CN106330208B - 一种基于IP over RF网络制式的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于IP over RF网络制式的装置，包括：RF单元，用于在动态变化的频率范围内收发RF信号；可重构的模拟基带单元，用于对信号进行滤波、放大、数/模与模/数处理，从而输出带宽、增益、采样速率可重构的处理信号；数字基带单元，所述数字基带单元是参数化的，从而可兼容多种协议并可动态产生自定义的协议；以及多协议兼容MAC单元，用于以可自动切换的方式以多种MAC层协议中的一种协议通信。本发明提供的基于IP over RF网络制式的装置，解决泛在网不同构架与协议兼容与融合难题，使得未来网络统一成IP网络成为可能。

Description

一种基于IP over RF网络制式的装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于IP over RF网络制式的装置。
背景技术
随着互联网技术的迅速发展，因特网协议(IP)已经成为数据通信的主流协议，虽然目前还存在着如电信网、移动网等其他网络，但由于IP网络自身的优势，如网络建设容易、成本低、覆盖范围广等，未来的各种网络势必会统一成IP网络。同样，随着智能终端、移动通信和物联网的发展，RF通信技术也越来越重要。然而，现有的通信网络主要存在以下问题：各种网络制式同时存在，比如DVB-T、GSM、CDMA、3G、4G、ZigBee、Bluetooth、IEEE802.11x等，但并没有任何一个RF通信芯片能同时兼容这些网络制式。因此，在MAC层和PHY层，存在各种协议，每种协议需要特定的硬件电路来实现。
发明内容
针对现有技术中没有任何一个RF通信芯片能同时兼容各种网络制式的缺陷，本发明提供一种基于IP over RF网络制式的装置。
本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：
一种基于IP over RF网络制式的装置，包括：RF单元，用于在动态变化的频率范围内收发RF信号；可重构的模拟基带单元，用于对信号进行滤波、放大、数/模与模/数处理，从而输出带宽、增益、采样速率可重构的处理信号；数字基带单元，所述数字基带单元是参数化的，从而可兼容多种协议并可动态产生自定义的协议；以及多协议兼容MAC单元，用于以可自动切换的方式以多种MAC层协议中的一种协议通信；所述MAC单元具有时分与统计时分比例自适应机制，通过自适应控制每个周期内时分与统计时分的时间比例。
优选地，所述的一种基于IP over RF网络制式的装置还包括：IP单元，用于实现IP层通信；所述IP单元包括IP安全过滤器，用于防止在芯片管脚监听/窃听通信信息。
优选地，所述RF单元包括：天线，用于收发RF信号；低噪声放大器，用于对接收的RF信号进行放大；下混频器，用于将接收的RF信号线性搬移到中频信号；频率合成器，用于产生一定频率范围的频率源；上混频器，用于将中频信号线性搬移到RF信号；以及功率放大器，用于将RF信号放大后通过所述天线发射。
优选地，所述频率范围为0～100GHz。
优选地，所述可重构的模拟基带单元包括：固定增益放大器，用于以固定的增益对信号进行放大；低通滤波器，用于对接收到的信号进行低通滤波；所述低通滤波器带宽可重构；可变增益放大器，用于以可变增益对信号进行放大；模数转换器，用于以可调的采样速率将模拟信号转换成数字信号；数模转换器，用于以可调的采样速率将数字信号转换成模拟信号。
优选地，所述数字基带单元包括：快速傅里叶逆变换模块，用于提供可变点数的频域到时域的变换；快速傅里叶变换模块，用于提供可变点数的时域到频域的变换；矢量映射调制解调模块，用于提供基于矢量的调制解调方式，从而兼容多种调制解调方式；编解码模块，用于提供多种编解码方式。
优选地，所述多种MAC层协议包括：CSMA/CA、CSMA/CD、TDD、WCDM、CDM2000、TD-SCDMA、DAMA-TDMA以及GSM等。
优选地，所述一种基于IP over RF网络制式的装置可应用于泛在网络、软件定义网络、D2D通信、P2P通信、M2M通信、物联网。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明通过IP over RF无线收发器系统构架，解决泛在网不同构架与协议兼容与融合难题，使得未来网络统一成IP网络成为可能。通过模拟基带、数字基带和MAC层这三层的参数化重构与配置结构，使得芯片系统结构可动态重构、可编程，实现SDN、P2P、M2M、D2D并使动态定义网络协议成为现实。在MAC层，提出了时分(Time Division)与统计时分(Statistics Time Division)比例自适应机制，通过自适应控制每个周期(T)内时分(TD)与统计时分(STD)的时间比例，解决了时分与统计时分信道访问机制无法兼容的难题，是IP网络兼容实时网络和非实时网络的基石，在IP层，通过芯片IO与IP层缓冲区之间的IP安全过滤器的过滤，防止在芯片管脚监听/窃听的安全漏洞
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种基于IP over RF网络制式的装置结构示意图；
图2是本发明提供的第一实施例一种基于IP over RF网络制式的装置结构示意图；
图3是本发明提供的第二实施例基带处理器结构示意图；
图4是本发明提供的数字基带单元结构示意图；
图5A-5E是本发明提供的一种基于IP over RF网络制式的装置应用示意图。
具体实施方式
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的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。
本发明实施例提供一种基于IP over RF网络制式的装置，用于解决一款芯片无法兼容各种网络制式的难题，使得未来网络统一成IP网络成为可能。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于IP over RF网络制式的装置，包括：RF单元102，用于在动态变化的频率范围内收发RF信号；可重构的模拟基带(ABB)单元104，用于对信号进行滤波、放大、数/模与模/数处理，从而输出带宽、增益、采样速率可重构的处理信号；数字基带(DBB)单元106，数字基带单元106是参数化的，从而可兼容多种协议并可动态产生自定义的协议；以及多协议兼容MAC单元108，用于以可自动切换的方式以多种MAC层协议中的一种协议通信；MAC单元108具有时分与统计时分比例自适应机制，通过自适应控制每个周期内时分与统计时分的时间比例。多种MAC层协议包括：CSMA/CA、CSMA/CD、TDD、WCDM、CDM2000、TD-SCDMA、DAMA-TDMA以及GSM等。
在一个实施例中，一种基于IP over RF网络制式的装置还可包括IP单元122，用于实现IP层通信。所述IP单元122包括IP安全过滤器302，设置在芯片IO接口与IP层缓冲区之间，用于防止在芯片管脚监听/窃听通信信息。IP安全过滤器的形式有多样，例如黑白名单。
与现有技术的网络制式相比，本申请的网络制式的层次结构并没有实质性的改变，但是本申请对物理层(包括RF单元、ABB单元和DBB单元)、MAC层、IP层中的每一层的结构都进行了改进。改进后的系统构架在物理层和MAC层都支持多种协议兼容，从而可实现异构网的融合，并使得未来网络统一成IP网络成为可能。
其中，ABB、DBB和MAC层这三层具有参数化重构与配置结构，使得芯片系统结构可动态重构、可编程，实现软件定义网络(SDN)、P2P、M2M、D2D并使动态定义网络协议成为现实。
在MAC层，提供了一种矢量映射(Vector-Mapping)的调制解调方法。所谓适量映射是指将星座图中的点以矢量的方式与符号进行映射。在实际实施中，根据实际使用需求限制矢量的最大数量，通过选择不同的矢量数量和矢量来构成不同的调制解调方式。比如，可限制矢量的最大矢量为1024，而实际使用可以自由选择所需的矢量为128、256、512或1024个，矢量为圆上的点，矩形平面上的点、直线上的点等等。还可以选择任意个不同的矢量形成自定义的调制方式。从而，通过动态配置可实现几乎所有的调制解调方式以及自定义的调制解调方式，如调幅、调频、调相、调幅调相等。还提供了时分(Time Division)与统计时分(Statistics Time Division)比例自适应机制，通过自适应控制每个周期(T)内时分(TD)与统计时分(STD)的时间比例，解决了时分与统计时分信道访问机制无法兼容的难题，是IP网络兼容实时网络和非实时网络的基石。
在IP层，提供了具有IP安全过滤器的芯片构架，通过芯片IO与IP层缓冲区之间的IP安全过滤器的过滤，可防止在芯片管脚监听/窃听信息，填补了无线通信中的安全漏洞。
下面将结合几个具体的实施例来阐述本发明。
实施例1
如图2所示，RF单元包括：天线ANT，用于收发RF信号；低噪声放大器LNA，用于对RF信号进行放大；下混频器RMIXER，用于将RF信号线性搬移到中频信号；频率合成器FS，用于产生一定频率范围的频率源；上混频器TMIXER，用于将中频信号线性搬移到RF信号；以及功率放大器PA，用于将RF信号放大后经天线ANT发射。RF单元主要有以下两种工作模式：
信号接收模式：信号经天线ANT接收后输入LNA，经LNA低噪声放大后输入RMIXER进行线性频率搬移，将高频搬移到中频，然后提供给ABB。
信号发射模式：ABB提供的中频信号输入TMIXER进行线性频率搬移，从中频搬移到高频，然后通过PA进行功率放大，以使发射距离更远，最后从ANT发送出去。
在本实施例中，RF的这两种工作模式可以是并行的也可以是串行的。也就是说，RF可以同时进行数据收发，也可以收的时候不发，发的时候不收。
在本实施例中，频率合成器FS为下混频器RMIXER和上混频器TMIXER提供频率源，从而RMIXER和TMIXER可以相应进行频率搬移。FS可以为RMIXER和TMIXER提供一个范围很宽的频率，例如从0～100GHz。而且提供给RMIXER和TMIXER的频率可以是相同的，也可以是不同的，从而可以从ANT发射频率动态变化的RF信号。例如，当需要传输的距离太远、发射功率很低时，ANT的发射频率可降低。相反，当传输距离近、发射功率高时，ANT的发射频率可以升高。
如图2和3所示，可重构的模拟基带单元包括：固定增益放大器RAMP，用于以固定的增益对信号进行放大；低通滤波器RLPF和TLPF，用于对接收到的信号进行低通滤波；低通滤波器RLPF和TLPF带宽可重构；可变增益放大器RVGA和TVGA，用于以可变增益对信号进行放大；模数转换器DAC，用于以可调的采样速率将模拟信号转换成数字信号；数模转换器ADC，用于以可调的采样速率将数字信号转换成模拟信号。
在本实施例中，低通滤波器RLPF和TLPF的带宽是可以重构的，例如在0～100M范围了可动态重构。可变增益放大器的增益也是可重构的，可以根据实际需要动态配置成不同的增益。在本实施例中，重构的方法可使用参数化的方法，例如对于可变增益放大器来说，可提供最大的增益，然后从零到最大增益的变化可改变所选择的MOS管的个数来实现。具体的重构方法有很多种，在本文中并不一一累述。
同样，ABB单元也具有两种工作模式：
接收中频IFR信号模式：如图2和3所示，该模式包括固定增益放大器RAMP、低通滤波器RLPF、可变增益放大器RVGA和模数转换器ADC。其主要作用就是对接收到的中频信号进行滤波和放大处理，从而为ADC提供符合要求的模拟输入信号，经ADC采样和模数转换后形成数字信号输入至数字基带DBB。
发射中频IFT信号模式：如图2和3所示，该模式包括数模转换器DAC、低通滤波器TLPF、可变增益放大器TVGA。其主要作用就是对数字信号进行采样和数模转换后形成模拟信号输入至TLPF，经TLPF滤波后输入TVGA进行放大，最后输出至TMIX。
如图2所示，基带处理器进行DBB、MAC层和IP层的相关逻辑处理。这些将在下面的实施例中进行更详细的介绍。
实施例2
如图3和4所示，数字基带DBB单元包括：快速傅里叶逆变换IFFT模块202，用于提供可变点数的频域到时域的变换；快速傅里叶变换FFT模块204，用于提供可变点数的时域到频域的变换；矢量映射调制解调模块206，用于提供基于矢量的调制解调方式，从而兼容多种调制解调方式；编解码模块208，用于提供多种编解码方式。
在本实施例中，FFT和IFFT模块采用可变点数，从而解决了不同OFDM系统下子载波数不一致的问题。也就是说，本申请中将FFT和IFFT的点数标准化，然后提供一个最大的可用点数，在具体实现中，用户可以在最大点数范围内选择所需要的点数进行变换。
矢量映射调制解调模块206提供基于矢量的调制解调方法。所谓适量映射是指将星座图中的点以矢量的方式与符号进行映射。在实际实施中，根据实际使用需求限制矢量的最大数量，通过选择不同的矢量数量和矢量来构成不同的调制解调方式。比如，可限制矢量的最大矢量为1024，而实际使用可以自由选择所需的矢量为128、256、512或1024个，矢量为圆上的点，矩形平面上的点、直线上的点等等。还可以选择任意个不同的矢量形成自定义的调制方式。从而，通过动态配置可实现几乎所有的调制解调方式以及自定义的调制解调方式，如调幅、调频、调相、调幅调相等。还提供了时分(Time Division)与统计时分(Statistics Time Division)比例自适应机制，通过自适应控制每个周期(T)内时分(TD)与统计时分(STD)的时间比例，解决了时分与统计时分信道访问机制无法兼容的难题，是IP网络兼容实时网络和非实时网络的基石。
编解码模块208可采用多种编码和解码方式进行编码和解码操作。编解码方式包括：卷积码、Turbo coding和低密度奇偶校验码(LDPC)。
图3示出的是基带处理器的结构示意图。基带处理器通过主从SPI(0)接口对图2所示的RF芯片内部寄存器进行灵活配置，以实现灵活地对射频频率、频带和收发链路功率进行控制，具体包括控制RLNA、RVGA等。具体应用，可以通过SPI接口和用户可空中编程对相关寄存器进行控制，来优化实际应用系统。
基带处理器采用专用MCU，完全解除应用微控制器的无线通信协议和互联网协议处理负担；具体可实现基带、媒介访问控制(MAC)、驱动器(Driver)，TCP/IP协议栈等各个层次的功能。例如：具体可实现802.11g标准协议的基带、媒介访问控制(MAC)、Wi-Fi驱动器等。
图2中的RF收发器与图3的基带处理器一起构成一个完整的集成芯片或应用终端设备。RF收发器的内部处理器和外部终端设备之间通过硬件SDIO接口和软件Driver来实现不同网络层次的数据传输。整个芯片可以工作在终端模式和中继转发模式。整个芯片可以独立成系统，作为整个网络的转发模式工作；整个芯片也可以与外部的终端设备通过SDIO接口通信，实现信息的转发，由外部终端设备实现具体的应用。
实施例3
如图5A～5E所示，附图示出了本发明一种基于IP over RF网络制式的装置在的各种网络应用实例。图5A示出了本发明一种基于IP over RF网络制式的装置进行D2D通信、P2P通信或M2M通信的数据收发示意图。数据可以从一个设备直接传送到另一个设备。
图5B示出了本发明的一种基于IP over RF网络制式的装置进行无线信号放大的示意图。当两个通信目标MA(A)和MA(C)由于各种原因(如距离太远、有障碍物阻挡、发射功率太小等)无法直接通信时，可以通过中间设备MS(B)进行无线信号放大，此时无线信号只经过MS(B)的天线进行放大，即时将接收到的无线信号放大后发送出去。
图5C示出了本发明的一种基于IP over RF网络制式的装置进行桥接的示意图。当两个通信目标MA(A)和MA(C)由于各种原因无法直接通信时，可以通过中间设备MS(B)进行桥接，此时无线信号经过MS(B)的数字基带进行处理，然后发送给MS(C)。
图5D示出了本发明的一种基于IP over RF网络制式的装置进行帧中继/包转发的示意图。当两个通信目标MA(A)和MA(C)由于各种原因无法直接通信时，可以通过中间设备MS(B)进行帧中继/包转发，此时无线信号经过MS(B)的MAC层进行处理，然后将接收到的帧/包发送给MS(C)。
图5E示出了本发明的一种基于IP over RF网络制式的装置进行路由的示意图。当两个通信目标MA(A)和MA(C)由于各种原因(无法直接通信时，可以通过中间设备MS(B)进行无线信号放大，此时无线信号经过MS(B)的IP层进行处理，然后将接收到的IP包转发给MS(C)。
本发明的一种基于IP over RF网络制式的装置的上述网络功能还可广泛应用于泛在网络、软件定义网络(SDN)和物联网等。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于IP over RF网络制式的装置，其特征在于，包括：
RF单元，用于在动态变化的频率范围内收发RF信号；
可重构的模拟基带单元，用于对信号进行滤波、放大、数/模与模/数处理，从而输出带宽、增益、采样速率可重构的处理信号；
数字基带单元，所述数字基带单元是参数化的，从而可兼容多种协议并可动态产生自定义的协议；以及
多协议兼容MAC单元，用于以可自动切换的方式以多种MAC层协议中的一种协议通信；所述MAC单元通过自适应控制每个周期内时分与统计时分的时间比例；
所述RF单元收发的RF信号经过所述可重构的模拟基带单元进行滤波、放大、数/模与模/数处理，被所述可重构的模拟基带单元处理过的信号再依次经过所述数字基带单元和所述多协议兼容MAC单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于IP over RF网络制式的装置，其特征在于，还包括：
IP单元，用于实现IP层通信；所述IP单元包括IP安全过滤器，用于防止在芯片管脚监听/窃听通信信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于IP over RF网络制式的装置，其特征在于，所述RF单元包括：
天线，用于收发RF信号；
低噪声放大器，用于对接收的RF信号进行放大；
下混频器，用于将接收的RF信号线性搬移到中频信号；
频率合成器，用于产生一定频率范围的频率源；
上混频器，用于将中频信号线性搬移到RF信号；以及
功率放大器，用于将RF信号放大后通过所述天线发射。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于IP over RF网络制式的装置，其特征在于，所述频率范围为0～100GHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于IP over RF网络制式的装置，其特征在于，所述可重构的模拟基带单元包括：
固定增益放大器，用于以固定的增益对信号进行放大；
低通滤波器，用于对接收到的信号进行低通滤波；所述低通滤波器带宽可重构；
可变增益放大器，用于以可变增益对信号进行放大；
模数转换器，用于以可调的采样速率将模拟信号转换成数字信号；
数模转换器，用于以可调的采样速率将数字信号转换成模拟信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于IP over RF网络制式的装置，其特征在于，所述数字基带单元包括：
快速傅里叶逆变换模块，用于提供可变点数的频域到时域的变换；
快速傅里叶变换模块，用于提供可变点数的时域到频域的变换；
矢量映射调制解调模块，用于提供基于矢量的调制解调方式，从而兼容多种调制解调方式；
编解码模块，用于提供多种编解码方式。
7.根据权利要求1所述的一种基于IP over RF网络制式的装置，其特征在于，所述多种MAC层协议包括：CSMA/CA、CSMA/CD、TDD、WCDM、CDM2000、TD-SCDMA、DAMA-TDMA以及GSM。
8.根据权利要求1所述的一种基于IP over RF网络制式的装置，其特征在于，所述一种基于IP over RF网络制式的装置可应用于泛在网络、软件定义网络、D2D通信、P2P通信、M2M通信、物联网。
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