CN111600639B - 一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统及方法，所述系统中的发送端设备能够数据帧中不同信息比特序列使毫米波沿着不同方向发射；当所述不同方向的毫米波波束沿着信道中不同路径传输时，会经历不同程度的衰减，即波束能量在经过不同路径后呈现出能量差异，则未经过调制的毫米波信号经过信道不同路径传播到达接收端后能量不同，这实现了一种近似ASK调制的效果，即波束调制；所述接收端设备能够根据接收到的对应数据帧中前导码的毫米波信号的能量确定信号的判决标准，并依据得到的判决标准来完成数据帧中信息字段的解码，完成信息的传递。所述系统无需进行信道估计，无需复杂的解码算法，具有较低的算法复杂，实现低成本、高效的传输。

Description

一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统及方法

技术领域

本发明涉及物联网通信技术领域，特别涉及一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统及方法。

背景技术

预计到2025年，物联网设备的总数将在全球范围内达到750亿，每年以23.76％的速度增长。随着物联网设备的指数级增长，人们相信开发可扩展，节能，可靠的物联网连接解决方案可以为社会和行业带来巨大利益。不幸的是，目前，物联网设备主要是面向低速率的应用场景，使用的通信频段较低而无法满足目前大数据量高速率传输的物联网通信需求。物联网设备的巨大增长给未来的无线通信系统带来了巨大的挑战，尤其是在需要宽带物联网服务的时候。宽带物联网连通性应在高吞吐量和低延迟方面提供出色的性能，例如为数百亿个摄像机提供连通性。因此，物联网设备与宽带数据通信的大量连接将给已经拥挤的基于低频段(低于6GHz)的WiFi和蜂窝频段带来巨大压力。此外，基于IOT的应用中一个很重要的问题就是对低功耗的支持，毕竟实际应用场景中的IOT设备都是计算资源和能耗均受限的传感器节点。因此，物联网通信技术需要进一步发展，以满足增加容量、提高数据速率、支持大规模连接、降低终端成本和功耗等需求。

为了应对未来的通信系统对通信容量的爆炸式需求和进一步提升通信传输速率，利用具有丰富频谱资源的毫米波来扩展通信带宽是直接有效的方法，因此学术界和工业界都将毫米波频段作为研究的重点。通过与多输入多输出(MIMO)技术相结合，毫米波借助波束成形技术让在空间中形成不同的波束。波束的形成本质上就是通过分别控制天线阵列中每根天线信号的振幅和相位来实现天线能量的集中，从而补偿毫米波的频谱在空间中快速衰减的频谱特性。从而毫米波能够克服毫米波损耗大，传播距离短的问题，使得毫米波依然能够覆盖到较远的区域。另外，MIMO天线阵列可以使毫米波在空间中形成多个不同覆盖区域的波束，每个波束可覆盖不同的用户从而实现单个基站与多用户之间的通信。

在这种发展趋势下，已有部分学者将毫米波应用到IOT系统中，由于毫米波信道的路径损耗大，绕射能力差等缺点，一般而言，空间传播中的损耗被认为是有害的现象，是不利于通信系统的传输的，因此目前毫米波通信系统主要是依靠视距路径(LOS)进行传播的，而忽略了NLOS径的作用，没有充分利用非视距路径(NLOS)，并且为了找到较强视距路径，往往需要进行算法复杂度很高的信道估计。例如：O.Y.Kolawole等人在名为"TransceiverDesign for Energy-Efficiency Maximization in mmWave MIMO IoT Networks"的文献中提出的一种高能量效率的毫米波物联网系统，其需要信道估计和复杂的波束成形设计、算法复杂度相对较高。并且现有的毫米波器件采用的均为高功耗和昂贵的硬件部件，例如射频链、相控阵和移相器等。例如：Y.Chen等学者在名为"Spatial Lobes Division-BasedLow Complexity Hybrid Precoding and Diversity Combining for mmWave IoTSystems,"的文献中提出一种低复杂度的毫米波物联网系统，但其节点需要配备高成本的射频链，并且其系统的能量效率不高。

发明内容

本发明针对现有毫米波系统硬件成本高，算法复杂度高(需信道估计，波束成形等)的所造成的毫米波通信成本高的问题提出了一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统及方法，与传统毫米波算法仅考虑利用信道最强路径传输不同，该系统充分利用毫米波信道的视距路径和非视距路径进行信号传输，并基于信道不同路径对毫米波信号的衰减不同可使得节点发送的未调制的毫米波信号在经过信道传输到达接收端后能量不同，实现一种类似ASK的调制效果，即波束调制；在所提的基于波束调制的物联网系统中，节点设备根据发送数据帧中信息比特不同来使能不同的天线组，可使毫米波信号沿着信道中不同路径传播，则接收端根据接收到的对应帧中前导码的毫米波信号的能量来确定判决方式，并以此为帧中对应数据部分的波束调制的毫米波信号进行解码，恢复出发送的信息，从而实现整个通信过程；该系统无需发送前对毫米波信号进行调制，无需信道估计，可通过在接收端部署多组天线实现空分多址，大大降低了系统的复杂度，提升了毫米波系统的信道容量和频谱效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统，包括：发送端设备、毫米波信道、接收端设备；

其中，所述发送端设备能够根据每帧数据的信息比特序列的顺序切换发送多个毫米波信号，使所述毫米波信号沿着所述毫米波信道的不同路径进行传播；其中，发送端设备发送的毫米波信号为同频同相同幅度的毫米波信号；

所述毫米波信道能够对所述同频同相同幅度的毫米波信号进行波束调制，所述波束调制为：当所述同频同相同幅度的毫米波信号沿着毫米波信道不同路径传输时，会经历不同程度的衰减损耗，从而使毫米波信号在经过毫米波信道不同路径到达接收端设备后呈现出幅度能量差异；

所述接收端设备能够根据接收到的每帧数据的前导码序列的顺序和前导码序列信号幅度能量差异确定信号的判决标准，并根据所述判决标准对所述每帧数据中的信息字段进行解码，以实现信息传递。

优选的，所述系统以一个AP设备为接收端设备，以K个随机分布在所述AP设备周围的物联网节点设备为发送端设备。

优选的，每个所述物联网节点设备包含有两组天线，其中，每组天线能够产生一个固定方向的具有一定宽度的毫米波波束信号，所述两组天线所产生的毫米波波束信号方向不同、且两个波束宽度重叠范围不超过百分之二十；

所述物联网节点设备根据数据帧中信息比特序列顺序切换两组天线来产生不同方向的毫米波波束信号，以使所述未调制的毫米波波束信号沿着信道中的不同路径进行传播。

优选的，所述物联网节点设备的两组天线为微带天线，并且所述两组微带天线的阵列响应向量为离散傅里叶矩阵码本中的两个不同的向量，以消除两组微带天线所产生的毫米波波束之间的干扰。

优选的，所述AP设备包含多组天线和多条射频链路，其中，所述AP设备中一组天线连接到同一个射频链上；其中AP中每组天线中包含P根天线，每根天线上都连接有一个移相器和放大电路。

优选的，所述AP设备通过移相器来改变每根天线信号的相位来调整天线组的波束指向，并且使各组天线形成的波束分别与多个所述物联网节点设备形成波束对齐，以同时完成与K个物联网节点设备的数据通信。

优选的，所述AP设备根据每组天线接收信号的SINR进行波束分配。

优选的，所述系统中的毫米波信道采用Saleh-Valenzuela信道模型。

在本发明进一步的实施例中，还提供一种基于波束调制的毫米波物联网通信方法，该方法采用上述基于波束调制的毫米波物联网通信系统进行通信，包括：

根据每帧数据的信息比特序列的顺序切换发送多个毫米波信号，使所述毫米波信号沿着所述毫米波信道的不同路径进行传播；其中，所发送的毫米波信号为同频同相同幅度的毫米波信号；

通过毫米波信道对所述同频同相同幅度的毫米波信号进行波束调制，所述波束调制为：当所述同频同相同幅度的毫米波信号沿着毫米波信道不同路径传输时，会经历不同程度的衰减损耗，从而使毫米波信号在经过毫米波信道不同路径到达接收端设备后呈现出幅度能量差异；

根据接收到的每帧数据的前导码序列的顺序和前导码序列信号幅度能量差异确定信号的判决标准，并根据所述判决标准对所述每帧数据中的信息字段进行解码，以实现信息传递。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本系统根据要发送的数据帧信息比特顺序切换发送未调制的毫米波波束，并使毫米波波束沿着信道中不同路径进行传播，在信道传播过程中完成波束调制；并根据数据帧中前导码对应毫米波信号的能量来确定判决方式，并以此来对数据帧中数据信息字段的毫米波波束信号进行解码，完成整个通信过程；本系统充分利用毫米波信道的视距路径和非视距路径进行信号传输，并基于不同路径之间复增益的差别来使得未调制的毫米波信号在经过信道传输到达接收端后能量不同，实现了一种类似ASK的调制的效果，即波束调制；因此本系统发送端设备无需对毫米波波束信号进行调制，例如：幅度调制等，相应的接收端设备只需要检测接收信号的能量即可完成信息的解码，而无需进行复杂的解码算法，因此本系统的解码算法复杂度较低；不同于其他通信系统实现通信的原理，本发明提供了一种新的低复杂度、低成本的通信原理和通信手段。

2、本系统中物联网节点设备采用微带天线来代替带移相器的天线阵列，以调整微带天线的线长、线间距等来调整信号的相位，可代替移相器完成波束方向的调整；通过在物联网节点设备上增加低成本的微带天线来移除天线阵列和移相器网络，可显著降低物联网节点设备的成本；除此之外，由于物联网节点设备无需对发送的毫米波信号进行调制，则可移除节点设备上的调制组件，可进一步降低节点设备的成本，节点设备成本的降低对于该系统的推广应用具有重要作用。

3、本系统中物联网节点设备的两组微带天线所产生的波束都有一定的宽度，可覆盖一定范围内的路径，可在没有信道估计的情况下，接收端只需要简单的波束搜索即可完成波束对齐；由于节点设备的波束固定，只需要调整AP设备的波束指向，可大大降低波束搜索的空间和算法复杂度；本系统的波束搜索算法复杂度仅为o(N)，远低于802.11ad标准的复杂度o(N²)，而接收端波束固定，可节省波束搜索的能量消耗，提高了物联网节点设备的能量效率。

4、由于系统是基于接收信号能量不同来进行信号解码的，因此，即使系统接收端无需严格的波束对齐，只需要对齐的波束在接收到两个波束信号的能量不同时即可完成正常的通信，因此即使本系统节点设备的两个发送波束对应的路径被暂时遮挡，但接收到的两个波束信号能量不同依然可完成正常通信，因此本系统具有很强的鲁棒性。

附图说明：

图1为本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统通信原理框图。

图2为本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统硬件结构框图。

图3为本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统性能仿真结果示意图1。

图4为本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统性能仿真结果示意图2。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统，包括：发送端设备、毫米波信道、接收端设备；

其中，所述发送端设备能够根据每帧数据的信息比特序列的顺序切换发送多个毫米波信号，使所述毫米波信号沿着所述毫米波信道的不同路径进行传播；其中，发送端设备发送的毫米波信号为同频同相同幅度的毫米波信号；

所述毫米波信道能够对所述同频同相同幅度的毫米波信号进行波束调制，所述波束调制为：当所述同频同相同幅度的毫米波信号沿着毫米波信道不同路径传输时，会经历不同程度的衰减损耗，从而使毫米波信号在经过毫米波信道不同路径到达接收端设备后呈现出幅度能量差异；

所述接收端设备能够根据接收到的每帧数据的前导码序列的顺序和前导码序列信号幅度能量差异确定信号的判决标准，并根据所述判决标准对所述每帧数据中的信息字段进行解码，以实现信息传递。

本发明的基于波束调制的毫米波物联网通信系统，与传统毫米波算法仅考虑利用信道最强路径传输不同，该系统充分利用毫米波信道的视距路径和非视距路径进行信号传输，并基于信道不同路径对毫米波信号的衰减不同可使得节点发送的未调制的毫米波信号在经过信道传输到达接收端后能量(信号的幅度发生变化)不同，实现一种类似ASK的调制效果，即波束调制。在本系统中，节点设备根据发送数据帧中信息比特不同来使能不同的天线，可使毫米波信号沿着信道中不同路径传播，则接收端根据接收到的对应帧中前导码的毫米波信号的能量来确定判决方式，并以此为帧中对应数据部分的波束调制的毫米波信号进行解码，恢复出发送的信息，从而实现整个通信过程。该系统无需在发送端对毫米波信号进行调制(例如：幅度调制、频率调制等)，无需信道估计，可通过在接收端部署多组天线实现空分多址，大大降低了系统的复杂度，提升了毫米波系统的信道容量和频谱效率。

事实上，毫米波信道中的不同路径的复增益因子ρ_ij是相差很大的。有研究表明，毫米波信道中NLOS径的复增益因子ρ通常要比LOS径低5-10dB，被遮挡的LOS径的复增益因子ρ比NLOS径低10-15dB。由此可知，毫米波波束信号沿着信道中不同路径传输时会经历不同程度的衰减，正是由于路径之间损耗的这种巨大差异，才使得波束利用空间信道衰减进行调制成为现实。本发明正是利用空间信道不同路径的衰减差异进行波束调制，该波束调制原理为：当毫米波波束信号经过信道NLOS径、LOS径、被遮挡的LOS径传输时，会表现出巨大的幅度能量差异，接收端根据这种幅度能量差异设定能量判决公式，利用所述能量判决公式对所接收的多个毫米波波束进行解调，即可得到波束的信息比特序列。进一步的，本系统的物联网节点通过使用多条微带天线来模拟带移相器阵列的天线阵列，这可以大大降低物联网设备的成本。不同长度和宽度的微带天线能够调整像移相器一样调整信号的相位。每个物联网设备均通过微带天线来生成两个能量相同，方向不同的波束，分别叫做beam1和beam0。这两个波束都相对较宽，以便于两个波束能够覆盖很大的范围(虽然两个波束宽度有一定的范围，但在空间中两个波束宽度互相重叠的宽度范围不超过百分之二十)，包括LOS径和大多数的NLOS径。两个波束并不是同时产生的，而是随着发送信息序列的顺序在空间中交替的切换。例如：发送信息比特序列为：101010...那么就按照beam1、beam0、beam1、beam0、beam1、beam0的顺序交替切换发送两个毫米波波束(毫米波信号)。我们将beam1的主瓣方向

位于天线阵列的法线方向，

beam0有两个主瓣，其方向分贝指向天线阵列法线的

beam1用来发送比特1，而beam0用来发送比特0，如图所示。为了消除节点发送波束之间的干扰，我们选用DFT矩阵作为节点波束成形的码本，其中DFT矩阵的每一行(或列)均代表一个指向空间特定方向的波束。我们通过控制微带天线的长度和宽度，即可实现所需的波束。

图1展示了波束调制是如何完成的。首先，在通信领域，一帧数据包括前导码字段、信息字段、以及最后的CRC校验段等，而前导码字段、CRC校验段是发送端、接收端共享的信息，由此，本系统中的接收端设备即是通过检测接收到的前导码数据段的能量设定相应的能量判决标准，即可完成对数据帧信息段的解码。其中，接收端能够对每帧数据的多个毫米波信号(毫米波波束)进行能量检测即幅度检测，幅度检测通过常用的幅度检测算法实现，例如：快速能量中心收敛法、加权平均时间法、方位偏差指示法。在本实施例中，我们经过试验，选择加权平均时间法作为幅度检测算法。

假设数据帧中原始的二进制前导码信息序列是101，则物联网节点设备会按照先后顺序发送beam1，beam0，beam1，即朝着空间不同方向角切换发送同频同相等幅的载波(即未经过幅度或者频率调制的能量相同的毫米波波束信号)。由于beam1是沿着天线阵列法线方向的宽波束，我们可以认为beam1覆盖着LOS径，而beam0是两个主瓣方向分别偏向天线阵列法线，因此我们可以认为beam0主要覆盖的是NLOS径。因此基于毫米波信道不同路径衰减程度差异-NLOS径的复增益因子ρ通常要比LOS径低5-10dB可知，AP接收到物联网节点的前导码序列信号的能量(即信号幅度)会呈现高，低，高的差异。在这种情况下，接收端根据已知的前导码序列顺序“101”设定能量判决标准，将能量高的符号判决成比特1，而能量低的符号判决成比特0。基于这个标准，通过对前导码序列的幅度检测，即可解读出信息字段所传递的序列信息，即通过能量检测完成解码。进一步的，如果节点与AP之间的LOS径被移动的物体暂时遮挡时，这就是物联网节点B与AP通信的情况。此时，中心AP接收到物联网节点B发送的发送beam1，beam0，beam1信号，分别经过被遮挡LOS径以及NLOS径后，接收到的前导码序列信号能量会呈现出低，高，低的状态。接收端根据前导码序列“101”设定能量判决标准，将能量高的符号被判决成比特0，能量低的符号被判决成比特1，以此在AP端能够正确的解调，恢复数据。对于波束调制系统来说，接收信号的前导码序列作为接收端和发送端公知的序列，相当于已经包含了信道的部分信息，接收端通过对前导码的解调，即可知道该信道是哪一条路径，从而能够对后续发送波束进行准确的能量解调，因此在本系统中无需发送导频信号用于信道估计，这对于提高通信效率和降低通信延时具有很重要的意义。尽管节点在beam0和beam1发送的是同频同相等幅的载波信号，但信号在信道的不同路径中传输时会经历不同程度的衰减，接收信号的能量将会有较大的区别。依据接收信号能量的不同，我们对接收的符号进行判决，进而得到原始数据，以上就是毫米波信道波束调制的过程。

进一步的，基于该波束调制的原理，本系统节点设备可移除调制组件，以微带天线来代替带移相器的天线阵列，以调整微带天线的线长、线宽等模拟移相器的作用来调整波束方向，可大大降低所提系统的成本。具体的，我们假设IOT场景中的节点和中心AP均采用均匀天线阵列(ULA)，并且ULA天线阵列的阵列响应向量α(θ)可以表示为

其中，N代表ULA天线阵列中天线数量，θ代表波束的方向，d代表ULA天线阵列中相邻两根天线之间的距离，λ代表毫米波的波长。一般来说，d＝0.5λ。

由于毫米波在空间环境的复杂性，无线信号在空间中不同路径传播时会有较大的差异。实际上，基于天线阵列的毫米波信道通常被建模为包含N_C个散射簇的几何模型，其中每个散射簇包含了N_R条散射径。假设发送端天线数目为N_t，接收端天线数目为N_r，在该模型中，毫米波信道被建模为

其中，

和ρ_ij代表第i_th条cluster中的第j_th条径的到达角(aoa)和出发角(aod)和复增益。另外，

和

分别代表接收端和发送端的波束向量的方向矢量，可分别表示为

首先本发明考虑一个基于大规模天线阵列结构的毫米波物联网通信场景，如图1所示，该系统包含了一个中心access point(AP)和K个独立随机分布在中心AP周围的IOT节点。每个节点包含了M_node个射频链电路和N_node根天线。中心AP包含了M_AP(K≤M_AP)个射频链和N_AP根天线。中心AP节点采用了子连接的结构，其中每P(N_AP＝P×M_AP)根天线连接到同一个射频链。每一个射频链电路可用于发送独立的数据流来最大化频谱效率。在这种情况下，该系统能够支持M_AP个数据流。

在本系统中，每个物联网节点设备均可发送两个固定方向的波束。为了消除node中不同波束之间的干扰，所以我们选择DFT矩阵作为发送节点波束的码本，即beam0和beam1均采用DFT矩阵的向量。由于DFT矩阵中的每个向量都是单位向量且是互相正交的，因此通过DFT矩阵生成的波束两两相互正交。每个向量分别对应空间中一个特定方向的波束，如下式所示：

其中，θ_dft代表DFT向量所对应波束的方向，

代表DFT变换中的旋转因子。

进一步的，波束的宽度代表了波束所覆盖空间角度的范围，为了波束在互不干扰的情况下能够覆盖尽可能大的空间范围，包含较多的径，天线阵列形成的波束必须有足够的宽度。众所周知，天线波束的宽度与天线数量是密切相关的，一般天线数量越大，其对应的波束就会越细。因此节点天线的数量一般不会太多。当然，天线数量过少，不能形成细波束，这也是不可取的。因此，节点天线的数量需要进行加合理的设置。一般，天线阵列形成的波束可由其3dB宽度来表示，其和天线数量之间的关系可由下式表示

其中，N代表天线数量，θ_d代表波束的指向，d代表天线阵列中的间距，λ代表毫米波的波长，一般有d＝0.5λ,κ代表波束宽度因子，且3dB的波束宽度的κ＝0.886。我们将beam1的方向设置为天线阵列的法线方向，而beam0的方向分别在天线阵列法线方向两侧

处，此处我们假设

通过上式，即可计算出节点天线数量N_node的范围,则天线数量范围，并最终确定波束的宽度和天线数量。

进一步的，一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统，其硬件实施如图2所示，其中物联网节点和AP由本地振荡器(LO)，混频器，低噪声放大器(LNA)，带通滤波器(BPF)，低通滤波器(LPF)和锁相环(PLL)电路等组成。

①.物联网节点的RF链，本地振荡器产生的中频振荡信号分别经LNA放大和PLL稳定。然后两路信号经上变频混频器转换为射频信号。第K个节点的原始二进制序列{s_k}不由数模转换DAC转换成模拟信号，而是直接控制相应的数字门控开关，用不同微带线天线来传输载波信号。根据s_k，波束选择矩阵Γ(s_k)为：

其中，

和

分别代表维度为N_t×N_t的单位阵和零矩阵。

因为固定的微带线只在一个固定的方向产生波束，所以模拟波束F_rf对所有物联网来说是相同的。Beam0和beam1相应的模拟波束矩阵由

和

各自表示。因为node的波束固定，不需要进行耗能的波束搜索和分配，所以能效会显著提高。

②中央接入点聚集天线阵列，并再多个方向同时产生多簇波束，每个波束与一个物联网节点对齐。并且由分配给第k个节点的AP模拟波束记为

LNA放大接收端的RF信号，然后和在下变频混频器的锁相环PLL产生的载波混合，经过带通滤波器滤波，然后将中频信号转换。中频信号再次经由LNA放大，与LO产生的振荡信号混合，经低通滤波，最后转换为基带信号。模拟基带信号由ADC采样转换成数字信号，随之恢复原始数据。

③对于AP接收方，接收到第k个用户的信号表达式为：

其中，

服从于均值为0方差为σ²的独立同分布的符合高斯分布。采用基于最大SINR准则的波束分配来提升通信性能，SINR定义为：

假设beam1用来传输信号。接收信号

为公式

其中

然后

服从于高斯分布

假设beam0来传输信号。接收信号

为

其中

和

相似，它服从于

令VT为判决门限，P(err|b₁)代表beam1发送信息的误码率，P(err|b₀)代表beam0发送信息的误码率。第K个节点产生的误比特率为

表达式为

最佳门限

可以由最小化BER

获得，基于

总的来说，我们认为传输信息中的bit0和bit1的同概率。最后，得到误码率

为

据此，AP设备可通过计算每组天线接收信号的SINR，来进行波束分配。该物联网通信系统中信号的调制是在信道中完成的，相应的发送端节点设备不需要信号调制。因此系统中发送端物联网节点设备硬件结构可以进一步步简化。该系统中的节点不需要信道估计。在传统通信中，为了在接收端正确的解调恢复数据，信道估计是不可缺少的。然而，波束调制系统通过对每个数据包中增加的前导码序列的分析即可得到信道的部分信息，因此就没有必要发送前导码用于信道估计，这对于提高通信效率和缩短通信延时具有重要意义。此外，本系统中的节点硬件成本低。事实上，毫米波移相器价格基本上要数十美元，在IOT节点上大规模部署移相器网络很显然是不现实的。在该波束调制系统支持中IOT节点设备移除了带移相器的天线阵列，而是使用一组微带天线来生成固定方向的波束。通过控制微带天线的线长和线宽，即可控制波束的发射方向。

实施例2

在本实施例中，我们设置

和

即beam0的两个主瓣分别位于天线阵列法线±30°方向。通过分析天线数量，我们可以得到发送节点天线数量N_node＝4，相应的波束宽度是θ_BW＝29.3°。此外，中心AP配有N_AP＝64根天线和M_AP＝8条射频链来与周围的K＝5个节点进行通信。其中每个节点包含两组N_node＝4根天线和M_node＝1条射频链。通过对所提通信系统进行仿真实验，由于发射节点的天线数目是固定的，该测试仿真结果如图3所示，分别验证不同接收天线数目N＝4,8,16,32,64的MIMO系统信道容量测试。

进一步的，图4示出了中随着AP连接的节点数量增多之后平均误码率的变化示意图，在基于最大SINR准则下的波束分配下不同天线数量P的统计平均值BER。当每组接入点的天线数量P增加时，BER随着接收信号的能量增加而逐渐减少，因此对判决接收信号是有利的，由此可知本系统所提出的波束调制能够实现很好的通信效果。为了进一步增加系统容量，波束调制可以和多种不同频率的子载波相结合来在一个IoT节点同时传输多个数据流。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统，其特征在于，包括：发送端设备、毫米波信道、接收端设备；

其中，所述发送端设备中的物联网节点设备能够根据数据帧中信息比特序列顺序切换两组天线来产生毫米波信号，以使未调制的毫米波信号沿着信道中的不同路径进行传播；其中，发送端设备发送的毫米波信号为同频同相同幅度的未调制的毫米波信号；

所述毫米波信道能够对所述同频同相同幅度的毫米波信号进行波束调制，所述波束调制为：当所述同频同相同幅度的未调制的毫米波信号沿着毫米波信道不同路径传输时，会经历不同程度的衰减损耗，从而使毫米波信号在经过毫米波信道不同路径到达接收端设备后呈现出幅度能量差异；

所述接收端设备能够根据接收到的每帧数据的前导码序列的顺序和前导码序列信号幅度能量差异确定信号的判决标准，以及，通过波束搜索完成波束对齐，根据所述判决标准对对齐的波束信号的能量差异进行解码，以实现信息传递。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统以一个AP设备为接收端设备，以K个随机分布在所述AP设备周围的物联网节点设备为发送端设备。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，每个所述物联网节点设备包含有两组天线，其中，每组天线能够产生一个固定方向的具有一定宽度的毫米波波束信号，所述两组天线所产生的毫米波波束信号方向不同、且两个波束宽度重叠范围不超过百分之二十。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述物联网节点设备的两组天线为微带天线，并且所述两组微带天线的阵列响应向量为离散傅里叶矩阵码本中的两个不同的向量，以消除两组微带天线所产生的毫米波波束之间的干扰。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述AP设备包含多组天线和多条射频链路，其中，所述AP设备中一组天线连接到同一个射频链上；其中AP中每组天线中包含P根天线，每根天线上都连接有一个移相器和放大电路。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述AP设备通过移相器来改变每根天线信号的相位来调整天线组的波束指向，并且使各组天线形成的波束分别与多个所述物联网节点设备形成波束对齐，以同时完成与K个物联网节点设备的数据通信。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述AP设备根据每组天线接收信号的SINR进行波束分配。

8.根据权利要求1-7任一所述的系统，其特征在于，所述系统中的毫米波信道采用Saleh-Valenzuela信道模型。

9.一种基于波束调制的毫米波物联网通信方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的基于波束调制的毫米波物联网通信系统进行通信，包括：

物联网节点设备根据数据帧中信息比特序列顺序切换两组天线来产生毫米波信号，以使所述未调制的毫米波信号沿着信道中的不同路径进行传播；其中，发送端设备发送的毫米波信号为同频同相同幅度的未调制的毫米波信号；

所述毫米波信道能够对所述同频同相同幅度的毫米波信号进行波束调制，所述波束调制为：当所述同频同相同幅度的未调制的毫米波信号沿着毫米波信道不同路径传输时，会经历不同程度的衰减损耗，从而使毫米波信号在经过毫米波信道不同路径到达接收端设备后呈现出幅度能量差异；

所述接收端设备能够根据接收到的每帧数据的前导码序列的顺序和前导码序列信号幅度能量差异确定信号的判决标准，以及，通过波束搜索完成波束对齐，根据所述判决标准对对齐的波束信号的能量差异进行解码，以实现信息传递。

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