CN109451591A - 融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方法 - Google Patents

融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及融合蜂窝网‑物联网的共生系统传输方法。本发明给出了物联设备接入网络的两种方案：在方案一中，反射设备(即物联网设备)利用蜂窝网中的上行信号来接入网络，基站同时解调蜂窝网中用户的信号和物联网中反射设备的信号；在方案二中，反射设备利用蜂窝网中的下行信号来接入网络，蜂窝网中用户端同时解调蜂窝网中基站的信号和物联网中反射设备的信号。

Description

融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方案。
背景技术
未来的通信系统要支持万物互联，不同类型的物联网设备有不同的性能要求，并且物联网设备对通信系统的延时性和可靠性提出了更高的要求，因此设计出一种合理有效的物联网通信模式至关重要。现有的物联网技术有Bluetooth、ZigBee、LoRa、SigFox等技术，但是现有的这些技术都是采用主动式传输方案，也就是物联网设备要配置完善的射频链(放大器、数模转换器等)，这意味着物联网设备需要消耗很大的能量来支持信号传输，这对物联网设备的电池容量提出很高的要求。事实上，物联网设备的电池的容量非常小，因此物联网设备的一个特点就是低能耗、高能效。此外，未来的物联网要求能够支撑万物互联，如何分配频谱资源也至关重要。
反向散射通信技术具有设备简单、能耗低、频谱共享的特点，它是未来支撑物联网的很有潜力的技术之一。反向散射通信系统包含三个元素：射频源、反射设备、阅读器。无源的反射设备收集环境中的能量(主要来源于射频源)来支撑其电路消耗，并且反向散射来自于射频源的信号到阅读器，阅读器接收到来自射频源的直接链路信号和来自反射设备的反射链路信号，并从接收信号中恢复出反射设备的发送信号。
发明内容
为了实现物联网万物互联的功能，并且保证物联网设备能够快速有效的接入网络，本发明提出了融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方案，无需设计专门的物联网网络框架和布置物联网专用的基础设备。
本发明使用反向散射技术将蜂窝网和物联网融合在一起。本发明给出了物联设备接入网络的两种方案(如图1所示)：在方案一中，反射设备(即物联网设备)利用蜂窝网中的上行信号来接入网络，基站同时解调蜂窝网中用户的信号和物联网中反射设备的信号；在方案二中，反射设备利用蜂窝网中的下行信号来接入网络，蜂窝网中用户端同时解调蜂窝网中基站的信号和物联网中反射设备的信号。在实际中，采用何种方案由具体的场景和需求决定。下面将以方案二来表述本发明的基本思想。
本发明以发送机，接收机，和反射设备都配置单天线为例阐述本发明的基本思想，多天线情况于此类似。由于反射设备的速率要求和蜂窝网的速率要求不同，因此我们假定反射设备发送符号的周期为蜂窝网中发送机发送符号周期的L倍(L≥1)。令反射设备在第n个周期上的发送信号为c(n)，n＝0,1,…N-1，蜂窝网中发送机发送的信息为sl(n)，l＝0,1,…,L-1。在第n个c(n)的符号周期，接收机接收到的第l个信号为
其中，Ps为蜂窝网发送机的发送信号的功率，h为发送机和接收机之间的信道衰减系数，f为发送机和反射设备之间的信道衰减系数，g为反射设备和接收机之间的信道衰减系数，α是反射设备的反射系数，u(n)服从均值为零，功率为σ2的循环对称复高斯(CSCG)分布，即u(n)与信号sl(n)和c(n)独立。本发明定义公式(1)中的第一项为直接链路信号，公式(1)的第二项为反射链路信号。
在本发明中，蜂窝网和物联网是共生关系。下面考虑四种蜂窝网-物联网共生系统的合作传输方案：
合作方案1：发送机仅发送正弦子载波。
合作方案2：发送机仅发送蜂窝网系统信号。
合作方案3：发送机分时发送蜂窝网系统信号和正弦子载波。
合作方案4：发送机同时发送蜂窝网系统信号和正弦子载波。
本发明接下来将详细介绍这四种方案。
1)合作方案1
如图2所示，在方案1中，发送机仅发送正弦子载波，即sl(n)＝1,l＝1,…,L,n＝1,…,N。在此情况下，接收机接收到的信号为
在公式(2)中，接收的信号仅包含反射设备的信息。此情况等价于传统RFID(射频识别)系统中的双基反射通信系统。反射设备的速率为
2)合作方案2
如图3所示，在方案2中，发送机仅发送蜂窝网系统信号，令蜂窝网系统的信号为xl(n)，可知sl(n)＝xl(n),l＝1,…,L,n＝1,…,N。接收到的信号如公式(1)所示。接收端首先解调蜂窝网系统信号sl(n)，将反射链路信号当成干扰得到然后将直接链路的影响减去，即最后通过zl(n)解调出反射设备信号。
假设sl(n)为PSK信号，则蜂窝系统发送信号的速率为：
其中γ2,x代表对于xl(n)的信干噪比，即
I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，e是自然常数。假设xl(n)能被完美的解调，则反射设备的速率为
值得一提的是方案2中反射设备的速率和方案1相同，并且同时传输了蜂窝系统所需信号。
假设sl(n)为高斯信号，则蜂窝系统发送信号的速率为：
假设xl(n)能被完美的解调，则反射设备的速率为
3)合作方案3
如图4所示，在方案3中，发送端分时发送正弦子载波和蜂窝网系统信号，即在一段时间发送端发送sl(n)＝1,l＝1,…,L,n＝1,…,N，在另一端时间发送端发送sl(n)＝xl(n),l＝1,…,L,n＝1,…,N。此种情况是方案1和方案2按时间顺序轮流执行。
4)合作方案4
如图5所示，在方案4中，发送端同时发送正弦子载波和蜂窝网系统信号，即其中ρ是蜂窝网系统信号所占总功率的比值。在此种情况下，接收端信号重新表示为
接收端可以先解调xl(n)再解调c(n)，也可以先解调xl(n)再解调c(n)。当|α||f||g|<|h|时，接收端先解调xl(n)再解调c(n)，性能会更好。本发明以当L＝1时接收端先解调xl(n)再解调c(n)为例来进行性能说明。
接收机先解调xl(n)时，将反射设备的信号c(n)和接收信号中的xl(n)c(n)当成干扰，xl(n)c(n)是一个很复杂的分布，本分明假设xl(n)c(n)是一个复高斯分布来近似xl(n)的最大速率，xl(n)的最大速率近似为
当xl(n)被解调出来后，可以去掉公式(8)中的第一项，并且可以将xl(n)c(n)中的xl(n)项组合到信道中，因此反射设备c(n)的最大速率为
其中
本发明的有益效果为：通过将物联网融入蜂窝网生成共生通信系统，实现了无需专门的基础设施架构来部署物联网。在此共生系统中，本发明提出了4种共生传输方案，根据不同的性能需求，可选择不同的传输方案，实现了蜂窝网和物联网系统的联合设计，并且选择合适的传输方案，可以实现蜂窝网和物联网的互惠共生。
附图说明
图1示出了本发明提出的物联设备接入网络的两种方案；
图2示出了方案1的发送机发送方案；
图3示出了方案2发送机发送方案；
图4示出了方案3发送机发送方案；
图5示出了方案4发送机发送方案；
图6示出了方案1的系统容量图；
图7示出了方案2的系统容量图；
图8示出了方案3的系统容量图；
图9示出了方案4的系统容量图
具体实施方式
本发明所提出的方案，均考虑发送机和反射设备之间有同步。为了说明本发明的优越性，下面假设两者之间没有同步时，本发明所提出的方案4所能达到的性能：
当发送机和反射设备之间没有同步时，方案4中的在时刻t的接收信号可以表示为
其中τ为发送机和反射设备的时延。在此情况下，假如接收机先检测xl，再检测反射设备信号c。在检测xl时，将c(t+τ)和xl(t)c(t+τ)当成干扰，在此情况下，xl的最大速率为
当xl检测成功时，可以将其影响在公式(11)中去掉，此时反射设备信号c的速率为
下面本发明通过仿真来展示这4中共生传输方案的特点和优越性。假定信道服从分布在仿真中，设置参数为λh＝1,λf＝1,λg＝0.8,σ2＝1,α＝0.3,ρ＝0.5。图6-9分别示出了方案1-4的系统容量图。图8中的信噪比为35dB，从图中可以看出，若方案2中蜂窝信号采用PSK调制，在此情况下，反射设备的速率和方案1相同，并且同时传输了蜂窝系统所需信号。方案4中则是牺牲了蜂窝网的速率性能来提高反射设备的速率性能。

Claims (3)

1.融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方法，所述物联网采用反射设备；其特征在于，反射设备利用蜂窝网中的上行信号来接入网络，基站同时解调蜂窝网中用户的信号和物联网中反射设备的信号。
2.融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方法，所述物联网采用反射设备；其特征在于，反射设备利用蜂窝网中的下行信号来接入网络，蜂窝网中用户端同时解调蜂窝网中基站的信号和物联网中反射设备的信号。
3.根据权利要求2所述的融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方法，其特征在于，具体包括：
令反射设备发送符号的周期为蜂窝网中发送机发送符号周期的L倍L≥1，反射设备在第n个周期上的发送信号为c(n)，n＝0,1,…N-1，蜂窝网中发送机发送的信息为sl(n)，l＝0,1,…,L-1；在第n个c(n)的符号周期，接收机接收到的第l个信号为
其中，Ps为蜂窝网发送机的发送信号的功率，h为发送机和接收机之间的信道衰减系数，f为发送机和反射设备之间的信道衰减系数，g为反射设备和接收机之间的信道衰减系数，α是反射设备的反射系数，u(n)服从均值为零，功率为σ2的循环对称复高斯分布，即u(n)与信号sl(n)和c(n)独立；定义公式(1)中的第一项为直接链路信号，公式(1)的第二项为反射链路信号；
将蜂窝网-物联网共生系统的合作传输方法定义为以下四种：
1)合作方案1，发送机仅发送正弦子载波：
即sl(n)＝1,l＝1,…,L,n＝1,…,N；在此情况下，接收机接收到的信号为
在公式(2)中，接收的信号仅包含反射设备的信息，反射设备的速率为
合作方案2：发送机仅发送蜂窝网系统信号：
令蜂窝网系统的信号为xl(n)，可知sl(n)＝xl(n),l＝1,…,L,n＝1,…,N，接收到的信号如公式(1)所示；接收端首先解调蜂窝网系统信号sl(n)，将反射链路信号当成干扰得到然后将直接链路的影响减去，即最后通过zl(n)解调出反射设备信号；
假设sl(n)为PSK信号，则蜂窝系统发送信号的速率为：
其中γ2,x代表对于xl(n)的信干噪比，即
I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，e是自然常数，假设xl(n)能被完美的解调，则反射设备的速率为
假设sl(n)为高斯信号，则蜂窝系统发送信号的速率为：
假设xl(n)能被完美的解调，则反射设备的速率为
合作方案3：发送机分时发送蜂窝网系统信号和正弦子载波：
发送端分时发送正弦子载波和蜂窝网系统信号，即在一段时间发送端发送sl(n)＝1,l＝1,…,L,n＝1,…,N，在另一端时间发送端发送sl(n)＝xl(n),l＝1,…,L,n＝1,…,N；此种情况是方案1和方案2按时间顺序轮流执行；
合作方案4：发送机同时发送蜂窝网系统信号和正弦子载波：
即其中ρ是蜂窝网系统信号所占总功率的比值，在此种情况下，接收端信号重新表示为
接收端先解调xl(n)再解调c(n)，或先解调xl(n)再解调c(n)；当|α||f||g|<|h|时，接收端先解调xl(n)再解调c(n)；
假设L＝1，接收端先解调xl(n)再解调c(n)：
接收机先解调xl(n)时，将反射设备的信号c(n)和接收信号中的xl(n)c(n)当成干扰，假设xl(n)c(n)是一个复高斯分布来近似xl(n)的最大速率，xl(n)的最大速率近似为
当xl(n)被解调出来后，去掉公式(8)中的第一项，并且将xl(n)c(n)中的xl(n)项组合到信道中，因此反射设备c(n)的最大速率为
其中
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