CN113794662A - 一种基于lfm技术的卫星物联网传输方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线性调频(LFM)技术的卫星物联网传输方法和系统。该方法包括：发送端将获取的多用户信息分别依次通过编码器和交织器进行处理得到码字；将码字分别进行Walsh直接序列扩频变换处理后进一步进行LFM调制处理得到调制序列，并将调制序列进行叠加处理得到混合调制序列并传输到接收端；接收端对接收到的数据信号进行解啁啾处理得到解啁啾信号，对解啁啾信号进行DFT，对获取的频域数据进行取模值运算、取平方、取最大值以及取对数操作，并进一步获取传输数据符号的解调LLR矩阵；基于获取的解调LLR矩阵与Walsh矩阵进行相关运算得到解扩软信息；并基于解扩软信息得到各用户信息的原始数据比特流。本发明有助于实现卫星物联网的多用户传输。

Description

一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法和系统

技术领域

本发明涉及智能交互技术领域，特别是一种基于线性调频(LFM)技术的卫星物联网传 输方法和系统。

背景技术

相对于地面物联网通信，卫星物联网通信的距离相对遥远，从而带来了很大的传输链路 损耗，进而会导致接收功率变得非常小。除了采用性能优异的编码方案外还需要进一步考虑 扩频调制技术，比如直接序列扩频(DSSS)、啁啾扩频(CSS)等。相比于DSSS技术，CSS 技术具有更强的抗多普勒频移能力，且能够有效抵抗多径衰落。而线性调频(LFM)技术就 是一种改进的CSS技术，已经广泛应用到物联网传输系统中。

从调制过程来看，LFM技术将CSS扩频技术与携带数据符号的频移键控(FSK)调制技 术相结合，从而获得了一种高阶的频移CSS调制。目前，关于LFM技术的相关文献中所采用 的编码方案均是其物理层协议中规定的汉明(Hamming)码，几乎没有涉及到其他编码方案。 在Hamming-LFM方案中，由于Hamming码是一种基于硬判决译码的编码方案，所以LFM解调 方法只需要输出硬判决结果，但并不适用于基于软判决译码的Turbo码、低密度校验(LDPC) 码等编码方案。现有技术中，也有一些利用正交二分峰差判决法获得了一种所谓的“软”信 息，并将其送到Turbo译码器中。但是这种非相干软判决解调方法，其性能增益非常有限。也 有一些考虑非相干频移键控(FSK)系统利用贝塞尔函数的一阶泰勒级数展开和双重最大值 近似方法得到了一种适用于比特交织编码调制迭代系统的非相干软判决解调方法，但是其对 数运算量非常大，且随着调制阶数增加呈指数增长，不能适应卫星物联网传输的应用。

同时，在地面物联网传输中，除了使用经典的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)等多址接入技术外，关于LFM技术的多用户传输方案也得到了一定的 关注和研究。但是对于卫星物联网的多用户传输，由于其功率受限的特点，传统的功率分配策略和功率域多址技术已经不再适用。此外，卫星物联网传输的距离要比地面物联网远得多。 这样就会导致传输链路上存在较大的功率损耗，从而使得接收端的接收功率变得非常低，进 而就要求除了采用性能优异的编码方案外还需要使用大扩频因子的LFM调制。另一方面，在 无功率分配和串行干扰抵消策略的辅助下，基于相同大扩频因子LFM调制的多用户传输方案 是难以实现的。这是因为在相同的带宽和扩频因子下，两个或多个叠加的LFM信号会出现破 坏性的冲突。

因此，提出一种基于LFM技术能够适应卫星物联网的多用户传输技术方案亟具需要。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法和系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

第一方面，本发明提出一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法，包括：

S1发送端将获取的多用户信息{d₁,d₂,…,d_n}分别依次通过(N,K)编码器和交织器进行 处理，得到码字{c₁,c₂,…,c_n}；

S2发送端将码字{c₁,c₂,…,c_n}分别进行Walsh直接序列扩频变换处理，得到码字

S3发送端分别对码字

进行LFM调制处理，得到扩频因子为SF₀、符号长度 为

的调制序列{s_c1,s_c2,…,s_cn}，其中SF_i表示Walsh直接序列扩频的内扩频 因子，并将调制序列{s_c1,s_c2,…,s_cn}进行叠加处理得到混合调制序列s_c；并将混合调制序列s_c传输到接收端；

S4接收端接收由发送端传输的数据信号r_k(l)，其中k＝0,1,…N-1，N表示数据符号长 度，l＝0,1,…M-1，

表示正交啁啾数；

S5接收端对数据信号r_k(l)进行解啁啾处理得到相应的解啁啾信号r′_k(l)；

S6接收端对解啁啾信号r′_k(l)进行M点DFT运算，得到频域数据R_k(q)，其中 q＝0,1,…,M-1；

S7接收端对频域数据R_k(q)进行取模值运算得到

S8接收端对

进行取平方、取最大值以及取对数操作，并进一步获取传输数据符号 的解调LLR矩阵Λ；

S9接收端基于获取的解调LLR矩阵Λ与Walsh矩阵进行相关运算，得到各用户信息的解 扩软信息；

S10接收端将获取的解扩软信息分别通过解交织器和译码器进行处理，得到各用户信息 的原始数据比特流。

一种实施方式中，步骤S5中，接收端对数据信号r_k(l)进行解啁啾处理得到相应的解啁啾 信号r′_k(l)，其中具体采用的解啁啾处理函数为：

一种实施方式中，步骤S6中，具体采用的M点DFT运算函数为：

一种实施方式中，步骤S8中，获取传输数据符号的解调LLR矩阵Λ，其中解调LLR矩阵

式中，b_k,表示第k个符号周期内的数据符号d_k中第l个二进制比特，Λ(b_k,)表示对应第 k个符号周期内的数据符号d_k中第l个二进制比特的解调LLR，μ表示设定的修正因子，

和

分别表示按照自然映射的十进制数0～M-1所对应的二进制比特表示中第l个位置为0的索引集合和第l个位置为1的索引集合。

一种实施方式中，步骤S9中，基于获取的解调LLR矩阵Λ与Walsh矩阵进行相关运算， 得到各用户信息的解扩软信息，具体包括：

基于获取的解调LLR矩阵Λ分别与Walsh矩阵中的第1行、第2行…第n行的地址码进 行相关运算，得到各个用户信息的解扩软信息，其中采用的相关运算函数为：

其中，Λ_i((k+1)×m)∈Λ，Λ((k+1)×m)表示矩阵Λ中的第(k+1)×m个元素，Λ_i(k) 表示对应第i个用户信息的解扩软信息，W(i,m)表示Walsh矩阵中(i,m)的元素。

第二方面，本发明提出一种基于LFM技术的卫星物联网传输系统，包括发送端和接收端； 其中，

发送端用于将获取的多用户信息{d₁,d₂,…,d_n}分别依次通过(N,K)编码器和交织器进行 处理，得到码字{c₁,c₂,…,c_n}；将码字{c₁,c₂,…,c_n}分别进行Walsh直接序列扩频变换处理， 得到码字

分别对码字

进行LFM调制处理，得到扩频因子为SF₀、 符号长度为

的调制序列{s_c1,s_c2,…,s_cn}，并将调制序列{s_c1,s_c2,…,s_cn}进行 叠加处理得到混合调制序列s_c；并将混合调制序列s_c传输到接收端；

接收端用于接收由发送端传输的数据信号r_k(l)，其中k＝0,1,…N-1，N表示数据符号 长度，l＝0,1,…M-1，

表示正交啁啾数；对数据信号r_k(l)进行解啁啾处理得到相 应的解啁啾信号r′_k(l)；对解啁啾信号r′_k(l)进行M点DFT运算，得到频域数据R_k(q)，其中 q＝0,1,…,M-1；对频域数据R_k(q)进行取模值运算得到

对

进行取平方、取最 大值以及取对数操作，并进一步获取传输数据符号的解调LLR矩阵Λ；基于获取的解调LLR 矩阵Λ与Walsh矩阵进行相关运算，得到各用户信息的解扩软信息；将获取的解扩软信息分别 通过解交织器和译码器进行处理，得到各用户信息的原始数据比特流。

本发明的有益效果为：本发明提出的卫星物联网传输方法中，提出了一种基于DFT的改 进软判决非相干解调方法，该解调方法具有较低的实现复杂度和优异的解调性能。同时，本 发明可以适用于极低信噪比下的卫星物联网传输，能够满足卫星物联网的多用户传输需求。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于 本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附 图。

图1为本发明实施例所示一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所示的发送端处理流程示意图；

图3为本发明实施例所示的接收端处理流程示意图；

图4为本发明实施例所示的软判决非相干解调方法流程示意图；

图5为本发明实施例对应的误码性能示意图；

图6为本发明实施例所示一种基于LFM技术的卫星物联网传输系统的框架结构图

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1实施例所示一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法，该方法包括如下步骤：

S1发送端将获取的多用户信息{d₁,d₂,…,d_n}分别依次通过(N,K)编码器和交织器进行 处理，得到码字{c₁,c₂,…,c_n}；其中d_i表示第i个用户信息，c_i表示第i个用户信息对应的码字；

S2发送端将码字{c₁,c₂,…,c_n}分别进行Walsh直接序列扩频变换处理，得到码字

S3发送端分别对码字

进行LFM调制处理，得到扩频因子为SF₀、符号长度 为

的调制序列{s_c1,s_c2,…,s_cn}，并将调制序列{s_c1,s_c2,…,s_cn}进行叠加处理 得到混合调制序列s_c；并将混合调制序列s_c传输到接收端；其中SF_i表示Walsh码对应的内扩 频因子；

S4接收端接收由发送端传输的数据信号r_k(l)，其中k＝0,1,…N-1，N表示数据符号长 度，l＝0,1,…M-1，

表示正交啁啾数；

S5接收端对数据信号r_k(l)进行解啁啾处理得到相应的解啁啾信号r′_k(l)；

其中，具体采用的解啁啾处理函数为：

S6接收端对解啁啾信号r′_k(l)进行M点DFT运算，得到频域数据R_k(q)，其中 q＝0,1,…,M-1；

其中，具体采用的M点DFT运算函数为：

S7接收端对频域数据R_k(q)进行取模值运算得到

S8接收端对

进行取平方、取最大值以及取对数操作，并进一步获取传输数据符号 的解调LLR矩阵Λ；

其中解调LLR矩阵

式中，b_k,表示第k个符号周期内的数据符号d_k中第l个二进制比特，Λ(b_k,l)表示对应第 k个符号周期内的数据符号d_k中第l个二进制比特的解调LLR，μ表示设定的修正因子，

和

分别表示按照自然映射的十进制数0～M-1所对应的二进制比特表示中第l个位置为0的索引集合和第l个位置为1的索引集合；

S9接收端基于获取的解调LLR矩阵Λ与Walsh矩阵进行相关运算，得到各用户信息的解 扩软信息；

其中，基于获取的解调LLR矩阵Λ分别与Walsh矩阵中的第1行、第2行…第n行的地址码进行相关运算，得到各个用户信息的解扩软信息，其中采用的相关运算函数为：

其中，Λ_i((k+1)×m)∈Λ，Λ((k+1)×m)表示矩阵Λ中的第(k+1)×m个元素，Λ_i(k) 表示对应第i个用户信息的解扩软信息，W(i,m)表示Walsh矩阵中(i,m)的元素；

S10接收端将获取的解扩软信息分别通过解交织器和译码器进行处理，得到各用户信息 的原始数据比特流{d′₁,d′₂,…,d′_n}。

上述实施方式中，基于DFT的改进软判决非相干解调方法(软输出非相干解调器)具有 较低的实现复杂度和优异的解调性能。同时能够适应极低信噪比下的卫星物联网多用户传输 场景中。本发明根据CDMA协议中Walsh码的正交性，将其与同一扩频因子LFM调制结合 的方案可以实现卫星物联网的多用户传输。

在一种示例性实施例中，基于卫星物联网通信的下行传输链路，且传输带宽为B。不失 一般性，本实施例以同时传输三个用户信息为例，并且给定BER＝10^-5时目标信噪比为SNR ≤-26dB，给出一种示例性的基于LFM技术的卫星物联网传输方法。

其中采用采用M_w＝4阶Walsh矩阵和扩频因子为13的LFM调制。其中，Walsh矩阵中第1行所对应的地址码分配给第1个用户信息；第2行所对应的地址码分配给第2个用户信息；第3行所对应的地址码分配给第3个用户信息。参见图2和图3、其分别给出了本发明 基于Walsh-LFM技术的多用户传输链路系统模型的发送端(例如是低轨卫星)和接收端(例 如是地面站或者用户终端)的数据处理示意图。该传输方案的具体步骤如下：

在发送端：用户信息1、用户信息2和用户信息3(即d₁、d₂和d₃)先分别经过相同的(N,K)编码器和交织器后得到码字c₁、c₂和c₃。

将码字c₁、c₂和c₃分别通过Walsh直接序列扩频变换后得到码字

和

将这些码字分别送到外扩频因子SF₀＝13的LFM调制器中获得三个符号长度均为

的调制序列s_c1、s_c2和s_c3，并将调制序列s_c1、s_c2和s_c3叠加到一起得到混合的调制序列s_c。

在接收端：考虑到传输过程中受到噪声干扰，接收数据信号r_k(l)可以表示为：

其中，k＝0,1,…,N-1，l＝0,1,…,M-1，N为传输的数据符号长度，

为正交啁 啾数，d_k,i为第i个用户信息在第k个符号周期内传输的数据符号，n_k(l)是均值为0、方差为

的复高斯随机变量。

对接收信号r_k(l)通过解啁啾操作得到相应的解啁啾信号r_k′(l)：

其中，

接下来对解啁啾信号r_k′(l)通过如图4所示的改进软判决非相干解调方法(软输出非相干 解调器)得到解调对数似然比(LLR)，其中对应的处理步骤如下：

对解啁啾信号r′_k(l)通过M点的DFT运算得到R_k(q)：

其中，q＝0,1,…,M-1，

对R_k(q)通过取模值运算得到

通过对

的进行平方操作、选取最大值操作以及对数操作，得到传输数据符号d_k中 第l个比特b_k,l的解调LLR，即

其中，b_k,l为第k个符号周期内的第l个二进制比特，μ表示修正因子，

和

分别表示按照自然映射的十进制数0～M-1所对应的二进制比特表示中 第l个位置为0的索引集合和第l个位置为1的索引集合。

在与Walsh码相关之前，需要引入一个矩阵

对包含了式(5)的解调LLR的矩阵Λ通过分别与Walsh矩阵中第1行、第2行和第3行的地址码进行相关运算得到各个用户信息的解扩软信息，即

其中，Λ_i(k)表示第i个用户的软解扩信息，Λ((k+1)×m)表示Λ中的第(k+1)×m个 元素，W(i,m)表示Walsh矩阵中(i,m)元素。

将获得的解扩软信息分别送至解交织器和译码器便可恢复出各用户信息的原始数据比特 流。

其中，参见图5，其示出了该传输方案的误码性能。由仿真结果可知，考虑BER＝4×10^-5， 用户信息1、用户信息2和用户信息3对应的实际信噪比分别约为-27.7dB、-27.8dB和-27.75dB， 即分别低于目标信噪比(即-26dB)1.7dB、1.8dB和1.75dB。可以适用于极低信噪比下的卫 星物联网传输。

第二方面，参见图6，本发明提出一种基于LFM技术的卫星物联网传输系统，包括发送 端和接收端；其中，

发送端用于将获取的多用户信息{d₁,d₂,…,d_n}分别依次通过(N,K)编码器和交织器进行 处理，得到码字{c₁,c₂,…,c_n}；将码字{c₁,c₂,…,c_n}分别进行Walsh直接序列扩频变换处理， 得到码字

分别对码字

进行LFM调制处理，得到扩频因子为SF₀、 符号长度为

的调制序列{s_c1,s_c2,…,s_cn}，并将调制序列{s_c1,s_c2,…,s_cn}进行 叠加处理得到混合调制序列s_c；并将混合调制序列s_c传输到接收端；

接收端用于接收由发送端传输的数据信号r_k(l)，其中k＝0,1,…N-1，N表示数据符号 长度，l＝0,1,…M-1，

表示正交啁啾数；对数据信号r_k(l)进行解啁啾处理得到相应 的解啁啾信号r′_k(l)；对解啁啾信号r′_k(l)进行M点DFT运算，得到频域数据R_k(q)，其中 q＝0,1,…,M-1；对频域数据R_k(q)进行取模值运算得到

对

进行取平方、取最 大值以及取对数操作，并进一步获取传输数据符号的解调LLR矩阵Λ；基于获取的解调LLR 矩阵Λ与Walsh矩阵进行相关运算，得到各用户信息的解扩软信息；将获取的解扩软信息分别 通过解交织器和译码器进行处理，得到各用户信息的原始数据比特流。

一种场景中，上述发送端包括低轨卫星；接收端包括地面站或者用户终端。

需要说明的是，其中发送端还用于实现上述一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法中 步骤S1-S3中对应的任一种实施方式对应的方法步骤，接收端还用于实现上述一种基于LFM 技术的卫星物联网传输方法中步骤S4-S10中对应的任一种实施方式对应的方法步骤，本申请 在此不再重复叙述。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬 件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现， 处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、 数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。 实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指 令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便 于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的 任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其 他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据 结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围 的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法，其特征在于，包括：

S1发送端将获取的多用户信息{d₁，d₂，...，d_n}分别依次通过(N，K)编码器和交织器进行处理，得到码字{c₁，c₂，...，c_n}；

S2发送端将码字{c₁，c₂，...，c_n}分别进行Walsh直接序列扩频变换处理，得到码字

S3发送端分别对码字

进行LFM调制处理，得到扩频因子为SF₀、符号长度为

的调制序列{s_c1，s_c2，...，s_cn}，其中SF_i表示Walsh直接序列扩频的内扩频因子，并将调制序列{s_c1，s_c2，...，s_cn}进行叠加处理得到混合调制序列s_c；并将混合调制序列s_c传输到接收端；

S4接收端接收由发送端传输的数据信号r_k(l)，其中k＝0，1，...N-1，N表示数据符号长度，l＝0，1，...M-1，

表示正交啁啾数；

S5接收端对数据信号r_k(l)进行解啁啾处理得到相应的解啁啾信号r′_k(l)；

S6接收端对解啁啾信号r′_k(l)进行M点DFT运算，得到频域数据R_k(q)，其中q＝0，1，...，M-1；

S7接收端对频域数据R_k(q)进行取模值运算得到

S8接收端对

进行取平方、取最大值以及取对数操作，并进一步获取传输数据符号的解调LLR矩阵Λ；

S9接收端基于获取的解调LLR矩阵Λ与Walsh矩阵进行相关运算，得到各用户信息的解扩软信息；

S10接收端将获取的解扩软信息分别通过解交织器和译码器进行处理，得到各用户信息的原始数据比特流。

2.根据权利要求1所述的一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法，其特征在于，步骤S5中，接收端对数据信号r_k(l)进行解啁啾处理得到相应的解啁啾信号r′_k(l)，其中具体采用的解啁啾处理函数为：

3.根据权利要求2所述的一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法，其特征在于，步骤S6中，具体采用的M点DFT运算函数为：

4.根据权利要求3所述的一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法，其特征在于，步骤S8中，获取传输数据符号的解调LLR矩阵Λ，其中解调LLR矩阵

式中，b_k，l表示第k个符号周期内的数据符号d_k中第l个二进制比特，Λ(b_k，l)表示对应第k个符号周期内的数据符号d_k中第l个二进制比特的解调LLR，μ表示设定的修正因子，

和

分别表示按照自然映射的十进制数0～M-1所对应的二进制比特表示中第l个位置为0的索引集合和第l个位置为1的索引集合。

5.根据权利要求4所述的一种基于LFM技术的卫星物联网传输方法，其特征在于，步骤S9中，基于获取的解调LLR矩阵Λ与Walsh矩阵进行相关运算，得到各用户信息的解扩软信息，具体包括：

基于获取的解调LLR矩阵Λ分别与Walsh矩阵中的第1行、第2行...第n行的地址码进行相关运算，得到各个用户信息的解扩软信息，其中采用的相关运算函数为：

其中，Λ((k+1)×m)表示矩阵Λ中的第(k+1)×m个元素，Λi(k)表示对应第i个用户信息的解扩软信息，W(i，m)表示Walsh矩阵中(i，m)的元素。

6.一种基于LFM技术的卫星物联网传输系统，其特征在于，包括发送端和接收端；其中，

发送端用于将获取的多用户信息{d₁，d₂，...，d_n}分别依次通过(N，K)编码器和交织器进行处理，得到码字{c₁，c₂，...，c_n}；将码字{c₁，c₂，...，c_n}分别进行Walsh直接序列扩频变换处理，得到码字

分别对码字

进行LFM调制处理，得到扩频因子为SF₀、符号长度为

的调制序列{s_c1，s_c2，...，s_cn}，并将调制序列{s_c1，s_c2，...，s_cn}进行叠加处理得到混合调制序列s_c；并将混合调制序列s_c传输到接收端；

接收端用于接收由发送端传输的数据信号r_k(l)，其中k＝0，1，...N-1，N表示数据符号长度，l＝0，1，...M-1，

表示正交啁啾数；对数据信号r_k(l)进行解啁啾处理得到相应的解啁啾信号r′_k(l)；对解啁啾信号r′_k(l)进行M点DFT运算，得到频域数据R_k(q)，其中q＝0，1，...，M-1；对频域数据R_k(q)进行取模值运算得到

对

进行取平方、取最大值以及取对数操作，并进一步获取传输数据符号的解调LLR矩阵Λ；基于获取的解调LLR矩阵Λ与Walsh矩阵进行相关运算，得到各用户信息的解扩软信息；将获取的解扩软信息分别通过解交织器和译码器进行处理，得到各用户信息的原始数据比特流。

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