CN103825636B - 基于mimo-ofdm、协作、认知的无线设备及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于MIMO‑OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法，包括认知识别环境信号；根据认知无线的环境信号在多用户环境中通过一定规则共享其他用户天线，获得全部的空间分集增益效果；通过利用认知识别的环境信号在多用户环境中通过一定规则共享其他用户天线的步骤，实现通信装置与该通信对方之间的传播路径的通信估计矩阵的矩阵式不为0的天线组合，达到无缝连接通信的效果。本发明结合了MIMO‑OFDM技术、协作通信技术和认知识别技术，解决了无线通信过程中信号衰落严重，传输速率和通信质量，通信连接方式间断的问题，大大加强了通信传输能力。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体来说是一种基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备；另外，本发明还涉及到所述基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法。
背景技术
在无线LAN(局域网，Local Area Network)等中，采用了OFDM传输方式。OFDM(正交频分复用)，其传输方式是多载波传输方式的一种，按多个载波分割数字数据，将各载波用数字数据调制之后进行复用并传输。
在OFDM传输方式中，由于使用多个载波，所以能够延长各个调制符号的时间，因此OFDM传输方式作为不易受多路径干扰影响的传输方式已为众所周知。
另外，在OFDM传输方式中，一般来说在被传输的信号中包含两个期间，一是被称为有效期间的实际传输与数据有关的信号所需要的期间，二是对在有效期间传输的信号的部分进行传输的被称为保护期间的冗余期间。在保护期间传输的信号也被称为循环前缀，对于因多路径传播而产生的延迟波，防止符号间干扰，并且维持载波间的正交性，防止载波间干扰。
还有，将在OFDM传输方式中传输的信号称为“OFDM信号”，OFDM信号包括有效期间中传输的信号和保护期间中传输的信号。利用在保护期间传输的信号和在有效期间传输的信号的部分是相同的信号波形的状况，通过双方的相关来实施载波频率等的频率同步或识别符号的时间同步的方法。
MIMO(多输入多输出)最早是1908年Marconi提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。OFDM(正交频分复用)是20世纪70年代，Weistein和Ebert等人应用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶方法(FFT)研制了的一个完整的多载波传输系统。Cooperativecommunication(协作通信)是1979年Cover和Gamal在对中继信道的研究中，首次提到了协作通信的模型。cognitive radio(认知无线)是1999年Joseph Mitola博士提出，其功能是具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。
目前已公知的技术中，已有很多相关的通信系统及通信方法。
如中国专利号为200980110658.5，公开了一种名为“协作通信技术”的技术，该技术由英特尔公司提出，其基本的技术方案是：重传(例如同时重传)由源装置发送的传输的多个协作装置。由此，从源装置向目标装置传递传输可涉及两个或更多“跳”(例如第一“跳”包括初始传输，而第二“跳”包括两个或多个中继传输)。可利用无线链路的多样性，并可通过源装置与协作装置(其中一些可具有到目标装置的较佳质量连接)之间的协作实现空间分集和阵列增益。结果，目标装置可以从源接收初始传输的多个独立衰落的型式(重传)。这可增大由目标装置可靠解码的可能性。因此，可有利地降低成功解码所需的重传的预计数量。
又如中国专利号为201010117678.X，提出了一种名为“无线通信中基于视觉认知的方法与系统”，其包括视觉信息获取、图像信号特征检测以及目标识别、无线场景分析、无线通信模式选择和资源管理等步骤。本发明通过“看”的方式来观察无线通信环境，积极主动与无线环境交互，对无线环境全景认识充分，并对无线通信环境进行学习和推理，做出更有效准确的决策。能广泛应用于现有的无线通信系统中，可以灵活提供更多样化的应用业务，为满足用户多方面的需求提供具有针对性的解决方案，实现无线通信的人性化和智能化。
中国专利号为201210158321.5的名为“多输入多输出系统和方法”，该技术由高通公司提出，其方案系统可在多根天线上同时发射，以及在多根天线上同时接收。不幸的是，因为传统的802.11a／g设备不能够对多个数据流解码，所以传统设备可能会因为在MIMO分组的发射完成之前进行发射而“重叠”在MIMO分组上。因此，本文中提供MIMO系统和方法，以允许传统设备进行MIMO分组长度的解码，并禁止在该段时间期间进行发射。这些MIMO系统和方法针对MIMO分组的高效发射进行了优化。
诸如此类的技术有很多。上述的通信方案具有很大的进步性，其对社会技术的发展起到了极大的帮助，给人们的生活带来的很大方便。但是，上述的这些方案其解决的问题还具有一定的局限性，主要是这些技术的功能相对比较单一，未能综合利用MIMO-OFDM、协作通信、认知识别通信三个技术，未能充分发挥其综合起来的效果。
发明内容
本发明正是鉴于上述的技术缺陷，提出一种新的技术方案：基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备及通信方法，其目的是综合MIMO-OFDM、协作通信、认知识别通信这三个技术，以提高传输速率和通信质量，起到无缝通信连接的效果。
为了解决上述的技术问题，本发明的基本解决技术方案是：基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备，包括多输入多输出模块、正交频分复用接收器、协作通信模块和认知无线电模块，所述认知无线电模块、所述协作通信模块和所述多输入输出模块及正交频分复用接收器依次通信连接；所述认知无线电模块包括依次通信连接的认知信号获取装置、信号识别传输装置、无线环境鉴别处理器以及无线信号输出装置；所述协作通信模块包括选择装置以及确定装置，所述选择装置用于选择至少两个协作装置，所述确定装置用于确定重传的至少两个信号特征，所述的至少两个信号特征与所述至少两个协作装置一一对应；所述多输入多输出模块包括多输入多输出信号处理单元、发射端和接收端，所述发射端和所述接收端分别通信连接所述多输入多输出信号处理单元。
本发明所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备中，所述认知信号获取装置包括光学传感器、声学传感器、电信号成像器，并通过所述光学传感器、声学传感器、电信号成像器获取环境实时图像。
本发明所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备中，所述协作通信模块还包括有信号发送器，用于向所述至少两个协作装置发送所述选择的信号。
本发明所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备中，所述发射端包括第一天线单元、第二天线单元，所述接收端包括第三天线单元和第四天线单元，所述第一天线单元和第二天线单元设置在一条直线上，所述第三天线单元和第四天线单元位于所述直线外的同一侧，所述第一天线单元、第二天线单元，第三天线单元和第四天线单元均与所述多输入多输出信号处理单元连接。
本发明的另外一个方面，提出了基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法，其步骤包括：
S1、认知识别环境信号步骤；
S2、根据S1认知识别的环境信号在多用户环境中通过一定规则共享其他用户天线，获得全部的空间分集增益效果；
S3、通过利用S2步骤获取的其他用户天线，实现通信装置与该通信对方之间的传播路径的通信估计矩阵的矩阵式不为0的天线组合，达到无缝连接通信的效果。
优选的，本发明所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法中，所述认知识别环境信号步骤包括获取视觉信息，根据获取的视觉信息进行信号特征检测以及目标识别的步骤，将提取出的信号特征和目标信息导入到数据库的步骤，根据导入到数据库的信息分析、判断目前无线环境的步骤，根据判断目前无线环境制定通信方案的步骤。
优选的，本发明所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法中，所述根据S1认知识别的环境信号在多用户环境中通过一定规则共享其他用户天线的步骤包括根据所述目前无线环境制定通信方案利用无线信道广播特性进行处理的步骤，根据处理的结果通过一定规则使得单天线终端设备获取其他用户的天线形成虚拟天线阵列的步骤，然后实现同一信息能够通过不同无线信道到达接收端的步骤。
本发明的有益效果是：本发明结合了MIMO-OFDM技术、协作通信技术和认知识别技术，解决了无线通信过程中信号衰落严重，传输速率和通信质量差，通信连接方式间断的问题，大大加强了通信传输能力，使得用户在使用设备时能够进行无缝通信连接。
附图说明
图1本发明基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的结构原理框图；
图2本发明为对照图1所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的认知无线电模块的结构框图；
图3本发明为对照图1所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的协作通信模块的结构框图；
图4本发明为对照图1所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的多输入多输出模块的结构框图；
图5本发明为对照图1所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法原理图。
具体实施方式
以下将结合附图1附图2、附图3、附图4和附图5对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备包括认知无线电模块1、协作通信模块2、正交频分复用接收器3和多输入多输出模块4，所述认知无线电模块1、所述协作通信模块2、所述正交频分复用接收器3和所述多输入多输出模块4依次通信连接。所述的这四个模块处理在无线设备通信过程中处理不同的信息处理步骤，并且共同完成通信。
对照图2，所述的认知无线电模块1包括认知信号获取装置101、信号识别传输装置102、无线环境鉴别处理器103以及无线信号输出装置104。
对照图3，所述协作通信模块2包括选择装置201以及确定装置202，所述选择装置201用于选择两个协作装置201-1，所述确定装置202用于确定重传的两个信号特征202-1，所述的两个信号特征201-1与所述两个协作装置202-1一一对应。
现有技术中，所述的正交频分复用接收器3和所述多输入多输出模块4基本是为混合技术，已经融为一起，即行业内常说的MIMO-OFDM。
对照图4，多输入多输出模块4包括多输入多输出信号处理单元401、发射端402和接收端403，所述发射端402和所述接收端403分别通信连接所述多输入多输出信号处理单元401。其中所述发射端402包括第一天线单元402-1、第二天线单元402-2，所述接收端403包括第三天线单元403-1和第四天线单元403-2，所述第一天线单元402-1和第二天线单元402-2设置在一条直线上，所述第三天线单元403-1和第四天线单元403-2位于所述直线外的同一侧，所述第一天线单元402-1、第二天线单元402-2，第三天线单元403-1和第四天线单元403-2均与所述多输入多输出信号处理单元401连接。
以下结合上述所述的无线设备以及附图5对该基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法进行说明。
基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法其步骤包括：
S1、认知识别环境信号；
S2、根据SI认知识别的环境信号在多用户环境中通过一定规则共享其他用户天线，获得全部的空间分集增益效果；
S3、通过利用S2步骤获取的其他用户天线，实现通信装置与该通信对方之间的传播路径的通信估计矩阵的矩阵式不为0的天线组合，达到无缝连接通信的效果。
对照图5，为了方便说明，其基本的通信方法可以归结为认知识别环境信号步骤001、多用户环境通信方案制定步骤002和获取其他用户的天线形成虚拟天线阵列以实现信息获取步骤003。
具体步骤将结合无线设备进行说明。
认知信号获取装置101通过光学传感器、声学传感器、电信号成像器等传感器获取环境实时图像，然后所述信号识别传输装置102将相关的环境实时图像传输到无线环境鉴别处理器103，根据获取的视觉信息进行信号特征检测以及目标识别，将提取出的信号特征和目标信息导入到无线环境鉴别处理器103的数据库，根据导入到数据库的信息分析、判断目前无线环境，根据判断目前无线环境制定通信方案，最后通过无线信号输出装置104输出通信方案。无线信号输出装置104输入到两个协作装置201-1，然后选择装置201选择两个协作装置201-1，然后确定装置202确定是否重传的两个信号特征202-1，所述的两个信号特征201-1与所述两个协作装置202-1一一对应。需要说明一下，协作通信模块能够利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中通过一定规则共享其他用户的天线，形成虚拟天线阵列，使得同一信息能够通过不同的独立无线信道到达接收端。协作通信可以提供全部的空间分集增益效果，即n个参与协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有n个独立的发射天线所提供的空间分集增益。第一天线单元402-1、第二天线单元402-2，第三天线单元403-1和第四天线单元403-2将接收到到信号输入到多输入多输出信号处理单元401，由多输入多输出信号处理单元401进行信道估计值的计算。发射端402发射两个通信流时，多输入多输出信号处理单元401从第一天线单元402-1、第二天线单元402-2，第三天线单元403-1和第四天线单元403-2的输出中选择任意两个输出，实现无缝通信连接。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (3)
1.一种基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备，其特征在于：包括多输入多输出模块、正交频分复用接收器、协作通信模块和认知无线电模块，所述认知无线电模块、所述协作通信模块和所述多输入输出模块及正交频分复用接收器依次通信连接；
所述认知无线电模块包括依次通信连接的认知信号获取装置、信号识别传输装置、无线环境鉴别处理器以及无线信号输出装置；其中，所述认知信号获取装置包括光学传感器、声学传感器、电信号成像器，并通过所述光学传感器、声学传感器、电信号成像器获取环境实时图像；所述认知信号获取装置通过所述光学传感器、声学传感器或/和电信号成像器获取环境实时图像，通过所述信号识别传输装置将相关的环境实时图像传输到所述无线环境鉴别处理器，根据获取的视觉信息进行信号特征检测以及目标识别，将提取出的信号特征和目标信息导入到无线环境鉴别处理器的数据库，根据导入到数据库的信号特征和目标信息分析、判断目前无线环境，根据判断目前无线环境制定通信方案，最后通过无线信号输出装置输出通信方案；再通过无线信号输出装置输入到至少两个协作装置；
所述协作通信模块包括选择装置以及确定装置，所述选择装置用于选择至少两个协作装置，所述确定装置用于确定重传的至少两个信号特征，所述的至少两个信号特征与所述至少两个协作装置一一对应；所述协作通信模块还包括有信号发送器，用于向所述至少两个协作装置发送所述选择的信号；由选择装置选择至少两个协作装置，然后由确定装置确定是否重传的至少两个信号特征，所述的至少两个信号特征与所述的至少两个协作装置一一对应；通过协作通信模块利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中通过一定规则共享其他用户的天线，形成虚拟天线阵列，使得同一信息能够通过不同的独立无线信道到达接收端；并通过协作通信模块提供全部的空间分集增益效果，即n个参与协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有n个独立的发射天线所提供的空间分集增益；
所述多输入多输出模块包括多输入多输出信号处理单元、发射端和接收端，所述发射端和所述接收端分别通信连接所述多输入多输出信号处理单元；所述发射端包括第一天线单元、第二天线单元，所述接收端包括第三天线单元和第四天线单元，所述第一天线单元和第二天线单元设置在一条直线上，所述第三天线单元和第四天线单元位于所述直线外的同一侧，所述第一天线单元、第二天线单元，第三天线单元和第四天线单元均与所述多输入多输出信号处理单元连接；通过所述第一天线单元、第二天线单元，第三天线单元和第四天线单元将接收到的信号输入到多输入多输出信号处理单元，由多输入多输出信号处理单元进行信道估计值的计算；所述发射端发射两个通信流时，由多输入多输出信号处理单元从第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元的输出中选择任意两个输出，实现无缝通信连接。
2.一种如权利要求1所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法，其特征在于：步骤包括，
S1、认知识别环境信号步骤，包括获取视觉信息，根据获取的视觉信息进行信号特征检测以及目标识别的步骤，将提取出的信号特征和目标信息导入到数据库的步骤，根据导入到数据库的信息分析、判断目前无线环境的步骤，根据判断目前无线环境制定通信方案的步骤；将认知无线电模块中的认知信号获取装置、信号识别传输装置、无线环境鉴别处理器以及无线信号输出装置依次通信连接；所述认知信号获取装置包括光学传感器、声学传感器、电信号成像器，并通过所述光学传感器、声学传感器、电信号成像器获取环境实时图像；所述认知信号获取装置通过所述光学传感器、声学传感器或/和电信号成像器获取环境实时图像，通过所述信号识别传输装置将相关的环境实时图像传输到所述无线环境鉴别处理器，根据获取的视觉信息进行信号特征检测以及目标识别，将提取出的信号特征和目标信息导入到无线环境鉴别处理器的数据库，根据导入到数据库的信号特征和目标信息分析、判断目前无线环境，根据判断目前无线环境制定通信方案，最后通过无线信号输出装置输出通信方案；再通过无线信号输出装置输入到至少两个协作装置；
所述协作通信模块包括选择装置以及确定装置，所述选择装置用于选择至少两个协作装置，所述确定装置用于确定重传的至少两个信号特征，所述的至少两个信号特征与所述至少两个协作装置一一对应；所述协作通信模块还包括有信号发送器，用于向所述至少两个协作装置发送所述选择的信号；由选择装置选择至少两个协作装置，然后由确定装置确定是否重传的至少两个信号特征，所述的至少两个信号特征与所述的至少两个协作装置一一对应；通过协作通信模块利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中通过一定规则共享其他用户的天线，形成虚拟天线阵列，使得同一信息能够通过不同的独立无线信道到达接收端；并通过协作通信模块提供全部的空间分集增益效果，即n个参与协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有n个独立的发射天线所提供的空间分集增益；
所述多输入多输出模块包括多输入多输出信号处理单元、发射端和接收端，所述发射端和所述接收端分别通信连接所述多输入多输出信号处理单元；所述发射端包括第一天线单元、第二天线单元，所述接收端包括第三天线单元和第四天线单元，所述第一天线单元和第二天线单元设置在一条直线上，所述第三天线单元和第四天线单元位于所述直线外的同一侧，所述第一天线单元、第二天线单元，第三天线单元和第四天线单元均与所述多输入多输出信号处理单元连接；通过所述第一天线单元、第二天线单元，第三天线单元和第四天线单元将接收到的信号输入到多输入多输出信号处理单元，由多输入多输出信号处理单元进行信道估计值的计算；所述发射端发射两个通信流时，由多输入多输出信号处理单元从第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元的输出中选择任意两个输出，实现无缝通信连接；
S2、根据S1认知识别的环境信号在多用户环境中通过一定规则共享其他用户天线，获得全部的空间分集增益效果；
S3、通过利用S2步骤获取的其他用户天线，实现通信装置与该通信对方之间的传播路径的通信估计矩阵的矩阵式不为0的天线组合，达到无缝连接通信的效果。
3.如权利要求2所述的基于MIMO-OFDM、协作、认知的无线设备的通信方法，其特征在于：根据S1认知识别的环境信号在多用户环境中通过一定规则共享其他用户天线的步骤包括根据所述目前无线环境制定通信方案利用无线信道广播特性进行处理的步骤，根据处理的结果通过一定规则使得单天线终端设备获取其他用户的天线形成虚拟天线阵列的步骤，然后实现同一信息能够通过不同无线信道到达接收端的步骤。
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