李國(guó)權(quán),李第惠,林金朝,龐　宇,王增祥,張　杰

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065;2.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

計(jì)算與測(cè)試

基于IEEE 802.15.6的體域網(wǎng)基帶接收算法*

李國(guó)權(quán)1,李第惠1,林金朝1,龐宇2,王增祥1,張杰1

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065;2.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

摘要:目前體域網(wǎng)(BAN)物理層相關(guān)算法的研究均基于自己設(shè)計(jì)的物理層方案?；贗EEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的物理層規(guī)范設(shè)計(jì)了BAN基帶接收端的相關(guān)算法并進(jìn)行了仿真分析。由于傳輸數(shù)據(jù)的突發(fā)性，首先基于前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)了分組檢測(cè)方案，獲得數(shù)據(jù)的起始時(shí)刻與粗定時(shí)同步，然后進(jìn)行頻偏估計(jì)并進(jìn)行頻率補(bǔ)償消除頻偏的影響，最后利用擴(kuò)展序列實(shí)現(xiàn)精確的符號(hào)定時(shí)同步。仿真結(jié)果表明：設(shè)計(jì)方案具有較好的解調(diào)性能。

關(guān)鍵詞：體域網(wǎng)；分組檢測(cè)；頻率偏移估計(jì)；符號(hào)定時(shí)同步

0引言

隨著遠(yuǎn)程電子醫(yī)務(wù)的興起和人體檢測(cè)需求的發(fā)展，人體局域網(wǎng)(body area network，BAN)成為目前醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向。BAN是以人體為中心，通過附著于人體體表或植入體內(nèi)的多個(gè)可穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)，形成以無線方式連接的BAN。IEEE 802.15.6[1]是BAN系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要定義了BAN系統(tǒng)的物理層和MAC層。考慮到人體的可穿戴性，傳感器節(jié)點(diǎn)必須具有較小的體積和很低的功耗，對(duì)物理層基帶接收算法的設(shè)計(jì)也提出了較高的要求。文獻(xiàn)[2]提出了基于CDMA技術(shù)的BAN物理層機(jī)制，采用31 bit的Gold碼擴(kuò)頻，在10個(gè)BAN系統(tǒng)共存、相互距離限制在1 m的情況下將丟包率控制在1 %。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了物理層數(shù)據(jù)格式，采用DBPSK/DQPSK調(diào)制方式與BCH糾錯(cuò)編碼構(gòu)建了物理層結(jié)構(gòu)，得出了不同峰值脈沖重復(fù)頻率下的同步時(shí)間與比特速率。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了在不同數(shù)據(jù)速率下物理層數(shù)據(jù)包格式中不同字段分別采用DBPSK和DQPSK作為調(diào)制方式的仿真模型，研究在高斯白噪聲信道下的誤碼率情況。文獻(xiàn)[5]則對(duì)BAN的信道進(jìn)行了詳細(xì)研究。文獻(xiàn)[6]則對(duì)各種BAN設(shè)計(jì)到的發(fā)射機(jī)進(jìn)行了對(duì)比研究。

總之，目前文獻(xiàn)的物理層算法研究均基于自行設(shè)計(jì)的物理層方案，未發(fā)現(xiàn)有專門基于IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的物理層基帶接收算法。本文基于IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物理層規(guī)范，設(shè)計(jì)了BAN基帶部分的分組檢測(cè)算法、頻偏恢復(fù)和符號(hào)定時(shí)同步算法，并進(jìn)行了仿真分析。

1BAN基帶接收模型

PPDU(physical-layer protocol data unit)是被IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層數(shù)據(jù)格式，包含三個(gè)部分：PLCP(physical-layer convergence protocol)前導(dǎo)序列，PLCP幀頭以及PSDU(physical-lay service data unit)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)單元，如圖1所示。PLCP前導(dǎo)序列第一部分為63位的m序列，第二部分為0101010101101101101101101，共27位的擴(kuò)展序列。

圖1　物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig 1　Structure of physical-layer data frame

由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐蝗恍院托诺涝肼暤挠绊?，基帶接收端必須首先進(jìn)行分組檢測(cè)，找到物理層數(shù)據(jù)格式的起始位置，并進(jìn)行頻率偏移糾正，最后恢復(fù)符號(hào)定時(shí)時(shí)鐘以正確完成數(shù)據(jù)的解調(diào)。基帶接收端模型如圖2所示。63位前導(dǎo)m序列用于分組檢測(cè)和頻偏糾正，27位擴(kuò)展序列用于符號(hào)定時(shí)同步。

圖2　BAN基帶接收模型Fig 2　Baseband receive model for BAN

2BAN基帶接收算法

2.1聯(lián)合分組檢測(cè)與頻偏糾正算法

常用的分組檢測(cè)算法[7～10]有能量檢測(cè)和雙滑動(dòng)窗口分組檢測(cè)，前者算法檢測(cè)，對(duì)信道衰落較為敏感；后者容易產(chǎn)生虛警。由于信道的時(shí)變性和衰落的影響，如采用固定的門限檢測(cè)方案會(huì)使得檢測(cè)概率減小或者虛警概率增加。本文采用基于數(shù)字匹配濾波器(DMF)的自適應(yīng)門限檢測(cè)算法[11，12]，如圖3所示。圖中，C為自適應(yīng)門限，r為輸入信號(hào)，u為輸入信號(hào)相關(guān)后的歸一化功率，R為輸入信號(hào)相關(guān)前的歸一化功率。由于輸入信號(hào)經(jīng)過π/2—DBPSK調(diào)制后信號(hào)的同相分支I與正交分支Q在任何時(shí)刻必有一個(gè)為0，另外一個(gè)為1或者-1。為消除差分調(diào)制的影響，需要設(shè)計(jì)具有不同相關(guān)結(jié)構(gòu)的DMF來計(jì)算相關(guān)值。

圖3　自適應(yīng)門限分組檢測(cè)算法Fig 3　Grouping detection algorithm adaptive threshold

文獻(xiàn)[11]提出了自適應(yīng)門限公式的相關(guān)推導(dǎo)，判決門限公式為：u=RC，當(dāng)u>RC時(shí)，檢測(cè)到突發(fā)通信，從而找到信號(hào)起始時(shí)刻;反之，當(dāng)u

在存在多普勒頻移或者收發(fā)端時(shí)鐘頻率不一致的情況下，系統(tǒng)的解調(diào)性能會(huì)因?yàn)轭l偏的存在而下降，因此,需要進(jìn)行頻偏糾正。接收端首先利用前導(dǎo)序列中的L=63位m序列完成頻偏估計(jì)，然后利用估計(jì)結(jié)果對(duì)PSDU進(jìn)行逐位補(bǔ)償。

由于前導(dǎo)序列采用π/2—DBPSK調(diào)制，因此,接收端信號(hào)可表示為

rk=Akej(2πΔfTk+θk+φ)+nk

(1)

式中Ak為幅值，Δf為頻率偏移量，T為樣點(diǎn)周期，φ為初始相位，θk為π/2—DBPSK調(diào)制引起的相位變化。為分析方便，下文省略噪聲項(xiàng)nk。

為了便于估計(jì)頻率偏移f，首先需要去除數(shù)據(jù)樣點(diǎn)的差分調(diào)制相位。設(shè)過采樣倍數(shù)為K，并分別用Ik和Qk表示rk的實(shí)部和虛部。設(shè)本地m序列經(jīng)π/2—DBPSK調(diào)制之后的信號(hào)為pl=il+jql，l=1,…,L，則去掉調(diào)制之后的信號(hào)可表示為

(2)

由于任意時(shí)刻輸入的信號(hào)rk均與相同的本地信號(hào)運(yùn)算，因此,可忽略下標(biāo)k，將上式簡(jiǎn)化為

=(Ilil+Qlql)+j(Qlil-Ilql)

(3)

前導(dǎo)m序列經(jīng)π/2—DBPSK調(diào)制后滿足i2n=q2n-1=0,i2n=q2n-1=±1，n=1,2,…,31。

由式(3)可以獲得如圖4所示的相關(guān)器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并且圖中所有的乘法均可取消或者轉(zhuǎn)化為符號(hào)取反運(yùn)算，適合硬件實(shí)現(xiàn)。

圖4　相關(guān)器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig 4　Trellis architecture of correlator

同時(shí)，將所有抽頭輸出求和即可完成分組檢測(cè)算法中的相關(guān)算法。經(jīng)過上述運(yùn)算即可消除調(diào)制相位θk的影響，并對(duì)相隔為N的兩個(gè)抽頭輸出共軛相乘可得

=AmAm-Nej2πΔfTN

(4)

進(jìn)一步可得

(5)

利用上式即可求出頻偏f，考慮到噪聲的影響，單次估計(jì)結(jié)果具有較大誤差，因此,可通過多次平均來降低噪聲的影響。前導(dǎo)m序列長(zhǎng)度為63，為使估計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確，取N=31，則可得

(6)

考慮到信道在短時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化，因此,式(6)可化簡(jiǎn)為

(7)

由式(7)即可獲得頻率偏移的估計(jì)值Δf，并完成對(duì)后面擴(kuò)展序列和PSDU的頻率補(bǔ)償。

2.2符號(hào)定時(shí)恢復(fù)

采用自適應(yīng)門限的分組檢測(cè)算法，能夠獲得數(shù)據(jù)幀的大致起始位置，但采用該信號(hào)來產(chǎn)生符號(hào)定時(shí)時(shí)鐘，往往存在一定的偏差(小于過采樣倍數(shù)K)，用于數(shù)據(jù)的解調(diào)和判決等效于信噪比的降低，因此,必須進(jìn)行精確的符號(hào)定時(shí)恢復(fù)。如圖5所示，為經(jīng)過收端濾波器的數(shù)據(jù)符號(hào)樣點(diǎn)，符號(hào)定時(shí)恢復(fù)即用來發(fā)現(xiàn)每個(gè)符號(hào)樣點(diǎn)能量最大的位置。IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中PPDU前導(dǎo)序列中的27位擴(kuò)展序列用于符號(hào)定時(shí)恢復(fù)。

圖5　符號(hào)定時(shí)示意圖Fig 5　Diagram of symbol timing

經(jīng)過K倍過采樣后，原序列變成了27K個(gè)樣點(diǎn)。為消除噪聲的影響，可對(duì)接收到的樣點(diǎn)以K為周期，計(jì)算能量值并進(jìn)行分段累加，然后在序列結(jié)束的位置對(duì)累加后的K個(gè)能量值進(jìn)行比較，最大的位置即為符號(hào)定時(shí)時(shí)刻。如圖6所示，27K個(gè)樣點(diǎn)經(jīng)過能量計(jì)算后逐個(gè)進(jìn)入累加器，與K個(gè)寄存器里面的數(shù)值進(jìn)行分段累加，累加結(jié)果分別存在K個(gè)寄存器中，最后比較各個(gè)累加器獲得最大值的索引，再以索引為基礎(chǔ)產(chǎn)生符號(hào)定時(shí)時(shí)鐘完成數(shù)據(jù)的解調(diào)和判決。

圖6　符號(hào)定時(shí)恢復(fù)Fig 6　Symbol timing recovery

3算法仿真與分析

為驗(yàn)證算法的性能，本文對(duì)上文設(shè)計(jì)的接收端方案進(jìn)行了聯(lián)合仿真。過采樣倍數(shù)選為4倍，發(fā)送和接收成型濾波器采用平方根升余弦，階數(shù)為41，滾降系數(shù)為0.5。由802.15.6標(biāo)準(zhǔn)物理層規(guī)范，前導(dǎo)序列采用π/2—DBPSK，符號(hào)速率為600 kbps。為更準(zhǔn)確地考察頻偏估計(jì)的性能，仿真時(shí)使用了理想的符號(hào)定時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行解調(diào)和判決，并對(duì)解調(diào)后的數(shù)據(jù)做誤碼率統(tǒng)計(jì)。仿真過程中為評(píng)估頻偏對(duì)系統(tǒng)性能的影響，分別選取600 Hz(符號(hào)速率的1/1 000)和 3 000 Hz(符號(hào)速率的1/200)頻率偏移量，頻率偏移估計(jì)間隔N取31。

由圖7可以看出：在信噪比較低的情況下，頻偏估計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能沒有提升，主要是因?yàn)樵肼曒^大的情況下，頻偏估計(jì)的結(jié)果也存在較大的誤差。在頻偏較小的情況下，由于采用了差分解調(diào)的方案，在有無頻偏估計(jì)的情況下系統(tǒng)的性能基本沒有差別，說明此時(shí)頻偏糾正對(duì)BAN接收端基帶核心算法系統(tǒng)性能貢獻(xiàn)較小。隨著信噪比的上升，在頻偏較大的情況下，頻偏糾正算法能夠減少系統(tǒng)的誤碼率，在12 dB的情況下大約有1 dB的增益，并且有隨著信噪比增加的趨勢(shì)。

圖7　有頻偏情況下系統(tǒng)的誤碼率曲線Fig 7　BER curve for BAN with frequency offset

4結(jié)束語

本文基于802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的物理層規(guī)范，設(shè)計(jì)了窄帶模式下BAN物理層接收端的相關(guān)關(guān)鍵算法。首先基于63位的前導(dǎo)m序列，采用具有自適應(yīng)門限的分組檢測(cè)算法完成數(shù)據(jù)分組的檢測(cè)與粗定時(shí)同步，并基于分組檢測(cè)算法中的相關(guān)器實(shí)現(xiàn)了頻率偏移的估計(jì)和糾正。為提高系統(tǒng)的解調(diào)性能，還利用前導(dǎo)部分的27位擴(kuò)展序列進(jìn)行了精確的符號(hào)定時(shí)恢復(fù)。最后進(jìn)行了仿真和分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性，顯示出較好的系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn):

[1]IEEE Std.IEEE 802.15.6,IEEE standard for local and metropo-litan area networks—part 15.6:Wireless body area network-s[S].America:IEEE SA Standards Board Press,2012.

[2]Yu J Y,Liao W C,Lee C Y.A MT-CDMA based wireless body area network for ubiquitous healthcare monitoring[C]∥2006 Biomedical Circuits and Systems Conference，London：IEEE,2006:98-101.

[3]Reichman A.UWB PHY for body area networks[C]∥IEEE 26th Convention of Electrical and Electronics Engineers in Israel,Eliat:IEEE,2010:603-607.

[4]Dotlic Igor.Interference performance of IEEE 802.15.6 impulse-radio ultra-wideband physical layer[C]∥IEEE 22nd International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications,Toronto:IEEE,2011:2148-2152.

[5]Noetscher G,Makarov S,Clow N.Modeling accuracy and features of body-area networks with out-of-body antennas at 402 MHz[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2011,53(8):118-143.

[6]Natarajan K,Allstot D J,Walling J S.Transmitters for body sensor networks:A comparative study[C]∥2011 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference,San Diego:IEEE,2011:185-188.

[7]Xiao Z,Jin D,Zeng L.Normalized-energy-detector serial search acquisition scheme for packet communication systems with non-ideal AGC[J].Wireless Personal Communication,2012,65(4):895-907.

[8]Ok K M,Kang C G.Generalized window-based PN acquisition scheme in CDMA spread spectrum systems[J].IEEE Trans on Wireless Communications,2008,7(8):2851-2855.

[9]Lu I T,Tsai K J.A novel start-of-packet detection and synchronization scheme[C]∥Proceedings of the 2011 34th IEEE Sarnoff Symposium,Princeton:IEEE,2011:1-5.

[10] Zu Y X.The detection and recognition of m-sequence using higher-order statistical processing [J].Journal of Electronics &Information Technology,2007,11(21):1576-1579.

[11] 吳玉成,陳寧,高珊.突發(fā)通信中的自適應(yīng)門限信號(hào)檢測(cè)方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2007,29(12):43-46.

[12] 薛巍,向敬成,周治中.一種PN 碼捕獲的門限自適應(yīng)估計(jì)方法[J].電子學(xué)報(bào),2003,31(12):1870-1873.

Design of baseband receive algorithms for IEEE 802.15.6 body area network*

LI Guo-quan1,LI Di-hui1,LIN Jin-zhao1,PANG Yu2,WANG Zeng-xiang1,ZHANG Jie1

(1.College of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China;2.School of Photoelectrical Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Abstract:Current research on physical layer algorithm for body area network(BAN)is mainly related to self-designed physical layer schemes.Based on physical layer specifications in IEEE 802.15.6 standard for BAN,related algorithms for baseband receiving end are designed and simulated.Because of the burstiness of BAN packets,packet detection scheme is first designed based on preamble sequence,to obtain initial time of data and coarse timing synchronization.Frequency offset estimation and frequency compensation are carried out to suppress influence of frequency offset.Accurate symbol timing synchronization is realized by using extension sequence.Simulation result show that designed scheme has good performance of demodulation.

Key words:body area network(BAN);packet detection;frequency offset estimation;symbol timing synchronization

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0124—04

收稿日期：2015—07—09

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61301124,61471075);重慶高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：TN 911.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)05—0124—04

作者簡(jiǎn)介:

李國(guó)權(quán)(1980-)，男，河南南陽人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)字基帶信號(hào)處理。

李第惠，通訊作者，E—mail:lidihui110@163.com。