專(zhuān)利名稱(chēng)：提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ZigBee是ー種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee 的基礎(chǔ)是 IEEE 802. 15. 4,這是 IEEE無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(Personal Area Network,PAN)工作組的ー項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱(chēng)作IEEE 802. 15. 4 (ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標(biāo)準(zhǔn)吋，采用了 IEEE802. 15. 4作為其物理層和媒體接入層規(guī)范。在其基礎(chǔ)之上，ZigBee聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用編程接ロ(API)規(guī)范，并負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作。ZigBee技術(shù)將主要嵌入在消費(fèi)性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動(dòng)化設(shè)備、エ業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍的基于無(wú)線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時(shí)還支持地理定位功能。ZigBee具有很廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有技術(shù)中ZigBee物理層發(fā)送/接收技術(shù)在IEEE 802. 15.4-2006 的物理層規(guī)范中，half sine O-QPSK 和 16-aryOrthogonal DSSS的組合成為了在868/915/2450MHz上都使用的調(diào)制方式。根據(jù)使用的DSSS擴(kuò)頻序列的長(zhǎng)度和碼片速率的不同分別支持100kb/S和250kb/s的數(shù)據(jù)速率。以2450MHz物理層規(guī)范為例，IEEE 802. 15. 4-2006對(duì)其調(diào)制方式做了如下的規(guī)定根據(jù)圖I描述2450MHz物理層調(diào)制和擴(kuò)頻可以分為如下幾個(gè)步驟I.比特到符號(hào)映射(Bit-to-symbol mapping)將上ー層需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照每4個(gè)比特ー組映射為ー個(gè)符號(hào)。2.符號(hào)到碼片映射(Symbol-to-chip mapping)將16個(gè)可能的符號(hào)映射為16個(gè)長(zhǎng)度為32bit的碼片序列，如表I所示，第一列表示十進(jìn)制(decimal)數(shù)據(jù)符號(hào),第二列表示ニ進(jìn)制(binary)數(shù)據(jù)符號(hào),第三列表示數(shù)值擴(kuò)頻序列碼片。表I
3· Q-QPSK 調(diào)制(O-QPSK modulation)將姆個(gè)碼片序列對(duì)應(yīng)圖2映射到I-phase和Q-phase兩個(gè)正交的坐標(biāo)上，姆ー對(duì)I/Q值對(duì)應(yīng)一個(gè)碼片的星座點(diǎn)，圖中，Tc為碼片周期。4. Half-sine 成型，如圖 3 所不，

經(jīng)過(guò)上述調(diào)制的信號(hào)的時(shí)域信號(hào)在時(shí)間軸和復(fù)平面上可以用圖4和圖5分別表
/Jn οhalf sine 0-QPSK和 16-ary Orthogonal DSSS之所以在ZigBee 中能成為一種主導(dǎo)的調(diào)制技術(shù)是因?yàn)槠浔旧淼奶攸c(diǎn)適用于ZigBee的應(yīng)用環(huán)境。從圖5可以看出Half sineO-QPSK的信號(hào)在復(fù)平面上其軌跡嚴(yán)格落在在單位圓上，這說(shuō)明其時(shí)域信號(hào)包絡(luò)為恒定的。這個(gè)特性是由于O-QPSK信號(hào)的I和Q分量不會(huì)同時(shí)穿過(guò)零點(diǎn)，這對(duì)于射頻功放的功率利用率幫助，同時(shí)也降低了對(duì)射頻器件的線性度的要求，等效于降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。使得ZigBee使用簡(jiǎn)單低成本低功耗的設(shè)計(jì)成為了可能。16-ary Orthogonal DSSS的應(yīng)用帶來(lái)了 9dB以上的信噪比性能増益，對(duì)于降低信道中噪聲和各種干擾的影響以及信道中的多徑傳播影響以及提高接收靈敏度都有積極的作用。ZigBee的器件的低復(fù)雜度、低功耗、低成本特點(diǎn)無(wú)疑是其能夠廣泛應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)之一，但是其低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)又成為了他在可以預(yù)見(jiàn)的得到的未來(lái)的應(yīng)用中的一個(gè)制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，IEEE組織也意識(shí)到了這一點(diǎn)，并在其后的補(bǔ)充版本的規(guī)范中陸續(xù)增加了提高數(shù)據(jù)率的調(diào)制方式(如 IEEE 802. 15. 4a-2007 中的 2450MHz chirp spread spectrumPHY)作為可選擇的補(bǔ)充，但是新增的調(diào)制方式與之前廣泛使用的調(diào)制技術(shù)存在很大差異因此無(wú)法做到有效的兼容之前的標(biāo)準(zhǔn)，這就帶來(lái)了復(fù)雜度和成本的急劇提高和功耗的響應(yīng)增大從而犧牲其原有的優(yōu)勢(shì)。如何能夠提高其頻譜利用率同時(shí)維持現(xiàn)有復(fù)雜度的成本成為業(yè)界目前的一個(gè)備受關(guān)注的通信領(lǐng)域綠色科技熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種超低功耗無(wú)線通信傳輸中提高頻譜利用率從而在現(xiàn)有的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率的方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供ー種提高頻譜利用率從而在現(xiàn)有的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率的方法，可以從物理層調(diào)制方式上進(jìn)行升級(jí)。為了保證與現(xiàn)有技術(shù)的兼容和保持相同等級(jí)的復(fù)雜度和功耗，我們的解決方案可以分為Half-s ine O-QPSK調(diào)制方式的擴(kuò)展和縮短長(zhǎng)度的16-ary Orthogonal DSSS序列兩個(gè)技術(shù)方案，這兩個(gè)方案中的任意一個(gè)或者兩者的結(jié)合都可以提高頻譜利用率。一種提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，物理層調(diào)制和擴(kuò)頻步驟中，包括采用擴(kuò)展的Half-sine O-QPSK調(diào)制方式的步驟，縮短長(zhǎng)度的16-ary Orthogonal DSSS擴(kuò)頻序列的步驟。擴(kuò)展的調(diào)制方式為/4DQPSK。Ji /4DQPSK的星座圖由兩個(gè)相差π /4相位的QPSK星座圖組成，/4DQPSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的可能性是受限制的，其符號(hào)毎次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是{>/4，-Ji/4，3 Ji/4，-3 Ji/4}這4種可能。π/4DQPSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，具有平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)。所述擴(kuò)展的調(diào)制方式為相位差分QPSK。相位差分QPSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的軌跡是受到約束的，其符號(hào)毎次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是{>/2，- π/2，π，- π}這4種可能；相位差分QPSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，具有平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)。所述擴(kuò)展的調(diào)制方式為相位差分16PSK。相位差分16PSK用前后兩個(gè)符號(hào)的相位變化量來(lái)表示該符號(hào)傳遞的4個(gè)信息比特，相位差分16PSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的軌跡是受到約束的，其符號(hào)毎次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是1>/8，π/4, π3/8, π/2,τι 5/8, τι 3/4, τι 7/8, Ji，- ji/8, - π/4, - π 3/8, - π/2, - π 5/8, - π 3/4, - π 7/8, - π } 16 種
可能；相位差分16PSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，具有平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)。縮短長(zhǎng)度的16-ary Orthogonal DSSS擴(kuò)頻序列的步驟為對(duì)應(yīng)于原先長(zhǎng)度為32比特的16-ary Orthogonal DSSS序列，采用比32比特更短的 16-ary Orthogonal DSSS 序列長(zhǎng)度，所述比 32 比特更短的 16-aryOrthogonal DSSS 序列長(zhǎng)度為4比持、8比特或16比特的序列長(zhǎng)度。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果本發(fā)明擴(kuò)展了超低功耗無(wú)線通信的物理層傳輸調(diào)制方式，提高了頻率效率，通過(guò)調(diào)制方式和擴(kuò)頻序列的不同組合可以提供最高8Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，相對(duì)于802. 15. 42450MHz PHY標(biāo)準(zhǔn)的最高250Kbit/s的數(shù)據(jù)率提高了 32倍。在提高了傳輸?shù)念l率效率的同時(shí)保持了和原有標(biāo)準(zhǔn)中的調(diào)制技術(shù)相同的功率利用率，因此不需要配合更高性能的射頻和模擬器件，有益于保持原有的設(shè)備復(fù)雜度和功耗，使得超低功耗無(wú)線通信能夠更加充分的利用頻譜資源的同時(shí)降低成本和能耗。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中描述IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)中2450MHz物理層調(diào)制和擴(kuò)頻過(guò)程示意圖；圖2是圖I中Q-QPSK調(diào)制示意圖；圖3是圖2對(duì)應(yīng)的Half-sine成型示意圖；圖4是經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)的時(shí)域信號(hào)在時(shí)間軸上示意圖；圖5是經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)的時(shí)域信號(hào)在復(fù)平面上示意圖；圖6表示了星座點(diǎn)之間跳轉(zhuǎn)的約束條件；圖7表示了 /4DQPSK的信號(hào)軌跡；圖8表示了相位差分QPSK的信號(hào)軌跡；圖9表不了相位差分16QPSK的信號(hào)軌跡；圖10-圖13描述了使用本發(fā)明的方法的調(diào)制器的框圖及調(diào)制過(guò)程。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例I本實(shí)施例中介紹以擴(kuò)展的調(diào)制方式提高頻率效率的方法，具體介紹三種調(diào)制技術(shù)方案。a)調(diào)制方案 I : /4DQPSKQPSK-QuadraturePhaseShif tKeying,正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。DQPSK-Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying,四相相對(duì)相移鍵控。
/4DQPSK的星座圖由兩個(gè)相差/4相位的QPSK星座圖組成，因此其星座圖與8PSK完全相同。但是他與后者的差別在于n/4DQPSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的可能性是受限制的，這個(gè)限制就是其符號(hào)毎次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是1>/4，-π/4，3π/4，-3 π /4}四種可能，相對(duì)于O-QPSK每次相位跳轉(zhuǎn)為{> /2，- /2}兩種可能，Ji /4DQPSK能將頻率利用率提高一倍。圖6表示了星座點(diǎn)之間跳轉(zhuǎn)的約束條件，圖中的黑色圓點(diǎn)表示符號(hào)的星座點(diǎn)，連接兩個(gè)黑色圓點(diǎn)之間的直線表示前后符號(hào)的跳轉(zhuǎn)關(guān)系(該直線并不表示信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡)。與O-QPSK —祥，31 /4DQPSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不會(huì)經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，因此它也具有和Half-sine O-QPSK類(lèi)似的平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)，這ー優(yōu)點(diǎn)對(duì)簡(jiǎn)化發(fā)射器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化功率利用率帶來(lái)了好處。n /4DQPSK的信號(hào)軌跡如圖7所示。b)調(diào)制方案2 :相位差分QPSK相位差分QPSK的星座圖與QPSK星座圖定義相同，但是他與后者的差別在于相位差分QPSK用前后兩個(gè)符號(hào)的相位變化量來(lái)表示該符號(hào)傳遞的2個(gè)信息比特，相位差分QPSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的軌跡是受到約束的，這個(gè)約束就是其符號(hào)毎次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是{> /2，- Ji /2，Ji，- Ji}四種可能，相對(duì)于Half-sine O-QPSK每次相位跳轉(zhuǎn)為{> /2，- Ji /2}兩種可能相位差分QPSK能將頻率利用率提高一倍。與Half-sine O-QPSK一祥相位差分QPSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不會(huì)經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，因此它也具有和Half-sine O-QPSK類(lèi)似的平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)，這ー優(yōu)點(diǎn)對(duì)簡(jiǎn)化發(fā)射器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化功率利 用率帶來(lái)了好處。相位差分QPSK的信號(hào)軌跡如圖8所示。c)調(diào)制方案3 :相位差分16PSK相位差分16PSK的星座圖與16PSK星座圖定義相同，但是他與后者的差別在于相位差分QPSK用前后兩個(gè)符號(hào)的相位變化量來(lái)表示該符號(hào)傳遞的4個(gè)信息比持，相位差分16PSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的軌跡是受到約束的，這個(gè)約束就是其符號(hào)毎次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是 1> /8, π /4, π 3/8, π /2, π 5/8, π 3/4, π 7/8, Ji , - Ji /8, - π /4,-3 3/8,-31 /2,-31 5/8,-31 3/4，- Ji 7/8，- π } 16 種可能，相對(duì)于 Half-sine O-QPSK 每次相位跳轉(zhuǎn)為{> /2，- Ji /2}兩種可能，相位差分16PSK能將頻率利用率提高3倍。與Half-sineO-QPSK 一祥相位差分16PSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不會(huì)經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，因此它也具有和Half-sine O-QPSK類(lèi)似的平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)，這ー優(yōu)點(diǎn)對(duì)簡(jiǎn)化發(fā)射器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化功率利用率帶來(lái)了好處。相位差分16QPSK的信號(hào)軌跡如圖9所示。實(shí)施例2本實(shí)施例中介紹以縮短的16-ary Orthogonal DSSS序列方式提高頻率效率的方法，具體介紹三種縮短的技術(shù)方案。對(duì)應(yīng)于原先長(zhǎng)度為32比特的16-ary Orthogonal DSSS序列，使用更短的16-aryOrthogonal DSSS序列可以相應(yīng)提高頻譜利用率。I)長(zhǎng)度為 16 比特的 16-ary Orthogonal DSSS
權(quán)利要求
1.一種提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，物理層調(diào)制和擴(kuò)頻步驟中，至少包括以下步驟之一 采用擴(kuò)展的Half-sine O-QPSK調(diào)制方式的步驟， 縮短長(zhǎng)度的16-ary Orthogonal DSSS擴(kuò)頻序列的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，擴(kuò)展的調(diào)制方式為n /4 DQPSK。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，所述/4 DQPSK的星座圖由兩個(gè)相差/4相位的QPSK星座圖組成，Ji/4 DQPSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的可能性是受限制的，其符號(hào)每次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是{31 /4, - 31 /4, 3 31 /4, -3 31 /4}這 4 種可能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，所述/4 DQPSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，具有平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，所述擴(kuò)展的調(diào)制方式為相位差分QPSK。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，所述相位差分QPSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的軌跡是受到約束的，其符號(hào)每次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是{ Tl /2, -Ji/2, JI，- 31 }這4種可能； 相位差分QPSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，具有平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，所述擴(kuò)展的調(diào)制方式為相位差分16PSK。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，所述相位差分16PSK用前后兩個(gè)符號(hào)的相位變化量來(lái)表示該符號(hào)傳遞的4個(gè)信息比特，相位差分16PSK的符號(hào)在星座點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的軌跡是受到約束的，其符號(hào)每次跳轉(zhuǎn)帶來(lái)的相位改變只能是 1> /8, 31 /4, 31 3/8, 31 /2, 31 5/8, n 3/4, n 7/8, ji , - Ji /8, - /4, - 3/8,-JI /2，-JI 5/8，-JI 3/4，-Ji 7/8, -31} 16 種可能； 相位差分16PSK的信號(hào)跳轉(zhuǎn)軌跡與單位圓重合，該信號(hào)軌跡不經(jīng)過(guò)復(fù)平面零點(diǎn)，具有平坦的時(shí)間信號(hào)包絡(luò)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或7所述的提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，其特征是，縮短長(zhǎng)度的16-ary Orthogonal DSSS擴(kuò)頻序列的步驟為 對(duì)應(yīng)于原先長(zhǎng)度為32比特的16-ary Orthogonal DSSS序列，采用比32比特更短的16-ary Orthogonal DSSS 序列長(zhǎng)度，所述比 32 比特更短的 16-ary Orthogonal DSSS 序列長(zhǎng)度為4比特、8比特或16比特的序列長(zhǎng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高超低功耗無(wú)線通信傳輸頻譜效率的方法，包括采用擴(kuò)展的O-QPSK調(diào)制方式的步驟，縮短長(zhǎng)度的16-aryOrthogonalDSSS擴(kuò)頻序列的步驟。本發(fā)明擴(kuò)展了超低功耗無(wú)線通信物理層傳輸調(diào)制方式，提高了頻率效率，通過(guò)調(diào)制方式和擴(kuò)頻序列的不同組合可以提供最高8Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，相對(duì)于802.15.42450MHzPHY標(biāo)準(zhǔn)的最高250Kbit/s的數(shù)據(jù)率提高了32倍。提高傳輸?shù)念l率效率的同時(shí)保持了和原有標(biāo)準(zhǔn)中的調(diào)制技術(shù)相同的功率利用率，有益于保持原有的設(shè)備復(fù)雜度和功耗，使得超低功耗無(wú)線通信能夠充分的利用頻譜資源、降低成本和能耗。
文檔編號(hào)H04B1/707GK102664861SQ20121010389
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者李宏, 李革 申請(qǐng)人:蘇州英菲泰爾電子科技有限公司