基于IEEE 802.15.6的体域网基带接收算法*

李国权,李第惠,林金朝,庞　宇,王增祥,张　杰

(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065;2.重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065)

计算与测试

基于IEEE 802.15.6的体域网基带接收算法*

李国权1,李第惠1,林金朝1,庞宇2,王增祥1,张杰1

(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065;2.重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065)

摘要:目前体域网(BAN)物理层相关算法的研究均基于自己设计的物理层方案。基于IEEE 802.15.6标准的物理层规范设计了BAN基带接收端的相关算法并进行了仿真分析。由于传输数据的突发性，首先基于前导序列设计了分组检测方案，获得数据的起始时刻与粗定时同步，然后进行频偏估计并进行频率补偿消除频偏的影响，最后利用扩展序列实现精确的符号定时同步。仿真结果表明：设计方案具有较好的解调性能。

关键词：体域网；分组检测；频率偏移估计；符号定时同步

0引言

随着远程电子医务的兴起和人体检测需求的发展，人体局域网(body area network，BAN)成为目前医疗物联网技术的发展方向。BAN是以人体为中心，通过附着于人体体表或植入体内的多个可穿戴式传感器节点，形成以无线方式连接的BAN。IEEE 802.15.6[1]是BAN系统的国际标准，主要定义了BAN系统的物理层和MAC层。考虑到人体的可穿戴性，传感器节点必须具有较小的体积和很低的功耗，对物理层基带接收算法的设计也提出了较高的要求。文献[2]提出了基于CDMA技术的BAN物理层机制，采用31 bit的Gold码扩频，在10个BAN系统共存、相互距离限制在1 m的情况下将丢包率控制在1 %。文献[3]设计了物理层数据格式，采用DBPSK/DQPSK调制方式与BCH纠错编码构建了物理层结构，得出了不同峰值脉冲重复频率下的同步时间与比特速率。文献[4]设计了在不同数据速率下物理层数据包格式中不同字段分别采用DBPSK和DQPSK作为调制方式的仿真模型，研究在高斯白噪声信道下的误码率情况。文献[5]则对BAN的信道进行了详细研究。文献[6]则对各种BAN设计到的发射机进行了对比研究。

总之，目前文献的物理层算法研究均基于自行设计的物理层方案，未发现有专门基于IEEE 802.15.6标准设计的物理层基带接收算法。本文基于IEEE 802.15.6标准规定的物理层规范，设计了BAN基带部分的分组检测算法、频偏恢复和符号定时同步算法，并进行了仿真分析。

1BAN基带接收模型

PPDU(physical-layer protocol data unit)是被IEEE 802.15.6标准定义的物理层数据格式，包含三个部分：PLCP(physical-layer convergence protocol)前导序列，PLCP帧头以及PSDU(physical-lay service data unit)物理层数据服务单元，如图1所示。PLCP前导序列第一部分为63位的m序列，第二部分为0101010101101101101101101，共27位的扩展序列。

图1　物理层数据帧结构Fig 1　Structure of physical-layer data frame

由于数据传输的突然性和信道噪声的影响，基带接收端必须首先进行分组检测，找到物理层数据格式的起始位置，并进行频率偏移纠正，最后恢复符号定时时钟以正确完成数据的解调。基带接收端模型如图2所示。63位前导m序列用于分组检测和频偏纠正，27位扩展序列用于符号定时同步。

图2　BAN基带接收模型Fig 2　Baseband receive model for BAN

2BAN基带接收算法

2.1联合分组检测与频偏纠正算法

常用的分组检测算法[7～10]有能量检测和双滑动窗口分组检测，前者算法检测，对信道衰落较为敏感；后者容易产生虚警。由于信道的时变性和衰落的影响，如采用固定的门限检测方案会使得检测概率减小或者虚警概率增加。本文采用基于数字匹配滤波器(DMF)的自适应门限检测算法[11，12]，如图3所示。图中，C为自适应门限，r为输入信号，u为输入信号相关后的归一化功率，R为输入信号相关前的归一化功率。由于输入信号经过π/2—DBPSK调制后信号的同相分支I与正交分支Q在任何时刻必有一个为0，另外一个为1或者-1。为消除差分调制的影响，需要设计具有不同相关结构的DMF来计算相关值。

图3　自适应门限分组检测算法Fig 3　Grouping detection algorithm adaptive threshold

文献[11]提出了自适应门限公式的相关推导，判决门限公式为：u=RC，当u>RC时，检测到突发通信，从而找到信号起始时刻;反之，当u

在存在多普勒频移或者收发端时钟频率不一致的情况下，系统的解调性能会因为频偏的存在而下降，因此,需要进行频偏纠正。接收端首先利用前导序列中的L=63位m序列完成频偏估计，然后利用估计结果对PSDU进行逐位补偿。

由于前导序列采用π/2—DBPSK调制，因此,接收端信号可表示为

rk=Akej(2πΔfTk+θk+φ)+nk

(1)

式中Ak为幅值，Δf为频率偏移量，T为样点周期，φ为初始相位，θk为π/2—DBPSK调制引起的相位变化。为分析方便，下文省略噪声项nk。

为了便于估计频率偏移f，首先需要去除数据样点的差分调制相位。设过采样倍数为K，并分别用Ik和Qk表示rk的实部和虚部。设本地m序列经π/2—DBPSK调制之后的信号为pl=il+jql，l=1,…,L，则去掉调制之后的信号可表示为

(2)

由于任意时刻输入的信号rk均与相同的本地信号运算，因此,可忽略下标k，将上式简化为

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

(3)

前导m序列经π/2—DBPSK调制后满足i2n=q2n-1=0,i2n=q2n-1=±1，n=1,2,…,31。

由式(3)可以获得如图4所示的相关器网格结构，并且图中所有的乘法均可取消或者转化为符号取反运算，适合硬件实现。

图4　相关器网格结构Fig 4　Trellis architecture of correlator

同时，将所有抽头输出求和即可完成分组检测算法中的相关算法。经过上述运算即可消除调制相位θk的影响，并对相隔为N的两个抽头输出共轭相乘可得

=AmAm-Nej2πΔfTN

(4)

进一步可得

(5)

利用上式即可求出频偏f，考虑到噪声的影响，单次估计结果具有较大误差，因此,可通过多次平均来降低噪声的影响。前导m序列长度为63，为使估计结果更加准确，取N=31，则可得

(6)

考虑到信道在短时间内不发生变化，因此,式(6)可化简为

(7)

由式(7)即可获得频率偏移的估计值Δf，并完成对后面扩展序列和PSDU的频率补偿。

2.2符号定时恢复

采用自适应门限的分组检测算法，能够获得数据帧的大致起始位置，但采用该信号来产生符号定时时钟，往往存在一定的偏差(小于过采样倍数K)，用于数据的解调和判决等效于信噪比的降低，因此,必须进行精确的符号定时恢复。如图5所示，为经过收端滤波器的数据符号样点，符号定时恢复即用来发现每个符号样点能量最大的位置。IEEE 802.15.6标准中PPDU前导序列中的27位扩展序列用于符号定时恢复。

图5　符号定时示意图Fig 5　Diagram of symbol timing

经过K倍过采样后，原序列变成了27K个样点。为消除噪声的影响，可对接收到的样点以K为周期，计算能量值并进行分段累加，然后在序列结束的位置对累加后的K个能量值进行比较，最大的位置即为符号定时时刻。如图6所示，27K个样点经过能量计算后逐个进入累加器，与K个寄存器里面的数值进行分段累加，累加结果分别存在K个寄存器中，最后比较各个累加器获得最大值的索引，再以索引为基础产生符号定时时钟完成数据的解调和判决。

图6　符号定时恢复Fig 6　Symbol timing recovery

3算法仿真与分析

为验证算法的性能，本文对上文设计的接收端方案进行了联合仿真。过采样倍数选为4倍，发送和接收成型滤波器采用平方根升余弦，阶数为41，滚降系数为0.5。由802.15.6标准物理层规范，前导序列采用π/2—DBPSK，符号速率为600 kbps。为更准确地考察频偏估计的性能，仿真时使用了理想的符号定时时钟进行解调和判决，并对解调后的数据做误码率统计。仿真过程中为评估频偏对系统性能的影响，分别选取600 Hz(符号速率的1/1 000)和 3 000 Hz(符号速率的1/200)频率偏移量，频率偏移估计间隔N取31。

由图7可以看出：在信噪比较低的情况下，频偏估计对系统性能没有提升，主要是因为噪声较大的情况下，频偏估计的结果也存在较大的误差。在频偏较小的情况下，由于采用了差分解调的方案，在有无频偏估计的情况下系统的性能基本没有差别，说明此时频偏纠正对BAN接收端基带核心算法系统性能贡献较小。随着信噪比的上升，在频偏较大的情况下，频偏纠正算法能够减少系统的误码率，在12 dB的情况下大约有1 dB的增益，并且有随着信噪比增加的趋势。

图7　有频偏情况下系统的误码率曲线Fig 7　BER curve for BAN with frequency offset

4结束语

本文基于802.15.6标准的物理层规范，设计了窄带模式下BAN物理层接收端的相关关键算法。首先基于63位的前导m序列，采用具有自适应门限的分组检测算法完成数据分组的检测与粗定时同步，并基于分组检测算法中的相关器实现了频率偏移的估计和纠正。为提高系统的解调性能，还利用前导部分的27位扩展序列进行了精确的符号定时恢复。最后进行了仿真和分析，验证了设计方案的合理性，显示出较好的系统性能。

参考文献:

[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] 吴玉成,陈宁,高珊.突发通信中的自适应门限信号检测方法[J].电子与信息学报,2007,29(12):43-46.

[12] 薛巍,向敬成,周治中.一种PN 码捕获的门限自适应估计方法[J].电子学报,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

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(61301124,61471075);重庆高校创新团队建设计划项目

中图分类号：TN 911.7

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)05—0124—04

作者简介:

李国权(1980-)，男，河南南阳人，博士研究生，副教授，研究方向为数字基带信号处理。

李第惠，通讯作者，E—mail:lidihui110@163.com。