CN102664861B - 提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法，包括采用扩展的O-QPSK调制方式的步骤，缩短长度的16-ary Orthogonal DSSS扩频序列的步骤。本发明扩展了超低功耗无线通信物理层传输调制方式，提高了频率效率，通过调制方式和扩频序列的不同组合可以提供最高8Mbit/s的数据速率，相对于802.15.4 2450MHz PHY标准的最高250Kbit/s的数据率提高了32倍。提高传输的频率效率的同时保持了和原有标准中的调制技术相同的功率利用率，有益于保持原有的设备复杂度和功耗，使得超低功耗无线通信能够充分的利用频谱资源、降低成本和能耗。

Description

提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人局域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了数据链路层(DLL)、网络层(NWK)和应用编程接口(APl)规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。ZigBee技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中的应用，同时还支持地理定位功能。ZigBee具有很广阔的应用前景。

现有技术中ZigBee物理层发送/接收技术：

在IEEE 802.15.4-2006的物理层规范中，half sine O-QPSK和16-aryOrthogonal DSSS的组合成为了在868/915/2450MHz上都使用的调制方式。根据使用的DSSS扩频序列的长度和码片速率的不同分别支持100kb/s和250kb/s的数据速率。以2450MHz物理层规范为例，IEEE 802.15.4-2006对其调制方式做了如下的规定：

根据图1描述2450MHz物理层调制和扩频可以分为如下几个步骤：

1.比特到符号映射(Bit-to-symbol mapping)

将上一层需要传输的数据按照每4个比特一组映射为一个符号。

2.符号到码片映射(Symbol-to-chip mapping)

将16个可能的符号映射为16个长度为32bit的码片序列，如表1所示，第一列表示十进制(decimal)数据符号，第二列表示二进制(binary)数据符号，第三列表示数值扩频序列码片。

表1

3.Q-QPSK调制(O-QPSK modulation)

将每个码片序列对应图2映射到I-phase和Q-phase两个正交的坐标上，每一对I/Q值对应一个码片的星座点，图中，Tc为码片周期。

4.Half-sine成型，如图3所示，

$p\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\π}\frac{t}{2T_c}\right),0\≤t\≤{2T}_c\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

经过上述调制的信号的时域信号在时间轴和复平面上可以用图4和图5分别表示。

half sine O-QPSK和16-ary Orthogonal DSSS之所以在ZigBee中能成为一种主导的调制技术是因为其本身的特点适用于ZigBee的应用环境。从图5可以看出Half sine O-QPSK的信号在复平面上其轨迹严格落在在单位圆上，这说明其时域信号包络为恒定的。这个特性是由于O-QPSK信号的I和Q分量不会同时穿过零点，这对于射频功放的功率利用率帮助，同时也降低了对射频器件的线性度的要求，等效于降低了实现复杂度。使得ZigBee使用简单低成本低功耗的设计成为了可能。16-ary Orthogonal DSSS的应用带来了9dB以上的信噪比性能增益，对于降低信道中噪声和各种干扰的影响以及信道中的多径传播影响以及提高接收灵敏度都有积极的作用。

ZigBee的器件的低复杂度、低功耗、低成本特点无疑是其能够广泛应用的优势之一，但是其低数据速率的特点又成为了他在可以预见的得到的未来的应用中的一个制约其发展的关键因素，IEEE组织也意识到了这一点，并在其后的补充版本的规范中陆续增加了提高数据率的调制方式(如IEEE 802.15.4a-2007中的2450MHz chirp spread spectrum PHY)作为可选择的补充，但是新增的调制方式与之前广泛使用的调制技术存在很大差异因此无法做到有效的兼容之前的标准，这就带来了复杂度和成本的急剧提高和功耗的响应增大从而牺牲其原有的优势。如何能够提高其频谱利用率同时维持现有复杂度的成本成为业界目前的一个备受关注的通信领域绿色科技热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超低功耗无线通信传输中提高频谱利用率从而在现有的频谱资源上实现更高的数据传输速率的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种提高频谱利用率从而在现有的频谱资源上实现更高的数据传输速率的方法，可以从物理层调制方式上进行升级。为了保证与现有技术的兼容和保持相同等级的复杂度和功耗，我们的解决方案可以分为Half-s ine O-QPSK调制方式的扩展和缩短长度的16-ary OrthogonalDSSS序列两个技术方案，这两个方案中的任意一个或者两者的结合都可以提高频谱利用率。

一种提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法，其特征是，物理层调制和扩频步骤中，包括

采用扩展的Half-sine O-QPSK调制方式的步骤，

缩短长度的16-ary Orthogonal DSSS扩频序列的步骤。

扩展的调制方式为π/4DQPSK。π/4DQPSK的星座图由两个相差π/4相位的QPSK星座图组成，π/4DQPSK的符号在星座点之间进行跳转的可能性是受限制的，其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/4，-π/4，3π/4，-3π/4}这4种可能。π/4DQPSK的信号跳转轨迹与单位圆重合，该信号轨迹不经过复平面零点，具有平坦的时间信号包络。

所述扩展的调制方式为相位差分QPSK。相位差分QPSK的符号在星座点之间进行跳转的轨迹是受到约束的，其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/2，-π/2，π，-π}这4种可能；相位差分QPSK的信号跳转轨迹与单位圆重合，该信号轨迹不经过复平面零点，具有平坦的时间信号包络。

所述扩展的调制方式为相位差分16PSK。相位差分16PSK用前后两个符号的相位变化量来表示该符号传递的4个信息比特，相位差分16PSK的符号在星座点之间进行跳转的轨迹是受到约束的，其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/8，π/4，π3/8，π/2，π5/8，π3/4，π7/8，π，-π/8，-π/4，-π3/8，-π/2，-π5/8，-π3/4，-π7/8，-π}16种可能；相位差分16PSK的信号跳转轨迹与单位圆重合，该信号轨迹不经过复平面零点，具有平坦的时间信号包络。

缩短长度的16-ary Orthogonal DSSS扩频序列的步骤为：

对应于原先长度为32比特的16-ary Orthogonal DSSS序列，采用比32比特更短的16-ary Orthogonal DSSS序列长度，所述比32比特更短的16-aryOrthogonal DSSS序列长度为4比特、8比特或16比特的序列长度。

本发明所达到的有益效果：

本发明扩展了超低功耗无线通信的物理层传输调制方式，提高了频率效率，通过调制方式和扩频序列的不同组合可以提供最高8Mbit/s的数据速率，相对于802.15.42450MHz PHY标准的最高250Kbit/s的数据率提高了32倍。在提高了传输的频率效率的同时保持了和原有标准中的调制技术相同的功率利用率，因此不需要配合更高性能的射频和模拟器件，有益于保持原有的设备复杂度和功耗，使得超低功耗无线通信能够更加充分的利用频谱资源的同时降低成本和能耗。

附图说明

图1是现有技术中描述IEEE 802.15.4标准中2450MHz物理层调制和扩频过程示意图；

图2是图1中Q-QPSK调制示意图；

图3是图2对应的Half-sine成型示意图；

图4是经过调制的信号的时域信号在时间轴上示意图；

图5是经过调制的信号的时域信号在复平面上示意图；

图6表示了星座点之间跳转的约束条件；

图7表示了π/4DQPSK的信号轨迹；

图8表示了相位差分QPSK的信号轨迹；

图9表示了相位差分16QPSK的信号轨迹；

图10-图13描述了使用本发明的方法的调制器的框图及调制过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例中介绍以扩展的调制方式提高频率效率的方法，具体介绍三种调制技术方案。

a)调制方案1：π/4DQPSK

QPSK-QuadraturePhaseShiftKeying，正交相移键控，是一种数字调制方式。DQPSK-Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying，四相相对相移键控。π/4DQPSK的星座图由两个相差π/4相位的QPSK星座图组成，因此其星座图与8PSK完全相同。但是他与后者的差别在于π/4DQPSK的符号在星座点之间进行跳转的可能性是受限制的，这个限制就是其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/4，-π/4，3π/4，-3π/4}四种可能，相对于O-QPSK每次相位跳转为{π/2，-π/2}两种可能，π/4DQPSK能将频率利用率提高一倍。图6表示了星座点之间跳转的约束条件，图中的黑色圆点表示符号的星座点，连接两个黑色圆点之间的直线表示前后符号的跳转关系(该直线并不表示信号跳转轨迹)。与O-QPSK一样，π/4DQPSK的信号跳转轨迹与单位圆重合，该信号轨迹不会经过复平面零点，因此它也具有和Half-sine O-QPSK类似的平坦的时间信号包络，这一优点对简化发射器件设计和优化功率利用率带来了好处。π/4DQPSK的信号轨迹如图7所示。

b)调制方案2：相位差分QPSK

相位差分QPSK的星座图与QPSK星座图定义相同，但是他与后者的差别在于相位差分QPSK用前后两个符号的相位变化量来表示该符号传递的2个信息比特，相位差分QPSK的符号在星座点之间进行跳转的轨迹是受到约束的，这个约束就是其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/2，-π/2，π，-π}四种可能，相对于Half-sine O-QPSK每次相位跳转为{π/2，-π/2}两种可能相位差分QPSK能将频率利用率提高一倍。与Half-sine O-QPSK一样相位差分QPSK的信号跳转轨迹与单位圆重合，该信号轨迹不会经过复平面零点，因此它也具有和Half-sine O-QPSK类似的平坦的时间信号包络，这一优点对简化发射器件设计和优化功率利用率带来了好处。相位差分QPSK的信号轨迹如图8所示。

c)调制方案3：相位差分16PSK

相位差分16PSK的星座图与16PSK星座图定义相同，但是他与后者的差别在于相位差分QPSK用前后两个符号的相位变化量来表示该符号传递的4个信息比特，相位差分16PSK的符号在星座点之间进行跳转的轨迹是受到约束的，这个约束就是其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/8，π/4，π3/8，π/2，π5/8，π3/4，π7/8，π，-π/8，-π/4，-π3/8，-π/2，-π5/8，-π3/4，-π7/8，-π}16种可能，相对于Half-sine O-QPSK每次相位跳转为{π/2，-π/2}两种可能，相位差分16PSK能将频率利用率提高3倍。与Half-sine O-QPSK一样相位差分16PSK的信号跳转轨迹与单位圆重合，该信号轨迹不会经过复平面零点，因此它也具有和Half-sine O-QPSK类似的平坦的时间信号包络，这一优点对简化发射器件设计和优化功率利用率带来了好处。相位差分16QPSK的信号轨迹如图9所示。

实施例2

本实施例中介绍以缩短的16-ary Orthogonal DSSS序列方式提高频率效率的方法，具体介绍三种缩短的技术方案。

对应于原先长度为32比特的16-ary Orthogonal DSSS序列，使用更短的16-ary Orthogonal DSSS序列可以相应提高频谱利用率。

1)长度为16比特的16-ary Orthogonal DSSS

2)长度为8比特的16-ary Orthogonal DSSS

3)长度为4比特的16-ary Orthogonal DSSS，由于数据符号(data symbol)为4比特，如果DSSS序列长度为4bit的话就等同于没有进行扩频，扩频的处理增益为0dB，这等价于直接将数据符号当做扩频后的调制符号比特分组送入调制器进行调制产生调制信号。

实施例3

本发明所提及的调制方式和扩频可以通过以下的方法产生：

图10描述了一个使用本发明的调制器的框图，依次包括“信息比特到信息符号映射”“信息符号到码片序列映射”“码片到调制符号比特分组”“基带信号调制器”4个模块。

其中“信息比特到信息符号映射”将物理层帧比特序列每4个一组划分成信息符号；“信息符号到码片序列映射”将信息符号映射成16个候选码片序列中的一个，码片序列s1，s2…s16长度都相同，其长度K等于当前选择的16-aryOrthogonal DSSS扩频序列长度，如图11。“码片到调制符号比特分组”为一个比特序列的串行到并行变换，将该模块的输入码片流按照每组L个比特依次分割成一个一个调制符号，如图12。“基带信号调制器”按照L比特的调制符号在M个候选值{Δf(0)，Δf(1)，。。。Δf(M-1)}中选择一个送入数字累加器，数字累加器工作时钟频率为Fs，累加器的输出乘以2π后进行查表得到相应的正弦和余弦值作为数字基带信号I(n)/Q(n)，数字基带信号经过数字模拟转换器(DAC)形成模拟基带信号I(t)/Q(t)，如图13。

当调制方式为π/4DQPSK时，L＝2，M＝4；

调制符号{d(i，0)，d(i，1)}＝{0，0}时，Δf(0)＝-π/4/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)}＝{1，0}时，Δf(1)＝-3π/4/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)}＝{0，1}时，Δf(2)＝π/4/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)}＝{1，1}时，Δf(3)＝3π/4/(Fs/Fr)

其中Fr为调制符号发送速率。

当调制方式为相位差分QPSK时，L＝2，M＝4；

调制符号{d(i，0)，d(i，1)}＝{0，0}时，Δf(0)＝-π/2/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)}＝{1，0}时，Δf(1)＝-π/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)}＝{0，1}时，Δf(2)＝π/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)}＝{1，1}时，Δf(3)＝π/2/(Fs/Fr)

当调制方式为相位差分16PSK时，L＝4，M＝16；

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{1，0，0，0}时，Δf(0)＝-π/8/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{1，1，0，0}时，Δf(1)＝-π/4(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{0，1，0，0}时，Δf(2)＝-3π/8/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{0，0，0，0}时，Δf(3)＝-π/2(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{0，0，1，0}时，Δf(4)＝-5π/8/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{0，1，1，0}时，Δf(5)＝-3π/4(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{1，1，1，0}时，Δf(6)＝-7π/8/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{1，0，1，0}时，Δf(7)＝-π/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{1，0，0，1}时，Δf(8)＝-π/8/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{1，1，0，1}时，Δf(9)＝-π/4(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{0，1，0，1}时，Δf(10)＝-3π/8/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{0，0，0，1}时，Δf(11)＝-π/2(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{0，0，1，1}时，Δf(12)＝-5π/8/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{0，1，1，1}时，Δf(13)＝-3π/4(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{1，1，1，1}时，Δf(14)＝-7π/8/(Fs/Fr)

调制符号{d(i，0)，d(i，1)，d(i，3)，d(i，4)}＝{1，0，1，1}时，Δf(15)＝-π/(Fs/Fr)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1. 一种提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法，其特征是，物理层调制和扩频步骤中，至少包括以下步骤之一：

采用扩展的Half-sine O-QPSK调制方式的步骤，

缩短长度的16-ary Orthogonal DSSS扩频序列的步骤；

扩展的调制方式为π/4 DQPSK、相位差分QPSK或相位差分16PSK；

π/4 DQPSK、相位差分QPSK或相位差分16PSK的信号跳转轨迹与单位圆重合，该信号轨迹不经过复平面零点，具有平坦的时间信号包络。

2.根据权利要求1所述的提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法，其特征是，所述π/4 DQPSK的星座图由两个相差π/4相位的QPSK星座图组成，π/4 DQPSK的符号在星座点之间进行跳转的可能性是受限制的，其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/4，-π/4，3π/4，-3π/4}这4种可能。

3.根据权利要求1所述的提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法，其特征是，所述相位差分QPSK的符号在星座点之间进行跳转的轨迹是受到约束的，其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/2，-π/2，π，-π}这4种可能。

4.根据权利要求1所述的提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法，其特征是，所述相位差分16PSK用前后两个符号的相位变化量来表示该符号传递的4个信息比特，相位差分16PSK的符号在星座点之间进行跳转的轨迹是受到约束的，其符号每次跳转带来的相位改变只能是{π/8，π/4，π3/8，π/2，π5/8，π3/4，π7/8，π，-π/8，-π/4，-π3/8，-π/2，-π5/8，-π3/4，-π7/8，-π}16种可能。

5.根据权利要求1或2所述的提高超低功耗无线通信传输频谱效率的方法，其特征是，缩短长度的16-ary Orthogonal DSSS扩频序列的步骤为：

对应于原先长度为32比特的16-ary Orthogonal DSSS序列，采用比32比特更短的16-ary Orthogonal DSSS序列长度，所述比32比特更短的16-ary Orthogonal DSSS序列长度为4比特、8比特或16比特的序列长度。