基于IEEE 802.15.6的體域網(wǎng)基帶接收算法*

李國權(quán),李第惠,林金朝,龐　宇,王增祥,張　杰

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

計算與測試

基于IEEE 802.15.6的體域網(wǎng)基帶接收算法*

李國權(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 通信與信息工程學院，重慶 400065;2.重慶郵電大學 光電工程學院，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計的物理層方案。基于IEEE 802.15.6標準的物理層規(guī)范設計了BAN基帶接收端的相關(guān)算法并進行了仿真分析。由于傳輸數(shù)據(jù)的突發(fā)性，首先基于前導序列設計了分組檢測方案，獲得數(shù)據(jù)的起始時刻與粗定時同步，然后進行頻偏估計并進行頻率補償消除頻偏的影響，最后利用擴展序列實現(xiàn)精確的符號定時同步。仿真結(jié)果表明：設計方案具有較好的解調(diào)性能。

關(guān)鍵詞：體域網(wǎng)；分組檢測；頻率偏移估計；符號定時同步

0引言

隨著遠程電子醫(yī)務的興起和人體檢測需求的發(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)的多個可穿戴式傳感器節(jié)點，形成以無線方式連接的BAN。IEEE 802.15.6[1]是BAN系統(tǒng)的國際標準，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)點必須具有較小的體積和很低的功耗，對物理層基帶接收算法的設計也提出了較高的要求。文獻[2]提出了基于CDMA技術(shù)的BAN物理層機制，采用31 bit的Gold碼擴頻，在10個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[3]設計了物理層數(shù)據(jù)格式，采用DBPSK/DQPSK調(diào)制方式與BCH糾錯編碼構(gòu)建了物理層結(jié)構(gòu)，得出了不同峰值脈沖重復頻率下的同步時間與比特速率。文獻[4]設計了在不同數(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[5]則對BAN的信道進行了詳細研究。文獻[6]則對各種BAN設計到的發(fā)射機進行了對比研究。

總之，目前文獻的物理層算法研究均基于自行設計的物理層方案，未發(fā)現(xiàn)有專門基于IEEE 802.15.6標準設計的物理層基帶接收算法。本文基于IEEE 802.15.6標準規(guī)定的物理層規(guī)范，設計了BAN基帶部分的分組檢測算法、頻偏恢復和符號定時同步算法，并進行了仿真分析。

1BAN基帶接收模型

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

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懀鶐Ы邮斩吮仨毷紫冗M行分組檢測，找到物理層數(shù)據(jù)格式的起始位置，并進行頻率偏移糾正，最后恢復符號定時時鐘以正確完成數(shù)據(jù)的解調(diào)。基帶接收端模型如圖2所示。63位前導m序列用于分組檢測和頻偏糾正，27位擴展序列用于符號定時同步。

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)合分組檢測與頻偏糾正算法

常用的分組檢測算法[7～10]有能量檢測和雙滑動窗口分組檢測，前者算法檢測，對信道衰落較為敏感；后者容易產(chǎn)生虛警。由于信道的時變性和衰落的影響，如采用固定的門限檢測方案會使得檢測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)的自適應門限檢測算法[11，12]，如圖3所示。圖中，C為自適應門限，r為輸入信號，u為輸入信號相關(guān)后的歸一化功率，R為輸入信號相關(guān)前的歸一化功率。由于輸入信號經(jīng)過π/2—DBPSK調(diào)制后信號的同相分支I與正交分支Q在任何時刻必有一個為0，另外一個為1或者-1。為消除差分調(diào)制的影響，需要設計具有不同相關(guān)結(jié)構(gòu)的DMF來計算相關(guān)值。

圖3　自適應門限分組檢測算法Fig 3　Grouping detection algorithm adaptive threshold

文獻[11]提出了自適應門限公式的相關(guān)推導，判決門限公式為：u=RC，當u>RC時，檢測到突發(fā)通信，從而找到信號起始時刻;反之，當u

在存在多普勒頻移或者收發(fā)端時鐘頻率不一致的情況下，系統(tǒng)的解調(diào)性能會因為頻偏的存在而下降，因此,需要進行頻偏糾正。接收端首先利用前導序列中的L=63位m序列完成頻偏估計，然后利用估計結(jié)果對PSDU進行逐位補償。

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

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nk。

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

(2)

由于任意時刻輸入的信號rk均與相同的本地信號運算，因此,可忽略下標k，將上式簡化為

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

(3)

前導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)化為符號取反運算，適合硬件實現(xiàn)。

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

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

=AmAm-Nej2πΔfTN

(4)

進一步可得

(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m序列長度為63，為使估計結(jié)果更加準確，取N=31，則可得

(6)

考慮到信道在短時間內(nèi)不發(fā)生變化，因此,式(6)可化簡為

(7)

由式(7)即可獲得頻率偏移的估計值Δf，并完成對后面擴展序列和PSDU的頻率補償。

2.2符號定時恢復

采用自適應門限的分組檢測算法，能夠獲得數(shù)據(jù)幀的大致起始位置，但采用該信號來產(chǎn)生符號定時時鐘，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,必須進行精確的符號定時恢復。如圖5所示，為經(jīng)過收端濾波器的數(shù)據(jù)符號樣點，符號定時恢復即用來發(fā)現(xiàn)每個符號樣點能量最大的位置。IEEE 802.15.6標準中PPDU前導序列中的27位擴展序列用于符號定時恢復。

圖5　符號定時示意圖Fig 5　Diagram of symbol timing

經(jīng)過K倍過采樣后，原序列變成了27K個樣點。為消除噪聲的影響，可對接收到的樣點以K為周期，計算能量值并進行分段累加，然后在序列結(jié)束的位置對累加后的K個能量值進行比較，最大的位置即為符號定時時刻。如圖6所示，27K個樣點經(jīng)過能量計算后逐個進入累加器，與K個寄存器里面的數(shù)值進行分段累加，累加結(jié)果分別存在K個寄存器中，最后比較各個累加器獲得最大值的索引，再以索引為基礎產(chǎn)生符號定時時鐘完成數(shù)據(jù)的解調(diào)和判決。

圖6　符號定時恢復Fig 6　Symbol timing recovery

3算法仿真與分析

為驗證算法的性能，本文對上文設計的接收端方案進行了聯(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標準物理層規(guī)范，前導序列采用π/2—DBPSK，符號速率為600 kbps。為更準確地考察頻偏估計的性能，仿真時使用了理想的符號定時時鐘進行解調(diào)和判決，并對解調(diào)后的數(shù)據(jù)做誤碼率統(tǒng)計。仿真過程中為評估頻偏對系統(tǒng)性能的影響，分別選取600 Hz(符號速率的1/1 000)和 3 000 Hz(符號速率的1/200)頻率偏移量，頻率偏移估計間隔N取31。

由圖7可以看出：在信噪比較低的情況下，頻偏估計對系統(tǒng)性能沒有提升，主要是因為噪聲較大的情況下，頻偏估計的結(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，在有無頻偏估計的情況下系統(tǒng)的性能基本沒有差別，說明此時頻偏糾正對BAN接收端基帶核心算法系統(tǒng)性能貢獻較小。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。

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標準的物理層規(guī)范，設計了窄帶模式下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m序列，采用具有自適應門限的分組檢測算法完成數(shù)據(jù)分組的檢測與粗定時同步，并基于分組檢測算法中的相關(guān)器實現(xiàn)了頻率偏移的估計和糾正。為提高系統(tǒng)的解調(diào)性能，還利用前導部分的27位擴展序列進行了精確的符號定時恢復。最后進行了仿真和分析，驗證了設計方案的合理性，顯示出較好的系統(tǒng)性能。

參考文獻:

[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)通信中的自適應門限信號檢測方法[J].電子與信息學報,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估計方法[J].電子學報,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

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(61301124,61471075);重慶高校創(chuàng)新團隊建設計劃項目

中圖分類號：TN 911.7

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0124—04

作者簡介:

李國權(quán)(1980-)，男，河南南陽人，博士研究生，副教授，研究方向為數(shù)字基帶信號處理。

李第惠，通訊作者，E—mail:lidihui110@163.com。