CN101394393A - 一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置，至少包括：一个存储器，一个调制方式选择器和一个子载波能量分配器。本发明能够自适应的根据各个子载波上的信道衰落情况来选择合适的调制方式。当信道衰落较严重时，则选用低阶的调制方式，如BPSK和QPSK；当信道衰落较小时，则选用高阶的调制方式，如16QAM。同时根据信道衰落情况和选择的调制方式来调整各个子载波上的能量分配，使接收端接收到的各个子载波上信号都能被正确解调，且信噪比没有过多的冗余，从而使传感器节点获得最大的能量效率。

Description

一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置

技术领域

本发明涉及一种基于多载波传输体制的无线传感网络的传输节点，尤其涉及其中的信道补偿装置。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器节点开始出现，并且引起了人们的极大关注。这种无线传感器节点构成无线传感网能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象信息，并发布给需要这些信息的用户。无线传感网将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式；可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。

目前，传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据(如温度、湿度、光强等)采集、传输与处理。然而，随着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。这样就要求每个节点能够在有限的频谱资源上传输丰富多彩的内容。

在大多数的无线传感网络的设计中，每个传感器节点都是单天线且单节点独立工作。每个节点的发射装置包括一个扰码器，一个比特映射器，一个子载波映射器，一个多载波调制器，一个限幅器和射频调制器，见图1。图中的扰码器由一个乘法器和一个伪随机序列发生器组成。乘法器将输入序列与伪随机序列相乘，实现对输入序列的扰码操作，破坏输入的数据流中相邻数据之间的相关性，从而降低多载波调制信号的峰均比。比特映射器根据调制的星座图对比特序列进行映射，得到最终的调制符号。子载波映射器将调制符号和导频符号按预先设定的方式映射到部分有用的子载波上。多载波调制器由IFFT变换来实现，把经过子载波映射后的数据调制到其相对应的子载波上。限幅器包括两个CORDIC装置，一个峰值截取装置，一个低通滤波装置和一个减法器，采用峰值截取的方式，将峰值超过门限的部分截下，并对其进行低通滤波，送入减法器中队原始信号进行压缩，以减小输出信号的峰均比，提高射频部分的能量效率。射频调制器由一个本振发生器，一个移相器，一个同相调制器，一个正交调制器和一个合路器。本振发生器提供无线传输的本振信号，本振发生器产生的本振信号一路直接输入同相调制器，另一路送入移相器。移相器对输入的本振信号进行90°移相，得到与原本振信号正交的一个本振信号，并送入正交调制器。同相调制器将I路输出的信号调制到本振信号上。正交调制器将Q路输出的信号调制到正交的本振信号上。合路器将两个调制器的输出合为一路。

上面所述的发射装置应用的无线环境中，不可避免的会存在多径干扰，即信道是频率选择性的，这样就有可能存在某些子载波的衰落严重而另一些子载波衰落较小，体现在接收端接收到的信号上就是某些子载波的信噪比较高，能支持更高阶的调制方式，而另一些子载波上的信噪比较低，以至于无法正确解调。显然，在能量受限的无线传感网中这种传输方式的能效不是最佳的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置，它能够针对发射节点与接收节点的信道响应，自适应的为每个子载波选择最佳的调制方式和能量分配，以实现最大的能量效率。

本发明要解决的现有无线传感网中传感器节点间传输能效不是佳的问题。

为了达到上述目的，本发明的应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置至少包括：一个存储器，一个调制方式选择器和一个子载波能量分配器。

所述的存储器由两个RAM组成，存储空间与系统的子载波数相同，用于存放信道响应的实部和虚部。

所述的调制方式选择器由一个模值计算器，若干个比较器和门限值寄存器，一个取反器组成，模值计算器计算信道响应的幅度，比较器将信道响应的幅度和门限值作比较，以确定当前信道响应幅度等级，取反器对比较的结果进行变换，得到系统其它模块可识别的调制方式代码。

所述的子载波能量分配器根据每个子载波上的信道响应幅度和选择的调制方式进行能量分配，由模值计算器、参考值存储器，除法器，写地址产生器，能量分配系数存储器，读地址产生器，第一乘法器，第二乘法器组成。模值计算器用于计算各个子载波上的信道响应的幅度；参考值存储器为各种调制方式保存了一个在信道没有衰落时接收端能正确解调所需的幅度值；除法器计算各个子载波在所选择的调制方式和当前信道衰落下，接收端能正确解调所需的幅度值；写地址产生器按照子载波映射的方式，从低到高依次产生子载波序号作为写能量分配系数存储器的地址，引导能量分配系数写入到能量分配系数存储器中；能量分配系数存储器用于存放为各个子载波分配的系数；读地址产生器按照子载波映射的方式从低到高依次产生子载波序号作为读能量分配系数存储器的地址，同时产生相应的读使能信号，从能量分配系数存储器的指定存储单元中读出能量分配系数；第一乘法器和第二乘法器分别将能量分配系数与I和Q路符号进行相乘，调整I和Q路符号的幅度。

综上所述，本发明的应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置能够自适应的根据各个子载波上的信道衰落情况来选择合适的调制方式和能量分配，使传感器节点获得最大的能量效率。

附图说明

图1为现有的单载波调制装置结构图。

图2是本发明的结构图。

图3是本发明的调制方式选择器结构图。

图4是本发明的子载波能量分配器结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置至少包括：一个存储器，一个调制方式选择器和一个子载波能量分配器。

所述的存储器由两个RAM组成，RAM的存储空间与发射装置总的子载波数相同，两个RAM分别用于存放信道响应的实部和虚部。信道响应可由传感器节点接收链路中的信道估计装置来估计，技术人员可以参看相关的技术资料和专利。

所述的调制方式选择器由一个模值计算器，若干个比较器和门限寄存器，一个取反器组成。其中比较器和门限寄存器的数目由所支持的调制方式的数目决定。本实施例中以BPSK、QPSK和16QAM三种调制方式为例，这样比较器和门限寄存器都需要两个。第一门限寄存器和第二门限寄存器分别用于存放16QAM和QPSK调制方式的门限，门限值可以在实际布设时根据现场情况确定。模值计算器与存储器相连，将存储中读出的信道响应的实部和虚部进行取模计算，得到每个子载波上信道响应的模值。第一比较器与第一门限寄存器和模值计算器的输出相连，将当前子载波上信道响应的模值与16QAM门限进行对比，判断当前模值是否超过16QAM门限；第二比较器与第二门限寄存器和模值计算器的输出相连，将当前子载波上信道响应的模值与QPSK门限进行对比，判断当前模值是否超过QPSK门限。取反器对第二比较器的输出取反后输出。第一比较器，第二比较器和取反器的输出共同组成一个三比特的输出数据，作为调制方式的指示信号，第一位为1时表示选择BPSK调制，第二位为1时表示选择QPSK，第三位为1时表示选择16QAM。比特映射器根据指示信号动态的调整截取比特序列的位数，并映射到星座点上。

所述的子载波能量分配器由模值计算器、参考值存储器，除法器，写地址产生器，能量分配系数存储器，读地址产生器，第一乘法器，第二乘法器组成。其中参考值存储器用于存放针对各种调制方式在信道没有衰落时接收端能正确解调所需的幅度值，存储器的存储单元数目由系统支持的调制方式数目决定，幅度值需要在实际布设时根据现场情况确定。模值计算器与存储器相连，将存储中读出的信道响应的实部和虚部进行取模计算，得到每个子载波上信道响应的模值。除法器与参考值存储器和模值计算器的输出相连，将参考值存储器的输出与信道响应的模值相除，计算出当前子载波在所选择的调制方式和信道衰落下，接收端能正确解调所需的幅度值。写地址产生器按照子载波映射的方式，从低到高依次产生子载波序号作为写能量分配系数存储器的地址，引导能量分配系数写入到能量分配系数存储器中。能量分配系数存储器是个存储空间与系统的子载波数相同的RAM，其写数据端口与除法器的输出相连，写地址端口与写地址产生器输出相连，读地址端口与读地址产生器的输出相连，其每个存储单元与每个子载波相对应，用于存放每个子载波的能量分配系数。读地址产生器按照子载波映射的方式从低到高依次产生子载波序号作为读能量分配系数存储器的地址，同时产生相应的读使能信号，从能量分配系数存储器的指定存储单元中读出能量分配系数。第一乘法器与能量分配系数存储器的输出和I路符号输入相连，将能量分配系数与I路符号进行相乘，调整I路符号的幅度。第二乘法器与能量分配系数存储器的输出和Q路符号输入相连，将能量分配系数与Q路符号进行相乘，调整Q路符号的幅度。

综上所述，本发明的应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置能够自适应的根据各个子载波上的信道衰落情况来选择合适的调制方式。当信道衰落较严重时，则选用低阶的调制方式，如BPSK和QPSK；当信道衰落较小时，则选用高阶的调制方式，如16QAM。同时根据信道衰落情况和选择的调制方式来调整各个子载波上的能量分配，使接收端接收到的各个子载波上信号都能被正确解调，且信噪比没有过多的冗余，从而使传感器节点获得最大的能量效率。

上面本发明讨论到的图2到图3、以及用来说明本发明原理的各种实施例，仅通过说明的方式说明具体的实施方式，在任何方式下不应该被视为对本发明范围的限制。本领域技术人员将理解，可在任何适当布设的无线传感网簇头节点中实现本发明的原理。

Claims (6)

1.一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置，其特征在于该装置包括：

存储器，用于存放信道响应的实部和虚部；

调制方式选择器，将信道响应的幅度和门限值作比较，为每个子载波选择最佳的调制方式；

子载波能量分配器，根据信道响应幅度和所选择的调制方式为各个子载波上分配能量。

2.如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置，其特征在于所述的存储器由两个RAM组成，分别用于存放信道响应的实部和虚部。

3.如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置，其特征在于所述的调制方式选择器由一个模值计算器，若干个比较器和门限值寄存器，一个取反器组成。

4.如权力要求3所述的调制方式选择器，其特征在于所述的比较器和门限值寄存器的数目由支持的调制方式数目决定，门限值寄存器分别用于存放各种调制方式对应的门限，而对于最低阶的BPSK调制则没有对应的门限值。

5.如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置，其特征在于所述的子载波能量分配器由模值计算器，参考值存储器，除法器，写地址产生器，能量分配系数存储器，读地址产生器，第一乘法器，第二乘法器组成。

6.如权力要求5所述的一种应用于无线传感网的自适应多载波能量分配和调制方式选择装置，其特征在于所述的参考值存储器用于存放各种调制方式在信道没有衰落时接收端能正确解调所需的幅度值，其存储单元的数目与系统支持的调制方式数目相同。

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