CN115695121A - 一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法及系统，包括以下步骤：将载波信号增加一个调制比特位b_SF，得到扩增后的信号{b₀,b₁,...,b_SF}，其中b₀,b₁,...b_SF‑1为载波信号的比特位；针对扩增后的待传输信息，采用斜坡键控调制SSK方法进行信号调制，得到发射信号s_m[n]；发射信号s_m[n]经过发射单元发送，再经接收单元接收，得到接收信号r[n]；接收单元对接收信号r[n]采用非相干解调的方式，通过最大似然函数估计得到解调后得符号

系统用于实现方法。本发明在不减小扩频因子的情况下，可以提高LoRa散射通信的数据传输速率；在误码率性能几乎不变的情况下，提高了传输速率。

Description

一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法及系统

技术领域

本发明涉及散射通信领域，尤其涉及一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法及系统。

背景技术

反向散射通信是构建绿色节能、低成本、可灵活部署的物联网的关键技术之一。反向散射通信技术本质上是一种天线阻抗调制技术，它利用传输的比特信息对天线的阻抗进行切换从而改变发射信号的幅度，使得通信节点可以不需要功耗很大的射频载波信号和数模转换器，即可完成信息的携带和调制，极大降低无线通信系统所需能耗，吸引了国内外学者和产业界的广泛关注。

专利CN202110441791提出了一种基于信道编码的可靠反射通信系统，利用搭载在WiFi信号上反射的信息，实现了一种超低功耗的WiFi反向散射通信系统。

专利CN202111155887.8提出了一种蓝牙反向散射方法。上述两种方法虽然降低了能耗，但是它们的通信距离很短，反向散射信号受时变衰落、干扰、多径等影响，通信链路脆弱。

为了提高反向散射通信系统的距离，专利CN201811360531.6提出了一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统，将低功耗广域网通信技术——LoRa应用于反向散射通信系统，大大提高了通信距离。但是这种方法采用双站式散射通信架构，该架构包含三个通信单元：射频基站、散射节点、散射信号接收机。射频基站负责发送载波信号，散射节点通过反向散射将要发送的信息调制到载波信号上，接收机接收经调制后信号并恢复信息。

上述双站式散射通信系统在通信过程中，载波信号从基站到接收机会经历双倍路径衰落，一定程度限制了通信覆盖范围。

为此，专利CN202111267411.3提出了一种基于单频振荡器的超低功耗LoRa通信系统及通信方法，将微型低功耗、低成本振荡器集成到散射节点上，可以提高载波源信号的稳定性，免受随机衰落的影响，增强通信服务质量；同时该架构精简了散射通信系统的架构，将原有的双站反向散射通信系统需要3个单元降低至仅需要2个单元，提高实际部署的灵活性。但是，该方法基于传统的LoRa通信物理层架构，每个符号只能传输SF个比特(SF为扩频因子)，通信速率较低。由于物联网应用需求的多变性，很多场景需要传输视频、图像等高速率数据流，而且无线传感网络的吞吐量易受碰撞、干扰的影响而急剧下降，因此急需一种既具有超低功耗、远距离的特性，又能在物理层上支持更高速率的通信方法及系统。

发明内容

为了解决现有技术中缺乏一种既具有超低功耗、远距离的特性，又能在物理层上支持更高速率的通信方法及系统，本发明提供一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法及系统，方法包括以下步骤：

S1、将载波信号增加一个调制比特位b_SF，得到扩增后的信号{b₀,b₁,...,b_SF}，其中b₀,b₁,...b_SF-1为载波信号的比特位；

S2、针对扩增后的待传输信息，采用斜坡键控调制SSK方法进行信号调制，得到发射信号s_m[n]；

S3、发射信号s_m[n]经过发射单元发送，再经接收单元接收，得到接收信号r[n]；

S4、接收单元对接收信号r[n]采用非相干解调的方式，通过最大似然函数估计得到解调后得符号

系统用于实现一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，包括：发射单元和接收单元；

发射单元采用基站集成式的LoRa散射节点，用微型低功耗单频振荡器代替大体积大功耗基站射频源，将微型基站嵌入到LoRa散射节点，用于生成并发射LoRa信号；

接收单元采用USRP，用于接收发射信号，并生成接收信号，对接收信号进行解调。

本发明提供的有益效果是：在不减小扩频因子的情况下，可以提高LoRa散射通信的数据传输速率；在误码率性能几乎不变的情况下，提高了传输速率。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图；

图2是SSK调制流程框图；

图3是SSK解调流程框图；

图4是系统的结构框图；

图5是SF＝2时SSK调制所有符号的时频图；

图6是采用SSK调制的完整数据帧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，图1是本发明方法流程示意图；一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法及系统，包括以下步骤：

S1、将载波信号增加一个调制比特位b_SF，得到扩增后的信号{b₀,b₁,...,b_SF}，其中b₀,b₁,...b_SF-1为载波信号的比特位；

S2、针对扩增后的待传输信息，采用斜坡键控调制SSK方法进行信号调制，得到发射信号s_m[n]；

需要说明的是，本申请基于LoRa调制方法。LoRa调制方法是一种线性调频扩频调制方法，也称为频移啁啾调制(Frequency Shift Chirp Modulation，FSCM)技术。

频移啁啾调制，其载波是一段线性调频信号，起始频率为f₀，终止频率为f₀+BW，其中BW为信号带宽。在一个符号内能携带SF个比特。因此，LoRa的传输速率R_b可表示为：

在LoRa调制中，SF可取7～12一共6种，BW可选125、250和500kHz。SF越大，通信速率越低，但是其传输距离越远。那么，即使在最大带宽下，最大的传输速率也仅为37.5kbps。

而本申请中的斜坡键控调制SSK(Slope Shift Key，SSK)调制，是在LoRa调制基础上，增加了一个调制比特位b_SF。下面详细介绍本申请SSK的具体过程。

对于一个离散的上啁啾复信号可表示为：

其中n∈[0,M-1]为采样点的序号，M表示一个符号内采样点的数量。由于同一个位置的上啁啾和下啁啾信号互为共轭，

一个离散下啁啾复信号可表示为：

在LoRa调制中，其他符号对应的啁啾信号都是通过对啁啾信号基函数循环移位得到：

x_m[n]＝x₀[n+m] (4)

其中，m∈[0,M-1]。

注意到：

其中δ[·]是克罗内克函数。

当M为偶数时，

由式(6)可知，所有的正交信号x_m[n]都是通过基啁啾信号x₀[n]循环移位得到。

因此，上啁啾信号频移后的信号为：

同样的，下啁啾信号为：

在本申请中，增加了一个调制比特位b_SF，得到扩增后的信号{b₀,b₁,...,b_SF}，其中b₀,b₁,...b_SF-1为载波信号的比特位。

请参考图2，图2是SSK调制流程框图；发射信号可以表示为：

当最高位比特为0时，即b_SF＝0，0<m≤M-1；

当最高位比特为1时，即b_SF＝1，M≤m≤2M-1。

用b_SF决定调制的信号是上啁啾还是下啁啾，用其余比特(b₀,b₁,...,b_SF-1)调制Chirp(线性调频：通过对载波频率进行调制以增加信号的发射带宽并在接收时实现脉冲压缩)信号。

S3、发射信号s_m[n]经过发射单元发送，再经接收单元接收，得到接收信号r[n]；

S4、接收导员对接收信号r[n]采用非相干解调的方式，通过最大似然函数估计得到解调后得符号

需要说明的是，本申请中，接收端采用非相干解调的方式，通过最大化似然函数估计符号值

接收信号为r[n]＝hs_m[n]+w[n]，其中h为信道增益，w[n]为高斯白噪声。

似然函数为：

其中，r＝{r[0],r[1],…,r[N-1]}，

表示一个复数的实部，C为常数，表示为：

在非相干解调中，无法获得h的瞬时值。

因此，在本申请中，

根据h的概率密度函数，对似然函数的期望值求取最大值，即：

注意到：

其中，h＝h_r+jh_i，β是一个与h无关的复数。假设噪声有单位方差，则

结合式(10)和式(12)计算似然函数：

对上式两边取对数，信息符号m的最大似然估计为：

将循环移位后的Chirp信号

或

代入上式，得到：

其中，

R₁[l]为r[n]y₀[n]的离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)，R₂[l]为r[n]x₀[n]的DFT变换

请参考图3，图3是SSK解调流程框图。解调过程具体如下：

接收信号分别先乘下啁啾基信号和上啁啾基信号，再经DFT得到R₁[l]、R₂[l]，之后比较|R₁[l]|²和|R₂[l]|²的大小。如果|R₁[l]|²>|R₂[l]|²，取

最大似然估计值

反之，取

最大似然估计值

再加上M，即

请参考图4，图4是系统的结构框图；一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信系统，用于实现一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，系统包括；发射单元和接收单元；

发射单元采用基站集成式的LoRa散射节点，用微型低功耗单频振荡器代替大体积大功耗基站射频源，将微型基站嵌入到LoRa散射节点，用于生成并发射LoRa信号；

接收单元采用通用软件定义无线电外设USRP(Universal Software RadioPeripheral，USRP)，用于接收发射信号，并生成接收信号，对接收信号进行解调。

其中接收单元采用的软件平台为GNU Radio，配合C++编程开发。

GNU Radio是一个免费的开源软件开发工具包，它提供信号处理模块实现软件定义无线电。本申请中的解调过程中涉及的数学计算函数等，通过相应软件平台完成。

需要特别说明的是，在调制过程中，采用的单频振荡器、射频开关等，均为领域内常有设备，本申请重点在于调制方法，对于依赖的电子电路设备，均通过常见设备进行完成。

作为一种实施例，在SSK调制中，以SF＝2为例，请参考图5，图5是SF＝2时SSK调制所有符号的时频图；

图5列出了所有调制符号的时频图。图中符号周期

与BW线性对应。通过按时间轴对Chirp信号循环移位，符号“0”到符号“2^SF-1”用上啁啾表示，符号“2^SF”到符号“2^SF+1-1”用下啁啾表示。

SF＝2的Chirp信号可以表示八种符号，符号数量和传统LoRa相比，提高了一倍，从而提高了数据传输速率。

用SSK调制的一个完整的LoRa数据帧如图6所示。图6是采用SSK调制的完整数据帧。

该帧结构由前导码、帧头、载荷数据组成。其中，前导码由n(此处取8)个上啁啾符号、2个同步符号和2.25个下啁啾符号组成；帧头采用隐式帧头，所以没有在数据帧中出现；载荷数据中既有上啁啾符号也有下啁啾符号，可用啁啾符号数量提高一倍，然而传统LoRa数据帧中的载荷数据只用上啁啾符号，所以限制了传统LoRa数据传输速率。

本发明的有益效果是：通过增加一个比特的方式，来决定调制上啁啾信号还是下啁啾信号，从而使啁啾信号数量提高一倍，在不减小SF的情况下，可以提高LoRa散射通信的数据传输速率。

还提出了基于SSK调制的LoRa散射通信系统。该系统发射单元采用基站集成式散射通信架构，将微型基站集成到散射节点上，以免受随机衰落的影响。和传统的LoRa调制相比，在误码率性能几乎不变的情况下，提高了传输速率。本系统既具有超低功耗、远距离传输的优势，同时又具有更高的传输速率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、将载波信号增加一个调制比特位b_SF，得到扩增后的信号{b₀,b₁,...,b_SF}，其中b₀,b₁,...b_SF-1为载波信号的比特位；

S2、针对扩增后的待传输信息，采用斜坡键控调制SSK方法进行信号调制，得到发射信号s_m[n]；

S3、发射信号s_m[n]经过发射单元发送，再经接收单元接收，得到接收信号r[n]；

S4、接收单元对接收信号r[n]采用非相干解调的方式，通过最大似然函数估计得到解调后得符号

2.如权利要求1所述的一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，其特征在于：步骤S2中，发射信号s_m[n]的具体公式如下：

其中，

为扩增后信号的十进制形式；n∈[0,M-1]为载波信号采样点的序号，M表示一个载波信号内采样点的数量；采用调制比特位b_SF决定调制信号的类型，当b_SF＝0时，采用上啁啾调制信号x_m[n]；当b_SF＝1时，采用下啁啾调制信号y_m-M[n]。

3.如权利要求2所述的一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，其特征在于：所述上啁啾调制信号x_m[n]通过上啁啾基信号x₀[n]循环移位得到，具体如下式：

4.如权利要求3所述的一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，其特征在于：所述下啁啾调制信号y_m-M[n]通过下啁啾基信号y₀[n]循环移位得到，具体如下式：

其中，y₀[n]为x₀[n]的共轭信号。

5.如权利要求4所述的一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，其特征在于：步骤S3中接收信号r[n]的表达式如下：

r[n]＝hs_m[n]+w[n] (4)

其中h为信道增益，w[n]为高斯白噪声。

6.如权利要求5所述的一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，其特征在于：步骤S4中，符号

的求解过程如下：接收信号分别乘以上啁啾基信号和下啁啾基信号，再经过离散傅里叶变换，得到两个信号分别为R₁[l]、R₂[l]；比较|R₁[l]|²和|R₂[l]|²的大小，若|R₁[l]|²>|R₂[l]|²，取

最大似然估计值

作为最终的符号

反之，取

最大似然估计值

再加上M，即

作为最终的符号

7.一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信系统，用于实现如权利要求1-6任一项所述的一种基于啁啾斜坡键控调制的散射通信方法，其特征在于：包括发射单元和接收单元；

发射单元采用基站集成式的LoRa散射节点，用微型低功耗单频振荡器代替大体积大功耗基站射频源，将微型基站嵌入到LoRa散射节点，用于生成并发射LoRa信号；

接收单元采用USRP，用于接收发射信号，并生成接收信号，对接收信号进行解调。

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