强窄带干扰存在时IEEE 802.15.6协议下的同步算法

金彦亮, 王 雪, 罗雪涛, 聂 宏

(上海大学通信与信息工程学院, 上海 200444)

随着全社会对人体健康的关注度越来越高, 传统的医疗设备不断地受到挑战, 人们试图寻找更便捷的医疗设备和更方便的通信手段来监测健康.2012 年, IEEE 工作组提出了一种适用于无线个人体域网(wireless body area network, WBAN)通信的协议[1].无线个人体域网主要涉及一系列附着在人体表面或植入人体体内的传感器节点与其他体外设备之间的通信.由于每个传感器可以随身携带或植入人们的身体, 通过可穿戴数据采集设备就可以实现远程监控人体健康状态的目标[2].个人体域网通信协议主要使用符合医疗和通信监管机构的工业、科学和医疗(industrial, scientific and medical, ISM)频段和其他频段来进行工作, 同时要求传感器设备必须在非常低的发射功率下工作, 从而最大限度地降低对身体的特定吸收率并延长电池寿命.为了防止某些涉及病人隐私或者携带了敏感信息的通信数据的泄露, 该协议通过一些调制手段保证了较高的安全性.超宽带(ultra wideband, UWB)通信系统具有传输速率高、实现复杂度低等特点[3], 在短距离通信的应用方面吸引了越来越多学者的研究兴趣.

脉冲超宽带(impulse radio ultra-wideband, IR-UWB)通信系统面临的主要挑战是接收端信号的同步问题.由于极窄的发送信号脉冲(纳秒级)及密集多径的信道环境, IR-UWB 通信系统的同步过程将比通常的通信系统更加复杂[4-5].目前, IR-UWB 通信系统的同步领域已经取得了一些研究成果, 但同时也存在着一些问题.数据辅助延迟估计技术的同步方案[6-8], 由于其实现复杂, 故不适用于无线个人体域网[9].其他的一些算法则将同步问题作为信道估计的一部分.例如, Torturela 等[10]通过使用最小二乘法, 连续放宽全秩信道估计来找到稀疏信道估计.Carbonelli[11]提出寻找接收信号和本地模板之间的最小欧几里德距离, 且要求很高的采样率来满足2 维搜索算法的精度, 并且由于该过程都是数字的, 因此需要非常快的基于蚁群算法的去中心化(ant delete center, ADC)协议.Chougrani 等[12]提出了严格针对IEEE 802.15.6 协议的同步算法, 该同步算法主要基于帧同步头序列的特点, 利用序列脉冲间不同的时间间隔来实现同步.Kang 等[13]在该协议的基础上, 对发送符号物理层的同步头内容做了改变, 因此并不严格遵守该协议.

本工作研究了IEEE 802.15.6 协议下IR-UWB 通信系统的发送机和接收机方案, 提出了一种针对该协议的同步算法.本算法基于IEEE 802.15.6 协议中物理层帧同步头的结构, 提出了滑动窗口和积分乘法的思想.另外, 本工作在加性高斯白噪声信道和多径信道下进行了系统仿真, 分析了信噪比(signal noise ratio, SNR)和信干噪比(signal interference ratio, SIR)不同时算法的同步性能.

1 系统模型

根据IEEE 802.15.6 协议[1], 发送端物理层的帧结构由级联的同步头(synchronization header, SHR)、物理层帧头(physical header, PHR)和物理层服务数据单元(physical sublayer service data unit, PSDU)组成(见图1).根据协议中规定的发送顺序, 由前导码和帧起始分割符组成的同步头部分首先被发送; 接下来, 由24 个比特组成的物理层头和承载着发送信息的物理层数据服务单元再被发送.物理层头中的比特信息主要描述了物理层数据服务单元的信息传输速率和数据域的帧长度等参数信息.为了保证物理层头比特信息的正确性, 待发送数据分别通过了循环冗余校验和BCH(40, 28)的编码器.

图1 UWB 物理层帧结构Fig.1 Physical layer frame structure of UWB

在发送数据时, 物理层的数据服务单元先被存储在TX FIFO[11]中; 之后, 这些比特数据会依次经过扰码器、BCH 编码器、比特填充和比特交织块, 通过这一系列的操作来提高整个通信系统的鲁棒性.

1.1 脉冲波形

根据IEEE 802.15.6 协议, 发送的波形w(t)可以是单脉冲或者多脉冲串联的形式,

式中:Ncpb为大于等于1 的整数;Tp为单脉冲p(t)的持续时间;Tw为脉冲波形持续时间.为了减少发送连续相同极性的脉冲而引起的频谱尖端问题, 发送信号需要经过静态扰码或者动态扰码来改变频谱的波形.IEEE 802.15.6 协议中物理层帧的同步头部分采用静态扰码连续脉冲波形:

静态扰码序列中Ncpb和si的关系如表1 所示.

表1 静态扰码序列Table 1 Static scrambling sequence

根据802.15.6 协议, IEEE 工作组推荐了3 种发送单脉冲波形, 分别是短脉冲信号、混沌信号和啁啾信号, 但不强制使用.但是, 脉冲的持续时间和发送频率必须符合IEEE 802.1.5.6工作组针对物理层帧数据提出的限制要求.此外, 脉冲形状必须满足发射频谱掩模条件.

采用短脉冲信号波形作为IR-UWB 的脉冲, 脉冲r(t)表示为

根据协议, 式(3)中的滚降因子β= 0.5,T为1/499.2 MHz.图2 为中心频率为3 993.6 MHz时短脉冲信号的功率谱密度(power spectral density, PSD).由图2 可以看出, 表示功率谱密度的曲线完全被表示频谱发射掩模的曲线包围, 表明该协议下的频谱发射符合掩模标准.

图2 中心频率为3 993.6 MHz 时短脉冲信号的功率谱密度Fig.2 PSD of the short pulse centered at 3 993.6 MHz

1.2 同步头

根据IEEE 802.15.6 协议, 同步头由前导码和帧起始分隔符两部分组成: 第一部分主要负责定时同步、分组检测和载波频率偏移恢复; 第二部分是帧同步的起始分割符.

同步头由4 个相同的Si和1 个组成.Si是由Kasami 序列(见表2)通过填充L −1 个0组成的.如表2 所示, 这里有8 种可选的Kasami 序列.这些Kasami 序列被分为2 组, 当选用奇数号的物理通信信道时, 只能选用C1到C4的序列; 当选用偶数号的物理通信信道时, 只能选用C5到C8的序列.图3 为Kasami 序列组成的符号结构, 其中0 的填充周期是LTw.帧起始分隔符(start frame delimiter, SFD)为, 这样的SFD 组成结构与前导码具有比较低的互相关性, 使得从前导码到SFD 的相关性的转变不会降低SFD 的检测性能.

图3 Kasami 序列组成的符号结构Fig.3 Construction of synchronization symbols from a Kasami sequence

表2 8 个Kasami 序列Table 2 Eight Kasami sequences

1.3 SHR 的调制

本工作中Kasami 序列的一个元素的周期LTw为128 ns, 对于Kasami 序列中的每一个元素, 都以持续时间Tw为8 ns,L为16 的脉冲波形进行发送.由于采用脉冲簇的方式, 因此选用了Ncpb为4 时对应的静态扰码序列(见表1).

2 同步算法

文献[12]的算法主要利用了同步头中脉冲之间时间距离的不同.在IEEE 802.15.6 标准下, UWB物理帧的同步头由Kasami 序列组成, 且有8 种可选的Kasami 序列.这里以第四个Kasami 序列C4为例介绍该算法的原理.当发送该序列时, 将在第一个时隙发送脉冲, 接下来的3 个时隙不发送任何内容; 然后, 再在新时隙发送一个脉冲.在接收方, 意味着前2 个脉冲之间存在4 个时间间隔.整个序列每前后2 个脉冲之间的时间间隔DC4如图4 所示.

图4 Kasami 序列C4 表示Fig.4 Representation for Kasami sequence C4

同步算法主要是基于时间间隔和状态机来实现的.基于时间间隔的先验信息再结合状态机, 可以来检查接收符号和预期符号之间的相关性.当接收端接收到脉冲时, 时间计数器被复位, 并且当接受下一个脉冲时, 其值变为2 个脉冲之间的间隔时间.这是可能的, 因为传输过程在802.15.6 IR-UWB PHY 中是分时隙的, 并且在接收到的时隙持续时间内没有足够能量意味着没有脉冲到来.

根据IEEE 802.15.6 协议中帧同步头的结构组成, 提出一种新的同步算法.帧同步头部分包括符号Si的4 次重复和Si的反转.对于Si, 可以选择任意一组Kasami 序列, 每个序列包含长度为63 的比特串; 在确认Kasami 序列之后, 在每个Ci之后附加值为0 的15 个比特以形成完整的符号Si; 最后利用同步头执行接收信号的同步.

基于对Si序列的先验知识, 可以使用8 组不同的模板来收集接收信号的能量.8 组模板分别对应于8 组Kasami 序列, 且模板长度等于Si符号的长度(见图5).通过检测接收信号, 对其进行平方积分, 而后与本地的模板进行相关, 取得最终结果.上述过程表示为

图5 基于IEEE 802.15.6 同步头的同步算法过程Fig.5 Synchronization process based on the SHR of IEEEE 802.15.6

式中:Ri(i= 1,2,···,8)分别代表第i个模板和接收信号的积分结果;y(t) 代表接收信号;Mij(i= 1,2,···,8,j= 1,2,···,63)代表本地模板,i代表第i个模板,j表示这个模板中的第j个元素;T表示积分时间;t0是积分起点,t0=kTs,Ts为积分滑动步长;D=LTw, 表示Kasami 序列中每个元素的时间跨度.

考虑到同步头由5 个符号构成, 可以充分利用该特性来提高同步的精度, 因此在5 个符号长度内进行积分求和.前4 个符号按模板进行相乘积分相加, 因为第五个符号是序列取反, 所以将模板取反后再积分相加, 故式(4)可以改写为

一般情况下, 式(5)和(6)中的Q设为4.然而在实际系统中, 当接收信号已经到达时, 接收机可能还没有做好相应的准备, 比如可能正在进行自动增益控制调整等, 这将会导致同步头序列不能被完整接收.在这种情况下, 接收机可能会丢失几个符号, 这时如果Q取4, 就会引进很多无效的噪声信号, 增大算法误差, 因此Q取值过大会导致同步的成功率降低.Q的取值一般按实际情况来设置, 可以设置为1, 2, 3, 4 中任意一个数值.归一化后的积分表达式为

如果模板的起点和接收信号的同步头起点对齐, 且模板和接收信号使用的是同一个Kasami 序列, 那么在整个滑动积分相乘的过程中, 将会有一个峰值出现, 该峰值出现的时刻即对应接收信号同步头的起始时刻, 也即同步捕获成功.

在实际操作时, 首先需要确定一个阈值, 然后把在Q个符号上的积分结果和阈值作对比.如果大于阈值, 则判决相位正确, 同步捕获成功; 否则, 可以将积分起点滑动一个积分步长的距离, 滑动步长可以灵活设定, 再进行同步检测.

3 仿真结果

本工作分别在加性高斯白噪声信道和CM4 信道下进行同步算法的仿真.由于CM4 为多径信道, 因此接收端的接收信号中存在着大量的码间干扰.每个信道模型下的仿真参数设置如表3 所示, 均严格遵守802.15.6 协议.

表3 仿真参数设置Table 3 Simulation parameter setting

根据上述分析可知, 算法的执行过程中会出现一个峰值.因此, 设置合适的阈值来检测同步点很重要.在滑动过程中, 一旦积分值超过该阈值, 相应的时间就是同步点的时间.

图6(a)∼(c)为当SNR 相同、SIR 不同时同步算法的仿真结果.对比可以看出, 不同的SIR对峰值的影响很小, 表明同步算法在强窄带干扰条件下仍有较好的适用性.从图6(f)可以看出, 在Ci ̸=Mi(同步头和模板不匹配)的情况下, 振幅有很多峰值, 表明算法不起作用.

当SNR 为15 dB 时, 一旦归一化后的积分值超过0.35, 就可以检测到同步点, 此时的阈值可以设置为0.35 以上.结合图6(a)和(d), 如果阈值设置为0.35, 则当SNR 为10 dB 时不能捕获同步.因此, 阈值的设置要考虑SNR 的大小.在当前系统中, 当阈值为0.35 时, 除去SNR低于15 dB 的情况, 系统整体表现最佳.图6(e)表明: 同步的搜索时间受到积分步长值的影响,当积分步长从1 变为2 ns 时, 系统的搜索时间减少到原始时间的一半; 同时, 步长越大同步的精度越低.

图6 同步算法输出结果Fig.6 The output of slide multiply and integral of the algorithm

图7 为强窄带干扰存在时(SIR 为−3 dB) 不同采样率下的高斯和多径信道中同步算法的平均同步误差(假设已经设定适当阈值).从图7 可以看出, 加性高斯白噪声信道下的同步误差明显小于CM4 多径通道, 这是因为多径信道的每一次信道实现中, 每一条路径的信号能量都会变化, 进而影响接受信号的能量分布, 从而影响同步的精度与性能, 但2 种信道模式下其同步误差都远小于一个符号的长度128 ns.对比2 种不同采样率下的同步结果, 可以看出采样率的高低对同步的性能影响微小.

图7 802.15.6 IR-UWB 系统中不同信噪比下的同步误差Fig.7 MSE vs.SNR in 802.15.6 IR-UWB system

同步成功率是指在接收信号和本地同步模板相匹配的情况下, 算法可以成功检测到同步头的概率.图8 为滑动积分相乘算法和文献[12]中算法的同步成功率, 每一个信噪比所对应的同步成功率都是经过1 000 次信道实现得出的.由图8 可以看出, 本算法的同步成功率比文献[12]中的算法有所改进.

图8 CM4 信道下本算法和对比算法不同信噪比对应的同步成功率Fig.8 Synchronization success rates of the proposed algorithm and the reference algorithm under CM4 channel

4 结束语

本工作主要研究了IEEE 802.15.6 协议下强窄带干扰存在时的IR-UWB 系统的同步问题,通过应用IEEE 802.15.6 标准中特定的物理层同步头(8 组Kasami 序列) 提出了一种新型的滑动积分相乘算法.通过和文献[12]中的算法对比发现, 本算法可以实现更高的同步成功率.在本算法中, 阈值可以被设置成一个合适的变量, 积分步长也可以在仿真时被灵活设置, 采样率的不同本算法同步性能的影响微小.