常莉莉，王喜月，張萌，張高遠(yuǎn)

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是WirelessHART等規(guī)范的基礎(chǔ)[1]，描述了低速率無線個人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議，特別適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)。其最初工作在868/915 MHz、2.4 GHz的ISM頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)250kbps。低功耗、低成本的優(yōu)點使它在數(shù)據(jù)采集、處理與分析，遠(yuǎn)程控制精作農(nóng)業(yè)自動化、環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[2,3]。

1 IEEE 802.15.4協(xié)議中的偏移四相相移鍵控調(diào)制

802.15.4協(xié)議在不同載波頻段上采用不同的調(diào)制方式，從而得到不同的數(shù)據(jù)傳輸速率。如圖1所示，在開放授權(quán)的2.4GHz頻段上共有16個數(shù)據(jù)傳輸信道，采用數(shù)據(jù)傳輸速率更高的偏移四相相移鍵控(Offset Quadrature Phase Shift Keying Binary Phase Shift Keying, OQPSK)調(diào)制方式。發(fā)送方首先將物理層數(shù)據(jù)協(xié)議單元(Physical-layer Protocol Data Unit, PPDU)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列進(jìn)行每四個比特的分組，然后按照映射關(guān)系進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，最后使用OQPSK進(jìn)行射頻調(diào)制后將已調(diào)信號發(fā)送至信道[1]。具體實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖1 IEEE 802.15.4協(xié)議物理層四個頻段基本特性圖

圖2 OQPSK物理層數(shù)據(jù)發(fā)送過程圖

傳統(tǒng)研究成果多集中在二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)調(diào)制的非相干檢測方案上[2-5]，本文則重點研究數(shù)據(jù)傳輸速率更高的OQPSK調(diào)制檢測方案，以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)日益增長的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。

2 傳統(tǒng)復(fù)基帶非相干接收機(jī)的不足

文獻(xiàn)[6]給出一種非相干OQPSK接收機(jī)。該接收機(jī)采用“先進(jìn)行載波頻偏影響估計/補償，再進(jìn)行檢測”的啟發(fā)式研究思路。但在其載波頻偏影響估計過程中涉及復(fù)雜的正切和余切等非線性運算，功耗較大，不適用于能耗和存儲空間都嚴(yán)格受限的傳感器節(jié)點。

3 低功耗非相干OQPSK接收機(jī)設(shè)計

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提供一種適用于基于IEEE802.15.4 OQPSK物理層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收機(jī)，該接收機(jī)具有低計算復(fù)雜度和高可靠性的特點。

按照文獻(xiàn)[6]給出系統(tǒng)模型，該接收機(jī)的具體實現(xiàn)過程為：

步驟一、接收機(jī)對接收的數(shù)據(jù)幀前導(dǎo)碼對應(yīng)的采樣值進(jìn)行處理，獲取頻率偏移信息，前導(dǎo)碼共包含四個字節(jié)，即32個比特。具體計算方法為：

(1)

其中，r(k)=s(k)ej(ω0kTc+θ)+η(k)表示復(fù)基帶采樣信號，s(k)為待檢測的發(fā)送數(shù)據(jù)，ω0和θ分別為頻率偏移和相位偏移，在整個數(shù)據(jù)幀中保持不變，Tc表示擴(kuò)頻碼碼片周期，η(k)表示復(fù)加性高斯白噪聲。

步驟二、根據(jù)步驟一中計算得到的Y提取頻偏影響信息Nω0Tc。傳統(tǒng)提取方案中涉及正弦和余弦運算，實現(xiàn)復(fù)雜度較高。本論文考慮文獻(xiàn)[4]中的計算方法，具體過程為：

(2)

由公式(2)可知，該提取方案只涉及簡單的除法和加法運算，實現(xiàn)復(fù)雜度大大降低。

步驟三、根據(jù)步驟二中提取的頻率偏移信息對物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元對應(yīng)的接收值進(jìn)行補償，然后再采用文獻(xiàn)[6]給出的非相干檢測方案進(jìn)行檢測。

步驟四、檢測結(jié)束后將接收到的物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)傳送給MAC層。

圖3中給出從信號產(chǎn)生到數(shù)據(jù)檢測的整個系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖

4 仿真結(jié)果與分析

對文獻(xiàn)[6]給出的非相干接收機(jī)和本文所述的低復(fù)雜度接收機(jī)進(jìn)行檢測性能仿真對比，具體仿真結(jié)果如圖4所示。在圖4的仿真結(jié)果中，信道載波頻率處于2.4GH頻段，頻率偏移處于+80 ppm和-80 ppm之間，服從對稱三角分布，相位偏移θ在(0,2π)內(nèi)服從均勻分布，物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)長度為30個字節(jié)，每個信噪比下至少采集3 000幀錯誤。由仿真結(jié)果可見，傳統(tǒng)接收機(jī)和本文提出的接收機(jī)在檢測性能上基本沒有差異，但實現(xiàn)復(fù)雜度卻得到大大降低。

圖4 傳統(tǒng)接收機(jī)和本文公布接收機(jī)的性能比較

5 結(jié)論

本文提出一種適用于IEEE802.15.4的低復(fù)雜度非相干OQPSK接收機(jī)。相對于現(xiàn)有檢測技術(shù)，其實現(xiàn)更加簡單，但檢測的性能基本不會降低，可靠性高，能夠在保證可靠性需求的前提下，較大程度地提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的使用壽命，特別適用于高速數(shù)據(jù)傳輸速率的場景需求。