉及一種用于無線傳感網的長碼字捕獲方法。
背景技術：
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由具有無線通信、感知及 計算能力的微型傳感器節(jié)點組成的“智能”網絡，它涉及多學科高度交叉、知識高度集成 的前沿熱點研究領域，現已廣泛應用于軍事、農業(yè)、環(huán)境檢測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通等 各種領域。鑒于無線傳感器網絡應用的惡劣環(huán)境和IEEE802. 15. 4標準的制定，具有抗多 徑衰落、抗干擾能力強、發(fā)射功率低、截獲率低、保密性好等特點的直接序列擴頻(Direct Sequence Speed Spectrum，DSSS)技術在無線傳感器網絡通信中發(fā)揮了巨大的作用和優(yōu) 勢。由于大多數無線傳感器網絡中的節(jié)點受資源、成本、功耗的限制，應用于無線傳感網中 的DSSS通信需滿足低資源消耗、大載波頻偏、低物理層開銷等要求。由于捕獲部分是DSSS 的關鍵和資源消耗最多的模塊，因此在大頻偏環(huán)境下如何做到節(jié)省資源地快速捕獲是非常 重要的。DSSS中的偽碼捕獲是基于偽碼的自相關特性進行的，即當本地偽碼和接收序列 的偽碼完全對齊時，自相關值達到最大，而兩者之間相差一個碼片以上時，自相關值接近為 零。然而當存在頻偏時，就算本地偽碼和接收序列的偽碼完全對齊，自相關值由于受到頻偏 的影響可能會變得很小甚至接近為零。因此當存在頻偏時，PN碼的捕獲不僅要搜索偽碼相 位，同時還要搜索載波頻偏，是一個二維的搜索過程，其搜索速度直接影響接收機的性能。目前國內外文獻提出了很多快速捕獲方法，主要可以分成時域捕獲和頻域捕獲這 兩方面。基于時域的方法有；1)基于滑動相關器的串行或者并行捕獲；2)改進時域相關結 構，減少每次相關的冗余計算，通過實現遞推關系減少運算量；3)利用輔助序列，用最大似 然估計方法求出碼相位同步點，偽碼相位同步捕獲時間縮短了，但開銷增大了 ；4)研究了 m 序列的捕獲，通過本原多項式性質利用寄存器移位方法進行捕獲，大大節(jié)省了開銷，捕獲時 間也大大減少，但是該方法抗噪性能較差。頻域捕獲的方法有1)利用FFT做循環(huán)相關來 完成偽碼的并行匹配相關搜索，該方法的資源開銷和捕獲時間均有減少。然而以上這些算 法都存在同樣的問題，即載波頻偏搜索均需要串行搜索，因此在載波頻偏較大時，這些算法 捕獲均有困難，且捕獲時間也很長。將時域部分匹配相關(PMF)和頻域FFT處理相結合的 技術PMF-FFT能并行搜索頻偏，使捕獲速度大大提高，因此得到越來越多學者的研究。基于 PMF-FFT的快速捕獲是一種串行搜索偽碼相位，并行搜索頻偏的捕獲算法，當偽碼相位同步 時可以用FFT —次性分析頻偏，完成載波頻偏糾正。PMF-FFT的捕獲性能與部分相關器長 度X，部分相關器個數P以及FFT點數N的組合有關。然而針對長碼字捕獲，PMF-FFT所需 要的相關器單元總長度為PN碼碼長，FFT的點數也隨之相應增加，資源消耗太大，不能直接 應用于無線傳感器網絡中。因此，針對無線傳感器網絡的資源受限問題，設計一種能滿足無線傳感器網絡應 用需求的長碼字通信的快速捕獲方法已成為本領域技術人員亟待解決的技術課題。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種用于無線傳感網的長碼字捕獲方法，該 方法可以大大減少捕獲時間、節(jié)省器件資源。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案。一種用于無線傳感網的長碼字捕獲方法包括以下步驟步驟一，粗捕，將本地偽碼的同步相位不確定范圍由偽碼周長M縮小到Lmw+1，其 中Lnrat為對接收信號和本地偽碼做均值處理的平均點數；步驟二，細捕，通過累加相關判決方法將由粗捕獲得的偽碼同步相位不確定范圍 Lnew+1精確到偽碼相位同步點。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟一的詳細實現過程為1)對接收信號和偽碼分別進行均值處理，平均點數均為Lnrat ；2)將均值處理后的接收信號依次送入P個部分相關器中，與均值處理后的本地偽 碼做相關運算，輸出P個相關值；3)每次按照一定的抽取方式從P個相關值中抽取N個相關值進行FFT運算，并將 運算結果取模后保存；其中N = P/Lnew ；將Lnew次FFT運算結果的對應頻率分量疊加后得到 一次頻偏并行分析的結果；4)采用W段非相關累加辦法將頻偏并行分析的結果的對應頻率分量進行疊加后 判決，選取超過門限的最大值分量為估計的頻偏值，并進行頻偏糾正，粗捕過程完成；若沒 有超過門限的分量則返回步驟1)重新開始搜索。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述步驟二的詳細實現過程為5)通過Lnew+1個累加器分別對Lnew+1個偽碼同步相位進行相關累加確認，相關累 加一個數據周期長度后進行判決，選取最大值分量對應的相位為偽碼相位同步點。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述長碼字捕獲方法還包括在搜索過程中載波最 大頻偏超過FFT的分析帶寬時所采用的補充方法，所述補充方法包括以下步驟A)當載波頻偏超過了 FFT的分析帶寬時，將載波頻偏以分析帶寬為單位進行分 段；B)對步驟4)所述的頻偏值以分析帶寬為周期進行擴展，得到ν個可能的頻偏估計 值；C)利用累加器和DDS對每個可能的頻偏估計值進行一個數據周期長度的相關累 加，選取累加結果為最大值分量的頻偏估計值為正確的頻偏值。本發(fā)明的有益效果在于1.本發(fā)明利用均值法來減小粗捕的不確定相位搜索范圍，相較于PMF-FFT捕獲方 法，本發(fā)明的捕獲時間和相關器件資源是PMF-FFT捕獲方法的1/Lmw ；2.本發(fā)明并行搜索載波頻偏，在大頻偏情況下搜索時間不受影響，僅在最大頻偏 超過FFT的分析帶寬的時候才會有一個數據周期的確認時間增加，與串行搜索頻偏的捕獲 方法相比，本發(fā)明的捕獲時間已經大量減少了 ；3.本發(fā)明通過對部分相關器按照一定的抽取方式進行時分復用FFT模塊，相對于 PMF-FFT捕獲方法，本發(fā)明的FFT點數是PMF-FFT捕獲方法的1/Ln ；
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4.本發(fā)明結合均值法和時分復用FFT模塊，可以在不增加主時鐘頻率的情況下進 行FFT的時分復用，保證FFT的處理時鐘速率與輸入信號速率一致。


圖1為本發(fā)明所述的粗捕方法的原理示意圖；圖2為實施例二中粗捕方法的示意圖；圖3為本發(fā)明所述的補充方法的原理示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明通過結合均值法和基于FFT的部分相關的捕獲方法，提出一種能減少資源 消耗的適應大頻偏的用于無線傳感網的長碼字捕獲方法。該方法通過均值法減少模糊相位 搜索，減少相關器個數，通過時分復用FFT運算減少FFT點數，在抗頻偏能力不受影響情況 下節(jié)省了資源，滿足了資源、成本受限的無線傳感器網絡的應用要求，特別適合長碼字通信 的應用。下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。實施例一假設用PMF-FFT捕獲時滿足系統(tǒng)的抗頻偏能力的設置為部分相關器長度為X，部 分相關器個數為P，FFT點數也為P，其中偽碼碼長M = XP。本實施例提供一種用于無線傳感網的長碼字捕獲方法，如圖1所示，該方法包括 粗捕和細捕兩個部分。粗捕將偽碼相位不確定范圍由M(即偽碼周長)縮小到L_+l (即均值法所產生的相位 不確定范圍)，其具體實現步驟為1)將接收信號和偽碼分別進行均值處理，均值處理的平均點數都是Lnew ；2)將均值處理后的接收信號依次送入部分相關器中，與均值處理后的偽碼做相關 運算，此時每個部分相關器的長度為x/Lmw ；3)將部分相關器的相關值送入N點的FFT模塊分析，每次按照一定的抽取方式從 P(P > N)個部分相關器中抽取N個部分相關器的輸出值進行FFT運算，并將運算結果取模 后保存；其中FFT點數N = P/Lnew ；將Lnew次FFT運算結果對應頻率分量疊加后得到一次頻 偏并行分析的結果；4)采用W段非相關累加辦法來提高判決信噪比，將W段頻偏并行分析的結果的對 應頻率響應分量疊加后判決，選取超過門限的最大值分量為估計的頻偏值，并進行頻偏糾 正，而此時接收信號序列與本地偽碼同步上了，偽碼的相位不確定性屬于L_+l范圍內，粗 捕過程完成，若沒有超過門限則重新開始搜索。細捕粗捕將偽碼的同步相位不確定范圍縮小到Lnew+1內，細捕則只需要在Lnew+1內搜 索具體的同步相位點，其具體實現步驟為通過LMW+1個累加器分別對 +1個相位進行相關累加確認，相關累加一個數據 周期長度后進行判決，選取最大值對應的相位為偽碼精確同步相位點。
補充方法FFT的分析帶寬為每個子序列時間長度的倒數，它的頻率分辨率為整個序列時間 長度的倒數。本發(fā)明所述方法將PMF-FFT的點數減少到傳統(tǒng)方法的FFT點數的1/Lnew，且是 在保證整個序列時間長度不變的原則下來減少FFT點數的，因此FFT的頻率分辨率不變；但 是該方法使得每個子序列的時間長度增加了 Lmw倍，因此減少了它的分析帶寬；分析帶寬 的減少可能會使原本能糾正的頻偏現在不處于FFT的分析帶寬內而使得本發(fā)明所述方法 變得不適用，因此針對這種最大頻偏可能超過分析帶寬的情況，本實施例提供一種補充方 法，該補充方法的具體步驟如下1)將頻偏范圍0 Afmax (對頻偏稍做處理，使得頻偏范圍是從0開始的正數)按 分析帶寬進行分段，即取"=|_4^ ^/仏_；^)」0取值為1，2，...，其中T。為碼片周期，|_·」
為取整運算； 2)對經過捕獲得到的頻偏Δ f；進行處理，根據ν值得到幾個可能的頻偏估計值 Afei，其中 Afei= Δ fe+i/(LnewXTc), i = 1,2,...,ν；3)對這ν個可能的頻偏估計值分別進行檢驗，通過增加ν個累加器和DDS，利用一 個數據周期長度的相關累加結果進行驗證，選取最大值分量為正確的頻偏值。通過上述補充方法使得FFT的分析帶寬與原來保持一致了，這種方法僅用在減小 的分析帶寬滿足不了頻偏范圍的情況，當分析帶寬滿足頻偏范圍時不需使用。實施例二本實施例提供實施例一所述的用于無線傳感網的長碼字捕獲方法的一種具體實 例。實例中擴頻偽碼序列是由周期為8191的m序列補零得到的，周期為8192;碼片速 率為IMHz ；節(jié)點晶振穩(wěn)定度為20ppm，載波頻率為780MHz，因此收發(fā)節(jié)點間存在最大頻偏 范圍為-31. 2kHz +31. 2kHz,對信號頻偏做預處理得到頻偏為正值，取值范圍為(0 +62. 4kHz) ；Lnew的取值為1，2，4，8，最小取值為1的時候就跟PMF-FFT捕獲方法完全相同， 最大取值為8是考慮到均值法平均的點數越多，信噪比損失就越大，因此一般不宜超過8 ； 本實例設置Lnrat為2 ；部分相關器長度為8，部分相關器個數為512。本實例通過粗捕和細捕兩步來完成，粗捕是通過均值法將偽碼相位不確定范圍從 8192減少到3 (由于均值產生的相位不確定性)，細捕再在3個不確定相位中精確出正確的 同步相位。粗捕如圖2所示，本地偽碼存儲的是4096個偽碼，它們是8192個偽碼序列經過相鄰兩 兩平均得到的。接收信號(包括I，Q兩路的復信號)以輸入速率4送入平均模塊，平均模 塊對接收信號的相鄰兩點做平均后輸出，因此輸出速率為fs/2。將輸出速率fs/2依次送入 部分相關器中，每個部分相關器的長度為8，將512個部分相關器分成兩組，第一組(奇數 組)是部分相關器1，3，...，511，第二組(偶數組)是部分相關器2，4，...，512。捕獲過程 中的相關處理以及寄存器移位的時鐘均是fs/2，做FFT運算的時鐘速率為fs，每完成一次相 關運算和寄存器移位操作時就要完成兩次FFT運算。因此完成一次頻偏并行搜索需要兩個 Ts(Ts = l/fs)時間節(jié)拍，第一個節(jié)拍將第一組部分相關器做256點的FFT運算，第二個節(jié)拍 將第二組部分相關器做256點的FFT運算，兩個Ts時間節(jié)拍后將對應的這兩組結果相同的 頻率分量幅值進行疊加后存儲，這樣便完成了 一次頻偏并行搜索。
采用非相關累加的辦法來提高判決信噪比，將經過均值后的接收序列每隔4096 個碼元的頻偏并行搜索結果累加存儲，在本實例中采用兩段累加的辦法，因此每經過兩個 數據周期則對累加的頻偏并行搜索結果進行判決，選取超過門限的最大分量對應的位置為 估計的頻偏值，如果沒有任何分量超過門限則重新搜索。在本實施例中，FFT的分析帶寬為31. 2kHz，然而本實施例的最大頻偏有62. 4kHz, 此方法的FFT分析帶寬小于最大頻偏，因此需要采用補充方法(又稱校驗方法)確認，具體 步驟如下1)將最大頻偏62. 4kHz按照FFT的分析帶寬進行分段，ν = 62. 4/31.2 = 2，因此 只需要要在兩個可能的頻偏分量中選擇即可；2)若經過捕獲得到的頻偏為Afe(僅屬于分析帶寬內的，g卩小于等于31.2kHz)， 那么可能的兩個頻偏值為Afel = Afe和Afe2 = Δ fe+31.2kHz ；3)對這兩個可能的頻偏估計值分別校驗，具體校驗方法如圖3所示，經過一個數 據周期長度的相關累加結果進行驗證，選取最大值為正確的頻偏估計值。細捕粗捕糾正了頻偏同時將相位不確定范圍縮小到3個可能模糊的相位點，細捕則只 需要在這三個模糊相位中搜索正確的同步相位點。通過3個累加器分別對這3個可能模糊 的相位點進行相關累加確認，相關累加一個數據周期長度后進行判決，選取最大值對應的 相位為偽碼精確同步相位點。完成了粗捕和細捕這兩個步驟，就完成了偽碼的快速捕獲。本發(fā)明針對PMF-FFT用于長碼字捕獲中出現的資源開銷太大的問題進行了研究， 提出了一種用于無線傳感網的長碼字捕獲方法，該方法結合了均值法和改進PMF-FFT捕獲 方法，減少了總的相關器單元個數，同時改進了 PMF-FFT實現結構，將部分相關器按照時分 方式分組進行FFT運算，在保證FFT頻率分析性能不受影響的情況下減少PMF-FFT的FFT 點數，從而從相關器資源和FFT點數這兩方面減少捕獲資源消耗。與傳統(tǒng)的PMF-FFT捕獲 方法相比，在資源消耗和平均捕獲時間上均有較明顯的優(yōu)勢，特別適應無線傳感器網中利 用長碼字通信這種資源消耗很大的應用場景。這里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明 的精神或本質特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件來實現。
權利要求
一種用于無線傳感網的長碼字捕獲方法，其特征在于，所述捕獲方法包括以下步驟步驟一，粗捕，將本地偽碼的同步相位不確定范圍由偽碼周長M縮小到Lnew+1，其中Lnew為對接收信號和本地偽碼做均值處理的平均點數；步驟二，細捕，通過累加相關判決方法將由粗捕獲得的偽碼同步相位不確定范圍Lnew+1精確到偽碼相位同步點。
2.根據權利要求1所述的用于無線傳感網的長碼字捕獲方法，其特征在于，所述步驟 一的詳細實現過程為1)對接收信號和偽碼分別進行均值處理，平均點數均為Lmw；2)將均值處理后的接收信號依次送入P個部分相關器中，與均值處理后的本地偽碼做 相關運算，輸出P個相關值；3)每次按照一定的抽取方式從P個相關值中抽取N個相關值進行FFT運算，并將運算 結果取模后保存；其中N = P/Lnew ；將Lnrat次FFT運算結果的對應頻率分量疊加后得到一次 頻偏并行分析的結果；4)采用W段非相關累加辦法將頻偏并行分析的結果的對應頻率分量進行疊加后判決， 選取超過門限的最大值分量為估計的頻偏值，并進行頻偏糾正，粗捕過程完成；若沒有超過 門限的分量則返回步驟1)重新開始搜索。
3.根據權利要求2所述的用于無線傳感網的長碼字捕獲方法，其特征在于，所述步驟 二的詳細實現過程為5)通過Lnew+1個累加器分別對Lnew+1個偽碼同步相位進行相關累加確認，相關累加一 個數據周期長度后進行判決，選取最大值分量對應的相位為偽碼相位同步點。
4.根據權利要求2所述的用于無線傳感網的長碼字捕獲方法，其特征在于所述長碼 字捕獲方法還包括在搜索過程中載波最大頻偏超過FFT的分析帶寬時所采用的補充方法， 所述補充方法包括以下步驟A)當載波頻偏超過了FFT的分析帶寬時，將載波頻偏以分析帶寬為單位進行分段；B)對步驟4)所述的頻偏值以分析帶寬為周期進行擴展，得到ν個可能的頻偏估計值；C)利用累加器和DDS對每個可能的頻偏估計值進行一個數據周期長度的相關累加，選 取累加結果為最大值分量的頻偏估計值為正確的頻偏值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無線傳感網的長碼字捕獲方法，該方法包括以下步驟步驟一，粗捕，將本地偽碼的同步相位不確定范圍由偽碼周長M縮小到Lnew+1，其中Lnew為對接收信號和本地偽碼做均值處理的平均點數；步驟二，細捕，通過累加相關判決方法將由粗捕獲得的偽碼同步相位不確定范圍Lnew+1精確到偽碼相位同步點。本發(fā)明的捕獲時間和相關器件資源是PMF-FFT捕獲方法的1/Lnew，FFT點數是PMF-FFT捕獲方法的1/Lnew，僅在最大頻偏超過FFT的分析帶寬的時候才會有一個數據周期的確認時間增加，與串行搜索頻偏的捕獲方法相比大大減少了捕獲時間，可以在不增加主時鐘頻率的情況下進行FFT的時分復用，保證FFT的處理時鐘速率與輸入信號速率一致。
文檔編號H04B1/707GK101951273SQ20101028145
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權日2010年9月14日
發(fā)明者付耀先, 夏凌楠, 林振華, 羅炬鋒 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所