CN109150482B - 物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法 - Google Patents

物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法，解决了现有的无线终端数据传输方法在物联网应用场景下面临的数据传输时间效率和资源利用率低下的问题。本发明的步骤为：1、无线终端进行注册；2、估计信道状态信息；3、生成传输数据包；4、发送传输数据包；5、检测发送传输数据包的时隙索引；6、检测数据序列。本发明具有数据传输时间效率和资源利用率高的优点。

Description

物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法。本发明可用于物联网中的无线终端，实现快速有效地将无线终端数据传输到物联网中心基站。
背景技术
无线终端数据传输是将物联网中的无线终端产生的数据传输到物联网中心基站的过程，目的是为了完成物联网中心基站对无线终端快速有效的数据收集。近年来随着物联网的发展，物联网中的无线终端数量大幅增加，但用于无线终端数据传输的时间频率资源有限，为了度量无线终端数据传输方法对时间频率资源的利用效率，将资源利用率定义为单位资源块上成功传输的数据量，而提升资源利用率成为无线终端数据传输方法一个急需解决的任务。在多数物联网应用场景下，无线终端传输的数据量较小，此时过长的控制信令会增加处理时延，影响传输的时间效率，因此处理时延成为无线终端数据传输方法的重要性能指标。
深圳市航盛电子股份有限公司在其申请的专利文献“车载终端数据传输处理方法及系统”(申请号201310633829.0申请公布号CN103607473A)中公开了一种车载无线终端数据传输处理方法。在该方法中，车载无线终端与客户端建立无线连接，执行以下步骤：(1)建立命令传输链路，在建立命令传输链路步骤中，车载无线终端首先接收命令请求，然后对命令请求的合法性进行判断，车载无线终端处理该命令所表示的操作，操作结束后，车载无线终端通过命令通道将命令的处理结果返回给客户端。(2)建立数据传输链路，进行数据传输。该方法存在的不足之处是：无线终端在进行数据传输之前，需进行四步操作建立命令传输链路，这些操作会增加处理时间，在无线终端数据量较小的物联网应用场景下，该方法建立命令传输链路消耗处理时间，数据传输时间效率低下。
Enrico Paolini等人在其发表的论文“Coded slotted ALOHA:a graph-basedmethod for uncoordinated multiple access”(IEEE Transactions on InformationTheory,2015,61(12):6815-6832)中提出了一种利用迭代干扰消除过程的无线终端数据传输方法。该方法中无线终端以一定概率处于活跃状态，而活跃无线终端随机选择若干个时隙传输数据，基站缓存每个时隙的接收信号，当某时隙中不存在数据碰撞，即该时隙接收信号仅包含一个无线终端的数据，基站可以正确解码该数据，然后利用迭代干扰消除过程消除该数据对其他时隙中接收信号的影响。该方法存在的不足之处是：由于用于传输的时隙资源有限，当大量无线终端处于活跃状态，几乎每个时隙中都包含多个无线终端的数据，基站无法在存在数据碰撞的时隙中对数据进行解码，该方法的迭代干扰消除过程不能进行，进而导致该方法资源利用率低下。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法，用于解决现有的无线终端数据传输方法在物联网应用场景下面临的数据传输时间效率和资源利用率低下的问题。
实现本发明目的技术思路是，在每个无线终端的数据序列之前添加一个值为1的固定比特，得到每个无线终端的传输数据包；在当前帧的所有时隙中，每个无线终端随机选择一个时隙发送传输数据包；物联网中心基站首先根据每个时隙中的第一个接收信号，检测当前帧中每个无线终端发送传输数据包的时隙索引，来避免建立命令传输链路的处理流程，然后检测无线终端的数据序列，来解决多个无线终端在同一时隙发送传输数据包时的数据检测问题。
本发明的具体步骤如下：
(1)无线终端进行注册：
(1a)无线终端向物联网中心基站发送注册请求信息；
(1b)物联网中心基站在接收到注册请求信息之后，向无线终端反馈注册请求响应；
(1c)无线终端在接收到物联网中心基站反馈的注册请求响应之后，向物联网中心基站发送包含自身识别号的注册信息；
(1d)在接收到无线终端的注册信息之后，物联网中心基站为每个无线终端生成一个导频序列；
(1e)物联网中心基站将生成的所有导频序列反馈至对应的无线终端；
(1f)无线终端存储物联网中心基站反馈的导频序列；
(2)估计信道状态信息：
(2a)每个无线终端向物联网中心基站发送该终端对应的导频序列；
(2b)物联网中心基站将每根接收天线接收的信号，按信号到达的时间顺序置于一个列向量中，将所有接收天线接收的信号对应的列向量按列排列，组成导频接收信号矩阵；
(2c)物联网中心基站将每个无线终端对应的导频序列中的元素，按元素在序列中的前后顺序置于一个列向量中，将所有导频序列对应的列向量按列排列，组成导频矩阵，对该导频矩阵进行求逆操作，得到导频矩阵的逆矩阵；
(2d)将导频矩阵的逆矩阵与导频接收信号矩阵相乘，得到信道状态信息矩阵；
(3)生成传输数据包：
在每个无线终端的数据序列之前添加一个值为1的固定比特，得到每个无线终端的传输数据包；
(4)发送传输数据包：
(4a)将当前时刻与数据传输起始时刻的差值除以帧时长，对得到的结果进行向上取整操作，得到当前帧索引；
(4b)将帧时长除以帧中时隙时长，得到帧中时隙数；
(4c)将当前时刻与数据传输起始时刻的差值除以帧中时隙时长，对得到的结果进行向下取整操作，得到当前总时隙数；
(4d)将当前总时隙数对于帧中时隙数进行取模操作，将得到的结果加1，得到当前时隙索引；
(4e)在当前帧中，每个无线终端随机选择一个时隙索引；
(4f)根据当前帧索引和所选择的时隙索引，无线终端在对应的时隙中发送传输数据包；
(5)检测发送传输数据包的时隙索引：
(5a)在当前帧中的每个时隙，物联网中心基站将所有接收天线的第1个接收信号，置于一个列向量中，得到该时隙的固定比特接收信号向量；
(5b)物联网中心基站将当前帧中所有时隙对应的固定比特接收信号向量按列排列，组成固定比特接收信号矩阵；
(5c)物联网中心基站对信道状态信息矩阵进行转置操作，对得到的矩阵进行求广义逆操作，得到信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵；
(5d)将信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵与固定比特接收信号矩阵相乘，将得到的矩阵中数值不小于0.5的元素置为1，其余元素置为0，得到当前帧的发送时隙索引矩阵；
(6)检测数据序列：
(6a)构造一个长度等于数据序列长度，元素值全为1的行向量，将当前帧的发送时隙索引矩阵与该行向量进行克罗内克积操作，得到筛选矩阵；
(6b)将物联网中心基站每根接收天线在每个时隙中除第1个接收信号之外的所有接收信号，置于一个行向量中，得到该天线在该时隙的时隙数据序列接收信号向量；
(6c)将物联网中心基站每根接收天线在当前帧中所有时隙的时隙数据序列接收信号向量按列排列，得到该天线在当前帧的帧数据序列接收信号向量；
(6d)将物联网中心基站的所有接收天线在当前帧的帧数据序列接收信号向量按行排列，组成当前帧的帧数据序列接收信号矩阵；
(6e)将信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵与当前帧的帧数据序列接收信号矩阵相乘，将得到的矩阵与筛选矩阵进行逐元素相乘操作，得到当前帧的数据序列检测矩阵。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，由于本发明无线终端在数据序列之前添加一个固定比特，生成传输数据包，物联网中心基站检测发送传输数据包的时隙索引，克服了现有技术建立命令传输链路消耗处理时间的问题，使得本发明无需建立命令传输链路，具有数据传输时间效率高的优点。
第二，由于本发明物联网中心基站首先检测发送传输数据包的时隙索引，然后检测无线终端的数据序列，克服了现有技术无法在存在数据碰撞的时隙中对数据进行解码的问题，使得本发明可以成功检测选择同一时隙的多个无线终端的数据序列，具有资源利用率高的优点。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的生成传输数据包和发送传输数据包步骤的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。
参照附图1，对本发明的具体步骤做进一步的描述。
步骤1，无线终端进行注册。
无线终端向物联网中心基站发送注册请求信息。
物联网中心基站在接收到注册请求信息之后，向无线终端反馈注册请求响应。
所述的注册请求响应包含帧时长、帧中时隙时长和数据传输起始时刻。本发明实施例中帧时长取值为1s，帧中时隙时长取值为0.2s，数据传输起始时刻取值为5s。
无线终端在接收到物联网中心基站反馈的注册请求响应之后，向物联网中心基站发送包含自身识别号的注册信息。
在接收到无线终端的注册信息之后，物联网中心基站为每个无线终端生成一个导频序列。
所述的导频序列的每一个元素由服从标准正态分布的伪随机数生成器生成，导频序列的长度等于当前物联网中注册的无线终端数量。本发明实施例中无线终端数量取值为7。
物联网中心基站将生成的所有导频序列反馈至对应的无线终端。
无线终端存储物联网中心基站反馈的导频序列。
步骤2，估计信道状态信息。
每个无线终端向物联网中心基站发送该终端对应的导频序列。
物联网中心基站将每根接收天线接收的信号，按信号到达的时间顺序置于一个列向量中，将所有接收天线接收的信号对应的列向量按列排列，组成导频接收信号矩阵。本发明实施例中物联网中心基站天线数取值为8，导频接收信号矩阵的大小为7×8。
物联网中心基站将每个无线终端对应的导频序列中的元素，按元素在序列中的前后顺序置于一个列向量中，将所有导频序列对应的列向量按列排列，组成导频矩阵，对该导频矩阵进行求逆操作，得到导频矩阵的逆矩阵。本发明实施例中导频矩阵的逆矩阵的大小为7×7。
将导频矩阵的逆矩阵与导频接收信号矩阵相乘，得到信道状态信息矩阵。本发明实施例中信道状态信息矩阵的大小为7×8。
下面结合附图2，对本发明实施例中的生成传输数据包和发送传输数据包步骤作进一步描述。
图2中横向排列的方框代表当前帧中不同的时隙，纵向排列的方框代表不同的无线终端，椭圆形虚线框内是所有无线终端在第2个时隙发送的传输数据包，矩形虚线框内是第4个无线终端在当前帧的所有时隙内的发送符号，图2中空方框代表对应的无线终端没有在该时隙发送任何符号，非空方框内为对应的无线终端在该时隙发送的传输数据包，每个非空方框内的空白矩形块代表值为1的固定比特，使用不同阴影填充的矩形块代表不同无线终端的数据序列。
步骤3，生成传输数据包。
在每个无线终端的数据序列之前添加一个值为1的固定比特，得到每个无线终端的传输数据包。本发明实施例中，传输数据包由一个值为1的固定比特和长度为10的数据序列构成。
步骤4，发送传输数据包。
将当前时刻与数据传输起始时刻的差值除以帧时长，对得到的结果进行向上取整操作，得到当前帧索引。本发明实施例中，当前时刻取值为8.1s，当前帧索引取值为4。
将帧时长除以帧中时隙时长，得到帧中时隙数。本发明实施例中，帧中时隙数取值为5。
将当前时刻与数据传输起始时刻的差值除以帧中时隙时长，对得到的结果进行向下取整操作，得到当前总时隙数。本发明实施例中，当前总时隙数取值为15。
将当前总时隙数对于帧中时隙数进行取模操作，将得到的结果加1，得到当前时隙索引。本发明实施例中，当前时隙索引取值为1。
在当前帧中，每个无线终端随机选择一个时隙索引。本发明实施例中，7个无线终端选择的时隙索引依次为2、4、5、2、4、1和3。
根据当前帧索引和所选择的时隙索引，无线终端在对应的时隙中发送传输数据包。
步骤5，检测发送传输数据包的时隙索引。
在当前帧中的每个时隙，物联网中心基站将所有接收天线的第1个接收信号，置于一个列向量中，得到该时隙的固定比特接收信号向量。本发明实施例中，固定比特接收信号向量的长度取值为8。
物联网中心基站将当前帧中所有时隙对应的固定比特接收信号向量按列排列，组成固定比特接收信号矩阵。本发明实施例中，固定比特接收信号矩阵的大小为8×5。
物联网中心基站对信道状态信息矩阵进行转置操作，对得到的矩阵进行求广义逆操作，得到信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵。本发明实施例中，信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵的大小为7×8。
将信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵与固定比特接收信号矩阵相乘，将得到的矩阵中数值不小于0.5的元素置为1，其余元素置为0，得到当前帧的发送时隙索引矩阵。本发明实施例中，发送时隙索引矩阵的大小为7×5。
步骤6，检测数据序列。
构造一个长度等于数据序列长度，元素值全为1的行向量，将当前帧的发送时隙索引矩阵与该行向量进行克罗内克积操作，得到筛选矩阵。本发明实施例中，筛选矩阵的大小为7×50。
将物联网中心基站每根接收天线在每个时隙中除第1个接收信号之外的所有接收信号，置于一个行向量中，得到该天线在该时隙的时隙数据序列接收信号向量。本发明实施例中，时隙数据序列接收信号向量的长度取值为10。
将物联网中心基站每根接收天线在当前帧中所有时隙的时隙数据序列接收信号向量按列排列，得到该天线在当前帧的帧数据序列接收信号向量。本发明实施例中，帧数据序列接收信号向量的长度取值为50。
将物联网中心基站的所有接收天线在当前帧的帧数据序列接收信号向量按行排列，组成当前帧的帧数据序列接收信号矩阵。本发明实施例中，帧数据序列接收信号矩阵的大小为8×50。
将信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵与当前帧的帧数据序列接收信号矩阵相乘，将得到的矩阵与筛选矩阵进行逐元素相乘操作，得到当前帧的数据序列检测矩阵，物联网中心基站对每个无线终端的数据序列的检测结果由该无线终端在数据序列检测矩阵中对应行的非零元素组成。本发明实施例中，数据序列检测矩阵的大小为7×50。

Claims (3)

1.一种物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法，其特征在于，无线终端在数据序列之前添加一个固定比特，生成传输数据包，所有无线终端在当前帧中随机选择时隙，发送传输数据包，物联网中心基站首先检测发送传输数据包的时隙索引，然后检测无线终端的数据序列，完成无线终端的数据传输；该方法的具体步骤包括如下：
(1)无线终端进行注册：
(1a)无线终端向物联网中心基站发送注册请求信息；
(1b)物联网中心基站在接收到注册请求信息之后，向无线终端反馈注册请求响应；
(1c)无线终端在接收到物联网中心基站反馈的注册请求响应之后，向物联网中心基站发送包含自身识别号的注册信息；
(1d)在接收到无线终端的注册信息之后，物联网中心基站为无线终端生成一个导频序列；
(1e)物联网中心基站将生成的所有导频序列反馈至对应的无线终端；
(1f)无线终端存储物联网中心基站反馈的导频序列；
(2)估计信道状态信息：
(2a)每个无线终端向物联网中心基站发送该终端对应的导频序列；
(2b)物联网中心基站将每根接收天线接收的信号，按信号到达的时间顺序置于一个列向量中，将所有接收天线接收的信号对应的列向量按列排列，组成导频接收信号矩阵；
(2c)物联网中心基站将每个无线终端对应的导频序列中的元素，按元素在序列中的前后顺序置于一个列向量中，将所有导频序列对应的列向量按列排列，组成导频矩阵，对该导频矩阵进行求逆操作，得到导频矩阵的逆矩阵；
(2d)将导频矩阵的逆矩阵与导频接收信号矩阵相乘，得到信道状态信息矩阵；
(3)生成传输数据包：
在每个无线终端的数据序列之前添加一个值为1的固定比特，得到每个无线终端的传输数据包；
(4)发送传输数据包：
(4a)将当前时刻与数据传输起始时刻的差值除以帧时长，对得到的结果进行向上取整操作，得到当前帧索引；
(4b)将帧时长除以帧中时隙时长，得到帧中时隙数；
(4c)将当前时刻与数据传输起始时刻的差值除以帧中时隙时长，对得到的结果进行向下取整操作，得到当前总时隙数；
(4d)将当前总时隙数对于帧中时隙数进行取模操作，将得到的结果加1，得到当前时隙索引；
(4e)在当前帧中，每个无线终端随机选择一个时隙索引；
(4f)根据当前帧索引和所选择的时隙索引，无线终端在对应的时隙中发送传输数据包；
(5)检测发送传输数据包的时隙索引：
(5a)在当前帧中的每个时隙，物联网中心基站将所有接收天线的第1个接收信号，置于一个列向量中，得到该时隙的固定比特接收信号向量；
(5b)物联网中心基站将当前帧中所有时隙对应的固定比特接收信号向量按列排列，组成固定比特接收信号矩阵；
(5c)物联网中心基站对信道状态信息矩阵进行转置操作，对得到的矩阵进行求广义逆操作，得到信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵；
(5d)将信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵与固定比特接收信号矩阵相乘，将得到的矩阵中数值不小于0.5的元素置为1，其余元素置为0，得到当前帧的发送时隙索引矩阵；
(6)检测数据序列：
(6a)构造一个长度等于数据序列长度，元素值全为1的行向量，将当前帧的发送时隙索引矩阵与该行向量进行克罗内克积操作，得到筛选矩阵；
(6b)将物联网中心基站每根接收天线在每个时隙中除第1个接收信号之外的所有接收信号，置于一个行向量中，得到该天线在该时隙的时隙数据序列接收信号向量；
(6c)将物联网中心基站每根接收天线在当前帧中所有时隙的时隙数据序列接收信号向量按列排列，得到该天线在当前帧的帧数据序列接收信号向量；
(6d)将物联网中心基站的所有接收天线在当前帧的帧数据序列接收信号向量按行排列，组成当前帧的帧数据序列接收信号矩阵；
(6e)将信道状态信息矩阵的转置矩阵的广义逆矩阵与当前帧的帧数据序列接收信号矩阵相乘，将得到的矩阵与筛选矩阵进行逐元素相乘操作，得到当前帧的数据序列检测矩阵。
2.根据权利要求1所述的物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法，其特征在于，步骤(1b)中所述的注册请求响应包含帧时长、帧中时隙时长和数据传输起始时刻。
3.根据权利要求1所述的物联网中基于固定比特的无线终端数据传输方法，其特征在于，步骤(1d)中所述的导频序列的每一个元素由服从标准正态分布的伪随机数生成器生成，导频序列的长度等于当前物联网中注册的无线终端数量。
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