專利名稱：具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感網(wǎng)中的擴頻無線通信，特別涉及一種具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端。
背景枯術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的實用價值，已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認為是對21世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
然而，無線傳感網(wǎng)存在四大受限的問題，即能量受限、通信能力受限、計算和存儲能力受限，其中，能量受限是其最根本的問題，在設(shè)計時需給予充分考慮。而無線傳輸能耗主要來源于無線模塊在收發(fā)數(shù)據(jù)及空閑偵聽時的能耗。通常，在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，無線模塊可能處于四種狀態(tài)發(fā)送、接收、空閑以及睡眠，這四種狀態(tài)下的能耗是不一樣的。請參見圖1，其為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中幾種能耗的對比圖，該能耗對比圖主要針對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)短距離傳輸(即10米至100米)場景，這種場景下發(fā)送能耗與接收能耗是可比擬的。由圖可見，無線模塊的能耗遠遠超過傳感模塊及處理模塊，而成為主要能耗來源，尤其當無線模塊處于空閑狀態(tài)時，其能耗幾乎等于接收狀態(tài)的能耗，因此，為了有效節(jié)省能量，應(yīng)該盡可能使無線模塊處于睡眠狀態(tài)。
請參見圖2，其為無線模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖，其主要包括發(fā)送電路、功率放大器及接收電路等，若定義發(fā)送一個bit的總能量消耗為Eb，則Eb滿足式其中，

為發(fā)送電路的能耗，ERF為功率放大器的能耗，

為接收電路的能耗；若發(fā)送速度快，傳輸一個bit的時間Tb越小，相應(yīng)發(fā)送電路及接收電路能量消耗

則越小，但為了保證期望的誤碼率性能，功率放大器發(fā)射功率越大，相應(yīng)能量消耗ERF就越大。請參見圖3，其為ERF隨傳輸時間Tb變化圖，顯然，Tb越大，ERF就越小。再請參見圖4，其為

和

隨傳輸時間Tb變化圖，顯然，Tb越大，

和

就越大。因此，若發(fā)送電路及接收電路能耗遠小于功率放大器的能耗，則傳輸一個bit的總能耗Eb隨傳輸時間Tb變長而趨于下降。若發(fā)送電路及接收電路能耗和功率放大器能耗相當，則Eb隨傳輸時間Tb變化趨于開口向上拋物線，如圖5所示，因此，無論對于長距離通信還是短距離通信，都存在一個最優(yōu)的傳輸時間Tb使得Eb最小。因此，對于傳感網(wǎng)的各節(jié)點，總是會存在一個最優(yōu)的傳輸時間Tb以使能耗最小化。
可是，由于傳感網(wǎng)隨機散布的布設(shè)方式，致使各個節(jié)點間通信距離和環(huán)境不盡相同。對于同樣的通信設(shè)備，在不同使用環(huán)境下，由于信道情況存在差別，故而導(dǎo)致其在固定誤碼概率情況下的最高傳輸速率各不相同。尤其對復(fù)雜多變的信道環(huán)境，更是需要區(qū)別對待。例如，以最差環(huán)境下的信道為目標設(shè)計編碼和調(diào)制技術(shù)，則系統(tǒng)中將增加很多用來克服最差條件的開銷，而在信道條件好的情況下，這些開銷是不必要的，如此將大大降低系統(tǒng)的傳輸效率。因此，對于傳感網(wǎng)，在信道條件差的情況下可降低傳輸速率，或增大發(fā)射功率，來克服最差條件的開銷；而在信道條件好的情況下，可提高信息傳輸效率和傳輸速率，或降低發(fā)射功率，以降低系統(tǒng)能耗，即需要一種自適應(yīng)通信控制。
由于自適應(yīng)通信控制與功率控制具有可比擬之處，因此對典型的功率控制方式作一簡單說明。在現(xiàn)有功率控制方式中，按功率值的來源可分為內(nèi)環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制，按控制方向可分為上行功率控制和下行功率控制。其中，內(nèi)環(huán)功率控制的主要作用是通過控制物理信道的發(fā)射功率，使接收信噪比(Signal Interfence Rate，SIR)收斂于目標SIR值。內(nèi)環(huán)功率控制可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種方式，開環(huán)功率控制的目的是提供發(fā)射功率的粗略估計，根據(jù)測量結(jié)果對路徑損耗和干擾水平進行估計，從而計算初始發(fā)射功率的過程。閉環(huán)功率控制是對通信期間的上、下行鏈路進行快速功率調(diào)整，以使鏈路的質(zhì)量收斂于目標SIR值；外環(huán)功率控制是通過動態(tài)地調(diào)整內(nèi)環(huán)功率控制的SIR目標值，使通信質(zhì)量始終滿足要求，即達到規(guī)定的誤幀率(Frame Error Rate，F(xiàn)ER)/誤塊率(Block Error Rate，BLER)/比特誤碼率(Bit Error Rate，BER)值；上行功率控制通過控制移動臺UE的發(fā)射功率，使基站接收到所有移動臺發(fā)射到基站的信號功率或SIR基本相等；下行功率控制用來控制基站的發(fā)射功率，使所有移動臺接收到的信號功率或者SIR基本相當。
由上所述，在傳感網(wǎng)系統(tǒng)中，通過對功率或傳輸速率的控制，可以避免發(fā)送不必要的過大功率，有效節(jié)約系統(tǒng)整體能耗，且在有必要進行多用戶通信時能基本保證到達接收端的功率大小一致。盡管功率控制是直接序列擴頻系統(tǒng)中常見的技術(shù)手段，在CDMA系統(tǒng)中，主要用于控制各個用戶的發(fā)送功率，使其到達接收端的信號具有相同的功率，或用于控制基站端的發(fā)送信號，使其到達接收端的信號功率恰到好處，實現(xiàn)能效最大化。但將CDMA系統(tǒng)中的功率控制引入到傳感網(wǎng)系統(tǒng)中時，遇到以下問題 1、功率控制的前提是對能量大小進行分析，進行SIR的測量，在WCDMA系統(tǒng)中，通過對導(dǎo)頻信道估計來進行SIR測量，但在異步通信的傳感網(wǎng)系統(tǒng)中，不存在用于同步的導(dǎo)頻信道； 2、功率控制分為閉環(huán)功率控制和開環(huán)功率控制兩種，兩種控制均需要協(xié)議層的調(diào)整，通過收發(fā)雙方多次的調(diào)整來使功率達到最優(yōu)化。但在傳感網(wǎng)系統(tǒng)中，大多信息為突發(fā)通信，過多的協(xié)議交互將極大的降低系統(tǒng)效率。
因此，如何在傳感網(wǎng)中實現(xiàn)自適應(yīng)增益控制實已經(jīng)成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)課題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，以實現(xiàn)在系統(tǒng)耗費增加不多同時也不需協(xié)議介入的情況下對增益的粗略調(diào)整。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，包括信息接收裝置和信息發(fā)送裝置，其中，所述信息發(fā)送裝置包括用于根據(jù)所述信息接收裝置所接收的傳感網(wǎng)內(nèi)一第一節(jié)點端傳送至的信號情況、所述信息發(fā)送裝置當前所處的角色及狀態(tài)確定向所述第一節(jié)點端發(fā)射的通信信號需采用的當前擴頻因子的擴頻模式?jīng)Q策模塊；用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子及上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子確定當前幀頭的編碼，并采用與所述第一節(jié)點端預(yù)先約定的擴頻增益對所確定的幀頭進行擴頻以形成相應(yīng)捕獲幀頭的幀頭擴頻處理模塊；用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子對待傳送的通信信息進行信道編碼、串并變換及擴頻處理以形成相應(yīng)的擴頻信息，其設(shè)有一擴頻參數(shù)控制單元，用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子控制信道編碼、串并變換及相應(yīng)用于擴頻的偽隨機碼的相關(guān)各參數(shù)以使產(chǎn)生的擴頻信息的帶寬符合預(yù)設(shè)的要求的信息處理模塊；用于將所形成的捕獲幀頭添加于所述擴頻信息的合并模塊；用于將添加有捕獲幀頭的擴頻信息成型濾波的成型濾波模塊；用于將成型濾波模塊輸出的信息經(jīng)過射頻調(diào)制后予以發(fā)射的射頻模塊；所述信息接收裝置包括用于將在傳感網(wǎng)中傳送的射頻信號接收后變頻形成中頻信號的變頻模塊；用于將所述中頻信號與所產(chǎn)生的本地偽隨機碼進行相關(guān)后以獲得相應(yīng)的相關(guān)信號的相關(guān)模塊；用于對所述相關(guān)信號進行相應(yīng)信息解擴處理后以獲得相應(yīng)的幀頭，并根據(jù)所述幀頭攜帶的信息確定發(fā)送所述射頻信號的節(jié)點端所采用的擴頻增益因子的擴頻增益確定模塊；用于對所述相關(guān)信號進行分析以估算出相應(yīng)的接收信號功率及噪聲，并根據(jù)所述接收信號功率及噪聲對所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子進行修正以使修正后的擴頻增益因子適應(yīng)所述傳感網(wǎng)的當前環(huán)境，并將修正后的擴頻增益因子傳送至所述擴頻模式?jīng)Q策模塊以作為所述信息接收裝置所接收的傳感網(wǎng)內(nèi)相應(yīng)節(jié)點端傳送至的信號情況的擴頻增益修正模塊；用于根據(jù)所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子對所述中頻信號進行包括解擴及信道解碼在內(nèi)的各項處理以獲得所述中頗信號所攜帶的通信信息，其設(shè)有一解擴控制單元，用于根據(jù)所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子控制信息解擴的增益及確定所述通信信息的起始位置的信息解算模塊。
較佳的，所述擴頻模式?jīng)Q策模塊根據(jù)Gp2+Gs2≥G0+Gs1+ΔSin確定需采用的當前擴頻因子，其中，Gp2為需采用的當前擴頻因子，Gs2為采用的發(fā)射功率，G0為由所述擴頻增益修正模塊傳送至的修正后的所述第一節(jié)點端傳送信號采用的擴頻因子，Gs1為所述第一節(jié)點端采用的發(fā)射功率，ΔSin為傳感網(wǎng)相應(yīng)各節(jié)點端設(shè)備靈敏度的最大差值，此外，所述擴頻模式?jīng)Q策模塊還設(shè)有映射單元，用于當所確定的當前擴頻因子Gp2不存在時對其進行向上映射，即當所確定的當前擴頻因子Gp2處于[2N-1-1，2N-1]之間時，使映射后的當前擴頻因子Gp2為2N-1。
較佳的，當所確定的當前擴頻因子與上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子不同時，所述幀頭擴頻處理模塊所確定的當前幀頭編碼為全1的捕獲位與所述當前擴頻因子的組合；當所確定的當前擴頻因子與上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子相同時，所述幀頭擴頻處理模塊所確定的當前幀頭編碼僅為全0的捕獲位，此外，所述幀頭擴頻處理模塊采用固定的長碼進行擴頻處理，所述預(yù)先約定的擴頻增益為最大擴頻增益。
較佳的，所述擴頻增益修正模塊包括用于根據(jù)估算接收信號功率的接收信號功率估算單元，其中，Ps為接收信號功率，k＝0，1，2……，R1(k，m)和RQ(k，m)為相關(guān)信號；及用于根據(jù)估算噪聲的噪聲估算單元，其中，Pn為噪聲，

，而

，Rref(k，m)為本地的相關(guān)碼字與自身進行相關(guān)后的結(jié)果，N＝[n-np-D，n-np+D]，而D為需去除的相關(guān)峰值點數(shù)，因此，所述擴頻增益修正模塊修正后的擴頻增益因子可為其中，Gc為所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子，Gspec為修正后的擴頻增益因子，SIR＝Ps/Pn，SIRspec為目標信雜比。
綜上所述，本發(fā)明的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端通過對導(dǎo)頻頭的相關(guān)后進行平方和處理來進行SIR估計，并通過SIR估計來確定需要增大的發(fā)射功率或進行擴頻增益的調(diào)整，在所述調(diào)整中，由于只要基本滿足傳輸距離要求即可，對測量和調(diào)整的準確度要求并不高，因此可以簡化協(xié)議層的設(shè)計，通過對可能情況的預(yù)估在物理層進行簡單調(diào)整即可，從而可以減小協(xié)議層的復(fù)雜程度和在該問題上的系統(tǒng)開銷。



圖1為現(xiàn)有無線模塊在不同狀態(tài)下的能耗對比圖。
圖2為現(xiàn)有無線模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為現(xiàn)有無線模塊的功率放大器的能耗隨傳輸時間Tb變化圖。
圖4為現(xiàn)有無線模塊的發(fā)送電路和接收電路的能耗隨傳輸時間Tb變化圖。
圖5為現(xiàn)有無線模塊短距離與長距離通信時的總能量消耗與傳輸時間關(guān)系圖。
圖6為本發(fā)明的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端的信息發(fā)送裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端的信息發(fā)送裝置所采用的物理層幀格式。
圖8為本發(fā)明的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端的信息接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為仿真SNR＝-20dB時信號相關(guān)值與預(yù)估相關(guān)值比較示意組圖。
圖10為仿真SNR＝-40dB時信號相關(guān)值與預(yù)估相關(guān)值比較示意組圖。
圖11為去除預(yù)估相關(guān)值方式下相關(guān)峰值/相關(guān)噪聲與信噪比關(guān)系圖。
圖12為不去除預(yù)相關(guān)值方式下相關(guān)峰值/相關(guān)噪聲與信噪比關(guān)系圖。
圖13為去除預(yù)相關(guān)值方式與不去除預(yù)相關(guān)值方式放大比較圖。
圖14為頻率偏移對SIR的影響示意圖。
圖15為SNR＝-40dB時有頻偏和無頻偏的對比圖。
圖16為SNR＝-20dB時有頻偏和無頻偏的對比圖。
圖17為不需要傳輸擴頻增益更改因子時的傳輸效能比較圖。
圖18為需要傳輸擴頻增益更改因子時的傳輸效能比較圖。
圖19為傳輸時間比較圖。
圖20為隨機散布節(jié)點端的路徑損耗概率示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端的基本思想如下

通過信息發(fā)送的幀頭來進行基本的能量識別，以此作為基本的擴頻增益調(diào)整依據(jù)；

物理層可利用接收到信號的幀頭的能量情況，求算目前狀態(tài)下的SIR值。異步通信系統(tǒng)中，采用平方和方法來消除頻偏等因素的影響；

接收端以此為參考，通過基本的校正，自動的選擇擴頻增益；

以據(jù)此次接收到信息求算得擴頻增益作為下次發(fā)送的參考，并依據(jù)系統(tǒng)的調(diào)度情況來決定是否更改下次發(fā)送信息的擴頻增益；

在物理層通過對捕獲幀頭格式的設(shè)置，使接收端能自動進行參數(shù)設(shè)置解擴。
由上所述，所述具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端包括信息接收裝置和信息發(fā)送裝置。
請參見圖6，所述信息發(fā)送裝置包括擴頻模式?jīng)Q策模塊、幀頭擴頻處理模塊、信息處理模塊、合并模塊、成型濾波模塊及射頻模塊。
所述擴頻模式?jīng)Q策模塊用于根據(jù)所述信息接收裝置所接收的傳感網(wǎng)內(nèi)一第一節(jié)點端傳送至的信號情況、所述信息發(fā)送裝置當前所處的角色及狀態(tài)確定向所述第一節(jié)點端發(fā)射的通信信號需采用的當前擴頻因子，例如，當?shù)谝还?jié)點端以擴頻增益因子G發(fā)送信號時，在發(fā)射功率不變的情況下，所述信息接收裝置可根據(jù)接收的信號計算出滿足傳輸要求的最低擴頻增益G0(具體計算過程容后陳述)，則所述信息發(fā)送裝置可根據(jù)所述最低擴頻增益G0來估算自身應(yīng)采用的擴頻增益并進行調(diào)整，以便在下次傳送信息給所述第一節(jié)點端時采用更優(yōu)的擴頻增益，然而，從所述信息接收裝置接收到第一節(jié)點端發(fā)送至的通信信號，到所述信息發(fā)送裝置向所述第一節(jié)點端發(fā)送通信信息，其間存在著時間差和可能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，因此，所述擴頻模式?jīng)Q策模塊需要對自身與所述第一節(jié)點端之間的距離變化進行預(yù)估，留出充分的余量，由于變化情況未知，為保證系統(tǒng)的連通性，需要向增大系統(tǒng)擴頻增益方向進行更改。因此在設(shè)置時，若上次信息接收時間距離本此發(fā)送的間隔時間較長，相關(guān)峰值的置信度越低，系統(tǒng)需要留出的余量越大，具體說明如下 由于所述信息接收裝置接收到的通信信號的相關(guān)峰值和所述第一節(jié)點端的發(fā)射功率及自身的靈敏度相關(guān)，且其計算獲得的擴頻增益因子G0為所述第一節(jié)點端的最低擴頻增益，因此，所述擴頻模式?jīng)Q策模塊在設(shè)置自身的擴頻增益因子時，需要考慮自身發(fā)射功率和所述第一節(jié)點端的靈敏度差值的影響。為能清楚進行說明，先定義幾個參數(shù)，請參見表1 表1 上述參數(shù)之間有Gp+Gs≥L-Sin和RD＝K/Gp，其中，K為常數(shù)，GS<H。當所述第一節(jié)點端發(fā)送至信息，所述信息接收裝置進行信息捕獲并計算出擴頻增益因子時，存在有 所述擴頻模式?jīng)Q策模塊需要調(diào)整的最小擴頻增益/發(fā)射功率Gx存在以下關(guān)系 Gx＝min(Gp2+Gs2)＝L-Sin1 若其自身和所述第一節(jié)點端設(shè)備間靈敏度的最大誤差為ΔSin，即ΔSin≥|Sin1-Sin2|，則Gx＝min(Gp2+Gs2)≤G0+Gs1+ΔSin，由此則取Gp2+Gs2≥G0+Gs1+ΔSm即可滿足系統(tǒng)信息傳輸要求。即所述擴頻模式?jīng)Q策模塊根據(jù)Gp2+Gs2≥G0+Gs1+ΔSin確定需采用的當前擴頻因子。
然而，對M序列或Gold序列而言，其序列周期均為2n-1，n＝1，2，3，……，因此所述擴頻模式?jīng)Q策模塊根據(jù)Gp2+Gs2≥G0+Gs1+ΔSin確定的擴頻增益Gp2的值并不一定存在，所以，所述擴頻模式?jīng)Q策模塊還設(shè)有映射單元，用于當所確定的當前擴頻因子Gp2不存在時對其進行向上映射，即當所確定的當前擴頻因子Gp2處于[2N-1-1，2N-1]之間時，所述映射單元使映射后的當前擴頻因子Gp2為2N-1。
所述幀頭擴頻處理模塊用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子及上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子確定當前幀頭的編碼，并采用與所述第一節(jié)點端預(yù)先約定的擴頻增益對所確定的幀頭進行擴頻以形成相應(yīng)捕獲幀頭，請參見圖7，其為本發(fā)明所采用的物理層幀格式，當所確定的當前擴頻因子Gp2與上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子G0不同時，所述幀頭擴頻處理模塊所確定的當前幀頭編碼為全1的捕獲位與所述當前擴頻因子的組合；當所確定的當前擴頻因子Gp2與上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子G0相同時，所述幀頭擴頻處理模塊所確定的當前幀頭編碼僅為全0的捕獲位，由此可見，捕獲幀頭為全1或全0，一方面可用于進行信息的捕獲，另一方面可用于作為是否需要對擴頻增益因子進行修改的指示。當捕獲幀頭為全1時，表示需要修改信息傳輸部分的擴頻增益因子，同時在其之后以0起始的4個bit表示擴頻增益因子G0，在系統(tǒng)實現(xiàn)時，僅需發(fā)送擴頻增益的N值即可，則4個bit支持的最高擴頻增益因子為216，結(jié)束位為奇偶校驗位；當捕獲幀頭為全0時，則默認保持上次的擴頻增益因子G0進行信息傳輸，其后無擴頻增益因子項，在捕獲到信息幀頭后，即轉(zhuǎn)入以G0為擴頻因子的解擴方式。采用該結(jié)構(gòu)的信息傳輸，具有以下特性

與常見的自適應(yīng)通信系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)的自適應(yīng)控制不需要協(xié)議層的介入，直接通過物理層來進行自適應(yīng)增益的更改，擴頻增益的調(diào)整對于協(xié)議層是完全屏蔽的。該方式避免了增加協(xié)議層復(fù)雜度，減少了信息交互，提高了系統(tǒng)靈活性，更適合異步通信系統(tǒng)。


采用高增益的擴頻增益進行捕獲，可以增加捕獲準確率，提高了捕獲概率，并可在進行幀頭捕獲的同時進行系統(tǒng)所需的擴頻增益確認。


當不需要進行擴頻增益調(diào)整時，無擴頻增益因子比特的傳輸項，其傳輸?shù)男畔⒈忍氐韧Ｐ畔鬏?。這在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定的情況下將節(jié)省擴頻增益因子傳輸開銷。
當所述幀頭擴頻處理模塊確定了幀頭的編碼后，即采用固定的長碼對形成的幀頭進行擴頻處理，同時采用收發(fā)雙方默認的固定的最大擴頻增益因子(G＝Gmax)進行擴頻發(fā)送，相應(yīng)接收節(jié)點端也采用最大擴頻增益因子(G＝Gmax)進行幀頭的捕獲。
所述信息處理模塊用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子Gp2對待傳送的通訊信息進行信道編碼、串并變換及擴頻處理以形成相應(yīng)的擴頻信息，其設(shè)有一擴頻參數(shù)控制單元，用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子控制信道編碼、串并變換及相應(yīng)用于擴頻的偽隨機碼(PN碼)的相關(guān)各參數(shù)以使產(chǎn)生的擴頻信息的帶寬符合預(yù)設(shè)的要求，由于擴頻增益因子(G)、數(shù)據(jù)持續(xù)周期(T)及擴頻碼持續(xù)周期(t)有G＝T/t，因此，當所述擴頻模式?jīng)Q策模塊確定當前擴頻因子為Gp2，時，所述擴頻參數(shù)控制單元通過控制數(shù)據(jù)D(T)的發(fā)送速率即可獲得相應(yīng)的擴頻增益，同時使t保持不變，通過更改T來改變擴頻增益，即可使系統(tǒng)最終輸出帶寬保持不變，以減少系統(tǒng)硬件上的變化。
所述合并模塊用于將所形成的捕獲幀頭添加于所述擴頻信息，由此以形成如圖7所示的信息幀，其中，信息幀頭的起始位在捕獲幀頭為全1時為0，在捕獲幀頭為全0時為1。所述成型濾波模塊用于將添加有捕獲幀頭的擴頻信息成型濾波，具體過程及原理已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知悉，故在此不再詳述。
所述射頻模塊用于將成型濾波模塊輸出的信息經(jīng)過射頻調(diào)制后予以發(fā)射。
請參見圖8，所述信息接收裝置包括變頻模塊、相關(guān)模塊、擴頻增益確定模塊、擴頻增益修正模塊、及信息解算模塊。
所述變頻模塊用于將在傳感網(wǎng)中傳送的射頻信號接收后變頻形成中頻信號即基帶I，Q信號。
所述相關(guān)模塊用于將所述中頻信號與所產(chǎn)生的本地偽隨機碼進行相關(guān)后以獲得相應(yīng)的相關(guān)信號，由于捕獲幀頭擴頻部分采用了固定的高增益擴頻碼字，所以相關(guān)模塊對基帶I，Q信號進行長碼相關(guān)捕獲處理以捕獲幀頭。
所述擴頻增益確定模塊用于對所述相關(guān)信號進行相應(yīng)信息解擴處理后以獲得相應(yīng)的幀頭，并根據(jù)所述幀頭攜帶的信息確定發(fā)送所述射頻信號的節(jié)點端所采用的擴頻增益因子，即當幀頭為全0時，所述擴頻增益確定模塊即可確定發(fā)送所述射頻信號的節(jié)點端所采用的擴頻增益因子與上次的相同，當幀頭為全1時，所述擴頻增益確定模塊讀取起始位后4bit，其為發(fā)送所述射頻信號的節(jié)點端所采用的擴頻增益因子，為避免錯誤，所述擴頻增益確定模塊還可對結(jié)束位進行奇偶校驗以進一步確定擴頻增益因子。
所述擴頻增益修正模塊用于對所述相關(guān)信號進行分析以估算出相應(yīng)的接收信號功率及噪聲，并根據(jù)所述接收信號功率及噪聲對所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子進行修正以使修正后的擴頻增益因子適應(yīng)所述傳感網(wǎng)的當前環(huán)境，并將修正后的擴頻增益因子傳送至所述擴頻模式?jīng)Q策模塊以作為所述信息接收裝置所接收的傳感網(wǎng)內(nèi)相應(yīng)節(jié)點端傳送至的信號情況，其包括接收信號功率估算單元及噪聲估算單元。
1、所述接收信號功率估算單元對接收信號功率的估算方法如下 所述相關(guān)模塊將基帶信號和本地偽隨機碼L(t)進行相關(guān)處理，分別得I，Q兩路的相關(guān)值R1(k，m)，RQ(k，m)，則用于捕獲的相關(guān)峰值判據(jù)為其中，k＝0，1，2……，根據(jù)相關(guān)峰值的最大值對相關(guān)結(jié)果進行歸一化得 設(shè)捕獲幀頭長度為K，則所述接收信號功率估算單元估算出多個捕獲相關(guān)峰值的平均作為接收信號功率Ps，即有 2、所述噪聲估算單元的估算方法如下； a、信號預(yù)估 本地的相關(guān)碼字與自身進行相關(guān)處理后得Rref(k，m)，可知進行平方和處理后可得

同樣對該信號進行歸一化得
b、噪底求算 用接收信號與本地碼的相關(guān)值減去預(yù)估的值，用于求算噪底得
但實際上，由于信道環(huán)境的影響或接收機本身造成的影響，求算得的相關(guān)峰值和預(yù)估的相關(guān)峰值并不完全相同，為進一步減小信號對噪底估計造成的影響，在此取去除相關(guān)峰值及其附近信號點后的相關(guān)峰值平均為噪聲Pn，即其中，N＝[n-np-D，n-np+D]，D為需要去除的相關(guān)峰值點數(shù)左右，一般情況下為2～3倍的采樣倍數(shù)。當擴頻因子為G，一個相關(guān)周期的累加點數(shù)為T時，存在以下關(guān)系D＝N·ceil(T/G)，其中，ceil表示向上取整。
3、信雜比求算 所述擴頻增益修正模塊根據(jù)所述接收信號功率估算單元及噪聲估算單元的估算可求算信雜比為SIR＝Ps/Pn，若目標信雜比為SIRspec＝Ps′/Pn，則其中，Gc為所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子，Gspec即為修正后的擴頻增益因子。
所述信息解算模塊用于根據(jù)所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子對所述中頻信號進行包括解擴及信道解碼在內(nèi)的各項處理以獲得所述中頗信號所攜帶的通訊信息，其設(shè)有一解擴控制單元，用于根據(jù)所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子控制信息解擴的增益及確定所述通信信息的起始位置，在本實施方式中，所述解擴控制單元根據(jù)所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子控制增益可調(diào)跟蹤器的增益，然后根據(jù)增益可調(diào)跟蹤器跟蹤的增益對接收信號進行信息解調(diào)，并對解調(diào)后的信息進行幀頭搜索，并進行信道解碼等處理后即可獲得相應(yīng)的通信信息。
以下將通過仿真對本發(fā)明的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端的效果作進一步說明。
1)系統(tǒng)可實現(xiàn)性與效果分析 仿真條件擴頻增益因子為512，采樣倍數(shù)2，數(shù)據(jù)長度10，信噪比(SNR)SNR＝-20dB。
請參見圖9，其為SNR＝-20dB時信號相關(guān)值與預(yù)估相關(guān)值比較示意組圖，其中，圖9的組圖中的a圖為信號相關(guān)值與預(yù)估相關(guān)值比較圖，圖9的組圖中的b圖為直接去掉信號相關(guān)峰值后的噪底圖，圖9的組圖中的c圖為相關(guān)值減去預(yù)估相關(guān)值后的信號圖，圖9的組圖中的d圖為直接去掉預(yù)估相關(guān)峰和不匹配峰值后的噪底信號圖，由b圖可知，其包含了大量相關(guān)本身帶來噪底，而根據(jù)c圖可見，由于信道及接收信號濾波器等帶來的信號加寬等因素，造成其中的信號相關(guān)峰值并不能被完全去除，但采用本發(fā)明的方法已將其中的噪底信號減了不少，再由d圖可見，去除了信號相關(guān)峰值和不匹配峰值后，和包含相關(guān)值噪底相比，該噪底已小了近20倍。
再請參見圖10，其為SNR＝-40dB情況下的仿真結(jié)果組圖，其中，圖10的組圖中的a圖是信號相關(guān)值與預(yù)估相關(guān)值比較圖，圖10的組圖中的b圖是直接去掉信號相關(guān)峰值后的噪底圖，圖10的組圖中的c圖是相關(guān)值減去預(yù)估相關(guān)值后的信號圖，圖10的組圖中的d圖是直接去掉預(yù)估相關(guān)峰和不匹配峰值后的噪底信號圖，從圖中可見，此時在疊加真實噪底后，去除預(yù)估相關(guān)值與不去除的效果差別不明顯，二者都基本能反應(yīng)噪聲真實情況。
請參見圖11，其為在去除預(yù)估相關(guān)值處理方式下SIR與噪聲的關(guān)系組圖，其采用的仿真條件為擴頻增益512，采樣倍數(shù)2，數(shù)據(jù)長度10，SNR為-10dB～-50dB，其中，lumda表示因子λ。由圖可見，隨著信噪比的增加，噪底逐漸減小，SIR逐漸增大，可選的擴頻增益越來越小。
請參見圖12，其為在不去除預(yù)估相關(guān)值處理方式下SIR與噪聲的關(guān)系組圖，顯然其變化趨勢與圖11所示類似。但在信噪比較高的情況下觀察，如圖13所示，可發(fā)現(xiàn)，采用去除預(yù)估相關(guān)后的處理結(jié)果能更好的反應(yīng)低擴頻增益帶來的效應(yīng)，在進行系統(tǒng)短碼選擇時具有更高的參考價值。
為觀察相關(guān)峰值和頻率的關(guān)系，請參見圖14至16，其中，圖14為頻率偏移從0Hz～2000Hz時的SIR示意組圖，圖15為SNR＝-40dB時有頻偏和無頻偏的對比組圖，圖16為SNR＝-20dB時有頻偏和無頻偏的對比組圖，三者都是在仿真條件為擴頻增益512、采樣倍數(shù)2、數(shù)據(jù)長度10、SNR＝-20dB獲得仿真結(jié)果，從各圖中可見，頻率偏移對系統(tǒng)的SIR基本不存在影響。2)系統(tǒng)性能與能耗分析 本發(fā)明采用的環(huán)境適應(yīng)性增益調(diào)整方案不需要協(xié)議層的調(diào)度，其主要的能耗開銷集中在物理層的幀頭上，現(xiàn)分三種情況來分析 情況1無信號發(fā)送。
2Mbps的碼片(chip)速率，1023位擴頻； 300kbps的chip速率，15位擴頻； 以捕獲到一個符號(symbol)計算，時鐘精度為5ppm時，允許的系統(tǒng)誤差至少為10us，適合802.15.4的一個symbol接入等待時間。
自適應(yīng)增益調(diào)整方案的接入等待時間延長為802.15.4的約十倍，總持續(xù)時間約為0.5ms。
可以通過部分捕獲的方式來減少接入等待時間，在初步捕獲到可疑信號后再進行下一步的捕獲，但減少接入時間增大了漏捕的概率。
情況2有信號發(fā)射，擴頻增益不需要更改； 僅為捕獲幀頭長度?？稍O(shè)定為3bit。總持續(xù)時間約為1.5ms。
在上述情況下，802.15.4(868MHz處)可傳送的symbol數(shù)為30bit。其中，捕獲幀頭為3bit時，可傳送的有效數(shù)據(jù)為27bit。
情況3有信號發(fā)射，擴頻增益需要更改； 為捕獲幀頭長度+擴頻增益更改因子。為8bit，總持續(xù)時間為4ms。
在上述情況下，802.15.4(868MHz處)可傳送的symbol數(shù)為80bit。其中，捕獲幀頭為3bit時，可傳送的有效數(shù)據(jù)為77bit。
從圖17及圖18中可以看出，捕獲幀頭所占的長度對傳輸條件越好的信號而言效率越低，反之效率越高。在信道條件差到一定情況后，采用802.15.4的通信已無法進行通信。
圖19給出了不同信道環(huán)境下本方案和802.15.4的傳輸效果比較，對于傳輸時間而言，當傳輸條件較優(yōu)時，環(huán)境適應(yīng)性通信方式會自動選擇最佳通信方式，相比而言，若此時系統(tǒng)采用正常通信方式，在傳輸信息長度為100bit左右時，采用環(huán)境適應(yīng)性通信方式的傳輸時間將會短于正常通信方式。而同時，當信道環(huán)境較惡劣時，系統(tǒng)將會選擇擴頻增益大的通信方式，此時耗費的時間較長，但可保持節(jié)點間的通信。
若仿真分析隨機散布的節(jié)點以1km中心呈正態(tài)分布的情況，以自由空間為例。
Los＝32.44+201g d(Km)+201g f(MHz)，其中，Los是傳播損耗，單位為dB，d是距離，單位是Km，f是工作頻率，單位是MHz。在802.15.4中，發(fā)射功率-3dBm，接收功率-92dBm，容忍的最大路徑損耗為95dBm。而此時采用本發(fā)明的最大可容忍路徑損耗為105dBm。
由圖20分析可知，散布節(jié)點的路徑損耗將有30％左右的概率大于95dBm，而幾乎無大于105dBm的概率?？芍?，在上述仿真條件下，本發(fā)明的傳感網(wǎng)絡(luò)可通率將較802.15.4大30％。
綜上所述，本發(fā)明的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端具有以下優(yōu)點

增強了對環(huán)境的適應(yīng)性，在保證通信效果的同時保證了良好通信速率。自適應(yīng)通信的主要目標是保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對信息流量和傳輸距離的兼容性，并基于整體系統(tǒng)能量最小思想實現(xiàn)通信方式的自動調(diào)整。


每個節(jié)點的通信速率和靈敏度均可變，且該增益調(diào)整不需要協(xié)議層的介入，僅通過物理層的幀頭來自動實現(xiàn)不同通信速率的調(diào)整，極大的減小網(wǎng)絡(luò)層的信息交互負擔。


尤其適合信息交互握手較少的異步通信系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其特征在于包括信息接收裝置和信息發(fā)送裝置，其中，所述信息發(fā)送裝置包括
擴頻模式?jīng)Q策模塊，用于根據(jù)所述信息接收裝置所接收的傳感網(wǎng)內(nèi)一第一節(jié)點端傳送至的信號情況、所述信息發(fā)送裝置當前所處的角色及狀態(tài)確定向所述第一節(jié)點端發(fā)射的通信信號需采用的當前擴頻因子；
幀頭擴頻處理模塊，用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子及上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子確定當前幀頭的編碼，并采用與所述第一節(jié)點端預(yù)先約定的擴頻增益對所確定的幀頭進行擴頻以形成相應(yīng)捕獲幀頭；
信息處理模塊，用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子對待傳送的通信信息進行信道編碼、串并變換及擴頻處理以形成相應(yīng)的擴頻信息，其設(shè)有一擴頻參數(shù)控制單元，用于根據(jù)所確定的當前擴頻因子控制信道編碼、串并變換及相應(yīng)用于擴頻的偽隨機碼的相關(guān)各參數(shù)以使產(chǎn)生的擴頻信息的帶寬符合預(yù)設(shè)的要求；
合并模塊，用于將所形成的捕獲幀頭添加于所述擴頻信息；
成型濾波模塊，用于將添加有捕獲幀頭的擴頻信息成型濾波；
射頻模塊，用于將成型濾波模塊輸出的信息經(jīng)過射頻調(diào)制后予以發(fā)射；
所述信息接收裝置包括
變頻模塊，用于將在傳感網(wǎng)中傳送的射頻信號接收后變頻形成中頻信號；
相關(guān)模塊，用于將所述中頻信號與所產(chǎn)生的本地偽隨機碼進行相關(guān)后以獲得相應(yīng)的相關(guān)信號；
擴頻增益確定模塊，用于對所述相關(guān)信號進行相應(yīng)信息解擴處理后以獲得相應(yīng)的幀頭，并根據(jù)所述幀頭攜帶的信息確定發(fā)送所述射頻信號的節(jié)點端所采用的擴頻增益因子；
擴頻增益修正模塊，用于對所述相關(guān)信號進行分析以估算出相應(yīng)的接收信號功率及噪聲，并根據(jù)所述接收信號功率及噪聲對所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子進行修正以使修正后的擴頻增益因子適應(yīng)所述傳感網(wǎng)的當前環(huán)境，并將修正后的擴頻增益因子傳送至所述擴頻模式?jīng)Q策模塊以作為所述信息接收裝置所接收的傳感網(wǎng)內(nèi)相應(yīng)節(jié)點端傳送至的信號情況；
信息解算模塊，用于根據(jù)所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子對所述中頻信號進行包括解擴及信道解碼在內(nèi)的各項處理以獲得所述中頗信號所攜帶的通信信息，其設(shè)有一解擴控制單元，用于根據(jù)所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子控制信息解擴的增益及確定所述通信信息的起始位置。
2.如權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其特征在于所述擴頻模式?jīng)Q策模塊根據(jù)Gp2+Gs2≥G0+Gs1+ΔSin確定需采用的當前擴頻因子，其中，Gp2為需采用的當前擴頻因子，Gs2為采用的發(fā)射功率，G0為由所述擴頻增益修正模塊傳送至的修正后的所述第一節(jié)點端傳送信號采用的擴頻因子，Gs1為所述第一節(jié)點端采用的發(fā)射功率，ΔSin為傳感網(wǎng)相應(yīng)各節(jié)點端設(shè)備靈敏度的最大差值。
3.如權(quán)利要求2所述的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其特征在于所述擴頻模式?jīng)Q策模塊還設(shè)有映射單元，用于當所確定的當前擴頻因子Gp2不存在時對其進行向上映射，即當所確定的當前擴頻因子Gp2處于[2N-1-1，2N-1]之間時，使映射后的當前擴頻因子Gp2為2N-1。
4.如權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其特征在于所述幀頭擴頻處理模塊采用固定的長碼進行擴頻處理。
5.如權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其特征在于所述預(yù)先約定的擴頻增益為最大擴頻增益。
6.如權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其特征在于當所確定的當前擴頻因子與上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子不同時，所述幀頭擴頻處理模塊所確定的當前幀頭編碼為全1的捕獲位與所述當前擴頻因子的組合；當所確定的當前擴頻因子與上次向所述第一節(jié)點端發(fā)射信號所采用的擴頻因子相同時，所述幀頭擴頻處理模塊所確定的當前幀頭編碼僅為全0的捕獲位。
7.如權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其特征在于所述擴頻增益修正模塊包括
接收信號功率估算單元，用于根據(jù)估算接收信號功率，其中，Ps為接收信號功率，RI(k，m)和RQ(k，m)為相關(guān)信號；
噪聲估算單元，用于根據(jù)估算噪聲，其中，Pn為噪聲，
，而
，Rref(k，m)為本地的相關(guān)碼字與自身進行相關(guān)后的結(jié)果，N＝[n-np-D，n-np+D]，而D為需去除的相關(guān)峰值點數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其特征在于所述擴頻增益修正模塊修正后的擴頻增益因子為其中，Gc為所述擴頻增益確定模塊所確定的擴頻增益因子，Gspec為修正后的擴頻增益因子，SIR＝Ps/Pn，SIRspec為目標信雜比。
全文摘要
一種具有環(huán)境適應(yīng)性自動增益調(diào)整的傳感網(wǎng)節(jié)點端，其信息發(fā)送裝置通過一擴頻模式?jīng)Q策模塊確定需采用的當前擴頻因子，并由幀頭擴頻處理模塊根據(jù)當前擴頻因子確定捕獲幀頭，同時由信息處理模塊根據(jù)當前擴頻因子對待傳送的通信信息進行擴頻等處理形成擴頻信息，再由合并模塊將捕獲幀頭與擴頻信息合并并經(jīng)成型濾波及射頻調(diào)制后予以發(fā)射，信息接收裝置先對接收的射頻信號變頻，再由相關(guān)模塊對其進行相關(guān)處理，再由擴頻增益確定模塊對相關(guān)信號解擴后確定發(fā)送射頻信號的節(jié)點端所采用的擴頻增益因子，信息解算模塊根據(jù)所確定的擴頻增益因子對接收的信息進行解算，而擴頻增益修正模塊將擴頻增益因子修正后傳送至擴頻模式?jīng)Q策模塊，如此實現(xiàn)對增益的粗略調(diào)整。
文檔編號H04B7/005GK101471705SQ20071017339
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者付耀先 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所