CN111565393B - Ofdma反向散射网络的频谱动态控制方法及系统 - Google Patents

Ofdma反向散射网络的频谱动态控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法及系统，包括：步骤1：中心控制节点获取网络频谱占用信息，读取频谱中活跃节点的数目和当前的子信道总量；步骤2：中心控制节点对子信道总量进行编码，经过调制后对无线信道进行广播；步骤3：反向散射标签通过解调电路对广播的调制后的无线信道进行解码，得到新的子信道总量，将子信道总量作为参数，控制反向散射通信过程中的符号率。本发明解决了大容量OFDMA反向散射网络在少量设备情况下的频谱浪费；也可以用于调整网络的数据率，在网络SNR情况不佳的情况下，可以通过减小符号率或增大符号长度来提升通信可靠性。

Description

OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法及系统。
背景技术
反向散射通信近年来在物联网领域引起了广泛的关注。其主要特点是利用外界的电磁波加以调制来实现自身的通信。由于不需要主动生成电磁波，即使生成进行Wi-Fi通信，功耗也非常低，仅几十个微瓦(见2016年Bryce Kellogg等人在NSDI的论文)。然而，随着物联网规模的扩大，多接入技术也逐渐从时分复用变成频域复用。2019年，Renjie Zhao等人在MobiCom上发表了“OFDMA-Enabled Wi-Fi Backscatter”利用802.11g协议中的48个数据子载波分配给48个不同的反向散射标签来实现并行的上行链路，解决了网络的容量问题。该网络在满负载的时候可以达到12Mbps的物理层吞吐量；然而，当网络负载低，仅少数(小于3个)标签工作时，网络的物理层吞吐量不到1Mbps。实际上，在这种情况下尽管整个20MHz的频带被占用，真正被利用的频带不到1MHz。而在一个移动的网络中，设备的加入/离开是一种常见的操作，因此设备数量较少的情况客观存在。因此，在大容量正交频分多址OFDMA反向散射网络提升频谱利用率成了一个重要的问题。
专利文献CN103974408B(申请号：201410128764.9)公开了一种基于Mesh网的OFDMA系统，包括Mesh网和根据时域和频域划分的若干正交且互不重叠的数据块，所述Mesh网内包含若干个节点，每个节点均与其它一个或多个节点相连接；所述数据块在时域前具有保留间隙；在所述若干个节点中包括一控制节点，所述控制节点接入有与所述节点相应的同步信号，使节点的信号与控制节点的信号同步，控制节点通过通信协议来控制协调各节点数据块的发送和调度；控制节点还用于在同一时域和频域内控制和管理Mesh网内共同所需的数据块及其排列形式。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法及系统。
根据本发明提供的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法，包括：
步骤1：中心控制节点获取网络频谱占用信息，读取频谱中活跃节点的数目和当前的子信道总量；
步骤2：中心控制节点对子信道总量进行编码，经过调制后对无线信道进行广播；
步骤3：反向散射标签通过解调电路对广播的调制后的无线信道进行解码，得到新的子信道总量，将子信道总量作为参数，控制反向散射通信过程中的符号率。
优选的，所述步骤1包括：若活跃节点的数目不到子信道总量的50％，将当前子信道总量削减为原来的50％；若活跃节点的数目已经饱和，则将当前子信道总量扩大为原来的两倍；
中心控制节点与接入点协商获取网络频谱占用信息，获取方式包括有线、无线和与接入点合并为一个设备直接获取，在获取频谱占用信息后，中心控制节点通过下行链路广播符号率，对所有反向散射标签进行修改；
下行链路的调制方式包括反向散射系统中的OOK信号或ASK或PSK/FSK/OFDM信号。
优选的，所述步骤2包括：广播信息的调制方式与标签的解调电路相对应；
解调发生在模拟层面，解码发生在数字层面，当标签的解调电路为包络检波电路和比较器时，广播信息以ASK/OOK调制。
优选的，所述步骤3包括：每个符号率开始发送的时激活计数器，当计数器计到计数终点时将计数器置零并开始下一个符号率的发送；计数终点的数值为子信道总量加上循环前缀的长度；
接入点从中心控制节点获取网络的子信道信息，并控制快速傅里叶变换FFT的窗长，接入点在不同的符号率下采用相同的FFT点数进行子信道解调。
优选的，所述子信道解调包括：
步骤3.1：在子信道数量低于FFT点数上限时将原来的每个符号补零至最大的FFT点数，按照最大规格的FFT进行取窗；
步骤3.2：执行FFT；
步骤3.3：对子信道的索引进行换算，将原来的子信道索引乘FFT尺寸的比值；
步骤3.4：按照索引从对应的子信道取出复数频域数据，并执行解调。
根据本发明提供的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制系统，包括：
模块M1：中心控制节点获取网络频谱占用信息，读取频谱中活跃节点的数目和当前的子信道总量；
模块M2：中心控制节点对子信道总量进行编码，经过调制后对无线信道进行广播；
模块M3：反向散射标签通过解调电路对广播的调制后的无线信道进行解码，得到新的子信道总量，将子信道总量作为参数，控制反向散射通信过程中的符号率。
优选的，所述模块M1包括：若活跃节点的数目不到子信道总量的50％，将当前子信道总量削减为原来的50％；若活跃节点的数目已经饱和，则将当前子信道总量扩大为原来的两倍；
中心控制节点与接入点协商获取网络频谱占用信息，获取方式包括有线、无线和与接入点合并为一个设备直接获取，在获取频谱占用信息后，中心控制节点通过下行链路广播符号率，对所有反向散射标签进行修改；
下行链路的调制方式包括反向散射系统中的OOK信号或ASK或PSK/FSK/OFDM信号。
优选的，所述模块M2包括：广播信息的调制方式与标签的解调电路相对应；
解调发生在模拟层面，解码发生在数字层面，当标签的解调电路为包络检波电路和比较器时，广播信息以ASK/OOK调制。
优选的，所述模块M3包括：每个符号率开始发送的时激活计数器，当计数器计到计数终点时将计数器置零并开始下一个符号率的发送；计数终点的数值为子信道总量加上循环前缀的长度；
接入点从中心控制节点获取网络的子信道信息，并控制快速傅里叶变换FFT的窗长，接入点在不同的符号率下采用相同的FFT点数进行子信道解调。
优选的，所述子信道解调包括：
模块M3.1：在子信道数量低于FFT点数上限时将原来的每个符号补零至最大的FFT点数，按照最大规格的FFT进行取窗；
模块M3.2：执行FFT；
模块M3.3：对子信道的索引进行换算，将原来的子信道索引乘FFT尺寸的比值；
模块M3.4：按照索引从对应的子信道取出复数频域数据，并执行解调。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出的符号速率控制算法能使得网络的频带占用率大部分情况下处于50％以上，解决了大容量OFDMA反向散射网络在少量设备情况下的频谱浪费；
2、本发明的方法亦可以用于调整网络的数据率，在网络SNR情况不佳的情况下，可以通过减小符号率或增大符号长度来提升通信可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中OFDMA反向散射网络的系统结构图；
图2为本发明中反向散射标签更新本地符号速率的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
支持频谱动态控制的OFDMA网络的中心控制节点。其特征是能够根据网络当前的频谱状况广播不同的下行控制信令使得所有的反向散射设备能够同时调整符号速率。下行链路的调制方式可以是反向散射系统中常见的OOK信号，也可以是PSK/FSK/OFDM信号。本发明对具体的调制方式不做约束，任何调制的下行链路都在本专利的保护范围之内。
支持速率调控的OFDMA反向散射标签。其特征是能够解调中心节点的控制信令，能够进行子载波调制，并根据无线信道中的控制信令改变调制的符号速率。
支持频谱动态控制的OFDMA网络的接入点(无线网关)。其特征是能够与中心控制节点协调。支持在多符号速率的环境下的解调能力。该接入点可以与中心控制节点在物理上整合为一个设备。
提升频谱利用率仅为频谱控制技术的一种应用，凡是通过广播改变网络中设备的符号率，实现OFDMA反向散射网络的频谱控制的均为本专利保护范围。
本发明的目的是提供一种动态控制频谱的技术，可以用于提升OFDMA反向散射网络频谱利用率，提升低SNR情况下的通信可靠性以及其他用途。
根据本发明提供的基于正交频分多址技术的反向散射系统，包括如下部分：
部分1：支持频谱动态控制的OFDMA网络的中心控制节点
中心控制节点能够与部分3(接入点)协商以获取网络频谱占用信息，其方式可以是有线或无线，也可以与接入点合并为一个设备直接获取。在获取频谱占用信息后，该节点根据情况，通过下行链路广播新的网络符号率，要求所有标签修改。下行链路的调制方式可以是反向散射系统中常见的OOK信号，也可以是其他ASK或PSK/FSK/OFDM信号。
部分2：支持速率调控的OFDMA反向散射标签
该反向散射标签需要支持解调和解码中心控制节点的速率控制信令，其中解调发生在模拟层面，解码发生在数字层面。比如当标签的解调电路为包络检波电路和比较器时，广播信息以ASK/OOK调制。
部分3：支持频谱动态控制的OFDMA网络的接入点(无线网关)
接入点从中心控制节点获取网络的子信道信息，并用于控制FFT的窗长。接入点在不同的符号率下仍然采用相同的FFT点数进行子信道解调。具体方法为：
步骤1：在子信道数量低于FFT点数上限的时候将原来的每个符号补零至最大的FFT点数。即按照最大规格的FFT进行取窗；
步骤2：执行FFT；
步骤3：对子信道的索引进行换算，即在原来的子信道索引乘FFT尺寸的比值。
步骤4：按照索引从对应的子信道取出复数频域数据，并执行解调。
整个OFDMA网络的符号速率更新的具体流程(以提升频谱利用率为例)如下：
步骤1：中心控制节点读取频谱中活跃节点的数目和当前的总子信道数目(即FFT点数，与符号速率有关)。若活跃节点数目不到总子信道数目的50％，将子信道数目削减为原来的50％。若网络当前的子信道已经饱和，则将子信道数量扩大为原来的两倍。
步骤2：中心控制节点对新的子信道总量进行编码，随后经过调制对无线信道进行广播。广播信息的调制方式与标签的解调电路具体设计相对应；比如当标签的解调电路为包络检波电路和比较器时，广播信息以ASK/OOK调制。
步骤3：反向散射标签通过解调电路解码得到新的子信道总数，将其作为参数，用于控制反向散射通信过程中的符号速率。其具体流程是每个符号开始发送的时候都会激活计数器，当计数器计到计数终点时将计数器置零并开始下一个符号的发送。其中计数终点的数值为子信道总数加上循环前缀的长度。
根据本发明提供的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制系统，包括：
模块M1：中心控制节点获取网络频谱占用信息，读取频谱中活跃节点的数目和当前的子信道总量；
模块M2：中心控制节点对子信道总量进行编码，经过调制后对无线信道进行广播；
模块M3：反向散射标签通过解调电路对广播的调制后的无线信道进行解码，得到新的子信道总量，将子信道总量作为参数，控制反向散射通信过程中的符号率。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：中心控制节点获取网络频谱占用信息，读取频谱中活跃节点的数目和当前的子信道总量；
步骤2：中心控制节点对子信道总量进行编码，经过调制后对无线信道进行广播；
步骤3：反向散射标签通过解调电路对广播的调制后的无线信道进行解码，得到新的子信道总量，将子信道总量作为参数，控制反向散射通信过程中的符号率；
所述步骤3包括：每个符号率开始发送的时候激活计数器，当计数器计到计数终点时将计数器置零并开始下一个符号率的发送；计数终点的数值为子信道总量加上循环前缀的长度；
接入点从中心控制节点获取网络的子信道信息，并控制快速傅里叶变换FFT的窗长，接入点在不同的符号率下采用相同的FFT点数进行子信道解调。
2.根据权利要求1所述的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：若活跃节点的数目不到子信道总量的50％，将当前子信道总量削减为原来的50％；若活跃节点的数目已经饱和，则将当前子信道总量扩大为原来的两倍；
中心控制节点与接入点协商获取网络频谱占用信息，获取方式包括有线、无线和与接入点合并为一个设备直接获取，在获取频谱占用信息后，中心控制节点通过下行链路广播符号率，对所有反向散射标签进行修改；
下行链路的调制方式包括反向散射系统中的OOK信号或ASK或PSK/FSK/OFDM信号。
3.根据权利要求1所述的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：广播信息的调制方式与标签的解调电路相对应；
解调发生在模拟层面，解码发生在数字层面，当标签的解调电路为包络检波电路和比较器时，广播信息以ASK/OOK调制。
4.根据权利要求1所述的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制方法，其特征在于，所述子信道解调包括：
步骤3.1：在子信道总量低于FFT点数上限时将原来的每个符号补零至最大的FFT点数，按照最大规格的FFT进行取窗；
步骤3.2：执行FFT；
步骤3.3：对子信道的索引进行换算；
步骤3.4：按照索引从对应的子信道取出复数频域数据，并执行解调。
5.一种OFDMA反向散射网络的频谱动态控制系统，其特征在于，包括：
模块M1：中心控制节点获取网络频谱占用信息，读取频谱中活跃节点的数目和当前的子信道总量；
模块M2：中心控制节点对子信道总量进行编码，经过调制后对无线信道进行广播；
模块M3：反向散射标签通过解调电路对广播的调制后的无线信道进行解码，得到新的子信道总量，将子信道总量作为参数，控制反向散射通信过程中的符号率；
所述模块M3包括：每个符号率开始发送的时候激活计数器，当计数器计到计数终点时将计数器置零并开始下一个符号率的发送；计数终点的数值为子信道总量加上循环前缀的长度；
接入点从中心控制节点获取网络的子信道信息，并控制快速傅里叶变换FFT的窗长，接入点在不同的符号率下采用相同的FFT点数进行子信道解调。
6.根据权利要求5所述的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制系统，其特征在于，所述模块M1包括：若活跃节点的数目不到子信道总量的50％，将当前子信道总量削减为原来的50％；若活跃节点的数目已经饱和，则将当前子信道总量扩大为原来的两倍；
中心控制节点与接入点协商获取网络频谱占用信息，获取方式包括有线、无线和与接入点合并为一个设备直接获取，在获取频谱占用信息后，中心控制节点通过下行链路广播符号率，对所有反向散射标签进行修改；
下行链路的调制方式包括反向散射系统中的OOK信号或ASK或PSK/FSK/OFDM信号。
7.根据权利要求5所述的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制系统，其特征在于，所述模块M2包括：广播信息的调制方式与标签的解调电路相对应；
解调发生在模拟层面，解码发生在数字层面，当标签的解调电路为包络检波电路和比较器时，广播信息以ASK/OOK调制。
8.根据权利要求5所述的OFDMA反向散射网络的频谱动态控制系统，其特征在于，所述子信道解调包括：
模块M3.1：在子信道总量低于FFT点数上限时将原来的每个符号补零至最大的FFT点数，按照最大规格的FFT进行取窗；
模块M3.2：执行FFT；
模块M3.3：对子信道的索引进行换算；
模块M3.4：按照索引从对应的子信道取出复数频域数据，并执行解调。
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