适用于IEEE 802.15.4的非相干BPSK接收机*

张艳秋，林伟荣，马欣月，张高远

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023)

IEEE 802.15.4标准是ZigBee，WirelessHART等规范的基础[1]，描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。其最初工作在868/915 MHz、2.4 GHz的ISM频段上，数据传输速率最高可达250 kbps。低功耗、低成本的优点使它在数据采集、处理与分析，远程控制精作农业自动化、环境保护和监测等众多领域获得了广泛应用[2, 3]。

1 IEEE 802.15.4协议中的二进制相依键控调制

802.15.4协议在不同载波频段上采用调制方式和数据传输速率不同。如图1所示，在四个典型的频段总共提供48个信道：868 MHz频段1个信道，915 MHz频段10个信道，2 450 MHz频段16个信道，950 MHz频段21个信道。

图1 IEEE 802.15.4协议物理层四个频段基本特性图

在868/915/950-MHz频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。如图2所示，发送方首先将物理层数据协议单元(Physical-layer Protocol Data Unit, PPDU)的二进制数据差分编码，然后再将差分编码后的二进制比特位转换为长度为15的片序列，最后使用二进制相依键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)调制到信道上。

图2 物理层数据发送过程图

在图2当中，差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算。如表1所示，差分编码后的每个比特被转换为长度为15的片序列。扩频后的序列使用BPSK调制方式调制到载波上。如表2所示，物理层数据帧结构的第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。

表1 扩频映射方式图

表2 IEEE 802.15.4协议物理层帧结构图

帧起始分隔符(SFD)字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，表示为一个物理帧的开始，收发器接收完成前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。帧长度由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理层服务数据单元。

2 BPSK复基带非相干接收机

图3所示为现有技术中868/915/950-MHz频段现有的BPSK复基带非相干接收机[2,3]。

图3 IEEE 802.15.4协议868/915/950-MHz频段现有技术中典型的复基带非相干接收机图

2.1 检测过程步骤

图3所示的检测过程可具体概括为：

步骤一、利用32个比特的前导码提取频率偏移信息：

(1)

其中，J=32表示前导码的比特总数量，N表示扩频长度，N=15，1≤m≤J-1，0≤n≤N-1，p[n+Nm]表示前导码的第m个比特对应的第n个码片的信道接收值，η1表示所有的噪声项。

步骤二、对PSDU的信道接收数据进行比特级差分处理：

(2)

其中，r[n+Nm]表示PSDU的第m个比特对应的第n个码片的信道接收值，η2[m]表示所有的噪声项，E[m]表示发送的第m个比特数据。

步骤三、利用步骤一中提取的频偏偏移信息进行检测判决：

(3)

2.2 复基带非相干接收机的缺点

如上所述，现有的复基带非相干接收机的不足之处是：由于使用式(1)来提取频率偏移信息，用式(2)来对PSDU的信道接收数据进行差分处理，因此Y0和A0[m]中包含的频率偏移量都为ejNω0Tc。故在式(3)中必须先对Y0取共轭运算(即要将Y0中的有用信息ejNω0Tc变为e-jNω0Tc)后才能对A0[m]进行频率补偿。802.15.4网络MAC层采用循环冗余校验来判断传输帧的正确性，自动请求重传协议据此确定传输帧是否需要重传，而没有采用前向纠错机制。在信道条件较差时，同一数据帧可能经过多次重传才能成功接收，则对Y0取共轭运算也要进行多次。如果数据量巨大则多次重传所导致的大量共轭运算也将消耗可观的能量，这会降低能量供给匮乏的802.15.4网络的使用寿命。

3 低功耗非相干BPSK接收机设计

为了解决现有技术中的不足，本文提供一种适用于IEEE802.15.4的非相干BPSK接收机，具有低计算复杂度和高可靠性的特点。

3.1 方案基本原理

一种适用于IEEE802.15.4的非相干BPSK接收机，接收的数据帧由四个字节的前导码、一个字节的帧起始分隔符、一个字节的物理帧头和若干字节的物理层服务数据单元组成，其中前导码和帧起始分隔符分别用于进行数据的位同步和字节同步，物理帧头用于表征物理层数据服务单元的长度。首先，接收机对接收的数据帧的前导码进行处理，获取频率偏移信息；其次，根据帧起始分隔符和物理帧头定位物理层服务数据单元，对物理层服务数据单元进行处理以供检测判决使用；最后，借助从前导码提取的频率偏移信息对处理后的物理层数据服务单元进行检测判决。

3.2 具体步骤

3.2.1 工作模式一

工作模式一下的具体实现过程可以归纳为：

步骤一、接收机对接收的数据帧的前导码进行处理，获取频率偏移信息，前导码共四个字节，即32位，计算方法为：

步骤二、对物理层服务数据单元进行差分处理：

步骤三、根据步骤一中提取的频率偏移信息对步骤二中得到的A0[m]进行频率补偿后对物理层服务数据单元数据进行检测判决：

步骤四、检测结束后将接收到的物理层服务数据单元数据传送给MAC层。

3.2.2 工作模式二

工作模式二下的具体实现过程可以归纳为：

步骤一、收机对接收的数据帧的前导码进行处理，获取频率偏移信息，前导码共四个字节，即32位，计算方法为：

步骤二、对物理层服务数据单元进行差分处理：

步骤三、根据步骤一中提取的频率偏移信息对步骤二中得到的A0[m]进行频率补偿后对物理层服务数据单元数据进行检测判决：

4 仿真结果

对现有技术中的接收机及本文所述接收机的两种工作模式进行仿真，结果如图4所示。仿真中采用的载波频率为924 MHz，频率偏移为80 ppm，相位偏移θ在(0，2π]内服从均匀分布，PSDU的数据长度为20个字节，每个信噪比下至少采集3 000帧错误。由仿真结果可见，本文公布的接收机两种工作模式的检测性能与传统接收机完全相同。

图4 传统接收机和本文公布的接收机的检测性能比较图

5 结论

本文提出一种适用于IEEE802.15.4的非相干BPSK接收机。其具有更低的计算复杂度，而且相对于现有技术检测的性能不会发生降低，可靠性高，能够大大延长IEEE 802.15.4网络中终端节点的使用寿命。

[1] IEEE Std. 802.15.4-2011(Revision of IEEE Std 802.15.4-2006): IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Network-Part 15.4: Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)[M]. IEEE Press, New York, 2011.

[2] H. J. Jeon, T. Demeechai,W. G. Lee,et al.IEEE 802.15.4 BPSK Receiver Architecture Based on a New Efficient Dtection Scheme[J].IEEE Trans.Signal Proces,2010,58(9):4711-4719.

[3] S. Lee, H. Kwon, Y. Jung ,et al.Efficient non-coherent Demodulation Scheme for IEEE 802.15.4 LR-WPAN Systems[J].Electron Lett,2007,43(16):879-880.

[4] Zhang G Y, Wang D, Song L ,et al.Simple non-coherent Detection Scheme for IEEE 802.15.4 BPSK Receivers[J].Electron Lett,2017,53(9):628-629.

[5] Zhang G Y,Wen H,Wang L Y,et al.Simple Adaptive Single Differential Coherence Detection of BPSK Signals in IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Network[J].Sensors,2018,18(1):1-19.