CN103716810A - 检测ieee802.15.4 2.4g信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及检测IEEE802.15.42.4G信号的方法，在一个时间长度为64个码片周期的时间窗口期间内开启前段接收模块并采样，采样数据经过鉴频处理依次移位存入接收机中特定的移位寄存器中，移位寄存器充满后关闭前端接收模块并保持寄存器中的所有数据；采用8个长度为31的FIR滤波器对寄存器中存储的数据进行滑动相关运算；对滑动相关运算的结果进行统计和比较并得出信号中是否含有IEEE802.15.42.4G信号的判断结果。使用采集并存储少量信号样本并采取离线（非实时）处理分析的方法来快速可靠地并低功耗地来检测IEEE802.15.42.4G信号是否存在于当前的接收信号中。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测当前信号中是否存在符合IEEE 802.15.4 2.4G标准信号的方法，属于无线局域网传输技术领域。
背景技术
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee的基础是IEEE 802．15．4，这是IEEE无线个人局域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE 802．15．4(ZigBee)技术标准。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802．15．4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了数据链路层（DLL）、网络层（NWK）和应用编程接口（APl）规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。ZigBee技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中的应用，同时还支持地理定位功能。ZigBee具有很广阔的应用前景。
ZigBee的器件的低复杂度、低功耗、低成本特点无疑是其能够广泛应用的优势之一，但是其低数据速率双向通信的特性又成为了他在可以预见的得到的未来的应用中的一个制约其发展的关键因素，IEEE组织也意识到了这一点，并在其后的补充版本的规范中陆续增加了提高数据率的调制方式（如IEEE 802.15.4a-2007 中的2450MHz chirp spread spectrum PHY）作为可选择的补充，但是新增的调制方式与之前广泛使用的调制技术存在很大差异，因此无法做到有效的兼容之前的标准，这就带来了复杂度和成本的急剧提高和功耗的响应增大从而牺牲其原有的优势。如何能够提高其频谱利用率同时维持现有复杂度的成本成为业界目前的一个备受关注的通信领域绿色科技热点。
ZigBee物理层发送/接收，在IEEE 802.15.4-2006的物理层规范中，half sine O-QPSK和16-ary Orthogonal DSSS的组合成为在868/915/2450MHz上都使用的调制方式。根据使用的DSSS扩频序列的长度和码片速率的不同分别支持100kb/s和250kb/s的数据速率。以2450MHz物理层规范为例，IEEE 802.15.4-2006对其调制方式做了如下的规定： 2450MHz物理层调制和扩频可以分为如下几个步骤：1）比特到符号映射（Bit-to-symbol mapping），将上一层需要传输的数据按照每4个比特一组映射为一个符号；2）符号到码片映射 （Symbol-to-chip mapping），将16个可能的符号映射为16个长度为32bit的码片序列；3）Q-QPSK调制（O-QPSK modulation），将每个码片序列对应下图映射到I-phase和Q-phase两个正交的坐标上，每一对I/Q值对应一个码片的星座点，Tc为码片周期；4）Half-sine 成型，half sine O-QPSK和16-ary Orthogonal DSSS之所以在ZigBee中能成为一种主导的调制技术是因为其本身的特点适用于ZigBee的应用环境。可以看出Half sine O-QPSK的信号在复平面上其轨迹严格落在在单位圆上，这说明其时域信号包络为恒定的。这个特性是由于O-QPSK信号的I和Q分量不会同时穿过零点，这对于射频功放的功率利用率帮助，同时也降低了对射频器件的线性度的要求，等效于降低了实现复杂度。使得ZiBee使用简单低成本低功耗的设计成为了可能。16-ary Orthogonal DSSS的应用带来了9dB以上的信噪比性能增益，对于降低信道中噪声和各种干扰的影响以及信道中的多径传播影响以及提高接收灵敏度都有积极的作用。
为了提高通信的有效性IEEE 802.15.4 2.4G通信标准引入了scma机制来避免多个设备在公用信道是有可能产生的碰撞，该机制对于物理层的要求主要在于如何快速有效的判断当前的信道中是否存在别的IEEE 802.15.4 2.4G通信标准信号。如果能改进这个判别方法则对提高***通信有效性和降低平均功耗有积极的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种快速准确判断当前信号中是否存在IEEE 802.15.4 2.4G通信标准信号的方法 。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
检测IEEE802.15.4 2.4G信号的方法，包括以下步骤：
1）在一个时间长度为64个码片周期的时间窗口期间内开启前段接收模块并采样，采样数据经过鉴频处理依次移位存入接收机中特定的移位寄存器中，移位寄存器充满后关闭前端接收模块并保持寄存器中的所有数据；
2）采用8个长度为31的FIR滤波器对寄存器中存储的数据进行滑动相关运算；
3）对滑动相关运算的结果进行统计和比较并得出信号中是否含有IEEE802.15.4 2.4G信号的判断结果。
进一步地，上述的检测IEEE802.15.4 2.4G信号的方法，包括以下步骤：
1）MAC给物理层发出做CCA的请求后，物理层使射频前端模块和ADC处于活动状态中，同时开启检测模块并保持64个码片周期以上保证深度为63个码片的移位寄存器内依次存满鉴频器的输出数据序列之后关闭射频模块和ADC并保持该寄存器中的所有数据；
2）对存储器中的存储的数据进行处理，将存储器中存储的最早的31个码片的鉴频值作为一个31抽头FIR滤波器的抽头值，分别与8组31个抽头系数{c(k,n)}进行内积运算得到8个结果，其中，k=1,2,…,31分别代表抽头序号，而n=1:8代表8组不同的系数；
{c(1:31,1)} ={ -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1};
{c(1:31,2)} ={-1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1};
{c(1:31,3)} ={-1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1};
{c(1:31,4)} ={-1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1};
{c(1:31,5)} ={1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1};
{c(1:31,6)} ={-1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1};
{c(1:31,7)} ={-1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1};
{c(1:31,8)} ={1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1}；
3）将8个运算结果的最大幅度缓存下来并记为corr(1)；接下来将存储器中的数据进行移位，使得31个抽头值移位更新并重复与8组31个抽头系数进行内积运算并得到一个新的最大幅度corr(2)，将这个新的最大幅度与前一步得到的最大幅度corr(1)进行比较，保留并缓存两者中较大的值；以此类推不断重复直到进行了32次移位后观察此时得到的最大幅度值，如果该值大于一个预设门限，则表明当前接收信号中含有符合IEEE 802.15.4 2.4G标准的信号，反之则无。
更进一步地，上述的检测IEEE802.15.4 2.4G信号的方法，复用移位寄存器资源，构成8个平行的FIR滤波器，其中8个FIR滤波器的系数来自于IEEE 802.15.4 2.4G物理层规范中定义的符号中的扩频码序列；连续观察在63个码片周期内的8个FIR输出的绝对值的最大值，如果最大值超过预定门限则认为检测到符合IEEE 802.15.4 2.4G物理层规范的载波信号。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明方法在检测时无需启动所有接收接电路通过尝试是否能接收到完整的符合IEEE802.15.4 2.4G规范的物理帧的方法来确定是否存在该载波信号，而是仅仅在一个很短的时隙独立开启有限的检测电路部分，只占完整接收电路的很小一部分，以一个很小的功耗来可靠检测是否存在IEEE 802.15.4 2.4G通信标准信号；
②本发明方法比传统方法检测速度快，无需等待超过一个IEEE 802.15.4 2.4G通信标准物理帧的时间来产生判断结果，仅仅需要最短2个IEEE 802.15.4 2.4G通信标准符号的时间长度即可得到判定的结果；
③无明显额外芯片复杂度增加，由于检测电路部分和剩余接收电路不会同时启动，因此检测电路部分使用的存储单元以及运算单元全部复用接收电路部分，只需增加少量控制逻辑，因此芯片面积增加几乎可以忽略不计。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：ZigBee接收的示意图；
图2：ZigBee信号检测示意图。
具体实施方式
本发明检测IEEE802.15.4 2.4G信号的方法，在一个时间长度为64个码片周期的时间窗口期间内开启前段接收模块并采样，采样数据经过鉴频处理依次移位存入接收机中特定的移位寄存器中，移位寄存器充满后关闭前端接收模块并保持寄存器中的所有数据；采用8个长度为31的FIR滤波器对寄存器中存储的数据进行滑动相关运算；对滑动相关运算的结果进行统计和比较并得出信号中是否含有IEEE802.15.4 2.4G信号的判断结果。
如图1、图2所示，具体步骤为：
1）MAC给物理层发出做CCA的请求后，物理层使射频前端模块和ADC处于活动状态中，同时开启检测模块并保持64个码片周期以上保证深度为63个码片的移位寄存器内依次存满鉴频器的输出数据序列之后关闭射频模块和ADC并保持该寄存器中的所有数据；
2）对存储器中的存储的数据进行处理，将存储器中存储的最早的31个码片的鉴频值作为一个31抽头FIR滤波器的抽头值，分别与8组31个抽头系数{c(k,n)}进行内积运算得到8个结果，其中，k=1,2,…,31分别代表抽头序号，而n=1:8代表8组不同的系数；
{c(1:31,1)} ={ -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1};
{c(1:31,2)} ={-1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1};
{c(1:31,3)} ={-1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1};
{c(1:31,4)} ={-1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1};
{c(1:31,5)} ={1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1};
{c(1:31,6)} ={-1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1};
{c(1:31,7)} ={-1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1};
{c(1:31,8)} ={1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1}；
3）将8个运算结果的最大幅度缓存下来并记为corr(1)；接下来将存储器中的数据进行移位，使得31个抽头值移位更新并重复与8组31个抽头系数进行内积运算并得到一个新的最大幅度corr(2)，将这个新的最大幅度与前一步得到的最大幅度corr(1)进行比较，保留并缓存两者中较大的值；以此类推不断重复直到进行了32次移位后观察此时得到的最大幅度值，如果该值大于一个预设门限，则表明当前接收信号中含有符合IEEE 802.15.4 2.4G标准的信号，反之则无。
综上所述，本发明使用采集并存储少量信号样本并采取离线（非实时）处理分析的方法来快速可靠地并低功耗地来检测IEEE 802.15.4 2.4G信号是否存在于当前的接收信号中，而且该方法对接收机的复杂度无明显增加。该方法同样适用于IEEE 802.15.4 868/915MHz PHY (O-QPSK)，其区别是移位寄存器深度从63码片减少为31码片，同时8组FIR系数从31个减少为15个。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.检测IEEE802.15.4 2.4G信号的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在一个时间长度为64个码片周期的时间窗口期间内开启前段接收模块并采样，采样数据经过鉴频处理依次移位存入接收机中特定的移位寄存器中，移位寄存器充满后关闭前端接收模块并保持寄存器中的所有数据；
2）采用8个长度为31的FIR滤波器对寄存器中存储的数据进行滑动相关运算；
3）对滑动相关运算的结果进行统计和比较并得出信号中是否含有IEEE802.15.4 2.4G信号的判断结果。
2.根据权利要求1所述的检测IEEE802.15.4 2.4G信号的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）MAC给物理层发出做CCA的请求后，物理层使射频前端模块和ADC处于活动状态中，同时开启检测模块并保持64个码片周期以上保证深度为63个码片的移位寄存器内依次存满鉴频器的输出数据序列之后关闭射频模块和ADC并保持该寄存器中的所有数据；
2）对存储器中的存储的数据进行处理，将存储器中存储的最早的31个码片的鉴频值作为一个31抽头FIR滤波器的抽头值，分别与8组31个抽头系数{c(k,n)}进行内积运算得到8个结果，其中，k=1,2,…,31分别代表抽头序号，而n=1:8代表8组不同的系数；
{c(1:31,1)} ={ -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1};
{c(1:31,2)} ={-1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1};
{c(1:31,3)} ={-1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1};
{c(1:31,4)} ={-1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1};
{c(1:31,5)} ={1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1};
{c(1:31,6)} ={-1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1};
{c(1:31,7)} ={-1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1};
{c(1:31,8)} ={1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1}；
3）将8个运算结果的最大幅度缓存下来并记为corr(1)；接下来将存储器中的数据进行移位，使得31个抽头值移位更新并重复与8组31个抽头系数进行内积运算并得到一个新的最大幅度corr(2)，将这个新的最大幅度与前一步得到的最大幅度corr(1)进行比较，保留并缓存两者中较大的值；以此类推不断重复直到进行了32次移位后观察此时得到的最大幅度值，如果该值大于一个预设门限，则表明当前接收信号中含有符合IEEE 802.15.42.4G标准的信号，反之则无。
3.根据权利要求1所述的检测IEEE802.15.4 2.4G信号的方法，其特征在于：复用移位寄存器资源，构成8个平行的FIR滤波器，其中8个FIR滤波器的系数来自于IEEE 802.15.4 2.4G物理层规范中定义的符号中的扩频码序列；连续观察在63个码片周期内的8个FIR输出的绝对值的最大值，如果最大值超过预定门限则认为检测到符合IEEE 802.15.4 2.4G物理层规范的载波信号。
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