一种宽带微功率无线系统数据自适应传输的方法

1.本发明涉及宽带微功率无线系统的数据传输技术，尤其涉及一种宽带微功率无线系统数据自适应传输的方法。


背景技术：

2.低功耗广域网(lpwan)是一种远距离低功耗的无线通信网络。多数lpwa技术可以实现几公里甚至几十公里的网络覆盖。由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点其更适合于大规模的物联网应用部署。在现有的低功耗广域网中，lora技术因其部署成本低、运营难度低、实施灵活等特点，应用非常广泛。
3.lora在物理层采用了基于线性调频的chirp扩频技术，通过扩频增益改善设备接收灵敏度。由于无线信道存在衰落和干扰，lora采用不同的带宽和扩频因子调整系统数据传输速率，实现无线传输链路的自适应。然而，lora传输数据有效负载比较小，在500khz带宽下数据速率可达38.4kbps。基于chirp扩频的宽带微功率无线系统在相同带宽下，数据传输速率最高可达1mbps。
4.在无线通信系统中，一个非常重要的特征是无线信道的时变特性，包括传播损耗、快衰落、慢衰落以及干扰的变化等因素带来的影响。宽带微功率无线系统，通过调整调制方式、编码方式等参数，当信道环境噪声及干扰比较小时，系统根据上报的信噪比(snr)测量值选择高阶调制和高码率编码方案实现高数据传输；当信道条件恶劣时，宽带微功率无线系统根据上报的信噪比(snr)测量自适应地减少调制阶数和/或降低编码速率来满足系统性能要求。


技术实现要素：

5.为了提高基于chirp扩频的宽带微功率无线系统的可靠性，本发明提出一种宽带微功率无线系统数据自适应传输的方法，具体包括以下步骤：
6.宽带微功率无线系统的物理层通过帧结构进行信号传输；
7.中央协处理器根据节点每次上报的snr测量值，确定下一次向节点发送数据的调制方式和编码码率，即：
8.当上报的snr测量值小于等于第一调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bok、编码速率为1/3；
9.当上报的snr测量值大于等于第一调制编码指示阈值且小于第二调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bpsk、编码速率为1/3；
10.当上报的snr测量值大于等于第二调制编码指示阈值且小于第三调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bok bpsk、编码速率为1/3；
11.当上报的snr测量值大于等于第三调制编码指示阈值且小于第四调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok bpsk、编码速率为1/3；
12.当上报的snr测量值大于等于第四调制编码指示阈值且小于第五调制编码指示阈
值时，采用的调试方式为bok qpsk、编码速率为1/2；
13.当上报的snr测量值大于等于第五调制编码指示阈值且小于第六调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok qpsk、编码速率为1/3；
14.当上报的snr测量值大于等于第六调制编码指示阈值且小于第七调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok qpsk、编码速率为1/2；
15.当上报的snr测量值大于等于第七调制编码指示阈值且小于第八调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bok 8psk、编码速率为16/18；
16.当上报的snr测量值大于等于第八调制编码指示阈值且小于第九调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok 8psk、编码速率为1/2；
17.当上报的snr测量值大于等于第九调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok 8psk、编码速率为16/18。
18.进一步的，第一调制编码指示阈值为-10db；第二调制编码指示阈值为-8.8db；第三调制编码指示阈值为-7.6db；第四调制编码指示阈值为-6.7db；第五调制编码指示阈值为-4.9db；第六调制编码指示阈值为-2.6db；第七调制编码指示阈值为-1db；第八调制编码指示阈值为2.3db；第九调制编码指示阈值为5.2db。
19.进一步的，宽带微功率无线系统进行信号传输采用的帧结构包括前导、帧控制、载荷数据。
20.进一步的，帧控制至少包括3比特调制方式和2比特编码码率。
21.进一步的，3比特调制方式中，若调制速率字段为000则表示采用的调制方式为bpsk；若调制速率字段为001则表示采用的调制方式为qpsk；若调制速率字段为010则表示采用的调制方式为bok bpsk；若调制速率字段为011则表示采用的调制方式为bok qpsk；若调制速率字段为100则表示采用的调制方式为bok 8psk；若调制速率字段为101则表示采用的调制方式为hbok bpsk；若调制速率字段为110则表示采用的调制方式为hbok qpsk；若调制速率字段为111则表示采用的调制方式为hbok 8psk。
22.进一步的，2比特编码码率中，若编码速率字段为00则表示采用的编码速率为1/2；若编码速率字段为01则表示采用的编码速率为16/18；若编码速率字段为10则表示采用的编码速率为1/3。
23.进一步的，对snr测量值进行平滑处理后，再将确定下一次向节点发送数据的调制方式和编码码率，平滑处理的过程表示为：
24.snr
new
＝(1-α)snr
old
α
·
γ；
25.snr
db
＝10log(snr
new
)；
26.其中，snr
db
为信噪比的db换算值；α∈(0,1)为遗忘因子；snr
new
表示本次snr测量值经过平滑处理后的值；snr
old
表示上一次的snr测量值经过平滑处理后的值；γ为信噪比。
27.进一步的，信噪比γ根据匹配滤波器输出的互相关信号计算获取，计算过程包括：
28.匹配滤波器输出的采样点i的互相关信号ri，对互相关信号ri的模值|ri|求均值(th
ave
)；
29.将模值|ri|超过th
ave
对应的采样点放入集合φ中，则信号功率为
30.除φ集合外的其它采样点的互相关信号|ri|平方和为噪声功率则信噪比表示为：
31.其中，表示除φ集合外的其它采样点。
32.进一步的，hbok调制为跳频bok调制，若在发送端，以不同初始频率与调频斜率的m进制进行跳频bok调制，即每个chirp信号承载比特信息，则调制波形表示为：
[0033][0034]
其中，sm(t)为第m个chirp信号的调制波形，m＝1,2,
…
,m；fm表示第m个chirp信号的初始频率；μm表示第m个chirp信号的调频斜率；t表示chirp信号的持续时间；j表示虚数单位。
[0035]
进一步的，令chirp信号不同的初始相位携带信息，发送端以n进制相移键控调制，则调制波形表示为：
[0036][0037]
其中，n＝1,2,
…
,n，sn(t)表示第n个调制波形；表示初始相位；f为chirp信号的频率变化；μ为chirp信号的调频斜率。
[0038]
本发明具有以下有益效果：
[0039]
1、根据不同信道的信噪比测量值，可以选择自适应的调制解调方式，以提高信道传输性能；
[0040]
2、根据现存的bok调制方案的调制效率过低，无法满足宽带微功率系统数据传输的要求，设计了bok bpsk、bok qpsk、bok 8psk以及hbok xpsk几种调制解调方法。
附图说明
[0041]
图1是本发明宽带微功率无线系统物理层处理框图；
[0042]
图2是本发明宽带微功率无线系统物理层帧结构；
[0043]
图3是本发明中chirp信号；
[0044]
图4是本发明中chirp信号的匹配输出波形；
[0045]
图5是本发明实施例中宽带微功率无线系统mci选择流程；
[0046]
图6是本发明接收chirp信号后解调输出的过程。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
本发明提出一种宽带微功率无线系统数据自适应传输的方法，具体包括以下步
骤：
[0049]
宽带微功率无线系统的物理层通过帧结构进行信号传输；
[0050]
中央协处理器根据节点每次上报的snr测量值，确定下一次向节点发送数据的调制方式和编码码率,即：
[0051]
当上报的snr测量值小于等于第一调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bok、编码速率为1/3；
[0052]
当上报的snr测量值大于等于第一调制编码指示阈值且小于第二调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bpsk、编码速率为1/3；
[0053]
当上报的snr测量值大于等于第二调制编码指示阈值且小于第三调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bok bpsk、编码速率为1/3；
[0054]
当上报的snr测量值大于等于第三调制编码指示阈值且小于第四调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok bpsk、编码速率为1/3；
[0055]
当上报的snr测量值大于等于第四调制编码指示阈值且小于第五调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bok qpsk、编码速率为1/2；
[0056]
当上报的snr测量值大于等于第五调制编码指示阈值且小于第六调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok qpsk、编码速率为1/3；
[0057]
当上报的snr测量值大于等于第六调制编码指示阈值且小于第七调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok qpsk、编码速率为1/2；
[0058]
当上报的snr测量值大于等于第七调制编码指示阈值且小于第八调制编码指示阈值时，采用的调试方式为bok 8psk、编码速率为16/18；
[0059]
当上报的snr测量值大于等于第八调制编码指示阈值且小于第九调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok 8psk、编码速率为1/2；
[0060]
当上报的snr测量值大于等于第九调制编码指示阈值时，采用的调试方式为hbok 8psk、编码速率为16/18。
[0061]
如图1，本发明宽带微功率无线系统发送端从数据链路层接收数据，经过turbo编码后，采用chirp调制方式对编码后的数据进行处理并将形成的chirp信号发送到空口；接收端检测到信号后，做相应的解码解调处理，最终将载波信号还原为解码后数据信息，并送到数据链路层进行后续协议解析。
[0062]
如图2，本发明物理数据单元帧结构，速率自适应根据信道质量在帧控制中设置调制方式和码速，宽带微功率无线系统进行信号传输采用的帧结构包括前导、帧控制、载荷数据。。
[0063]
本发明用3比特表示不同调制方式，分别表示bpsk、qpsk、bok bpsk、bok qpsk以及bok 8psk五种类型。具体调制速率字段与其对应的调制方式见表1。
[0064]
表1载荷数据调制方式
[0065]
调制速率字段调制方式000bpsk001qpsk010bok bpsk011bok qpsk
100bok 8psk
[0066]
本发明用2比特表示编码码率，分别表示1/2、16/18以及1/3turbo编码。具体编码速率字段与其对应的编码速率见表2。
[0067]
表2载荷数据编码码率
[0068]
编码速率字段编码速率001/20116/18101/3
[0069]
本发明物理层采用chirp扩频，其时域表达式为：
[0070][0071]
其中：α(t)为chirp信号的包络，通常为矩形脉冲；t为脉冲宽度(单位s)，又称信号的扫频时间；为2πf0t
±
πμt2的简写；f0是chirp信号中心频率(单位hz)，信号瞬时频率表达式：
[0072][0073]
其中，μ是chirp信号的线性调频斜率(单位hz/s)，在一个脉冲宽度内，瞬时频率与时间呈线性关系。μ＞0信号为正斜率信号(即up-chirp)，其瞬时频率随时间不断增大；μ＜0信号为负斜率信号(即down-chirp)，其瞬时频率随时间不断减小；b＝μt为chirp信号的调频带宽。
[0074]
如图6，本发明接收端采用匹配滤波进行解调，当发送up-chirp信号时，接收端采用down-chirp进行接收，反之亦然，输出的互相关信号具有较大的峰值。bok调制发送端用1比特数据表示用“up-chirp”还是“down-chirp”扩频信号均可以，本实施例采用“1”表示“up-chirp”，“0”表示“down-chirp”。
[0075]
图3为本发明中该chirp信号的波形，若接收信号通过hbok解调器，可得该chirp信号的起始频率，调频斜率，但初始相位未知。dpsk解调器利用hbok解调器输出生成本地chirp信号，因此接收端只有在正确解调hbok前提下，才能正确实现dpsk解调。假设第n个chirp符号时域表达式为：
[0076][0077]
其中，fn、μn、分别表示第n个符号的起始频率、调频斜率、初始相位，表示相邻符号相位噪声差，第n 1个chirp符号时域表达式为：
[0078][0079]
其中，f
n 1
、μ
n 1
、别表示第n 1个符号的起始频率、调频斜率、初始相位。
[0080]
假设接收端经过匹配滤波器组与mld正确解调hbok信号，则参数fn，f
n 1
，μn，μ
n 1
已知。dpsk解调器根据hbok解调器输出产生本地chirp信号cn(t)，c
n 1
(t)用于解扩频，具体做法为：cn(t)，c
n 1
(t)经过共轭器后，与接收信号相乘。本地chirp信号表达式为：
[0081][0082][0083]
解扩后，第n、n 1个接收信号可表示为：
[0084][0085][0086]
然后，依次经过延迟器、共轭器、乘法器可得相邻符号相位差，表示为：
[0087][0088]
其中，conj(
·
)表示共轭。相位噪声随时间线性增加造成chirp信号反相，所提调制解调技术引入差分编码解决这一问题。由上式可知相位噪声使星座图旋转由于相邻chirp符号相位差较小，使用差分编码后不会造成反相。
[0089]
本发明接收端在计算snr时，匹配滤波器的输出信号为ri，其中i表示采样点，先对其模(|ri|)求均值(th
ave
)，然后将模值|ri|超过th
ave
对应的采样点放入集合φ中，即φ表示|ri|超过th
ave
采样点的集合，则信号功率为：
[0090][0091]
噪声功率为：
[0092][0093]
其中，表示除φ外的其它采样点的集合，即|ri|未超过th
ave
采样点的集合。
[0094]
节点(sta)对接收信号信噪比的测量值为：
[0095][0096]
节点(sta)将γ通过反馈信道上报给中央协处理器(cco)。
[0097]
本发明在中央协处理器(cco)对测量上报值进行平滑处理，处理过程包括：
[0098]
snr
new
＝(1-α)snr
old
α
·
γ
[0099]
snr
db
＝10log(snr
new
)
[0100]
其中，α∈(0,1)表示遗忘因子，snr
old
表示上一次的计算值。
[0101]
如图5，本实施例中在中央协处理器(cco)将snr
db
与表3中每个调制编码指示(mci)的阈值进行比较，确定中央协处理器(cco)向节点(sta)发送载荷数据所用的调制方式以及编码速率，从而实现系统数据传输的自适应调整。
[0102]
表3宽带微功率无线系统自适应编码调制
[0103][0104][0105]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。