专利名称：物联网节点天线增强技术的制作方法
物联网节点天线增强技术本发明涉及一种基于双天线技术的物联网节点，包括双天线及其空时分集方法，能保证物联网节点可以工作于双天线模式下，也可以工作于单天线模式下。该系谎只需增加少量硬件成本和能量消耗，即可增大物联网节点的通信距离，提高物联网中信息传输的可靠性。属于无线通信和信息传输技术领域。
背景技术：
物联网是大量无线传感器节点籍由无线通信的方式组成的信息传输网络，在军事、工业、交通、安全、医疗、家庭和办公环境等众多场合有着非常广泛的应用。物联网节点是物联网的关键组成部分，包括信息采集模块、信息处理模块、无线通信模块和电源模块，用于完成信息采集、处理和传输；同时要求成本低、功耗低。无线传感器节点一般由电池供电，在不更换电池的情况下要求能够工作数月至数年之久。如何在成本和功耗限制之下，增大物联网节点的通信距离，实现物联网中信息的可靠传输，是物联网需要解决的关键技术。
中国发明专利申请公开说明书CN101068174，CN101009623公开了一种物联网节点，它由信息采集模块、信息处理模块、无线通信模块和电源模块所组成，这种节点由于采用单天线发射无线电信号，在节点系统能量受限条件下，通信距离短，当通信距离增加时可能伴随着信号传输可靠性的降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在现有的物联网节点只需增加少量硬件和能量消耗，就可增大通信距离，提高数据传输可靠性。为了解决上述技术问题，本发明采用物联网节点的基本架构，在物联网节点上配备了双天线，采用了一种低复杂度双天线空时分集方法来收发数据。物联网节点可以工作于双天线模式下，也可以工作于单天线模式下。低复杂度双天线空时分集方法是这样实现的发送方将用户比特数据进行一系列映射、调制、扩频和空时编码等变换后，得到两路数字信号，每路信号都是全部用户数据信号的不同表现形式，该两路数字信号分别承载在发送方的发射天线甲和发射天线乙上，发射给接收方。接收方分别对接收天线甲接收到的两路信号和接收天线乙接收到的两路信号进行一系列译码和变换后，得到最终的对原始数据的估计。发送方和接收方也可以根据具体的情况，工作于单天线模式下只让一根天线工作，关闭另一根天线，以节省能量消耗。积极效果是，该发明可以在相对于传统的物联网节点只增加少量硬件成本和能量消耗的条件下，增大物联网节点的通信距离，提高物联网中信息传输的可靠性；同时，该发明可以根据实际要求，工作于单天线模式下，以节省能量消耗。
图I为基于双天线技术的物联网节点通信示意图。图2为低复杂度双天线空时分集发送方法示意图。
图3为低复杂度双天线空时分集接收方法示意图。图中101.发射天线甲，102.发射天线乙，103.低复杂度双天线空时分集发送方法，104.发送方物联网节点；111.接收天线甲，112.接收天线乙，113.低复杂度双天线空时分集接收方法，114.接收方物联网节点；100.无线信道。其中发送方物联网节点104根据低复杂度双天线空时分集发送方法103，将信息通过101发射天线甲和102发射天线乙送入无线信道100，两根发射天线的信号在空间传播时经过各自独立的衰落信道到达111接收天线甲和112接收天线乙。接收方物联网节点114根据113低复杂度双天线空时分集接收方法进行译码。图2为低复杂度双天线空时分集发送方法示意图。图中101.发射天线甲，102.发射天线乙，104.发送方物联网节点；201.比特/符号映射器，202.扩频器，203.调制器，204.选择器甲，205.选择器乙，206.空时编码器，207. 控制器甲；211.比特序列B，212.符号序列W，213.码片序列C，214.信道符号序列S，215.信道符号序列S2，216.信道符号序列S2。211比特序列B被比特/符号映射器201映射为212符号序列W，W被扩频器202扩频为213码片序列C，C被203调制器调制为214信道符号序列S，送入204选择器甲。控制器甲207根据104发送方物联网节点的工作模式来控制204选择器甲、205选择器乙、206
空时编码器。如果104发送方物联网节点工作于单天线模式下，207控制器甲关闭206空时编码器，204选择器甲直接将S送入205选择器乙，207控制器甲根据通信质量控制205选择器乙，将S送入101发射天线甲或者102发射天线乙。如果104发送方物联网节点工作于双天线模式下，207控制器甲打开空时编码器206，204选择器甲将S送入206空时编码器，空时编码器将S编码为两路信道符号序列，即215信道符号序列SI和216信道符号序列S2，207控制器甲控制205选择器乙，将215信道符号序列SI和216信道符号序列S2送入101发射天线甲和102发射天线乙。图3为低复杂度双天线空时分集接收方法示意图。图中111.接收天线甲，112.接收天线乙，114.接收方物联网节点，301.选择器丙，302.选择器丁，303.控制器乙，304.空时译码器，305.最大比合并译码器，306.最大似然译码器，307.解调器，308.解扩频器，309.符号/比特映射器。311和312分别是发送方物联网节点工作于双天线模式下，接收方物联网节点工作于双天线模式下时的两路接收信号Rl和R2，313和314分别是发送方物联网节点工作于单天线模式下，接收方物联网节点工作于双天线模式下时的两路接收信号R1’和R2’，315.发送方物联网节点工作于单天线模式下，接收方物联网节点工作于单天线模式下时的接收信号R，316.对信道符号序列S的估计§，317.对码片序列C的估计C，318.对符号序列W的估计扣，319.对比特序列B的估计g。控制器乙303根据发送方物联网节点的工作模式和本接收方物联网节点的工作模式来控制301选择器丙、302选择器丁、304空时译码、305最大比合并译码器和306最大似然译码器。如果发送方物联网节点工作于双天线模式下，接收方物联网节点工作于双天线模式下，303控制器乙打开304空时译码器，关闭305最大比合并译码器和306最大似然译码器，并控制301选择器丙，打开111接收天线甲和112接收天线乙，并将311接收天线甲接收到的信号Rl和312接收天线乙接收到的信号R2送入空时译码器304，304空时译码器根据Rl和R2得到对符号序列S的估计316§，送入302选择器丁，302选择器丁将316§送入307解调器。如果发送方物联网节点工作于单天线模式下，接收方物联网节点工作于双天线模式下，303控制器乙打开305最大比合并译码器，关闭306最大似然译码器和304空时译码器，并控制301选择器丙，打开111接收天线甲和112接收天线乙，并将313接收天线甲接收到的信号R1’和314接收天线乙接收到的信号R2’送入305最大比合并译码器，305最大比合并译码器根据R1’和R2’两路信号得到对符号序列S的估计316§，送入302选择器丁，302选择器丁将316§送入307解调器。如果发送方物联网节点工作于单天线模式下，接收方物联网节点工作于单天线模式下，303控制器乙关闭304空时译码器和305最大比合并译码器，打开306最大似然译码器，根据通信质量控制301选择器丙，打开111接收天线甲或112接收天线乙，并将315接收到的信号R送入306最大似然译码器，306最大似然译码器根据R得到对发送端信号符号序列S的估计316§，送入302选择器丁，302选择器丁将§送入307解调器。 307解调器根据316§得到对码片序列C的估计317亡，送入308解扩频器；308解扩频器根据317^得到对符号序列W的估计318與，送入309符号/比特映射器；309符号/比特映射器根据W得到对比特序列B的估计319目，完成译码。
具体实施例方式本发明中的基于双天线技术的物联网节点，采用了双天线和低复杂度双天线空时分集方法。图I给出了基于双天线技术的物联网节点通信系统示意图。从图中可以看出，图中101.发射天线甲，102.发射天线乙，103.低复杂度双天线空时分集发送方法，104.发送方物联网节点；111.接收天线甲，112.接收天线乙，113.低复杂度双天线空时分集接收方法，114.接收方物联网节点；100.无线信道。其中发送方物联网节点104根据低复杂度双天线空时分集发送方法103，将信息通过101发射天线甲和102发射天线乙同时送入无线信道100，两根发射天线的信号在空间传播时经过各自独立的衰落信道到达111接收天线甲和112接收天线乙。接收方物联网节点114根据113低复杂度双天线空时分集接收方法对每个信号的恢复用其在不同时间和空间的传播形式，抵消部分无限衰落信道的影响，从而获得空时分集增益，提高系统的性能。图中101.发射天线甲，102.发射天线乙，103.低复杂度双天线空时分集发送方法，104.发送方物联网节点；111.接收天线甲，112.接收天线乙，113.低复杂度双天线空时分集接收方法，114.接收方物联网节点；100.无线信道。其中发送方物联网节点104根据低复杂度双天线空时分集发送方法103，将信息通过发射天线甲101和发射天线乙102送入无线信道100，两根发射天线的信号在空间传播时经过各自独立的衰落信道到达接收天线甲111和接收天线乙112。接收方物联网节点114根据113低复杂度双天线空时分集接收方法113进行译码。低复杂度双天线空时分集发送方法113如图2所示。
承载有用户信息的比特序列B211被比特/符号映射器201映射为符号序列W(212)。每N(N为大于O的整数)个比特被映射为一个2进制符号。本发明推荐的映射方法为每4个比特映射为一个16进制符号。W被扩频器202使用伪随机正交码扩频为213码片序列C。根据具体的通信要求，可以使用不同长度的伪随机正交码扩频。本发明推荐的扩频码为含有32个码片的伪随机正交码。C被203调制器调制为214信道符号序列S，送入204选择器甲。调制方法为每M个码片映射为一个2￥进制符号，然后通过相位调制方法得到信道符号。本发明推荐的映射方法为每2个码片映射为一个4进制符号，并使用四相移相键控调制方法得到信道符号。控制器甲207根据104发送方物联网节点的工作模式来控制204选择器甲、205选择器乙和206空时编码器。如果104发送方物联网节点工作于单天线模式下，207控制器甲关闭206空时编码 器，204选择器甲直接将S送入205选择器乙，207控制器通过控制205选择器乙，将S送入101发射天线甲和102发射天线乙中通信质量更好的一条天线上，继而发射到无线信道中。如果104发送方物联网节点工作与双天线模式下，207控制器甲打开空时编码器206，204选择器甲将S送入206空时编码器。空时编码器将S通过如下方法编码为两路信道符号序列空时编码器在每一次编码操作中取连续的两个信道符号Xl和x2，作为一个分组进行编码。将[xl，x2]编码为两个分组，分别是[xl，-x2l，[x2，xf]。其中xf是xl的复共轭，-x2*是x2的复共轭取负。[xl，-x2*]和[x2，xl*]分别对应215信道符号序列SI和216信道符号序列S2中的连续的两个信道符号。207控制器甲控制205选择器乙，将215信道符号序列SI和216信道符号序列S2送入101发射天线甲和102发射天线乙，继而发射到无线信道中。其发射时，在第一个发射周期，信号xl和x2分别从发射天线甲和发射天线乙发射；在第二个发射周期，信号-x2*和xl*分别从发射天线甲和发射天线乙发射。低复杂度双天线空时分集接收方法如图3所示。控制器乙303根据发送方物联网节点的工作模式和本接收方物联网节点的工作模式来控制301选择器丙、302选择器丁、304空时译码、305最大比合并译码器和306最大似然译码器。如果发送方物联网节点工作于双天线模式下，接收方物联网节点工作于双天线模式下，303控制器乙打开304空时译码器，关闭305最大比合并译码器和306最大似然译码器，并控制301选择器丙，打开111接收天线甲和112接收天线乙，并将311接收天线甲接收到的信号Rl和312接收天线乙接收到的信号R2送入空时译码器304。304空时译码器根据Rl和R2两路信号通过以下方法得到对符号序列S的估计316茗空时译码器在每一次译码操作中，从Rl中连续取两个接收到的信道符号rll和rl2，从R2中连续取两个接收到的信道符号r21和r22，作为一个分组进行译码。设发射天线甲到接收天线甲的衰落系数为hi I，其复共轭为hi f ;设发射天线甲到接收天线乙的衰落系数为hl2，其复共轭为hl2* ;设发射天线乙到接收天线甲的衰落系数为h21，其复共轭为h21* ;设发射天线乙到接收天线乙的衰落系数为h22，其复共轭为h22'对发射的两个信道符号xl，x2的估计热和餘采用方法，其中鉍和效都在信道符号集中取值
热=arg min d2(热,hll.Xrll + h21*Xrll* + hl2*Xr21 + h22*Xr21*)
娩=arg min d2(娩，h21*Xrl2 - hll*Xrl2* + h22*Xr21 - hl2*Xr22*)304空时译码器将送入302选择器丁, 302选择器丁将送入307解调器。如果发送方物联网节点工作于单天线模式下，接收方物联网节点工作于双天线模式下，303控制器乙打开305最大比合并译码器，关闭306最大似然译码器和304空时译码器，并控制301选择器丙，打开111接收天线甲和112接收天线乙，并将313接收天线甲接 收到的信号R1’和314接收天线乙接收到的信号R2’送入305最大比合并译码器。305最大比合并译码器根据R1’和R2’两路信号通过最大比例合并的方法得到对符号序列S的估计316§，然后将316§送入302选择器丁，302选择器丁将316§送入307解调器。如果发送方物联网节点工作于单天线模式下，接收方物联网节点工作于单天线模式下，303控制器乙关闭304空时译码器和305最大比合并译码器，打开306最大似然译码器，控制301选择器丙，在111接收天线甲和112接收天线乙打开通信质量较好的一条。然后将315接收信号R送入306最大似然译码器，306最大似然译码器由R根据最大似然准则得到对发送端信号符号序列S的估计316§,送入302选择器丁，302选择器丁将§送入307解调器。307解调器由316§可以得到对码片序列C的估计317C，送入308解扩频器；308解扩频器对317己进行解扩频，得到对符号序列W的估计318典，送入309符号/比特映射器；309符号/比特映射器根据扣可以得到对比特序列B的估计319台，完成译码。
权利要求
1.一种基于双天线技术的物联网节点通信系统，它包括用于发射方物联网节点(104)的低复杂度双天线空时分集发送模块(103)及双发射天线甲(101)和发射天线こ(102)；用于接收方物联网节点(114)的低复杂度双天线空时分集发送模块(113)及双接收天线甲(111)和接收天线こ(112);在发射方，信息通过低复杂度双天线空时分集发送模块(103)由发射天线甲(101)和发射天线こ(102)同时送入无线信道(100);两根发射天线的信号在空间传播时经过各自独立的衰落信道到达接收天线甲(111)和接收天线こ(112)。接收方物联网节点(114)根据低复杂度双天线空时分集接收方法(113)，对每个信号的恢复用其在不同时间和空间的传播形式，抵消部分无限衰落信道的影响。
2.根据权利要求I所述的基于双天线技术的物联网节点通信系统，其特征在于物联网节点作为接收方时可以工作于双天线模式下，也可以工作于单天线模式下。
3.根据权利要求I所述的基于双天线技术的物联网节点通信系统，，其特征在于基于双天线技术的物联网节点作为发送方工作于双天线模式下时，低复杂度双天线空时分集方法将比特数据映射为多进制符号；将多进制符号扩频为伪随机正交码码片序列； 根据权利要求I所述的基于双天线技术的物联网节点通信系统，，其特征在于基于双天线技术的物联网节点作为发送方工作于双天线模式下时，由低复杂度双天线空时分集方法(113)所得的伪随机正交码码片序列被相移相键控调制方法调制为信道符号序列，对信道符号序列进行空时编码；空时编码后的信道符号序列通过双天线发送入无线信道。
4.根据权利要求I所述的基于双天线技术的物联网节点通信系统，，其特征在于基于双天线技术的物联网节点作为接收方工作于双天线模式下，发送方物联网节点也工作于双天线模式下时，通过双天线得到两路接收信号；对两路接收信号序列进行空时译码；将译码得到的信道符号序列解调为码片序列；
5.根据权利要求I所述的基于双天线技术的物联网节点通信系统，，其特征在于基于双天线技术的物联网节点作为接收方工作于双天线模式下，发送方物联网节点工作于双天线模式下时对码片序列解扩频为多进制符号序列；将符号序列映射为比特序列，完成译码。
6.根据权利要求I所述的基于双天线技术的物联网节点通信系统，其特征在于对数据传输可靠性要求高的物联网，采用基于双天线技术的物联网节点。
全文摘要
本发明公开了一种基于双天线技术的物联网节点通信系统，它包括用于发射方物联网节点(104)时低复杂度双天线空时分集发送模块(103)及双发射天线甲(101)和发射天线乙(102)；用于接收方物联网节点(114)的低复杂度双天线空时分集发送模块(113)及双接收天线甲(111)和接收天线乙(112)；在发射方，信息通过低复杂度双天线空时分集发送模块(103)由发射天线甲(101)和发射天线乙(102)同时送入无线信道(100)；两根发射天线的信号在空间传播时经过各自独立的衰落信道到达接收天线甲(111)和接收天线乙(112)。接收方物联网节点(114)根据低复杂度双天线空时分集接收方法(113)，对每个信号的恢复用其在不同时间和空间的传播形式，抵消部分无限衰落信道的影响，从而获得空时分集增益，提高系统的性能。采用这种新型的基于双天线技术的物联网节点通信系统，可以在增加少量硬件成本和能量消耗的条件下，增大通信距离，提高数据传输可靠性。同时，该系统可以根据其工作环境，以自适应的方式动态选择单天线模式工作，以节省能量消耗。该发明可较好地应用于对数据传输可靠性要求较高的物联网系统。
文档编号H04B7/04GK102684759SQ201110061388
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者易卫东 申请人:昆明泛在物联网工程技术有限公司