一种基于帧同步信号的水下声通信节点唤醒信号检测方法

摘要

本发明公开了一种基于帧同步信号的水下声通信节点唤醒信号检测方法。现有方法由于脉冲噪声与特定环境噪声的影响导致检测结果可靠性不高，频率检测与互相关检测相关方法在长时间水下检测过程中计算复杂度较高。本发明方法首先为通信网中每个节点构造对应的MT信号，在接收端设置两个等长的滑动窗口实现初步能量商检测，然后使用Goertzel算法对初步能量商检测后的信号进行MT频率确认，实现可靠的信号到达检测。本方法适用于具有多个通信节点的水下通信网络，通过MT信号实现对目标节点的精确唤醒，计算复杂度低，可以降低水声通信网络节点在休眠状态下长时间进行信号达到检测的能量消耗。

说明书

技术领域

本发明属于水声信号处理技术领域，具体涉及一种基于帧同步信号的水下声通信节点唤醒信号检测方法。

背景技术

随着海洋资源开发、水下环境监测需求的增多，水下观测设备不断部署，水下无线通信越来越受到关注。声波是目前水下无线信息传输的主要载体，同时水声网络可灵活地应用于不同覆盖规模、水体深度、网络结构的场景，可广泛地应用于海洋环境观测，实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。

在实际水下声通信系统中，通信节点需要在水下长时间工作并且依靠自带电池供电，对通信机的功耗要求高。水声通信节点一般为半双工工作模式，无发送任务时主要功能单元处于休眠状态，依靠低功耗值班设备进行信号到达检测。因此正确检测唤醒信号的到达十分重要，是水声通信接收机进行后续处理的基础。为了实时检测唤醒信号到达，需要一个可靠的、低计算复杂度的信号到达检测方法，声通接收机值班电路采用设定的信号到达检测方法检测到唤醒信号到达后，唤醒主设备进行后续信号处理。

水声通信中常见的信号到达检测方法有能量检测、频率检测以及利用信号脉冲压缩特性的互相关检测。其中能量检测根据一定时间内接收信号能量是否大于设定阈值来判断信号是否到达，该方法实现简单，但是接收信号的信噪比对结果影响较大，易受脉冲噪声的干扰；频率检测根据接收信号特定频点上的能量与固定阈值或者按照一定规则的浮动阈值进行比较判断是否是唤醒信号，主要缺点是频率分辨率受运算能力影响较大，且对环境噪声的自适应的能力较差；互相关检测利用具有良好脉冲压缩特性的信号如线性调频信号等进行匹配滤波检测，此方法检测性能最好但计算复杂度最高，不适用于值班电路进行信号到达检测的场景。

发明内容

本发明的目的就是针对能量检测方法可靠性不高、频率检测方法复杂度过高等不足，提供一种基于帧同步信号的水下声通信节点唤醒信号检测方法。本发明目的是针对水声组网通信中的信号到达检测部分，采用通信中的帧同步信号作为唤醒信号。本发明方法无需发送额外的唤醒信号，利用水声通信中的帧同步信号，如线性调频信号LFM，双曲调频信号HFM等，在低功耗值班电路实现可靠的信号到达检测。

本发明方法的具体步骤是：

步骤1.发送节点发送帧同步信号作为唤醒信号：

网络中n个通信节点的集合为D＝{d₁,…,d_i,…,d_j,…,d_n}；当节点d_i无发送任务时，处于低功耗接收状态，由值班电路进行信号达到检测；当节点d_i有数据发送任务时，发送帧同步信号与数据信号，接收节点d_j根据帧同步信号进行信号到达检测。

步骤2.滑动窗口能量商检测：

接收节点设置两个相邻的长度为N的滑动窗口W₁和W₂，构成长度为2N的循环缓冲区，窗口长度小于帧同步信号长度；

q时刻窗口W₁中包含采样点[x(q+1),x(q+2)…x(q+N)]；

q时刻窗口W₂中包含采样点[x(q+N+1),x(q+N+2)…x(q+2N)]；

当窗口滑动后q+1时刻W₁中包含采样点更新为[x(q+2),x(q+3)…x(q+N+1)]，W₂中包含采样点更新为[x(q+N+2),x(q+N+3)…x(q+2N+1)]；

迭代计算两个窗口能量E₁和E₂：

得到能量商：V(q)＝E₂(q)/E₁(q)；

设定能量商检测阈值V_T，若此时刻能量商V(q)＞V_T则进入步骤3频率检测，否则在步骤2中根据后续采样值进行循环更新检测过程。

步骤3.接收节点d_j对帧同步信号进行频率检测确认：

节点d_j在步骤2检测成功的基础上对接收到的信号进行频率检测确认；水声通信中帧同步信号如LFM、HFM信号是扫频信号，其频率变化在一定时间内可近似认为是线性的，利用这种频率变化关系可以在低计算复杂度下完成信号到达检测。

令帧同步信号持续时间为T，扫频起止频率分别为f₁和f_h，接收节点采样率为F_s，完成初步能量检测后收到的信号按时间顺序记为[x₁x_gap>2x_gap…x_m>gap…x_M]。取M组等间隔的信号x_m做FFT变换，获得其频域值X_m，根据M组取样信号的频域结果X_m进行频率确认。每组信号包含K个采样点，即x_m＝{x_m(0),x_m(1),…x_m(K-1)}，X_m＝{X_m(0),X_m(1),…X_m(K-1)}，相邻两组取样信号之间时间间隔为T_P，此时MK/F_s+(M-1)T_p＜T，K＜＜F_sT。

对第m组信号x_m的FFT结果X_m，首先找出其频域最大值P_m及其所对应的频率f_m，同时计算带内噪声的均值P_mn。根据信号频域能量P_m、噪声能量均值P_mn与相邻两组取样信号的频差获得第m组信号的频率检测结果R_m，当R_m＝1时则该取样组信号频率检测成功，否则检测失败。当有超过组信号满足频率检测条件则判断信号到达检测成功，即：

其中G_T为频率检测阈值，Δf＝(f_h-f_l)T_p/T为相邻两组取样信号之间的频差。

步骤4.检测成功后，接收节点低功耗值班设备唤醒主系统，使节点进入工作状态；否则判断接收到的信号不是帧同步信号，信号到达检测失败，返回步骤2。

本发明中滑动窗口还包含块滑动，每次滑动一定长度的数据点组成的采样短帧，如步骤2中x(q)可以表示短时间内所包含的采样点的能量和，即其中N_x为采样短帧包含的采样点数，r(i)为对应时间的接收信号。

本发明的有益效果在于：

本发明方法综合了能量检测与频率检测的优势，首先利用计算复杂度低的双滑动窗口能量商方法检测出接收信号中能量较高的部分，然后采用多频率检测方法判断接收信号是否为唤醒信号，使检测结果更具鲁棒性。

本发明方法利用水声通信中包含在发送数据信号前的帧同步信号作为唤醒信号，发送节点无需在通信开始前向接收节点发送具有特殊信号结构的唤醒信号，降低了发送节点进行数据传输时的能耗。

附图说明

图1是水声网络结构示意图；

图2是信号到达检测帧结构示意图；

图3本发明方法流程图；

图4是滑动窗口信号到达检测与频率检测确认示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种基于帧同步信号的水下声通信节点唤醒信号检测方法，其系统模型如图1所示，水声通信网络节点集合D＝{d₁,d₂,d₃,d₄}，有3个固定水下传感节点，一个移动节点用于收集数据，这里以节点d₄向节点d₁发起数据收集请求来说明本发明具体工作步骤。发送信号帧结构如图2所示，设置信号检测虚警概率p_f＝10^-6，检测所用帧同步信号为LFM信号，扫频范围为16～22KHz，持续时间T＝50ms，接收节点低功耗值班电路采样率f_s为50KHz。

如图3所示，该方法具体通过如下步骤实现：

步骤1.节点d₄向节点d₁发送LFM帧同步信号格式如下所示：

s(t)＝cos(2πf_lt+πBt²),0≤t＜T>

其中f_l为扫频起始频率，B＝(f_h-f_l)/T为扫频斜率，接收信号的瞬时频率可以表示为f(t)＝f_l+Bt，在一个较短的时间窗内，可认为接收信号的频率保持不变。

步骤2.节点d₁设置滑动窗口长度N＝1000，其持续时间为20ms，能量商检测阈值V_T＝1.4。

首先初始化窗口采样值x(q),0≤q＜2N，

初始化完成后节点d₁根据新获得的采样数据进行滑动窗口能量商迭代计算过程，在值班电路中加法运算相比于乘法具有更快的运算速度，更新过程可以表示为：

其中x(q)为q时刻的采样值，当双窗口能量商V小于阈值V_T时，接收节点在步骤二中进行循环迭代检测过程。当窗口滑动到如图4所示位置时，窗口W₂包含了能量较高的信号部分，此时能量商V_T＝1.41，大于阈值V_T，能量检测成功，进入步骤3信号频率检测过程。

步骤3.节点d₁完成初步能量商检测通过后，如图4所示，取M＝3组等间隔的完成初步能量检测的信号x_m(k)做FFT变换，获得其频域值X_m(k)，进行频率确认，每组信号FFT长度K＝128个采样点，相邻两组信号之间的时间间隔为T_p＝10ms，即间隔500个采样点，两组FFT信号之间的频率间隔Δf＝(f_h-f_l)T_p/T＝1.2KHz。

此时三组信号的FFT频域结果：P₁＝40.4，P_1n＝5.5，f₁＝18.4KHz；P₂＝37.3，P_2n＝5.6，f₂＝19.5KHz；P₃＝43.9，P_3n＝6.1，f₃＝21.6KHz；信号频点检测阈值G_T＝5。计算得到R₁＝R₂＝1。

步骤4.节点d₁根据能量商检测结果与频率检测结果判断接收到了唤醒信号。低功耗值班电路唤醒主系统进行后续信号处理，完成整个信号到达检测过程。