适用于无线传感器网络的低复杂度非相干OQPSK接收机*

常莉莉，王喜月，张萌，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，特别适用于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)。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250kbps。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协议中的偏移四相相移键控调制

802.15.4协议在不同载波频段上采用不同的调制方式，从而得到不同的数据传输速率。如图1所示，在开放授权的2.4GHz频段上共有16个数据传输信道，采用数据传输速率更高的偏移四相相移键控(Offset Quadrature Phase Shift Keying Binary Phase Shift Keying, OQPSK)调制方式。发送方首先将物理层数据协议单元(Physical-layer Protocol Data Unit, PPDU)的二进制数据序列进行每四个比特的分组，然后按照映射关系进行扩频调制，最后使用OQPSK进行射频调制后将已调信号发送至信道[1]。具体实现过程如图2所示。

图1 IEEE 802.15.4协议物理层四个频段基本特性图

图2 OQPSK物理层数据发送过程图

传统研究成果多集中在二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)调制的非相干检测方案上[2-5]，本文则重点研究数据传输速率更高的OQPSK调制检测方案，以适应无线传感器网络日益增长的数据传输速率需求。

2 传统复基带非相干接收机的不足

文献[6]给出一种非相干OQPSK接收机。该接收机采用“先进行载波频偏影响估计/补偿，再进行检测”的启发式研究思路。但在其载波频偏影响估计过程中涉及复杂的正切和余切等非线性运算，功耗较大，不适用于能耗和存储空间都严格受限的传感器节点。

3 低功耗非相干OQPSK接收机设计

为了解决现有技术的不足，本文提供一种适用于基于IEEE802.15.4 OQPSK物理层的无线传感器网络接收机，该接收机具有低计算复杂度和高可靠性的特点。

按照文献[6]给出系统模型，该接收机的具体实现过程为：

步骤一、接收机对接收的数据帧前导码对应的采样值进行处理，获取频率偏移信息，前导码共包含四个字节，即32个比特。具体计算方法为：

(1)

其中，r(k)=s(k)ej(ω0kTc+θ)+η(k)表示复基带采样信号，s(k)为待检测的发送数据，ω0和θ分别为频率偏移和相位偏移，在整个数据帧中保持不变，Tc表示扩频码码片周期，η(k)表示复加性高斯白噪声。

步骤二、根据步骤一中计算得到的Y提取频偏影响信息Nω0Tc。传统提取方案中涉及正弦和余弦运算，实现复杂度较高。本论文考虑文献[4]中的计算方法，具体过程为：

(2)

由公式(2)可知，该提取方案只涉及简单的除法和加法运算，实现复杂度大大降低。

步骤三、根据步骤二中提取的频率偏移信息对物理层协议数据单元对应的接收值进行补偿，然后再采用文献[6]给出的非相干检测方案进行检测。

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。

图3中给出从信号产生到数据检测的整个系统框架结构图。

图3 数据传输系统框图

4 仿真结果与分析

对文献[6]给出的非相干接收机和本文所述的低复杂度接收机进行检测性能仿真对比，具体仿真结果如图4所示。在图4的仿真结果中，信道载波频率处于2.4GH频段，频率偏移处于+80 ppm和-80 ppm之间，服从对称三角分布，相位偏移θ在(0,2π)内服从均匀分布，物理层协议数据单元的数据长度为30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，传统接收机和本文提出的接收机在检测性能上基本没有差异，但实现复杂度却得到大大降低。

图4 传统接收机和本文公布接收机的性能比较

5 结论

本文提出一种适用于IEEE802.15.4的低复杂度非相干OQPSK接收机。相对于现有检测技术，其实现更加简单，但检测的性能基本不会降低，可靠性高，能够在保证可靠性需求的前提下，较大程度地提高无线传感器网络终端节点的使用寿命，特别适用于高速数据传输速率的场景需求。