CN101964767A - 基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法及系统，一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法包括如下步骤：基带调制；啁啾展频；分数阶傅里叶变换；变换域滤波；逆扫频；解调。本发明基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法及系统通过采用多调频率啁啾展频进行多业务混合传输，使多业务模式在物理层即可实现识别和分离，能够简化上层调度算法；不同业务的差异性在物理层得到体现，具体是不同业务的传输质量可以通过对参数的控制灵活调整。将多业务混合的复杂问题简化为单业务的变换域传输复用/多址和业务间干扰抑制问题，不同业务符号允许异步发起，不要求具有严格时序关系。

Description

基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法及系统

技术领域

本发明涉及一种多业务混合传输方法及系统，尤其涉及一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法及系统。

背景技术

随着无线通信的发展和普及，业务的多样性和差异性日益显著。如何利用稀缺的无线通信资源更好地满足对多样性业务的传输要求，是无线通信亟待解决的关键问题之一。目前，解决多业务传输问题的一般方法主要依靠上层资源调度策略，如频谱、时隙的分配，数据帧结构的设计以及业务流量的控制等。这些现有技术一般具有如下特点：

    业务类别在上层体现：业务数据在物理层不进行区分，物理层设计对于各业务是透明的；不同业务按照协议在上层通过端口进行区分。

    单一物理层技术选择：由于在物理层并不对业务进行识别和区分，各业务的信号一般按相同形式进行设计，例如均采用CDMA或OFDM等方式，并采用统一的传输质量评价标准。因此，对于物理层技术的选择必须满足各项业务对物理层传输性能的最高要求。

业务间具有同步关系：以终端传输多业务为例, 需首先将不同业务数据进行装帧，则来自不同业务的数据间具有严格的时序关系。

物理层技术主要基于频域、时域设计：现有系统的物理层技术主要基于信号的频域、时域性质进行设计，如频带的划分，时隙大小的设计、以及采用传统的基于频域的信号处理手段如频域带通滤波等。

虽然现有和即将推出的无线通信系统能够对多业务传输提供支持，但尚存在一些不足之处：

业务类别无法在物理层进行识别和分类：虽然物理层对于业务透明具有设计简单等优点，但将导致上层调度算法复杂度的增加。尤其当系统所支持的业务种类繁多，并且终端业务种类进行频繁切换时，对资源调度算法提出了很高的要求。

稀缺无线通信资源的浪费：由于不同业务均采用相同的物理层传输技术，那么业务间对物理层传输性能要求的差异无法体现。因此对物理层技术的选择必须满足业务对传输性能的最高要求，这将导致两个问题：其一是物理层技术的复杂度提升，成本上升；第二是，高性能物理层技术对于某些低质量要求的业务来说没有必要，将造成性能的浪费，同时将噪声无线通信资源的浪费。尤其当终端频繁切入大量低质量要求的业务时，资源浪费是非常可观的。

    不利于业务间协同资源调度、跨层设计的实现：当采用业务间协同资源调度以共享系统资源时，协同设计并没有与传输质量相联系，因此协同设计的优势很难在提升系统无线资源使用效率上获得体现。

灵活性受到限制：业务装帧数据具有严格同步关系，一定程度上限制了业务发起的灵活性，基于频域、时域的资源划分导致业务信号形式单一，对传输性能的调制缺乏灵活性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法及系统，克服现有技术中在进行多业务混合传输时业务类别无法在物理层进行识别和分类、浪费无线通信资源以及灵活性受到限制的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种多调频率啁啾展频（Chirp Spread Spectrum，啁啾展频，简称“CSS”）多业务混合传输方法，包括如下步骤：

基带调制：将分类后的待发送数据进行基带调制；

啁啾展频：接收基带调制后的信号，然后分别采用不同调频率的chirp信号进行啁啾展频，再混合传输；

分数阶傅里叶变换：对接收的混合传输信号进行对应阶次的分数阶傅里叶变换以确定信号成分；

变换域滤波：在已确定的变换阶次的变换域上进行滤波；

逆扫频：对确定的信号成分分别进行逆扫频；

解调：将信号进行解调。

本发明的进一步技术方案是：在基带调制步骤中，采用四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，四相相移键控，简称“QPSK”）或差分四相相移键控（Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying，差分四相相移键控，简称“DQPSK”）调制方式将分类后的待发送数据进行基带调制。

本发明的进一步技术方案是：在啁啾展频步骤中，对于单业务信号传输时，还包括对CSS符号的中心频率和起止时间进行控制以实现变换域复用。

本发明的进一步技术方案是：在啁啾展频步骤中，对不同业务进行混合传输时，还包括增加某业务符号的传输时间间隔。

本发明的进一步技术方案是：在逆扫频步骤中，还包括对干扰信号进行抑制。

本发明的技术方案是：构建一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输系统，包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括对待发送数据进行业务分类的数据分类模块、对业务数据进行基带调制的调制模块、将各调制符号分别进行调频率不同的啁啾展频的啁啾展频模块，所述接收单元包括对接收的混合传输信号进行对应阶次的分数阶傅里叶变换的分数阶傅里叶变换模块、对各信号成分分别进行逆扫频的逆扫频模块、对信号进行解调的解调模块；发射时：所述数据分类模块将待发送数据进行业务分类后由所述调制模块进行基带调制，所述啁啾展频模块将各调制符号分别进行调频率不同的啁啾展频，再将各路信号合并输出；接收时：所述分数阶傅里叶变换模块对接收的混合传输信号进行对应阶次的分数阶傅里叶变换以确定信号成分，并在变换域上进行滤波以抑制指定成分以外的其他信号干扰；所述逆扫频模块对确定的信号成分分别进行逆扫频后送入所述解调模块解调。

本发明的进一步技术方案是：所述调制模块采用四相相移键控或差分四相相移键控调制方式将分类后的待发送数据进行基带调制。

本发明的进一步技术方案是：所述接收单元还包括变换域滤波模块，所述变换域滤波模块对干扰信号进行抑制。

本发明的进一步技术方案是：对于单业务信号传输时，所述啁啾展频模块还包括对CSS符号的中心频率和起止时间进行控制以实现变换域复用。

本发明的进一步技术方案是：对不同业务进行混合传输时，所述啁啾展频模块还包括增加某业务符号的传输时间间隔。

本发明的技术效果是：本发明基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法及系统通过采用多调频率啁啾展频进行多业务混合传输，使多业务模式在物理层即可实现识别和分离，能够简化上层调度算法；不同业务的差异性在物理层得到体现，具体是不同业务的传输质量可以通过对参数的控制灵活调整。将多业务混合的复杂问题简化为单业务的变换域传输复用/多址和业务间干扰抑制问题，不同业务符号允许异步发起，不要求具有严格时序关系。

 

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明变换域复用的示意图。

图3为本发明限制干扰业务的示意图。

图4为本发明发射单元的结构示意图。

图5为本发明接收单元的结构示意图。

 

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：提供一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法，包括如下步骤：

步骤100：基带调制，即，将分类后的待发送数据进行基带调制。本步骤中，对于多业务混合传输的数据，首先对数据按业务进行分类。在该方法中，假设系统能够指出M种业务类别，则当某终端传输其中N种业务数据时，先将这N种业务数据按业务进行分类。然后将分类后的待发送数据进行基带调制，本发明的具体实施例中，采用四相相移键控或差分四相相移键控调制方式将分类后的待发送数据进行基带调制。

步骤200：啁啾展频，即，接收基带调制后的信号，然后分别采用不同调频率的chirp信号进行啁啾展频，再混合传输。首先接收步骤100中进行基带调制后的信号，然后分别采用不同调频率的chirp信号进行啁啾展频。对于某终端传输其中N种业务数据时，分别采用调频率为k ₁、k ₂、... k _N 的chirp信号做啁啾展频。

啁啾展频的具体过程如下：

一、调频率的含义。Chirp信号的时域表达式为

，其中：a(t)为包络；f₀为扫频起始频率；

为什么？k为调频率，表征频率随时间变化的快慢程度，并且，k>0频率随时间线性增加，称为正向扫频，反之为逆向扫频。当持续时间为T，扫频带宽Bsw=|k|T。时宽为T的矩形脉冲带宽B≈2/T，则当Bsw>>B时，具有展频特性，展频增益Gp≈|k|T2/2。

Chirp信号具有理想的自相关性，并且不同k的chirp信号间相关性随着调频率差别Δk的增加而减弱，尤其，当调频率分别为k和-k时，两chirp信号准正交。因此，不同k的chirp信号可以利用匹配滤波或采用分数阶傅里叶变换实现分离。

二、采用分数阶傅里叶变换对不同k的chirp信号进行分离。

分数阶傅里叶变换（FrFT）是傅里叶变换（FT）的推广，将信号按chirp谐波进行分解。时域表达的信号f(t)的FrFT为

，α为变换域相对于时域的逆时针旋转角度，与变换阶次p满足α=πp/2。当α不为π的整数倍时，积分核函数

。

对于时宽为T、幅度为A的chirp信号做FrFT，可得

那么对于p

(-1,1]当且仅当p=2arccot(-k)/π即cotα=-k时

其中sinc为辛格函数。综上，调频率为k、时宽为T的矩形截断chirp信号FrFT满足：1.在p=2arccot(-k)/π阶分数域上具有Sinc函数的幅度谱包络；        幅度谱峰值位于u|p=f₀sinα处，改变f₀可以实现谱线位置移动（分数域谱线搬移特性）；3.幅度谱第一过零点间距离为2|sinα|/T，可以认为是LFM信号在该分数域上的广义带宽。而当p取其他值时不具有上述性质。因此，FrFT可以作为识别和分离不同参数chirp信号的手段。

三、采用调频率不同的chirp信号做啁啾展频。

当持续时间T相同时，k不同的chirp信号展频具有不同的扩频增益，这意味着抗干扰性能存在差异。同时，k也决定了扫频带宽，即传输带宽，当k较大时，所需的带宽也较大。因此，对于不同类别的业务，可采用不同k的chirp展频即啁啾展频进行传输，并且这些业务信号可以利用FrFT进行分离。

当系统支持M种不同传输质量差异的业务时，系统应能提供M种参数不同的啁啾展频，即调频率分别为k₁、k₂、…k_M，那么当某个终端传输其中N<M种业务时，选择其中的N个调频率进行传输。

步骤300：变换域滤波，即，在已确定的变换阶次的变换域上进行滤波，以抑制指定成分以外的其他信号干扰。

对于经过啁啾展频后的各路数据信号进行合并后输出，即混合后传输。

步骤400：分数阶傅里叶变换，即，对接收的混合传输信号进行对应阶次的分数阶傅里叶变换以确定信号成分。来自不同业务的信号具有不同的最优变换域，这些变换域视为相应的业务域，对于M种业务类别，首先进行与k ₁、k ₂、... k _M 相对应阶次的分数阶傅里叶变换(FrFT)，以确定其中的信号成分1～N，即业务识别过程。

步骤500：逆扫频，即，对确定的信号成分分别进行逆扫频。根据所确定的信号成分分别进行逆扫频（CSS(-k _i)）,当确定其中的信号成分为N路时，其中i=N。本发明的具体实施例中，对于多业务数据信号传输时，还包括采用变换域滤波器（TDF）对干扰信号进行抑制。

步骤600：解调，即，将信号进行解调。对于进行逆扫频获得的信号进行解调。

如图2所示，本发明的优选实施方式是：在啁啾展频步骤中，对于单业务信号传输时，还包括对CSS符号的中心频率和起止时间进行控制以实现变换域复用。其实现过程可表达如下：一个宽度为T的CSS符号可表示为

   -T/2≤t≤T/2          (1)

其中，a(t)为信号的包络，f₀为CSS的中心频率，k为调频率，φ为初始相位。由于(1)式还可以表达为

                 (2)

 其中，f_i+f_c=f₀。(2)式表明c(t)的中心频率可由载波频率f_c和副载波频偏f_i的组合进行控制。那么调整相邻符号f_i的间隔以保证彼此分离，可以实现复用及多址；同样，当保证各相邻符号的起止时间间隔能够使得符号彼此分离，也可以实现复用及多址。

当采用CSS方式时，每符号信号占用时-频平面上一个与时间轴成角度的条带，该角度由CSS调频率决定，条带宽度与符号持续时间决定。通过对CSS符号的中心频率和起止时间可以实现变换域复用/多址。当采用该方式时，对于单业务传输情况，没有自扰问题，这是CSS方式较其它扩频方式如直接序列扩频、跳频扩频等的优势之一。

本发明的优选实施方式是：在啁啾展频步骤中，对不同业务进行混合传输时，还包括增加某业务符号的传输时间间隔。具体过程如下：由于不同业务采用的CSS的调频率不同，因此所占用时-频资源的具有差别。当不同业务进行混合传输时，可能造成业务间比较严重的干扰。可以通过增加某业务符号的传输时间间隔来降低对于其它业务的干扰程度。如图3所示，A、B两业务混合传输时，通过增加B业务的符号传输间隔Δt减少对A业务的干扰。

本发明基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法通过采用多调频率啁啾展频进行多业务混合传输，使多业务模式在物理层即可实现识别和分离，能够简化上层调度算法；不同业务的差异性在物理层得到体现，具体是不同业务的传输质量可以通过对参数的控制灵活调整。将多业务混合的复杂问题简化为单业务的变换域传输复用/多址和业务间干扰抑制问题，不同业务符号允许异步发起，不要求具有严格时序关系。

如图4、图5所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输系统，包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括对待发送数据进行业务分类的数据分类模块D_i、对业务数据进行基带调制的调制模块MOD、将各调制符号分别进行调频率不同的啁啾展频的啁啾展频模块CSS（K_i），所述接收单元包括对接收的混合传输信号进行对应阶次的傅里叶变换的傅里叶变换模块FrFT、对各信号成分分别进行逆扫频的逆扫频模块CSS（-K_i）、对信号进行解调的解调模块DEMOD；发射时：所述数据分类模块D_i将待发送数据进行业务分类后由所述调制模块MOD进行基带调制，所述啁啾展频模块CSS（K_i）将各调制符号分别进行调频率不同的啁啾展频，再将各路信号合并输出；接收时：所述傅里叶变换模块FrFT对接收的混合传输信号进行对应阶次的分数阶傅里叶变换以确定信号成分，所述逆扫频模块CSS（-K_i）对确定的信号成分分别进行逆扫频后送入所述解调模块DEMOD解调，其中i为第i种业务数据。

本发明的具体实施过程如下：对于多业务混合传输的数据，首先数据分类模块D_i对数据按业务进行分类。在该方法中，假设系统能够指出M种业务类别，则当某终端传输其中N种业务数据时，先将这N种业务数据按业务进行分类。然后将分类后的待发送数据通过所述调制模块MOD进行基带调制，本发明的具体实施例中，采用四相相移键控或差分四相相移键控调制方式将分类后的待发送数据进行基带调制。接收调制模块MOD进行基带调制后的信号，啁啾展频模块CSS（K_i）分别采用不同调频率的chirp信号进行啁啾展频。对于某终端传输其中N种业务数据时，分别采用调频率为k ₁、k ₂、... k _N 的chirp信号做啁啾展频。来自不同业务的信号具有不同的最优变换域，这些变换域视为相应的业务域，对于M种业务类别，傅里叶变换模块FrFT进行与k ₁、k ₂、... k _M 相对应阶次的分数阶傅里叶变换(FrFT)，以确定其中的信号成分1～N，即业务识别过程。所述逆扫频模块CSS（-K_i）根据所确定的信号成分分别进行逆扫频（CSS(-k _i)）,当确定其中的信号成分为N路时，其中i=N。本发明的具体实施例中，对于多业务数据信号传输时，还包括采用变换域滤波器（TDF）对干扰信号进行抑制。所述解调模块DEMOD对于进行逆扫频获得的信号进行解调。

本发明的优选实施方式是：对于单业务信号传输时，所述啁啾展频模块还包括对CSS符号的中心频率和起止时间进行控制以实现变换域复用。其实现过程可表达如下：一个宽度为T的CSS符号可表示为

   -T/2≤t≤T/2          (1)

其中，a(t)为信号的包络，f₀为CSS的中心频率，k为调频率，φ为初始相位。由于(1)式还可以表达为

                 (2)

 其中，f_i+f_c=f₀。(2)式表明c(t)的中心频率可由载波频率f_c和副载波频偏f_i的组合进行控制。那么调整相邻符号f_i的间隔以保证彼此分离，可以实现复用及多址；同样，当保证各相邻符号的起止时间间隔能够使得符号彼此分离，也可以实现复用及多址。

本发明的优选实施方式是：对不同业务进行混合传输时，所述啁啾展频模块还包括增加某业务符号的传输时间间隔，以保证为其他业务预留资源。具体过程如下：由于不同业务采用的CSS的调频率不同，因此所占用时-频资源的具有差别。当不同业务进行混合传输时，可能造成业务间比较严重的干扰。可以通过增加某业务符号的传输时间间隔来降低对于其它业务的干扰程度。如图3所示，A、B两业务混合传输时，通过增加B业务的符号传输间隔Δt减少对A业务的干扰。

本发明基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输系统通过采用多调频率啁啾展频进行多业务混合传输，使多业务模式在物理层即可实现识别和分离，能够简化上层调度算法；不同业务的差异性在物理层得到体现，具体是不同业务的传输质量可以通过对参数的控制灵活调整。将多业务混合的复杂问题简化为单业务的变换域传输复用/多址和业务间干扰抑制问题，不同业务符号允许异步发起，不要求具有严格时序关系。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法，包括如下步骤：

基带调制：将分类后的待发送数据进行基带调制；

啁啾展频：接收基带调制后的信号，然后分别采用不同调频率的chirp信号进行啁啾展频，再混合传输；

分数阶傅里叶变换：对接收的混合传输信号进行对应阶次的分数阶傅里叶变换以确定信号成分；

变换域滤波：在已确定的变换阶次的变换域上进行滤波；

逆扫频：对确定的信号成分分别进行逆扫频；

解调：将信号进行解调。

2.根据权利要求1所述的基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法，其特征在于，在基带调制步骤中，采用四相相移键控或差分四相相移键控调制方式将分类后的待发送数据进行基带调制。

3.根据权利要求1所述的基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法，其特征在于，在啁啾展频步骤中，对于单业务信号传输时，还包括对啁啾展频符号的中心频率和起止时间进行控制以实现变换域复用。

4.根据权利要求1所述的基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输方法，其特征在于，在啁啾展频步骤中，对不同业务进行混合传输时，还包括增加某业务符号的传输时间间隔。

5.一种基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输系统，其特征在于，包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括对待发送数据进行业务分类的数据分类模块、对业务数据进行基带调制的调制模块、将各调制符号分别进行调频率不同的啁啾展频的啁啾展频模块，所述接收单元包括对接收的混合传输信号进行对应阶次的分数阶傅里叶变换的分数阶傅里叶变换模块、对各信号成分分别进行逆扫频的逆扫频模块、对信号进行解调的解调模块；发射时：所述数据分类模块将待发送数据进行业务分类后由所述调制模块进行基带调制，所述啁啾展频模块将各调制符号分别进行调频率不同的啁啾展频，再将各路信号合并输出；接收时：所述分数阶傅里叶变换模块对接收的混合传输信号进行对应阶次的分数阶傅里叶变换以确定信号成分，并在变换域上进行滤波以抑制指定成分以外的其他信号干扰；所述逆扫频模块对确定的信号成分分别进行逆扫频后送入所述解调模块解调。

6.根据权利要求5所述基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输系统，其特征在于，所述调制模块采用四相相移键控或差分四相相移键控调制方式将分类后的待发送数据进行基带调制。

7.根据权利要求5所述基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输系统，其特征在于，所述接收单元还包括变换域滤波模块，所述变换域滤波模块对干扰信号进行抑制。

8.根据权利要求5所述基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输系统，其特征在于，对于单业务信号传输时，所述啁啾展频模块还包括对啁啾展频符号的中心频率和起止时间进行控制以实现变换域复用。

9.根据权利要求5所述基于多调频率啁啾展频的多业务混合传输系统，其特征在于，对不同业务进行混合传输时，所述啁啾展频模块还包括增加某业务符号的传输时间间隔。

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