適用于IEEE 802.15.4的非相干BPSK接收機*

張艷秋，林偉榮，馬欣月，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ZigBee，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。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)250 kbps。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)議中的二進(jìn)制相依鍵控調(diào)制

802.15.4協(xié)議在不同載波頻段上采用調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸速率不同。如圖1所示，在四個典型的頻段總共提供48個信道：868 MHz頻段1個信道，915 MHz頻段10個信道，2 450 MHz頻段16個信道，950 MHz頻段21個信道。

圖1 IEEE 802.15.4協(xié)議物理層四個頻段基本特性圖

在868/915/950-MHz頻段上，信號處理過程相同，只是數(shù)據(jù)速率不同。如圖2所示，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)差分編碼，然后再將差分編碼后的二進(jìn)制比特位轉(zhuǎn)換為長度為15的片序列，最后使用二進(jìn)制相依鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)調(diào)制到信道上。

圖2 物理層數(shù)據(jù)發(fā)送過程圖

在圖2當(dāng)中，差分編碼是將數(shù)據(jù)的每一個原始比特與前一個差分編碼生成的比特進(jìn)行異或運算。如表1所示，差分編碼后的每個比特被轉(zhuǎn)換為長度為15的片序列。擴頻后的序列使用BPSK調(diào)制方式調(diào)制到載波上。如表2所示，物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的第一個字段是四個字節(jié)的前導(dǎo)碼，收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間，會根據(jù)前導(dǎo)碼序列的特征完成片同步和符號同步。

表1 擴頻映射方式圖

表2 IEEE 802.15.4協(xié)議物理層幀結(jié)構(gòu)圖

幀起始分隔符(SFD)字段長度為一個字節(jié)，其值固定為0xA7，表示為一個物理幀的開始，收發(fā)器接收完成前導(dǎo)碼后只能做到數(shù)據(jù)的位同步，通過搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字節(jié)上。幀長度由一個字節(jié)的低7位表示，其值就是物理幀負(fù)載的長度，因此物理幀負(fù)載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀的負(fù)載長度可變，稱之為物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元。

2 BPSK復(fù)基帶非相干接收機

圖3所示為現(xiàn)有技術(shù)中868/915/950-MHz頻段現(xiàn)有的BPSK復(fù)基帶非相干接收機[2,3]。

圖3 IEEE 802.15.4協(xié)議868/915/950-MHz頻段現(xiàn)有技術(shù)中典型的復(fù)基帶非相干接收機圖

2.1 檢測過程步驟

圖3所示的檢測過程可具體概括為：

步驟一、利用32個比特的前導(dǎo)碼提取頻率偏移信息：

(1)

其中，J=32表示前導(dǎo)碼的比特總數(shù)量，N表示擴頻長度，N=15，1≤m≤J-1，0≤n≤N-1，p[n+Nm]表示前導(dǎo)碼的第m個比特對應(yīng)的第n個碼片的信道接收值，η1表示所有的噪聲項。

步驟二、對PSDU的信道接收數(shù)據(jù)進(jìn)行比特級差分處理：

(2)

其中，r[n+Nm]表示PSDU的第m個比特對應(yīng)的第n個碼片的信道接收值，η2[m]表示所有的噪聲項，E[m]表示發(fā)送的第m個比特數(shù)據(jù)。

步驟三、利用步驟一中提取的頻偏偏移信息進(jìn)行檢測判決：

(3)

2.2 復(fù)基帶非相干接收機的缺點

如上所述，現(xiàn)有的復(fù)基帶非相干接收機的不足之處是：由于使用式(1)來提取頻率偏移信息，用式(2)來對PSDU的信道接收數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，因此Y0和A0[m]中包含的頻率偏移量都為ejNω0Tc。故在式(3)中必須先對Y0取共軛運算(即要將Y0中的有用信息ejNω0Tc變?yōu)閑-jNω0Tc)后才能對A0[m]進(jìn)行頻率補償。802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC層采用循環(huán)冗余校驗來判斷傳輸幀的正確性，自動請求重傳協(xié)議據(jù)此確定傳輸幀是否需要重傳，而沒有采用前向糾錯機制。在信道條件較差時，同一數(shù)據(jù)幀可能經(jīng)過多次重傳才能成功接收，則對Y0取共軛運算也要進(jìn)行多次。如果數(shù)據(jù)量巨大則多次重傳所導(dǎo)致的大量共軛運算也將消耗可觀的能量，這會降低能量供給匱乏的802.15.4網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

3 低功耗非相干BPSK接收機設(shè)計

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本文提供一種適用于IEEE802.15.4的非相干BPSK接收機，具有低計算復(fù)雜度和高可靠性的特點。

3.1 方案基本原理

一種適用于IEEE802.15.4的非相干BPSK接收機，接收的數(shù)據(jù)幀由四個字節(jié)的前導(dǎo)碼、一個字節(jié)的幀起始分隔符、一個字節(jié)的物理幀頭和若干字節(jié)的物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元組成，其中前導(dǎo)碼和幀起始分隔符分別用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的位同步和字節(jié)同步，物理幀頭用于表征物理層數(shù)據(jù)服務(wù)單元的長度。首先，接收機對接收的數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)碼進(jìn)行處理，獲取頻率偏移信息；其次，根據(jù)幀起始分隔符和物理幀頭定位物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元，對物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理以供檢測判決使用；最后，借助從前導(dǎo)碼提取的頻率偏移信息對處理后的物理層數(shù)據(jù)服務(wù)單元進(jìn)行檢測判決。

3.2 具體步驟

3.2.1 工作模式一

工作模式一下的具體實現(xiàn)過程可以歸納為：

步驟一、接收機對接收的數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)碼進(jìn)行處理，獲取頻率偏移信息，前導(dǎo)碼共四個字節(jié)，即32位，計算方法為：

步驟二、對物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行差分處理：

步驟三、根據(jù)步驟一中提取的頻率偏移信息對步驟二中得到的A0[m]進(jìn)行頻率補償后對物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測判決：

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。

3.2.2 工作模式二

工作模式二下的具體實現(xiàn)過程可以歸納為：

步驟一、收機對接收的數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)碼進(jìn)行處理，獲取頻率偏移信息，前導(dǎo)碼共四個字節(jié)，即32位，計算方法為：

步驟二、對物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行差分處理：

步驟三、根據(jù)步驟一中提取的頻率偏移信息對步驟二中得到的A0[m]進(jìn)行頻率補償后對物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測判決：

4 仿真結(jié)果

對現(xiàn)有技術(shù)中的接收機及本文所述接收機的兩種工作模式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。仿真中采用的載波頻率為924 MHz，頻率偏移為80 ppm，相位偏移θ在(0，2π]內(nèi)服從均勻分布，PSDU的數(shù)據(jù)長度為20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，本文公布的接收機兩種工作模式的檢測性能與傳統(tǒng)接收機完全相同。

圖4 傳統(tǒng)接收機和本文公布的接收機的檢測性能比較圖

5 結(jié)論

本文提出一種適用于IEEE802.15.4的非相干BPSK接收機。其具有更低的計算復(fù)雜度，而且相對于現(xiàn)有技術(shù)檢測的性能不會發(fā)生降低，可靠性高，能夠大大延長IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點的使用壽命。

[1] IEEE Std. 802.15.4-2011(Revision of IEEE Std 802.15.4-2006): IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Network-Part 15.4: Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)[M]. IEEE Press, New York, 2011.

[2] H. J. Jeon, T. Demeechai,W. G. Lee,et al.IEEE 802.15.4 BPSK Receiver Architecture Based on a New Efficient Dtection Scheme[J].IEEE Trans.Signal Proces,2010,58(9):4711-4719.

[3] S. Lee, H. Kwon, Y. Jung ,et al.Efficient non-coherent Demodulation Scheme for IEEE 802.15.4 LR-WPAN Systems[J].Electron Lett,2007,43(16):879-880.

[4] Zhang G Y, Wang D, Song L ,et al.Simple non-coherent Detection Scheme for IEEE 802.15.4 BPSK Receivers[J].Electron Lett,2017,53(9):628-629.

[5] Zhang G Y,Wen H,Wang L Y,et al.Simple Adaptive Single Differential Coherence Detection of BPSK Signals in IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Network[J].Sensors,2018,18(1):1-19.