CN111315033B - 宽带微功率中同时进行多个物理信道监视的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种宽带微功率中同时进行多条物理信道监视的系统及方法，属于物联网领域。包括：模拟射频模块、A/D采样器模块和数字基带处理模块，其中模拟射频模块用于完成对多条物理信道整个带宽的接收，确定射频中心频点以及射频带宽，并且对接收射频信号进行下变频处理成模拟基带信号；A/D采样器模块用于完成模拟基带信号到数字基带信号的变换，A/D采样器的采样时钟满足采样定理要求；数字基带处理模块，用于首先对数字基带信号进行快速傅里叶变换，获得接收信道整个带宽的频域信息，然后根据物理信道带宽定义，将整个信道带宽分成对应的每条物理信道带宽，最后在有信号的物理信道上进行帧头检测，并且解读帧数据体内容。

Description

宽带微功率中同时进行多个物理信道监视的系统及方法

技术领域

本发明属于物联网通信领域，尤其涉及物联网终端对多个物理信道进行扫描 监视的方法。

背景技术

在物联网通信领域中，由于应用范围广，通信业务数据量比较少，加之目 前频谱资源紧张，在物联网系统中很难分配一个固定并且可以长期占用的频段 进行组网，因此在物联网通信中，一般只能使用共享频段，就是多个系统共用 一个公共频段，也称为ISM频段。PLC宽带微功率无线通信系统就是使用ISM频 段的一个典型系统，占用了470MHz到510MHz频段，在该频段上有LoRa系统、 短波调频以及业余无线爱好者电台等等。

另外，在物联网系统中，非同公网系统不仅有固定的频谱资源和同步系统， 同时支持大数据量传输，并且物联网业务数据传输数据量小，数据发送具有突 发性，因此在物联网系统设计时，一般没有固定实时发送的同步信号，通常采 用载波侦听多址访问(简称：CSMA)方式。由于物联网系统之间采用无线资源共 享且没有统一协调机制，因此在系统设计时都需要支持多条物理信道，发送端 根据实际场景的干扰情况选择通信质量较好的信道进行数据发送。

此时存在一个问题，物联网终端首先要搜索物理信道，然后在信道的频点上 搜索数据帧的开始位置，因此在物联网帧结构上就需要存在一种机制，提供接 收端扫频所有信道的功能。

例如在PLC窄带微功率无线通信系统中，如图1为一种典型的支持多条物理 信道选择的帧结构图。由于终端射频结构的限制，每次只能接收一条物理信道， 因此在一个完整的帧结构中，需要提供支持多个物理信道搜索的子帧头。此时 只要发送一块帧数据，那么接收端即使在不知道频点以及定时时间情况下也能 搜索到数据帧的帧头。

该帧结构包括帧头和帧数据体，其中帧头包括多个子帧头，在物联网系统设 计时，支持多少个物理信道搜索就需要多少个子帧头，假设每个子帧头占用的 时间是T_FrameHead。假设有N条物理信道可供选择，那么所需的帧头时间为NxT_FrameHead。 这降低物联网的无线资源利用率，并且不利于提高物联网系统传输速率和吞吐 量，限制了无线物联网系统的推广应用。

该方法具体操作原理如下，由于发送端具体选择使用的物理信道在接收端 是未知的，因此在进行搜索时，在每个子帧头占据时间内搜索对应的物理信道， 当搜索到有效的子帧头后，就在该频点上解读对应的帧数据体内容。假设帧数 据体的时间长度为T_FrameBody，那么从时间角度无线资源利用率最大只能是 T_FrameBody/(NxT_FrameHead+T_FrameBody)。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种宽带微功率中同时进行多 条物理信道监视的系统及方法。本发明的技术方案如下：

一种宽带微功率中同时进行多条物理信道监视的系统，其包括：模拟射频模 块、A/D采样器模块和数字基带处理模块，其中模拟射频模块用于完成对多条物 理信道整个带宽的接收，确定射频中心频点以及射频带宽，并且对接收射频信 号进行下变频处理成模拟基带信号；A/D采样器模块用于完成模拟基带信号到 数字基带信号的变换，A/D采样器的采样时钟满足采样定理要求；数字基带处理 模块，用于首先对数字基带信号进行快速傅里叶变换，获得接收信道整个带宽 的频域信息，然后根据物理信道带宽定义，将整个信道带宽分成对应的每条物 理信道带宽，最后在有信号的信道上进行帧头检测，并且解读帧数据体内容。

进一步的，所述模拟射频模块确定模拟射频的中心频点和接收带宽，具体包 括：假设系统存在N条物理信道，N≥1且为整数，每条物理信道的中心频率分 别为f₀<f₁<…<f_N，带宽均为B，则设定模拟射频的中心频率为 f_c＝(f₁+f_N)/2，f₁和f_N分别表示表示第一条和第N条物理信道的中心频率，模 拟射频模块的带宽为NxB，射频信号经过下变频之后得到带宽为NxB的模拟基带 信号。

进一步的，所述A/D采样器模块确定采样频率f_s，根据模拟射频模块的带宽 以及采样定理的要求，采样频率至少是带宽的2倍，为了方便进行FFT快速变 换，最终将一个通信符号采样周期内的点数设置为2的整数次幂，模拟射频信 号经过A/D采样器模块，获得基带IQ数字信号，

进一步的，所述数字基带处理模块对基带IQ数字信号进行FFT处理，获得 带宽为NxB的物理信道频域数据，具体包括：假设A/D采样器选择的采样频率为 f_s，假设一个完整通信符号周期内采样点数为M，那么模拟射频信道带宽为NxB， 在数字基带信号中表示为M点的数据，记为x(n),n∈(1,2,...,M)，然后对M点数 据进行FFT变换，得到频域的M点数据,记为f(k),k∈(1,2,...,M)。

进一步的，所述数字基带处理模块获得接收信道整个带宽的频域信息，然后 根据物理信道带宽定义，将整个信道带宽分成对应的每条物理信道带宽，具体 包括：频域数据f(k)对应频率信息为

其中f_k表示频域上第k个点的具 体频率值，f(k)是该频率点的幅度大小，根据频域M点数据f(k)得到每条物理信 道对应的频域信号，记为

其中ch∈(0,1,...,N-1)表示 物理信道编号，

然后依次判定在哪些物理信道上存在有效的 数据。

根据所述系统的多条物理信道监视的方法，其包括以下步骤：

步骤1：确定模拟射频的中心频点和接收带宽，假设系统存在N条物理信道 N≥1且为整数，每条物理信道的中心频率分别为f₀＜f₁＜…＜f_N，带宽均为B， 则设定模拟射频的中心频率为f_c＝(f₁+f_N)/2，模拟射频模块的带宽为NxB，在 该步骤中，射频信号经过下变频之后得到带宽为NxB的模拟基带信号；

步骤2：确定A/D采样器模块的采样频率f_s，根据模拟射频模块的带宽以及 采样定理的要求，采样频率至少是带宽的2倍；模拟射频信号经过A/D采样器 模块，获得基带IQ数字信号；

步骤3：对基带IQ数字信号进行FFT处理，获得带宽为NxB的物理信道频域 数据，具体为：假设A/D采样器选择的采样频率为f_s，假设一个完整通信符号周 期内采样点数为M，那么模拟射频信道带宽为NxB，在数字基带信号中表示为M点 的数据，记为x(n),n∈(1,2,...,M)，然后对M点数据进行FFT变换，得到频域 的M点数据,记为f(k),k∈(1,2,...,M)；

步骤4：频域数据f(k)对应频率信息为

其中f_k表示频域上第k个 点的具体频率值，f(k)是该频率点的幅度大小。根据频域M点数据f(k)得到每条 物理信道对应的频域信号，记为

其中 ch∈(0,1,...,N-1)表示物理信道编号，

然后依次判定在哪 些物理信道上存在有效的数据。

步骤5：收集有效物理信道数据进行帧头解析，在帧头解析完成之后再解析 对应的帧数据体。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明主要解决无线物联网系统中，为了避免干扰存在，发送端可以从多个 候物理信道中选择一个合适的物理信道作为当前通信信道使用，但是由于物联 网通信系统不同于公网系统，有固定的信令信道和业务信道，造成接收端不知 道发送端具体选择的物理信道以及发送的时机。

针对上述存在问题，目前物联网中采用的方法如下：接收端不知道发送端具 体选择的物理信道，所以接收端需要在所有的备选信道上进行实时监听。然而 以往物联网通信系统，接收端每个时刻只能监听一条物理信道，不能完成对多 条物理信道的同时监听，所以以往的物联网系统进行了一个巧妙的设计，就是 采用多个子帧头方法来解决，即一个帧结构中存在多个子帧头，多少个备选物 理信道就存在多少个子帧头，有多少条备选物理信道就需要重复多少次子帧头 传输，这样接收端无论在什么时刻搜索帧的时候，都可以搜索到帧头的位置。

根据上面的描述，采用多子帧头的方法确实能够解决监听多条备选物理系信 道的问题，但是给系统也带来其他问题。

问题1：一个帧结构中，存在多个子帧头，并且每个子帧头承载的内容相同， 这样增加了帧的长度，但是没有增加新传输信息，亦一个帧中有效信息比特数 比例减少。

问题2：由于存在多个子帧头，增加了帧的长度，但是没有增加承载有效信 息比特长度，不利于提高实际的通信速率。

问题3：物联网系统中，基本采用公共非授权频段，那么帧长度的增加，意 味需要更长时间传一个帧数据，这增加了受到其他物联网系统干扰的概率。

基于上述3个原因，多子帧头方式虽然解决了多条备选物理信道监听问题， 但依然对整个物联网系统存在性能严重影响。

本发明针对上述的描述，本发明对以往接收端的模拟射频模块、A/D采样器 模块和数字基带处理模块重新设计，模拟射频模块采用增大接收端的射频带宽， 带宽包括了所有备选物理信道的频率带宽范围，发送端选择任何一条备选物理 信道进行传输，都会落入到接收端的射频接收范围，在接收端都能够监听并且 接收到。A/D采样器模块能够同时采样多条物理信道的数据。数字基带处理模块 则能够区分接收到不同的备选物理信道数据。所以不需要多子帧头设计来规避 接收端实现对不同备选物理信道的监听和接收问题。

附图说明

图1是现有技术中窄带微功率的帧结构图；

图2是本发明提供优选实施例同时检测多条物理信道原理图；

图3是本发明提供优选实施例同时检测多条物理信道信号处理流程图；

图4是本发明提供优选实施例PLC宽带微功率无线通信系统帧结构图；

图5是PLC宽带微功率无线系统的多信道监听链路；

图6是PLC宽带微功率无线系统的多无线信道带宽分配示意图；

图7是A/D变换的采样率要求示意图。

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、 详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本实施例中，基本思想就是增加接收端的信号处理带宽，其中模拟射频模 块、模拟到数字(简称：A/D)采样器模块以及数据基带处理模块都包含完整的多 条物理信道的带宽数据，然后在数据基带处理模块对接收到的信号进行分析， 取出每条物理信道的对应数据，最终确定发送端具体使用的物理信道，解析出 发送端发送的数据。

本实施例中，接收机的主要组成部分有模拟射频模块、A/D采样器模块和数 字基带处理模块，如图2所示。其中模拟射频模块完成对多条物理信道整个带 宽的接收，包括确定射频中心频点以及射频带宽，并且对接收射频信号进行下 变频处理成基带模拟信号。A/D采样器模块主要完成模拟基带信号到数字基带 信号的变换，A/D采样器的采样时钟满足采样定理要求。数字基带处理模块首先 对数字基带信号进行快速傅里叶变换(简称：FFT)，获得接收信道整个带宽的频 域信息，然后根据物理信道带宽定义，将整个信道带宽分成对应的每条物理信 道带宽，最后在有信号的信道上进行帧头检测，并且解读帧数据体内容。

本实施例具体处理过程如下图3所示：

步骤1：确定模拟射频的中心频点和接收带宽，假设系统存在N条物理信道(N≥1的整数)，每条物理信道的中心频率分别为(f₀＜f₁＜…＜f_N)，带宽 均为B，则设定模拟射频的中心频率为f_c＝(f₁+f_N)/2，模拟射频模块的带宽为 NxB，在该步骤中，射频信号经过下变频之后得到带宽为NxB的模拟基带信号。 如图3中1，2步。

步骤2：确定A/D采样器模块的采样频率f_s。根据模拟射频模块的带宽以及 采样定理的要求，采样频率至少是带宽的2倍。为了方便进行FFT快速变换， 最终将一个通信符号采样周期内的点数设置为2的整数次幂。模拟射频信号经 过A/D采样器模块，获得基带IQ数字信号，如图3中3，4步。

步骤3：对基带IQ数字信号进行FFT处理，获得带宽为NxB的物理信道频域 数据。假设A/D采样器选择的采样频率为f_s，假设一个完整通信符号周期内采样 点数为M，那么模拟射频信道带宽为NxB，在数字基带信号中表示为M点的数据， 记为x(n),n∈(1,2,...,M)，然后对M点数据进行FFT变换，得到频域的M点数 据,记为f(k),k∈(1,2,...,M)。如图3中5步。

步骤4：频域数据f(k)对应频率信息为

其中f_k表示频域上第k个点 的具体频率值，f(k)是该频率点的幅度大小。根据频域M点数据f(k)得到每条物 理信道对应的频域信号，记为

其中ch∈(0,1,...,N-1) 表示物理信道编号，

然后依次判定在哪些物理信道上存在有 效的数据。如图3中6，7步。

步骤5：收集有效物理信道数据进行帧头解析，在帧头解析完成之后再解析 对应的帧数据体。

为了更加清楚地说明本实施例在实际场景中具体应用，将使用电力线载波 (简称：PLC)宽带微功率无线通信系统进行举例说明。

该系统使用chirp进行调制，带宽为3.6MHz，工作频率在470MHz到510MHz 公共频段，系统支持预先设定4条物理信道。发送端可根据无线信道质量情况 随机选择4条物理信道中的任何一条进行数据传输。

系统帧结构由帧头和帧数据体构成，其中帧头由多个固定的chirp符号组成， 帧数据体则承载需要传输的业务数据。如图4所示。

在实际应用中，由于发送端可以随机选择4条物理信道中的任何一条进行数 据帧的发送，但是发送端选择的物理信道在接收端是未知的。以往系统在帧结 构设计时只能增加帧头时间，预留接收端对所有的物理信道分别进行搜索，如 前所述此时需要存在多个子帧头，而利用本发明则仅需要一个帧头即可完成对 多条物理信道进行扫描的功能。

下面具体介绍本发明在PLC宽带微功率无线通信系统中，接收端对多条物理 信道扫描的实现方法。如图5所示，接收端由带通滤波器模块、下变频模块、 本振信号模块、参考时钟模块、采样时钟模块、A/D变换模块和基带信号处理模 块组成。

其中，带通滤波器模块的带宽为4条物理信道的带宽集合，假设4条物理信 道在频域上连续部署，那么带通滤波器的频带宽度为4x3.6MHz＝14.4MHz。

参考时钟模块、本振信号模块以及下变频模块组成射频接收的下变频电路， 将470MHz到510MHz射频信号搬移到基带，下变频模块的本振信号则选择这4 条物理信道的中间频率。如图6所示。总计有4条物理信道，每条物理信道有 自己的中心频率Fc1,Fc2,Fc3,Fc4，每条物理信道的带宽都是3.6MHz，那么4 条物理信道合并在一起则形成了一条物理信道，其中心频点为Fc，带宽为 14.4MHz。

A/D转换模块，将下变频获得的射频模拟基带信号进行模数转换，根据本发 明的方法，所选f_s应该大于或等于14.4MHz的两倍,并且为了便于快速傅里叶变 换，一个完整chirp符号的抽样点数为2的整数幂。在实施例中，由于带宽是 14.4MHz,则采样频率必须大于14.4x2＝28.8MHz,所以该实施例中选择38.4MHz> 28.8MHz。根据通信速率的要求M可以选择256、512或1024点，如图7所示。

基带信号处理模块，主要处理来自A/D转换得到的IQ数字基带信号，对一 个符号内抽样得到的IQ数据进行FFT变换得到M点的频域数据，每个点代表一 个带宽中的频率。如图7所示。

根据本发明的内容，可以得出4条物理信道的频域数据,第一条物理信道频 域数据[0,Mx3.6/38.4-1],第二条物理信道频域数据[Mx3.6/38.4, Mx3.6x2/38.4-1],第三条物理信道频域数据[Mx3.6x2/38.4, Mx3.6x3/38.4-1],第四条物理信道频域数据[Mx3.6x3/38.4,Mx3.6x4/38.4-1]， 然后对各条物理信道得到的频域数据进行分析，具体方法是本地生成一个完整 的Chirp频域数据后，分别和接收到每条物理信道的频域数据进行乘累加，判 定该频域数据是否是一个帧头符号。如果是则锁定该频率带宽，在接收到完整 的帧头数据后再解读帧的数据体。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种宽带微功率中同时进行多条物理信道监视的系统，其特征在于，包括：模拟射频模块、A/D采样器模块和数字基带处理模块，其中模拟射频模块用于完成对多条物理信道整个带宽的接收，确定射频中心频点以及射频带宽，并且对接收射频信号进行下变频处理成模拟基带信号；A/D采样器模块用于完成模拟基带信号到数字基带信号的变换，A/D采样器的采样时钟满足采样定理要求；数字基带处理模块，用于首先对数字基带信号进行快速傅里叶变换，获得接收信道整个带宽的频域信息，然后根据物理信道带宽定义，将整个信道带宽分成对应的每条物理信道带宽，最后在有信号的物理信道上进行帧头检测，并且解读帧数据体内容；

模拟射频模块采用增大接收端的射频带宽，带宽包括了所有备选物理信道的频率带宽范围，发送端选择任何一条备选物理信道进行传输，都会落入到接收端的射频接收范围，在接收端都能够监听并且接收到；A/D采样器模块能够同时采样多条物理信道的数据；数字基带处理模块则能够区分接收到不同的备选物理信道数据；

所述模拟射频模块确定模拟射频的中心频点和接收带宽，具体包括：假设系统存在N条物理信道，N≥1且为整数，每条物理信道的中心频率分别为f₀＜f₁＜···＜f_N，带宽均为B，则设定模拟射频的中心频率为f_c＝(f₁+f_N)/2，f₁和f_N分别表示表示第一条和第N条物理信道的中心频率，模拟射频模块的带宽为N×B，射频信号经过下变频之后得到带宽为N×B的模拟基带信号；

所述A/D采样器模块确定采样频率f_s，根据模拟射频模块的带宽以及采样定理的要求，采样频率至少是带宽的2倍，为了方便进行FFT快速变换，最终将一个通信符号采样周期内的点数设置为2的整数次幂，模拟射频信号经过A/D采样器模块，获得基带IQ数字信号；

所述数字基带处理模块对基带IQ数字信号进行FFT处理，获得带宽为N×B的物理信道频域数据，具体包括：假设A/D采样器选择的采样频率为f_s，假设一个完整通信符号周期内采样点数为M，那么模拟射频信道带宽为N×B，在数字基带信号中表示为M点的数据，记为x(n),n∈(1,2,...,M)，然后对M点数据进行FFT变换，得到频域的M点数据,记为f(k),k∈(1,2,...,M)；

所述数字基带处理模块获得接收信道整个带宽的频域信息，然后根据物理信道带宽定义，将整个信道带宽分成对应的每条物理信道带宽，具体包括：频域数据f(k)对应频率信息为

其中f_k表示频域上第k个点的具体频率值，f(k)是该频率点的幅度大小，根据频域M点数据f(k)得到每条物理信道对应的频域信号，记为

其中ch∈(0,1,...,N-1)表示物理信道编号，

然后依次判定在哪些物理信道上存在有效的数据。

2.根据权利要求1所述系统的多条物理信道监视的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定模拟射频的中心频点和接收带宽，假设系统存在N条物理信道N≥1且为整数，每条物理信道的中心频率分别为f₀＜f₁＜···＜f_N，带宽均为B，则设定模拟射频的中心频率为f_c＝(f₁+f_N)/2，模拟射频模块的带宽为N×B，在该步骤中，射频信号经过下变频之后得到带宽为N×B的模拟基带信号；

步骤2：确定A/D采样器模块的采样频率f_s，根据模拟射频模块的带宽以及采样定理的要求，采样频率至少是带宽的2倍；模拟射频信号经过A/D采样器模块，获得基带IQ数字信号；

步骤3：对基带IQ数字信号进行FFT处理，获得带宽为N×B的物理信道频域数据，具体为：假设A/D采样器选择的采样频率为f_s，假设一个完整通信符号周期内采样点数为M，那么模拟射频信道带宽为N×B，在数字基带信号中表示为M点的数据，记为x(n),n∈(1,2,...,M)，然后对M点数据进行FFT变换，得到频域的M点数据,记为f(k),k∈(1,2,...,M)；

步骤4：频域数据f(k)对应频率信息为

其中f_k表示频域上第k个点的具体频率值，f(k)是该频率点的幅度大小，根据频域M点数据f(k)得到每条物理信道对应的频域信号，记为

其中ch∈(0,1,...,N-1)表示物理信道编号，

然后依次判定在哪些物理信道上存在有效的数据。

步骤5：收集有效物理信道数据进行帧头解析，在帧头解析完成之后再解析对应的帧数据体。

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