CN113746768A - 一种低功耗频点索引调制方法、发送机及其接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低功耗频点索引调制方法、发送机及其接收机，包括：获取频域上M个正交调制频点[f0...fk...fM‑1]，M为2的幂次方，M个频点可以是连续或非连续；根据数量为log2(M)发送比特，通过映射选择一个频点k；选择此频点k采用FSK调制发送，即调制信号s(t)＝cos(fct+2π*fkt)，fc为载波频点。本申请通过基于OFDM的方法调制，也可以通过FSK方法调制，调制过程相对简单，可扩展性好，接收机相对简单。

Description

一种低功耗频点索引调制方法、发送机及其接收机
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种低功耗频点索引调制方法、发送机及其接收机。
背景技术
5G等eMBB技术重点在频谱效率区，关注的是有限带宽内的传输速率。LPWAN技术因对电池寿命要求时间长(3-5年)，因此重点是在能量效率区，即每bit需要传输能量尽可能的少。即LPWAN在追求极致的能量效率的过程中，是可以牺牲一定频谱效率的。
因此有效利用发射功率和提高接收机的灵敏度，成为制定LPWAN物理层技术的主要目标。其一能够最大化利用发射功率，保证LPWAN通信不出现瞬时高功率的同时，使功耗能量效率最大化(即PAPR)。在功率放大器设计中，线性是非常重要的指标。由于信号存在瞬时的高功率，为了保证该瞬时高功率点处的线性指标，通常采用功率回退技术来保证线性，使得信号通过功放后不失真，功率回退技术降低了功耗的效率，因此需要寻找降低平均功率比(PAPR—PeaktoAveragePowerRatio)。其二提升接收机的灵敏度，增强覆盖距离。如果提升接收机6dB灵敏度即4倍，覆盖距离可以增强一倍。
现有技术有基于CSS(ChirpSpreadSpectrum)的LoRa调制技术，在时域上进行循环移位进行调制，循环不同位置代表调制不同的信息比特。但现有的调制技术缺点在于CSS信号比较复杂。
发明内容
本发明提供了一种低功耗频点索引调制方法，包括：
获取频域上M个正交调制频点[f0...fk...fM-1]，M为2的幂次方，M个频点可以是连续或非连续；
根据数量为log2(M)发送比特，通过映射选择一个频点k；
选择此频点k采用FSK调制发送，即调制信号s(t)＝cos(fct+2π*fkt)，fc为载波频点。
如上所述的一种低功耗频点索引调制方法，其中，正交调制频点的频点数M＝2K，其中K为这个符号所能调制的信息比特数；总占用带宽BW＝SCS×2K，SCS为K个频点中最小频域间隔，任意频点间的频域间隔为SCS的整数倍；
如果是连续频点FSK调制，相邻频点间隔一定为SCS；
如果是非连续频点FSK调制，部分相邻频点间隔大于SCS；符号时长至少为1/SCS；非连续频点FSK调制映射具体包括：可用频带非连续的，联合这些频带一起使用M-FSK调制；或根据已知受干扰频点，在发送端避开干扰频点映射；或非连续频点FSK调制使使用带宽占用频带更广，减少干扰。
如上所述的一种低功耗频点索引调制方法，其中，选择采用基于OFDM的调制发送方式，具体为：根据FSK的调制阶数M，确定每个符号调制比特数Log2(M)，假设OFDM符号总共子载波为N，子载波间隔由SCS参数决定，选择其中的M个子载波，作为可调制子载波，M个子载波可以连续也可以不连续；信息比特通过编码/交织/扰码之后，根据Gray映射的方法或其他映射方法选择M个子载波中的一个子载波调制功率，其他子载波置零，映射之后通过IFFT变换到时域，根据符号时长的参数，增加相应的循环前缀，然后根据频谱泄露要求对OFDM符号进行时域加窗滤波。
如上所述的一种低功耗频点索引调制方法，其中，通过频率控制字直接选择相应频点发送，即FSK调制方式，具体为：根据FSK的调制阶数M，确定每个符号调制比特数Log2(M)；根据SCS参数，确定M个频点，M个频点不一定要连续，但要求任何两个频点的间隔一定是SCS的整数倍；信息比特通过编码/交织/扰码之后，根据Gray映射的方法或其他映射方法选择M个频点其中一个发送，发送时长根据符号时长的长度决定。
如上所述的一种低功耗频点索引调制方法，其中，选择采用同步载波聚合的M-FSK发送方式，即CAM-FSK调制方式，具体包括同步的CAM-FSK调制和非同步的CAM-FSK调制；
对于同步的CAM-FSK调制，CA是至少是两个或更多载波聚合，每个载波用连续或非连续的M-FSK调制，不同载波阶数可以不同，即M值可以不同，同步载波聚合要求所有载波的任意频点间隔是SCS的整数倍，符号长度一样；
对于非同步的CAM-FSK调制，采用两个或两个以上载波采用连续的或非连续的M-FSK调制，载波间M-FSK参数可以相关也可以不相关。
如上所述的一种低功耗频点索引调制方法，其中，在映射的频点基础上增加相位调制，提升频谱效率；具体为：根据FSK的调制阶数M，确定每个符号通过频点索引的调制比特数为Log2(M)，在调制频点上增加相位调制，其阶数为N，此时每个符号调制信息比特数为Log2(M)+log2(N)，
Figure BDA0003266578950000031
Figure BDA0003266578950000032
相位等间距，φ为初始相位。
本申请还提供一种发送机，所述发送机执行上述任一项所述的低功耗频点索引调制方法。
本申请还提供一种接收机，包括：在接收机端基于FFT自适应的接收机算法，通过合适的采样频率SR，根据载波间隔SCS以及符号速率时长T，确定FFTSzie和频点位置；具体包括：
由信号带宽决定采样频率；
根据采样频率SR以及符号时长T确定FFTSize；
根据符号时长T和载波间隔SCS计算调制频点载波位置间隔SCSSize；
根据M、SCSSize和FFTSize，以及发射端映射的频点位置进行滤波；
根据频点位置解调调制比特或通过软比特解调。
如上所述的一种接收机，其中，选择采用非同步载波聚合的M-FSK发送方式。
如上所述的一种低功耗频点索引调制方法，其中，所述接收机采用多天线接收或HARQ重传合并的方法，通过合并多天线或多帧各自解调的软比特获得最终的解调软比特。
本发明实现的有益效果如下：本申请通过基于OFDM的方法调制，也可以通过FSK方法调制，调制过程相对简单，可扩展性好，接收机相对简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供一种低功耗频点索引调制方法流程图；
图2是频点调制发送示意图；
图3是discreteM-FSK调制示意图；
图4是基于OFDM的调制发送方式的发射过程示意图；
图5是通过频率控制字直接选择相应频点发送的发射过程示意图；
图6是同步载波聚合的M-FSK调制发送示意图；
图7是在映射的频点基础上增加相位调制提升频谱效率示意图；
图8是基于M-FSK调制的导频示意图。
具体实施方式
下面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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供一种低功耗频点索引调制方法，应用于发送机，如图1所示，包括：
步骤110、获取频域上M个正交调制频点[f0...fk...fM-1]，M为2的幂次方，M个频点可以是连续或非连续；
本申请实施例基于申请号2020111320460中公开的AdvancedM-FSK调制方法实现，AdvancedM-FSK最重要的参数如下：频点数M＝2K，其中M个频点可以是连续或非连续，K为这个符号所能调制的信息比特数，频点间隔SCS(SubCarrierspace)，还有就是编码速率CR(coderate)；总占用带宽/速率：BW＝SCS×2K；符号时长至少为
Figure BDA0003266578950000041
比特速率为K*SCS*CR，在一定带宽下M越多，则SCS越小，即占用带宽BW＝SCS×2K＝SCS×M，计算得到频谱效率为K/2K*CR，如果没有编码，理论频谱效率为K/2K。
下表1为物联网常用Lora与本申请所用AdvancedM-FSK的参数对比：
表1 LoRa和AdvancedM-FSK参数比较
LoRa AdvancedM-FSK 备注
调制比特数 时域因子SF 频域因子K
信号 CSS(Chirp-Spread-Spectrum) 1
带宽 BW SCS×2<sup>K</sup>
载波间隔 SCS 对应Lora的1/BW
码片时长 1/BW 对应AdvancedM-FSK的SCS
符号时长 2<sup>SF</sup>/BW 1/SCS
比特速率 BW×SF/2<sup>SF</sup>*CR K*SCS*CR
频谱效率 SF/2<sup>SF</sup>*CR K/2<sup>K</sup>*CR
如图2所示，M＝8，则每个频点每个符号可以调制3个比特信息；频点间隔为2kHz，从图2可以直观获知：①调制信息只在相位上改变，不利用幅度调制信息，PAPR为零，保持低功耗特性；②发送功率不变，带宽增加，调制比特增多(log2(M))。为了减少频谱泄露，保持符号间相位连续，如果进一步降低频谱泄露的要求，可以每个符号进行时域加窗。
步骤120、根据数量为log2(M)发送比特，通过映射选择一个频点k；
本申请实施例具体通过非连续频点映射选择频点进行调制，该调制方式称为discreteM-FSK调制，参数要求是频点间隔必须是SCS的整数倍关系。主要应用场景有两个：①由于带宽一些限制，带宽特别窄，传输速率特别低，不能满足一些应用，因此频带选择非连续的，联合这些频带一起使用M-FSK调制，例如图3把多个25kHz带宽联合一起使用，可以提升速率；②根据已知一些频点受到干扰，在发送端避开这些干扰频点；③因为频点更广，可以更好避免一些冲突。图3中深色可用频带，浅色代表不可用频带。M-FSK频点选择可以灵活的根据可用频点进行选择。根据速率的要求，SCS也可以灵活可变。
步骤130、选择此频点k采用FSK调制发送，即调制信号s(t)＝cos(fct+2π*fkt)，fc为载波频点；
本申请实施例选择采用如下几种调制方式进行调制发送：
(1)基于OFDM的调制发送方式：
M-FSK是通过频点索引调制信息，基于OFDM调制即选择OFDM符号中一个子载波调制功率，其他子载波置零(即无任何功率)。根据FSK的调制阶数M，确定每个符号调制比特数Log2(M)。假设OFDM符号总共子载波为N，子载波间隔由SCS参数决定，选择其中的M个子载波，作为可调制子载波，M个子载波可以连续也可以不连续，不连续的即为discreteM-FSK。信息比特通过编码/交织/扰码之后，根据Gray映射的方法或其他映射方法选择M个子载波中的一个子载波调制功率，其他子载波置零。映射之后通过IFFT变换到时域，根据符号时长的参数，增加相应的循环前缀(CyclicPrefix,CP)，然后根据频谱泄露要求对OFDM符号进行时域加窗滤波。发射过程如图4所示，其核心是只选择OFDM符号中根据一定规则选择其中一个子载波赋值能量发射。
(2)通过频率控制字直接选择相应频点发送，即FSK调制方式：
根据FSK的调制阶数M，确定每个符号调制比特数Log2(M)。根据SCS参数，确定好M个频点，M个频点不一定要连续，但任何两个频点的间隔一定是SCS的整数倍。信息比特通过编码/交织/扰码之后，根据Gray映射的方法或可以有其他映射方法选择M个频点其中一个发送，发送时长根据符号时长的长度决定；发射过程如图5所示。
(3)同步载波聚合的M-FSK，即CAM-FSK调制方式：
CAM-FSK调制方式分为连续的CAM-FSK调制和非连续的CAM-FSK调制。对于同步的CAM-FSK调制，CA至少是两载波聚合，也可以更多的载波聚合，不同载波阶数可以不同，但为了接收机容易接收，设定频点间隔也是SCS的整数倍，符号长度也一样。由此能够充分利用不规则带宽；也可以提升频谱效率，充分利用连续带宽和不连续带宽，并且发送信号不再有恒模特性；对于非同步的CAM-FSK调制，采用两个或两个以上载波采用连续的或非连续的M-FSK调制，载波间M-FSK参数可以相关也可以不相关。
例如，如图6所示，假设有12个调制频点，可以分两组，一个有是8个频点；另外一个有4个频点。前面8个频点可以调制3个比特；后面4个比特可以调制2个比特。此时总共可以传输5个比特。
(4)非同步载波聚合的M-FSK调制方式：
非同步载波聚合对不同载波间参数没有硬性要求，SCS可以不一样，符号时长可以不一样，调制阶数M可以不应，并且每一个载波都需要独立接收。
对于编码方式：本申请实施例可以通过咬尾卷积的编码方式，通过信道编码降低编码速率，也可以通过增加每个符号的发送时长达到降低速率增加传输质量目的。为了避免频点间的干扰，如理论上符号时长至少是1/SCS，即基础的符号长度。增加码率是在此符号长度基础上，增加任意长度长度，如果重复一倍，符号时长变为2/SCS，则此时频谱效率为K/2K*CR/(1+CP)，其中CR为无线信道的前向纠错编码速率，1/(SCS*(1+CP))为符号长度速率。此方法特点是符号长度可变，可以任意获得相应码率，获得相应的覆盖增加。
假设编码速率为1/2，假设带宽为120KHz，下表2展示了不同的频谱效率：
表2
Figure BDA0003266578950000061
为了进一步提高频谱效率，在原来通过频点索引调制信息比特外，可以在映射的频点基础上增加相位调制，提升频谱效率。例如，如图7所示，为了保持PAPR＝0dB，采样PSK调制，如BPSK，QPSK，8PSK，NPSK；相对应的每个符号可以多传1比特，2比特，3比特，log2(N)比特。根据FSK的调制阶数M，确定每个符号通过频点索引的调制比特数为Log2(M)，在调制频点上增加相位调制，其阶数为N，此时每个符号调制信息比特数为Log2(M)+log2(N)，
Figure BDA0003266578950000071
Figure BDA0003266578950000072
相位等间距，φ为初始相位。
此外，相位解调需要信道估计，所以需要导频进行信道估计，采用方法是每隔一段时间发送基于M-FSK调制的导频，发送参数与数据类似也可以不同，如图8中，#号表示导频，*号表示数据，通过时频插值的方法估计出每个M-FSK符号相应频点的相位。
以120kHz带宽，载波间隔30KHz为例，通过调制相位获得如下表3所示的频谱效率。
表3
Figure BDA0003266578950000073
本申请实施例还提供一种接收机，所述接收机采用的是基于FFT自适应的接收机算法，通过合适的采样频率SamplingRate(SR)，根据载波间隔SCS以及符号速率时长T，确定FFTSzie和以及发射端映射频点位置，仅描述单载波M-FSK接收机。具体包括：
①由信号带宽决定采样频率：信号带宽BW＝SCS×2K，采样频率要满足SR＞＝SCS×2K。SR越大抗抗扰性越强，是BW的2的幂次方倍。
②根据采样频率SR以及符号时长T确定了FFTSize：每个符号采样点数为OSR＝SR*T，通过补零方式至少填充到2K，如果M-FSK符号OSR值超过此点数，通过补零的方式，则选择合适的n到2K×2n。此方法最大好处是获取了M-FSK所有能量，如果OFDM有循环前缀，则为了减少符号间的干扰，可以去掉M-FSK符号前面一点符号能量。
③根据符号时长T和载波间隔SCS计算调制频点载波位置间隔SCSSize：
SCSSize＝ceil((2K×2n)/(SR*(1/SCS))＝ceil(T*SCS)
其中，ceil函数为向上取整。
④根据M、SCSSize和FFTSize，以及发射端映射的频点位置进行滤波；在频域上仅保留调制频点的值，其他值置为零；
⑤根据频点位置解调调制比特或通过软比特解调。比较对应调制频点上幅值大小，能量最大值的所在频点即为调制频点，根据判断出的调制频点位置与映射方式对应关系直接解调，此方法为硬解调。每个比特单独解调，统计如果每个比特是0时在可能频点的能量，以及每个比特1时的在可能频点能量。然后相减和相应归一化获得此比特的解调可信度也称为软比特，此方法是软解调。假设每bit分别是0或1时，统计如果比特是0时各频点的能量，以及比特1时的各频点能量。然后相减以及相应归一化获得此比特的解调可信度。
⑥如果有编码，输入软比特进行相应的译码。如果没有则软比特可以直接硬判输出。
实例计算：参数为SCS＝7.5kHz；M＝16(即K＝4)；T＝1/(4.8kHz)。
则根据计算SR>＝7.5*16＝120kHz；取SR＝480kHz，OSR＝SR*T＝100；FFTSize＝128；SCSSize＝ceil(T*SCS)＝2。
根据M＝16，FFTSize＝128，以及SCSSize＝2，直流载波循环移位到中心位置FFTSize/2+1＝65，频点位置在0:2:128上的位置，根据调制频点位置相应解调信息。
另外，为了增加覆盖，所述接收机可以采用多天线接收或HARQ重传合并的方法，通过合并多天线或多帧各自解调的软比特(软比特为每个比特是0或1的概率信息，是根据每个频点能量计算得到，信噪比越高则确定性越大)，获得最终的解调比特，增强解调灵敏度。
HARQ重传合并过程具体为：物联网以burst为特点，有preamble和SYNC帧，数据部分有包头，此包解调能力要大于数据部分，包含了用户基本信息，重点是每帧的重传序号，当发射端没有收到接收端ACK反馈时或反馈NACK时，发射端重新发送此帧，并且重传序号加一。接收端再接收时，确定此帧的重传序号，如果解调正确，物理层不保留此帧的软比特信息。如果解调错误，但重传序号已达到重传最大次数，也不保留此帧的软比特信息。如果未达到重传最大次数，保留此帧的软比特信息，待下一次接收端收到发送端重传时进行软比特合并。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低功耗频点索引调制方法，其特征在于，包括：
获取频域上M个正交调制频点[f0...fk...fM-1]，M为2的幂次方，M个频点可以是连续或非连续；
根据数量为log2(M)发送比特，通过映射选择一个频点k；
选择此频点k采用FSK调制发送，即调制信号s(t)＝cos(fct+2π*fkt)，fc为载波频点。
2.如权利要求1所述的低功耗频点索引调制方法，其特征在于，正交调制频点的频点数M＝2K，其中K为这个符号所能调制的信息比特数；总占用带宽BW＝SCS×2K，SCS为K个频点中最小频域间隔，任意频点间的频域间隔为SCS的整数倍；
如果是连续频点FSK调制，相邻频点间隔一定为SCS；
如果是非连续频点FSK调制，部分相邻频点间隔大于SCS；符号时长至少为1/SCS；非连续频点FSK调制映射具体包括：可用频带非连续的，联合这些频带一起使用M-FSK调制；或根据已知受干扰频点，在发送端避开干扰频点映射；或非连续频点FSK调制使使用带宽占用频带更广，减少干扰。
3.如权利要求1所述的低功耗频点索引调制方法，其特征在于，选择采用基于OFDM的调制发送方式，具体为：根据FSK的调制阶数M，确定每个符号调制比特数Log2(M)，假设OFDM符号总共子载波为N，子载波间隔由SCS参数决定，选择其中的M个子载波，作为可调制子载波，M个子载波可以连续也可以不连续；信息比特通过编码/交织/扰码之后，根据Gray映射的方法或其他映射方法选择M个子载波中的一个子载波调制功率，其他子载波置零，映射之后通过IFFT变换到时域，根据符号时长的参数，增加相应的循环前缀，然后根据频谱泄露要求对OFDM符号进行时域加窗滤波。
4.如权利要求1所述的低功耗频点索引调制方法，其特征在于，通过频率控制字直接选择相应频点发送，即FSK调制方式，具体为：根据FSK的调制阶数M，确定每个符号调制比特数Log2(M)；根据SCS参数，确定M个频点，M个频点不一定要连续，但要求任何两个频点的间隔一定是SCS的整数倍；信息比特通过编码/交织/扰码之后，根据Gray映射的方法或其他映射方法选择M个频点其中一个发送，发送时长根据符号时长的长度决定。
5.如权利要求1所述的低功耗频点索引调制方法，其特征在于，选择采用同步载波聚合的M-FSK发送方式，即CAM-FSK调制方式，具体包括同步的CAM-FSK调制和非同步的CAM-FSK调制；
对于同步的CAM-FSK调制，CA是至少是两个或更多载波聚合，每个载波用连续或非连续的M-FSK调制，不同载波阶数可以不同，即M值可以不同，同步载波聚合要求所有载波的任意频点间隔是SCS的整数倍，符号长度一样；
对于非同步的CAM-FSK调制，采用两个或两个以上载波采用连续的或非连续的M-FSK调制，载波间M-FSK参数可以相关也可以不相关。
6.如权利要求1所述的低功耗频点索引调制方法，其特征在于，通过咬尾卷积的编码方式，或通过增加每个符号的发送时长，达到降低速率增加传输质量目的。
7.如权利要求1所述的低功耗频点索引调制方法，其特征在于，在映射的频点基础上增加相位调制，提升频谱效率；具体为：根据FSK的调制阶数M，确定每个符号通过频点索引的调制比特数为Log2(M)，在调制频点上增加相位调制，其阶数为N，此时每个符号调制信息比特数为Log2(M)+log2(N)，
Figure FDA0003266578940000021
相位等间距，φ为初始相位。
8.一种发送机，其特征在于，包括：所述发送机执行如权利要求1-7任一项所述的低功耗频点索引调制方法。
9.一种接收机，其特征在于，包括：在接收机端基于FFT自适应的接收机算法，通过合适的采样频率SR，根据载波间隔SCS以及符号速率时长T，确定FFTSzie和频点位置；具体包括：
由信号带宽决定采样频率；
根据采样频率SR以及符号时长T确定FFTSize；
根据符号时长T和载波间隔SCS计算调制频点载波位置间隔SCSSize；
根据M、SCSSize和FFTSize，以及发射端映射的频点位置进行滤波；
根据频点位置解调调制比特或通过软比特解调。
10.如权利要求9所述的接收机，其特征在于，所述接收机采用多天线接收或HARQ重传合并的方法，通过合并多天线或多帧各自解调的软比特获得最终的解调软比特。
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