[发明专利]无线传感网络中无线收发信机间通信的同步方法

说明书

技术领域

 本发明涉及无线传感网络，具体是无线收发信机之间通信的同步方法。

背景技术

无线传感网络（WSN）技术提供长时间、大范围、多位置点和大容量信息的将信息采集、通信和处理。无线传感网络由标签传感节点和主机节点（或称为簇节点、锚节点）组成，标签节点通过通信和网络技术将传感信息发送到主控点进行信息融合。一方面标签节点需要具备高效和实时的交互通信手段，另一方面也要求传感节点保持极低的功耗以保证长时间免维护的工作，并具备较小的体积和复杂度。

多数大规模WSN采用分层或簇结构，簇中的主控节点具有较强的通信和信息处理能力。传感标签节点主要完成信息采集的功能，工作在低功耗，甚至极低功耗的休眠状态下。要实现节点唤醒，以及与之交互通信，常规条件下需要每个标签节点具备完整的无线通信模块。只需簇节点发射功率的极低功耗无线被动式传感网络（WPSN）受到传感网络研究领域的青睐，通过主机射频功率激发，可以提供标签节点近距离最低限度的通信功率需要，但仍较难满度通信距离、交互通信、标签节点复杂度和对通信速率的要求。

载波捕获、位同步和网同步过程是完成无线传感网络数据通信的必要条件，同步的精度制约着信号检测的质量。当前WSN采用无线通信中惯用的接收机被动捕获的方法，其优点在于捕获速度快和同步精度好，但其缺点在于要求接收机具备可控时钟（例如数控振荡器NCO），或高速的信号采样和处理功能，这造成电路的复杂性和较高的功耗。

在该WSN技术领域中已经有较多的方法通过上层网络技术，例如最优化路由等，来降低传感节点的功耗。但这也同时带来交互信息多、路由选择处理复杂的问题。

发明内容

 本发明的目的在于从极低复杂度和功耗的物理层通信角度，提出一种有别于常规无线通信同步捕获机制的主机节点同步方法，并给出一种快速同步捕获的两步捕获算法。

考虑到WSN中大量标签传感节点并不需要高速同步捕获和通信，且为突发式小数据量通信，同时，WSN的簇节点（或称主机节点、锚节点）可无需过多考虑功耗和复杂度的问题，并具备完全的、常规的无线收发信机功能，就有较强的信号检测性能，而标签节点则相反。针对这种不平衡链路，本发明采用一种有反馈的主机同步方法来实现主机向标签节点的通信。

本发明的无线收发信机之间通信的同步方法，包括主机端和接收机端，以及无线收发装置，主机端设置可产生窄脉冲和具备能够精细分辨相位的波形信号的脉冲产生电路A，A之后连接射频放大和发射天线，在脉冲产生电路A之前依次连接着相位控制功能单元B与可进行顺序递增、顺序递减、固定或可变步长相位的搜索算法的相位步进搜索算法功能单元C，以及用以接收反馈确认信号的无线接收单元F；接收机端设置可进行相关或非相关脉冲信号检测和门限比较的鉴相器D及鉴相器D后连接的可通过无线链路将反馈确认信号发射出去的反馈电路E，反馈电路E中设置射频放大和发射天线。

其中，主机端是指具备较强通信和处理能力、以及较高能量配给的发射机、锚节点或基站；相位控制功能单元B是压控振荡器、可控延迟线或数控振荡器。 接收机端是指具有简单通信检测能力和调制发射能力的无线接收机、标签或传感节点；鉴相器D是匹配滤波器、差分检测器、包络检波器或能量检测装置。

搜索算法功能单元C采用两步搜索过程，第一步采用大脉冲宽度                                               进行粗同步，第二步在锁定的大脉冲宽度范围内，将脉冲宽度改为，，在范围内进行相同过程的捕获搜索。

设无线收发信机具有相同的脉冲信号周期和脉冲宽度。利用反馈式同步捕获的一般原理，例如锁相环，不同之处在于：在接收机端只利用鉴相器完成信号的鉴相功能，而将误差信号处理和周期脉冲相位调整转移到主机端（WSN的主机节点）来完成，鉴相信号的反馈通过无线传播，由主机端内的接收单元接收得以实现。只需保证较少的反馈，就能保证接收端机较小的功耗。

本发明的无线传感网络中无线收发信机之间通信的同步方法。在具体实施中可以采用多种周期脉冲调制信号，例如TH-PPM，PAM调制等。

本发明中提出的主机同步捕获基本原理和过程可用此迭代差分方程来说明。

为减小主机端同步捕获时间，本发明进一步提出两步主机捕获方法，其捕获过程与单步方法相同。第一步采用大脉冲宽度进行粗同步，第二步在锁定的大脉冲宽度范围内，将脉冲宽度改为，，在范围内进行相同过程的捕获搜索。采用两步捕获原理类似折半搜索，可以较大提高捕获速度，且对接收机端的复杂度增加很小。