一種穩(wěn)健的水下通信節(jié)點(diǎn)喚醒信號(hào)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水下通信領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種穩(wěn)健的水下通信節(jié)點(diǎn)喚醒信號(hào)檢測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)按其功能主要分為水下數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和水下數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò) 兩種類型。運(yùn)些網(wǎng)絡(luò)由各種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，包括各種浮/潛標(biāo)等固定的通信或網(wǎng)關(guān)節(jié) 點(diǎn)，W及UUV或水面艦船等各種移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。固定的通信或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)期在水下執(zhí)行監(jiān)測(cè) 和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，因此只能靠電池供電，尤其是布放在遠(yuǎn)海的節(jié)點(diǎn)電池更不易更新和維護(hù)， 因此降低功耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，是水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的前提。
[0003] 目前降低水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗最常用的辦法是采用值班機(jī)制，即節(jié)點(diǎn)不工作時(shí)進(jìn)入 休眠狀態(tài)，W便降低不必要的能量損耗，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要工作時(shí)，通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或者岸基發(fā)射喚 醒信號(hào)，使節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。發(fā)射喚醒信號(hào)的主控節(jié)點(diǎn)位于岸基或者艦船等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上， 不需考慮能量損耗。水下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)，只有電源模塊保持值班狀態(tài)，隨時(shí)監(jiān)聽主控 節(jié)點(diǎn)發(fā)射的喚醒信號(hào)，其他部分不工作。當(dāng)檢測(cè)到喚醒信號(hào)后，電源管理模塊給整個(gè)節(jié)點(diǎn)上 電，使節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入全速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)；當(dāng)工作完畢后，節(jié)點(diǎn)告知電源管理模塊切斷電源，節(jié) 點(diǎn)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。為了盡量減少能量消耗，電源管理模塊常采用W超低功耗處理器為 核屯、的處理電路，然而，低功耗處理器的性能較差，很難完成較復(fù)雜的信號(hào)檢測(cè)算法。
[0004] 目前的檢測(cè)算法，常采用頻率檢測(cè)的方法，采用固定闊值或者按照一定規(guī)則的浮 動(dòng)闊值判斷是否是喚醒信號(hào)。其主要缺點(diǎn)是:一是頻率分辨率較低，相近頻率干擾時(shí)，虛警 顯著提高;二是對(duì)環(huán)境噪聲的自適應(yīng)的能力較差，當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，采用的闊值規(guī)則往往需重 新調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的是提供一種具有頻率分辨率高的、抗相近頻率干擾的能力強(qiáng)的，一 種穩(wěn)健的水下通信節(jié)點(diǎn)喚醒信號(hào)檢測(cè)方法。
[0006] -種穩(wěn)健的水下通信節(jié)點(diǎn)喚醒信號(hào)檢測(cè)方法，包括W下步驟，
[0007] 步驟一:發(fā)射機(jī)發(fā)射喚醒信號(hào)： 若.
[000引 =之.4; sin(2鴻O k：=\
[0009] 其中，K為喚醒信號(hào)中頻率的個(gè)數(shù)，Ak為對(duì)應(yīng)頻率分量的幅度，Af k=fku-fk頻率間 隔；
[0010] 接收機(jī)接收信號(hào)，得到節(jié)點(diǎn)輸入的信號(hào)為： K
[0011] '、.(/)二,叫/*) + "(/*)=之4 sin(2如/* + 娩)+ "") i=l
[001引其中n(t)為噪聲，s(t)為輸入節(jié)點(diǎn)的喚醒信號(hào)，A^k和分別為經(jīng)過(guò)發(fā)射機(jī)、水聲 信道和接收機(jī)后的信號(hào)分量的頻率和幅度；
[0013]步驟二:對(duì)節(jié)點(diǎn)輸入信號(hào)按照采樣頻率fs進(jìn)行采樣，得到信號(hào)x(n)，n=l，…N，對(duì)X (n)作單位圓上的CZT變換，變換的頻率點(diǎn)數(shù)為r = 0, Ir-M-I;
[0018] 上述單位圓上的CZT變換公式中，^ = 則：
，時(shí)為變換的下限頻率，fo化，A f為變換的頻率分辨率，f 0+M Af〉fK;
[0021 ]步驟=:首先從CZT變換的結(jié)果中捜索K個(gè)最大的極值，按照對(duì)應(yīng)的頻率大小排序， 如果各頻率分量之間的相對(duì)頻率間隔和相對(duì)幅度關(guān)系保持不變，則判斷為是喚醒信號(hào)，否 則不是；即： 「00221 f|4戰(zhàn)+l:)-/m*|/4/；sl，并且4"闕/4"*。4+,/4，& = ：l.w-l Hl 1 否則 H。
[0023] 其中， ,1 fH。 非喚醒信號(hào)
[0024] Ih,是喚醒信號(hào)；
[0025] 步驟四：當(dāng)信號(hào)判定為喚醒信號(hào)后，電源管理模塊給整個(gè)通信節(jié)點(diǎn)上電，使節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn) 入工作狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)工作完畢后，節(jié)點(diǎn)告知電源管理模塊切斷電源，使節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)； 如果不是喚醒信號(hào)，對(duì)下一帖數(shù)據(jù)重復(fù)步驟一到步驟四的操作。
[0026] 本發(fā)明一種穩(wěn)健的水下通信節(jié)點(diǎn)喚醒信號(hào)檢測(cè)方法，還可W包括：
[0027] 喚醒信號(hào)為雙頻或多個(gè)頻率，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N和變換的點(diǎn)數(shù)M滿足條件L含N+M-1，且L為 2的整數(shù)次幕。
[002引有益效果：
[0029]本發(fā)明是一種新的?？谟糜谒聼o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)喚醒信號(hào)檢測(cè)的方法，該方 法采用CZT對(duì)喚醒信號(hào)的頻譜進(jìn)行細(xì)化，因此具有較高的頻率分辨率，具有較好的抗相近頻 率干擾的能力;水聲信道是頻率選擇性衰落信道，不同頻率的信號(hào)具有不同的衰減系數(shù)，發(fā) 射和接收之間的相對(duì)移動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，對(duì)喚醒信號(hào)的檢測(cè)具有很大的負(fù)面影響。 本發(fā)明通過(guò)采用頻率接近的雙頻或多頻脈沖作為喚醒信號(hào)，在接收端，各頻率分量之間的 幅度或者頻移等相關(guān)參數(shù)保持相對(duì)不變，利用運(yùn)種相對(duì)關(guān)系不變性進(jìn)行喚醒信號(hào)判別，避 免傳統(tǒng)能量闊值方法對(duì)水聲信道和環(huán)境噪聲適應(yīng)性差的缺陷。另外，由于較高的頻率分辨 率，可W采用多組頻率組合，對(duì)水下傳感器網(wǎng)路的多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒，而不必?fù)?dān)屯、相互干 擾，大大降低檢測(cè)虛警，間接延長(zhǎng)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1 CZT變換計(jì)算步驟；
[0031] 圖2喚醒信號(hào)檢測(cè)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0033] 本發(fā)明的主要目的是提供一種用于水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的喚醒信號(hào)檢 測(cè)算法，通過(guò)設(shè)計(jì)頻率相近的雙頻或多頻喚醒信號(hào)，結(jié)合單位圓上的線性調(diào)頻Z變換(化irp Z Transform,CZT)對(duì)譜進(jìn)行細(xì)化，利用頻率間隔和幅度參數(shù)相對(duì)不變的特性對(duì)信號(hào)進(jìn)行判 另IJ，解決現(xiàn)有方法抗干擾能力差，虛警較高的問(wèn)題，具體的技術(shù)方案如下：
[0034] 1.發(fā)射的喚醒信號(hào)的參考形式如公式(1)所示： K
[003引"7) =藝/1/'sin(2卻;々 （1) 左=1
[0036 ]其中，K代表喚醒信號(hào)中頻率的個(gè)數(shù)，Ak為對(duì)應(yīng)頻率分量的幅度，Af k = fk+Wk頻率 間隔，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)，一般為幾化~十幾化。
[0037]節(jié)點(diǎn)輸入的信號(hào)為：
(2)
[0039] 其中n(t)為噪聲，s(t)為輸入節(jié)點(diǎn)的喚醒信號(hào)，A^k和分別為經(jīng)過(guò)發(fā)射機(jī)、水聲 信道和接收機(jī)后的信號(hào)分量的頻率和幅度。因?yàn)轭l率間隔較近，因此經(jīng)過(guò)發(fā)射機(jī)、水聲信道 和接收機(jī)產(chǎn)生的頻偏和衰減基本相同，因此各頻率分量之間的幅度比和頻率間隔也基本保 持不變。
[0040] 2.基于CZT的頻譜細(xì)化
[0041] 對(duì)節(jié)點(diǎn)輸入信號(hào)按照一定的采樣頻率fs進(jìn)行采樣，得到信號(hào)x(n)，假設(shè)x(n)的長(zhǎng) 度為n = l，'''N，對(duì)x(n)作單位圓上的CZT變換，變換的頻率點(diǎn)數(shù)為r = 0，l，…M-1，即：
貸）
[0043] 令
[0044] g賊=X的并。滬2 曲
[004引 = 喊
[0046]貝IJ (3)式可W寫成：
㈱ (7)
[004引 其中，
[0050] 上述單位圓上的CZT變換公式中，主=e^u，W=e-W"M，則 [0051 ]的： 貨）
[0052] M、n) = c。-。' '、' (、)）
[00閲其中，時(shí)為變換的下限頻率，fo化，Af為變換的頻率增量或者頻率分辨率，fo+MA f〉fK。則，公式(6)可寫為：
(10)
[0055] 對(duì)應(yīng)第r個(gè)頻點(diǎn)的頻率為fo+r Af，對(duì)應(yīng)的幅度為I X(r) I，利用時(shí)域相關(guān)定理上述 的相關(guān)運(yùn)算可用FFT的快速算法來(lái)計(jì)算。
[0056] 3.信號(hào)判別
[0057] 首先從上述CZT變換的結(jié)果中捜索K個(gè)最大的極值，按照對(duì)應(yīng)的頻率大小排序，用 f ml , f m2... , fmK代表對(duì)應(yīng)的步頁(yè)率，Aml , Am2... , AmK代表對(duì)應(yīng)的幅度。
[0058] 假設(shè)： 悼:〇 乖喚醒信號(hào)
[0059] k是瞧醒信號(hào) "I)
[0060] 那么，
[0061] .|/峰巧-非并且兒腫，方4"/4，:克= 1，.,.游-1 Hl - 否則 H。 ^ ^
[0062] 當(dāng)信號(hào)判定為喚醒信號(hào)后，電源管理模塊給整個(gè)通信節(jié)點(diǎn)上電，使節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入工作 狀態(tài)