CN112583750B - 一种基于m-fsk的速率控制与接收方法及其收发机 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种基于M‑FSK的速率控制与接收方法及其收发机。所述控制方法包括采用M‑FSK调制技术进行调制，根据频点位置传输信息比特；获取频点间隔、信道编码速率，根据频点间隔和传输频域总带宽确定基于频点位置传输的信息比特数，根据频点间隔确定符号时长，并根据位置传输信息比特、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率和比特速率；基于M‑FSK调制技术，通过调节频点间隔、符号时长或调制相位控制比特速率。采用本申请技术方案能够实现基于M‑FSK的任意速率收发控制，以获得相应覆盖增强或速率提升，同时接收机也可有效获得相应码率发送增益。
Description
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于M-FSK的速率控制与接收方法及其收发机。
背景技术
随着科学技术的发展，5G通信越来越广泛。现有的5G通信中，eMBB(EnhancedMobile Broadband，增强移动宽带)技术重点在频谱效率区，关注的是有限带宽内的传输速率，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；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。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。
其中，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；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—Peak to Average Power Ratio)的方法。通过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，则覆盖距离可以增强一倍。
现有技术中，重复的bit因为调制在不同符号或频点上，所以接收时无法有效想干合并，无法获得全部增益；传统eMBB通过定义一定码率，然后通过打孔或重复的方法定义码率，收发端规则较复杂，为了避免复杂度，通常定义码率有限且码率控制也有限。
发明内容
本申请提供了基于M-FSK的速率控制方法，包括：
采用M-FSK调制技术进行调制，根据频点位置传输信息比特；
获取频点间隔、信道编码速率，根据频点间隔和传输频域总带宽确定基于频点位置传输的信息比特数，根据频点间隔确定符号时长，并根据位置传输信息比特、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率和比特速率；
基于M-FSK调制技术，通过调节频点间隔、符号时长或调制相位控制比特速率。
如上所述的基于M-FSK的速率控制方法，其中，M-FSK调制技术的参数包括：传输频域总带宽BW、频点间隔SCS、信道编码速率CR；由频点间隔SCS和传输频域总带宽计算得到基于频点位置的传输信息比特数其中总带宽BW与频点间隔SCS是2的幂次方关系，由频点间隔SCS计算最小符号时长为/>根据位置传输信息比特、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率为η＝K/2K*CR、比特速率为K*SCS*CR。
如上所述的基于M-FSK的速率控制方法，其中，通过调节符号时长控制比特速率，即基于AdvancedM-FSK调制后增加每个符号的符号时长达到重复发送的目的，具体为：计算频谱效率为K/2K*CR/(1+CP)，CR为无线信道的前向纠错编码速率，1/(1+CP)为符号长度速率，增加固定前向纠错码的码率或者通过控制每个M-FSK调制符号长度达到任意频谱效率。
如上所述的基于M-FSK的速率控制方法，其中，控制任意M-FSK符号长度达到任意频谱效率，一种是基于OFDM的调制技术的控制OFDM符号时长，此时每个符号只激活一个载波，通过增加循环前缀的长度控制每个符号的长度；另一种是直接用M-FSK调制，基于调频方法控制符号长度。
如上所述的基于M-FSK的速率控制方法，其中，通过调节频点间隔控制频谱效率，具体为：在带宽BW一定时，考虑无线信道环境与收发机晶振与估计误差因素确定最小频点间隔SCS；在带宽BW一定时，考虑无线多径因素确定最大频点间隔SCS。
如上所述的基于M-FSK的速率控制方法，其中，通过增加传输频点位置的调制相位获得更高的频谱效率。
如上所述的基于M-FSK的速率控制方法，其中，还包括制定合适的方法设置可扩展发送机，可扩展发送机中频点间隔SCS增大或减小是2幂次方关系，相应的符号长度变成2的负幂次关系，获得相应的比特速率增大与减小。
如上所述的基于M-FSK的速率控制方法，其中，还包括制定合适的方法设置可扩展发送机，采用可扩展发送机能够实现频点间隔SCS增大时比特速率也相应增大。
本申请还公开一种发送机，所述发送机执行上述任一项所述的基于M-FSK的速率控制方法。
本申请还公开一种接收机接收方法，所述接收机采用基于FFT自适应的接收机算法接收上述发送机传输的位置信息和相关相位信息，其中，FFT大小与传输带宽/载波间隔以及符号时长相关。
如上所述的基于接收机接收方法，其中，还包括采用多天线接收的方式，假设多天线接收同步，即相位一致，则采用直接相加的方法获得相应的合并增益，如果多天线间不同步，则多天线各自同步后，相应的数据符号同步。
本申请还提供接收机，所述接收机执行上述所述的接收机接收方法。
本申请实现的有益效果如下：采用本申请技术方案能够实现基于M-FSK的任意码率收发控制，以获得相应覆盖增强或速率提升，同时接收机也可有效获得相应码率发送增益。
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是本申请实施例一提供的一种基于M-FSK的速率控制方法流程图；
图2是M-FSK调制频点示意图；
图3是M-FSK调制示意图；
图4展示了物联网中Lora与本申请的Advanced M-FSK的参数比较图；
图5是基于OFDM的调制技术进行OFDM调制示意图；
图6是基于M-FSK调制技术进行调制模块展示图；
图7是相位调制示意图。
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
本申请实施例提供一种基于M-FSK的速率控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤110、采用M-FSK调制技术进行调制，根据频点位置传输信息比特；
本申请采用AdvancedM-FSK调制技术通过频点位置方法发送信息进行编码调制，调制信息只在相位上改变，不利用幅度调制信息，保持低功耗特性，符合PAPR＝0dB的准制。
本申请实施例中，时域为1的信号在频域上M个正交频点上选择一个频点调制发送，其中M为调制频点数，即包括M个频点位置，M＝2K，K为所能传输的信息比特数。如图2所示，M＝8，即每个频点每个符号可以传输3个信息比特，频点间隔为2KHz，发送功率不变，带宽增加，调制比特增多，为了减少频谱泄露，保持符号间相位连续。
图3为M-FSK调制示意图，具体展示了频点数M＝8，即8个频点位置可传输的信息比特数为000/001/011/010/110/111/101/100，每个频点间的间隔为SCS，总带宽BW为8倍频点间隔。
步骤120、获取频点间隔、编码速率，根据频点间隔和传输频域总带宽确定基于频点位置传输的信息比特数，根据频点间隔确定符号时长，并根据位置传输信息比特、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率和比特速率；
图4展示了物联网中Lora与本申请的Advanced M-FSK的参数比较图。
本申请实施例中，Advanced M-FSK编码调制技术最重要的参数包括：频点数M、基于频点位置传输的信息比特数K、传输频域总带宽BW(不含保护带宽)、频点间隔SCS(SubCarrier space)、信道编码速率CR(Code Rate)；由频点间隔SCS和传输频域总带宽BW基于频点位置的传输信息比特数其中总带宽BW与频点间隔SCS是2的幂次方关系，保证计算得到的K值为整数；为了保证频点间正交，由频点间隔SCS计算符号时长至少为/>
根据位置传输信息比特、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率和比特速率，具体推导过程为：
其中，DR为比特速率，η为频谱效率，频谱效率越低η覆盖越远，频谱效率越高传输速率越高，因此可通过改变K值即改变SCS控制效率，也可以通过控制CR或改变符号时长控制效率，或者还可以增加相位调制，即在SCS不变，通过增加相位调制，提高每个符号的传输比特数。
如果没有编码，则理论上最低的频谱效率η为K/2K，例如假设总带宽BW为15KHz、SCS＝1.875KHz，则M＝8，K＝3，频谱效率为η＝K/2K＝0.375b/(Hz*S)，因此在实际应用中对于LPWAN，由于是低功耗广域网，因此可以选择牺牲一定的频谱效率而获得更远的覆盖。
步骤130、基于M-FSK调制技术，通过调节频点间隔、符号时长或调制相位控制比特速率。
以下为本申请实施例通过调节多种参数实现比特速率的提升方法：
①通过调节符号时长控制比特速率，即基于Advanced M-FSK调制后增加每个符号的符号时长达到重复发送的目的；
具体地，为了避免频点间的干扰，理论上符号时长(即基础的符号长度)至少为1/SCS，在此符号时长基础上，增加任意长度即可增加码率，如重复一倍，则符号时长变为2/SCS，则此时频谱效率为K/2K*CR/(1+CP)，此处CR为无线信道的前向纠错编码速率，1/(1+CP)为符号长度速率，因此可以增加固定前向纠错码的码率或者通过控制每个M-FSK调制符号长度达到任意频谱效率，以获得相应覆盖增强；
其中，控制任意M-FSK符号长度获得相应增强覆盖技术：一种是基于OFDM的调制技术的控制OFDM符号，此时每个符号只激活一个载波，通过增加循环前缀的长度控制每个符号的长度；图5为基于OFDM的调制技术进行OFDM调制示意图，具体调制过程依次包括编码模块、Gray映射模块、IFFT模块、并行转串行模块(P to S)和循环前缀模块。另一种是直接用M-FSK调制，基于调频方法控制符号长度。该频谱效率控制方法的符号长度可变，可以任意获得相应码率，获得相应的覆盖增加；图6为基于M-FSK调制技术进行调制示意图，具体调制过程依次包括编码模块、Gray映射模块和M-FSK调制模块。
②通过调节频点间隔控制频谱效率，实现调节比特速率；
在实际情况中由于要考虑多种因素影响，因此频点间隔SCS不能无限减小也不能无限增大；即在带宽BW一定时，考虑无线信道环境与收发机晶振与估计误差因素确定最小频点间隔SCS，且考虑无线多径因素可确定最大频点间隔SCS；
具体地，在一定带宽下(即BW固定时)，由于K值的增加会导致频点间隔SCS不断减小，而因为在外场多普勒频偏等因素影响(例如多普勒扩展计算公式为fv/c，其中f为载波频率、v为移动速率、c为光速，假设载波频率f为900MHZ、v为50km/H，则多普勒扩展为50Hz左右)，如频偏估计精度的影响，频点间隔SCS又不能无限小，所以K值无法持续增加，由此在带宽BW一定时，考虑无线信道特点和实现因素，相应的最小频点间隔SCS也确定，此时基于M-FSK频点保持正交时，相应最低频谱效率也可确定；当无法通过频点间隔SCS降低频谱效率时，也可以通过增加符号时长来进一步降低频谱效率。另外，为了提升频谱效率，需要提升调制频点间隔SCS；但由于在实际无线环境中存在多径的影响，所以即使频点间隔SCS不断变大也不能无限提升频谱效率。
下表1展示了在带宽BW一定时各个参数对应的频谱效率和比特效率：
表1
由表1可以得出，在实际应用中对于Advanced M-FSK调制方式可采用更小的频点间隔，如3.75/4KHz或3.75/8KHz；由于ETU典型信道环境，多径时延有5微秒，因此从表1也可得出频点间隔SCS为30KHz时比特速率最高，当SCS大于30KHz时实际比特速率是下降的，由此确定最大频点间隔SCS为30KHz时所控制的比特速率最高；
③通过增加传输频点位置的调制相位获得更高的频谱效率；
在频点间隔SCS为任意值时可以通过调制相位Modulation获得更高的频谱效率，由此提升比特速率；为了保持PAPR＝0dB具体采用PSK调制，图7为相位调制示意图，相位的位置可以变化，如采用BPSK调制，则通过两个相位传输，代表可以传输1比特，如采用QPSK调制，则通过四个相位传输，代表可以传输2比特，如采用8PSK调制，则通过八个相位传输，代表可以传输3比特。例如当频点间隔SCS为最大频点间隔30KHz时采用不同调制相位时各参数所下表2所示：
表2
④制定合适的方法将本申请的发送机设置为可扩展(scalable)发送机；
下表3展示了在固定带宽BW下scalable发送机实现的控制结果：
表3
由上表3可以得出，在固定带宽下采用scalable发送机结构能够实现SCS与symbolRate的相应改变，且采用scalable发送机结构可以实现SCS的最大值达到60KHz时比特速率也能增加；即频点间隔SCS增大或减小是2的幂次方关系，相应的符号长度变成2的负幂次关系，相应M阶数也是按幂次变化，由此获得的相应比特速率增大或减少。
本申请还提供一种发送机，所述发送机执行上述基于M-FSK的速率控制方法。
本申请除公开上述发送机及其速率控制方法外，还公开了对应地接收机及其获得相应增益的接收方法，具体地，接收机采用基于FFT自适应的接收机算法收发送机传输的位置信息和相关相位信息，其中，FFT大小与采样频率/载波间隔以及符号速率相关。其中，在接收机中可通过下述几种方式完整增强符号长度增益：
(1)设采样频率为SR，则采样频率至少为SR＝SCS×2K×2n，其中，n为大于等于0的整数，n越大越有利于提升接收机的SNR(信噪比)。
(2)设符号时长为Ts，则为了避免频点间干扰，符号长度至少为TS＞＝1/SCS，当速率高时，则载波间隔需要相应增加。
(3)为了在接收端避免直流子载波的影响，FFT的数量至少为2*SR/SCS；每个符号采样点数为SR*TS，通过补零方式至少填充到2*SR/SCS，如果每个符号超过此点数，通过补零的方式，则选择合适的n到SCS×2K×2n。
(4)为了避免无线多径信道的影响，接收端在时频同步后，可以适当去掉每个符号前面几个采用点。
(5)比较对应频点上幅值大小，判断每个符号的相应调制频点，根据频点解调相应调制比特。
(6)针对可扩展的M-FSK发送机，接收端具备相应的可扩展的接收机。即FFT大小与符号时长变化成2的幂次方变化。
此外在接收机中，为了增加覆盖，还可以采用多天线接收的方式，假设多天线接收同步，即相位一致，则采用直接相加的方法获得相应的合并增益，如果多天线间不同步，则多天线各自同步后，相应的数据符号同步。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种基于M-FSK的速率控制方法，应用于发送机中，其特征在于，包括：
采用Advanced M-FSK调制技术进行调制，根据频点位置传输信息比特；
获取频点间隔、信道编码速率，根据频点间隔和传输频域总带宽确定基于频点位置传输的信息比特数、根据频点间隔确定符号时长、并根据位置传输信息比特、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率和比特速率；
基于Advanced M-FSK调制技术，通过调节频点间隔、符号时长或调制相位控制比特速率。
2.如权利要求1所述的基于M-FSK的速率控制方法，其特征在于，Advanced M-FSK调制技术的参数包括：传输频域总带宽BW、频点间隔SCS、信道编码速率CR；由频点间隔SCS和传输频域总带宽计算得到基于频点位置的传输信息比特数其中总带宽BW与频点间隔SCS是2的幂次方关系，由频点间隔SCS计算最小符号时长为/>根据位置传输信息比特、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率为η＝K/2K*CR，比特速率为K*SCS*CR。
3.如权利要求2所述的基于M-FSK的速率控制方法，其特征在于，通过调节符号时长控制比特速率，即基于Advanced M-FSK调制后增加每个符号的符号时长达到重复发送的目的，具体为：计算频谱效率为K/2K*CR/(1+CP)，CR为无线信道的前向纠错编码速率，1/(1+CP)为符号长度速率，增加固定前向纠错码的码率或者通过控制每个M-FSK调制符号长度达到任意频谱效率。
4.如权利要求3所述的基于M-FSK的速率控制方法，其特征在于，控制任意M-FSK调制符号长度达到任意频谱效率包括：直接用M-FSK调制，基于调频方法控制符号长度。
5.如权利要求2所述的基于M-FSK的速率控制方法，其特征在于，通过调节频点间隔控制频谱效率，具体为：在带宽BW一定时，考虑无线信道环境与收发机晶振与估计误差因素确定最小频点间隔SCS；在带宽BW一定时，考虑无线多径因素确定最大频点间隔SCS。
6.如权利要求2所述的基于M-FSK的速率控制方法，其特征在于，通过增加传输频点位置的调制相位获得更高的频谱效率。
7.如权利要求1所述的基于M-FSK的速率控制方法，其特征在于，还包括制定合适的方法设置可扩展发送机，可扩展发送机中频点间隔SCS增大2的幂次方关系，相应的符号长度变成原来符号长度的2的幂次方关系，获得相应的比特速率增大；
可扩展发送机中频点间隔SCS减小2的幂次方关系，相应的符号长度变成原来符号长度的2的负幂次方关系，获得相应的比特速率减小。
8.一种发送机，其特征在于，所述发送机执行如权利要求1-7任一项所述的基于M-FSK的速率控制方法。
9.一种接收机接收方法，其特征在于，所述接收机采用基于FFT自适应的接收机算法接收如权利要求8的发送机传输的位置信息和相关相位信息，其中，FFT大小与传输带宽/载波间隔以及符号时长相关。
10.如权利要求9所述的接收机接收方法，其特征在于，还包括采用多天线接收的方式，假设多天线接收同步，即相位一致，则采用直接相加的方法获得相应的合并增益，如果多天线间不同步，则多天线各自同步后，相应的数据符号同步。
11.一种接收机，其特征在于，所述接收机执行如权利要求9或10所述的接收机接收方法。
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