專利名稱：一種用于無線傳感器網絡的超寬帶調制和接收方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于無線傳感器網絡的超寬帶調制和接收方式，尤其是雙相位置調制(BPPM)方案和自相關接收(ACR)方案。
背景技術：
無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡，具有非常廣泛的應用前景，其發展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。超寬帶技術是一種新興的無線技術，在今后的幾十年中將在多種應用范圍內獲得迅速發展，如無線視頻，聲頻和數據發送領域以及家用網絡設備領域。
超寬帶無線傳感器網絡可以很好地解決傳統無線傳感器網絡關于體積和功耗兩大難題，以便于集成整個系統于一個芯片上，而且可以使得制造成本遠低于同類產品。目前文獻中針對超寬帶常采用的調制方式是脈沖位置調制(PPM)，它是通過脈沖的不同位置來表示不同的信息。這種調制方法優點就是實現起來比較簡單。另外脈沖相位調制(BPM)也比較常用，原理是通過改變相位來表示發送的信息。比較PPM和BPM，如果發送的比特速率特別高，PPM調制會浪費一些時間空間，效率較BPM有所降低。BPM的另外一個優點就是時間上均值為零，功率譜中不含有離散譜線。但是，BPM只能夠實現一階調制，大大限制了信息的傳輸速率。對于接收方式，目前常采用RAKE接收機，但是要準確估計各條徑的時延和幅度很困難。
發明內容
針對WSN自身的特點，以及現有的UWB物理層調制及接收技術中存在的問題，本發明提出了一種新的基于無線傳感器網絡的超寬帶調制和接收方式。這種方式解決了UWB信號的高階調制以及降低了接收機的復雜度。在本發明中，發送一個不包含信息的參考脈沖，以在接收端作自相關接收，可以降低接收機的復雜度。
根據本發明，提供了一種用于無線傳感器網絡的超寬帶調制和接收方法，包括步驟(1)在所述無線傳感器網絡的發送端，將經過擴頻編碼后的發送信息比特以每m個分為一組，對第1個比特進行相位調制，并且對每組中的后m-1個比特進行位置調制，得到一個信息脈沖，其中m為大于或等于2的整數；(2)在相對于信息脈沖固定的位置上周期性地發送參考脈沖，并且使得信息脈沖與參考脈沖之間不會產生干擾；(3)在接收端，通過提取所述參考脈沖而對所述信息脈沖做相關以判決接收到的信號，從而得到發送端所發送的信息。
優選地，步驟(2)還包括步驟根據調制階數M以及位置脈沖相對于參考脈沖的時間偏移量δ，使得信息脈沖與參考脈沖之間沒有會產生干擾。
優選地，通過接收端反饋回的信息對調制階數M以及位置脈沖相對于參考脈沖的時間偏移量δ進行自適應地調整。
優選地，在步驟(2)中，當信道特性比較好時，增大參考脈沖的發送周期，以減少能量消耗，當信道特性比較差時，減小參考脈沖的發送周期。
優選地，步驟(3)還包括步驟在接收端，從所述固定位置提取出參考脈沖，與可能存在信息脈沖的各個位置分別作延時相關處理；以及比較相關值的絕對值大小以確定脈沖的位置，從而解調出后m-1個比特，再根據相關值的相位來解調第1個比特，從而得到發送端所發送的信息。
優選地，m等于3。
根據本發明的基本構思，本發明中所述的雙相位置調制(BPPM)是同時對m個比特進行相位和位置調制，并且發送一個參考脈沖來做自相關接收(ACR)，從而適應了WSN對系統低復雜度，高速率的要求。也就是說，將發送的脈沖分為兩類，一類是信息脈沖，另外一類是參考脈沖。首先在發送端將m個比特分成兩部分，其中第1個比特用來調制信息脈沖的相位，后m-1個比特用來調制信息脈沖的位置，這樣構成一個信息脈沖；然后在固定的位置周期性發送參考脈沖。在接收端，通過提取參考脈沖來對信息脈沖作相關以判決接收到的信號。這種調制和接收方式實現相對簡單，不僅能顯著提高信息的傳輸速率，而且在接收端不需要做復雜的信道估計，這樣就大大簡化了系統結構，特別適用于無線傳感器網絡中。
下面結合附圖并參照具體實施方式
來描述本發明，其中圖1是本發明中調制方式的基本原理示意圖；圖2是采用本發明的跳時BPPM信號的結構示意圖；圖3是將本發明的BPPM調制方式和其它調制方式的仿真比較。
具體實施例方式
針對WSN自身的特點，以及現有的UWB物理層調制及接收技術中存在的問題，本發明提出了一種新的基于無線傳感器網絡的超寬帶調制和接收方式。這種方式解決了UWB信號的高階調制以及降低了接收機的復雜度。具體步驟包括根據典型應用環境的信道特性，選取合適的調制階數M以及時間偏移量δ，以保證信息脈沖與參考脈沖不會產生脈沖間的干擾；將經過擴頻編碼后的信息比特以每m個分為一組，根據BPPM調制的特點，首先對第1個比特進行相位調制，然后(將分別去掉了)對每組中的后m-1個比特進行位置調制；在保證信息脈沖與參考脈沖不會產生干擾的情況下，周期性的加入參考脈沖以構成發送脈沖序列；在接收端，從固定的位置提取出參考脈沖，與可能存在信息脈沖的各個位置分別作延時相關處理；比較相關值的絕對值大小以確定脈沖的位置，從而解調出后m-1個比特，再根據相關值的相位來解調第1個比特。
在本發明中，通過采用本發明中的調制和接收方法不僅可以提高信息的傳輸速率，而且能夠降低系統的復雜度以適用于WSN的要求。
圖1是假設M＝8(m＝log2M＝3)的BPPM調制結構示意圖。可以看出由四個位置來確定后兩個比特的信息，由相位來確定第一個比特的信息。圖示中所采用的脈沖為二階高斯求導脈沖。
圖2是本發明所采用的發送符號的結構。其中的Tf，Tc分別是脈沖的平均重復時間間隔和跳時脈沖的單位時間。在系統中，一個符號由Ns個脈沖表示，δ表示時間的單位偏移量。其中在選取δ和M時應考慮到信道的特性，以保證不會造成脈沖間的干擾。發送脈沖可以由公式1描述。
公式1s(k)(t)=sI(k)(t,miδ)+sR(k)(t,Tc);]]>其中sI(k)(t,miδ)=Σjd1xj(t-miδ),sR(k)(t,Tc)=Σjxj(t-Tc).]]>對于采用M階調制方式的系統，需要采用的相關器和延遲器的個數都為2m-1(其中m＝log2M)，經過相關處理后的信號可以表示為公式2。
公式2ri(k)=E[yR(k)(t,Tc)yI(k)(t,miδ)];]]>其中，yI(k)(t,miδ)=sI(k)(t,miδ)*h(t)+nI(t),yR(k)(t,Tc)=sR(k)(t,Tc)*h(t)+nR(t).]]>判決時首先比較各個延遲相關結果的絕對值，得到后m-1個比特的估計值，然后根據所得的絕對值最大的相關值的相位(0°或180°)來判決第1個比特的估計值。
結合實例證明本專利的有效性，仿真中所采用的UWB脈沖是二階高斯求導脈沖，信道是S.Ghassemzadeh和V.Tarokh所提出的S-V CM1信道模型，調制階數M＝8。圖3中比較了采用BPPM調制和其它傳統調制方式的BER/SNR性能。可以看出，BPPM調制不僅能夠提高信息的傳輸速率，而且在一定程度上降低比特錯誤概率。
權利要求
1.一種用于無線傳感器網絡的超寬帶調制和接收方法，包括步驟(1)在所述無線傳感器網絡的發送端，將經過擴頻編碼后的發送信息比特以每m個分為一組，對第1個比特進行相位調制，并且對每組中的后m-1個比特進行位置調制，得到一個信息脈沖，其中m為大于或等于2的整數；(2)在相對于信息脈沖固定的位置上周期性地發送參考脈沖，并且使得信息脈沖與參考脈沖之間不會產生干擾；(3)在接收端，通過提取所述參考脈沖而對所述信息脈沖做相關以判決接收到的信號，從而得到發送端所發送的信息。
2.根據權利要求1所述的方法，其中步驟(2)還包括步驟根據調制階數M以及位置脈沖相對于參考脈沖的時間偏移量δ，使得信息脈沖與參考脈沖之間沒有會產生干擾。
3.根據權利要求2所述的方法，其中通過接收端反饋回的信息對調制階數M以及位置脈沖相對于參考脈沖的時間偏移量δ進行自適應地調整。
4.根據權利要求1所述的方法，其中在步驟(2)中，當信道特性比較好時，增大參考脈沖的發送周期，以減少能量消耗，當信道特性比較差時，減小參考脈沖的發送周期。
5.根據權利要求1所述的方法，其中步驟(3)還包括步驟在接收端，從所述固定位置提取出參考脈沖，與可能存在信息脈沖的各個位置分別作延時相關處理；以及比較相關值的絕對值大小以確定脈沖的位置，從而解調出后m-1個比特，再根據相關值的相位來解調第1個比特，從而得到發送端所發送的信息。
6.根據權利要求1所述的方法，其中m等于3。
全文摘要
本發明公開了一種用于無線傳感器網絡的超寬帶調制和接收方法，包括步驟(1)在所述無線傳感器網絡的發送端，將經過擴頻編碼后的發送信息比特以每m個分為一組，對第1個比特進行相位調制，并且對每組中的后m－1個比特進行位置調制，得到一個信息脈沖，其中m為大于或等于2的整數；(2)在相對于信息脈沖固定的位置上周期性地發送參考脈沖，并且使得信息脈沖與參考脈沖之間不會產生干擾；(3)在接收端，通過提取所述參考脈沖而對所述信息脈沖做相關以判決接收到的信號，從而得到發送端所發送的信息。根據本發明，不僅能顯著提高信息的傳輸速率，而且在接收端不需要做復雜的信道估計，這樣就大大簡化了系統結構。
文檔編號H04B1/69GK1794599SQ20051013770
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月20日 優先權日2005年12月20日
發明者張建華, 姜磊, 張平, 劉若菊, 紀陽, 田輝 申請人:北京郵電大學