本發(fā)明涉及移動通信領域,具體而言,涉及一種在窄帶無線物聯(lián)網(wǎng)絡中的基帶信號傳輸方法以及窄帶無線接收機。
背景技術:
在最近的通信市場上iot(物聯(lián)網(wǎng))成為行業(yè)亮點,諸多運營商和設備上展示了其最新創(chuàng)新成果和應用案例。其中,窄帶無線通信技術(nb-iot)是運營商進軍物聯(lián)網(wǎng)市場的關鍵。窄帶無線通信系統(tǒng)需要具備低成本、低功耗、廣覆蓋、海量節(jié)點等優(yōu)勢,例如,一般認為其終端節(jié)點的成本低于一美元,電池可以支持一年以上的待機狀態(tài),覆蓋范圍大于幾十公里,節(jié)點可也達到幾十億個等等,因此其可以廣泛應用于多種垂直行業(yè),如遠程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。3gpp標準的首個版本在2016年6月發(fā)布,預計窄帶無線通信會在lpwa市場的多個技術競爭中脫穎而出,成為領先運營商的最佳選擇。
在窄帶無線通信的網(wǎng)絡部署中,基站可使用的帶寬資源是寬泛的,但對于單個窄帶無線通信終端設備來說,其上、下行帶寬最大都只占有180khz(即一個prb),并且當部署在傳統(tǒng)的lte網(wǎng)絡時,窄帶無線通信系統(tǒng)的業(yè)務信道可以在系統(tǒng)帶寬內(nèi)的任意一個prb上傳輸,但下行同步信號(包括主、輔兩種同步信號)以及廣播信道(包括傳輸mib和sib1的物理信道)只能在特定的prb上發(fā)送,這些特定的prb被稱為錨定prb,其與100khz柵格點相差為固定的2.5khz或者7.5khz。
更具體的來說,窄帶無線通信系統(tǒng)的下行同步信號包括主、輔同步信號兩種,主同步信號用于獲取網(wǎng)絡的時間、頻域同步,在每個無線幀的子幀5的錨定prb上發(fā)送;輔同步信號用于確定小區(qū)id,在偶數(shù)無線幀的子幀9的錨定prb上發(fā)送。傳送mib消息的廣播信道在每個無線幀的子幀0的錨定prb上發(fā)送;傳送sib消息的廣播信道在偶數(shù)無線幀的子幀4的錨定prb上發(fā)送。承載業(yè)務的物理信道可以分配在其余的子幀中任意的一個prb上發(fā)送。
窄帶無線通信系統(tǒng)引入了新類型的導頻(nrs)來幫助終端實現(xiàn)信道估計,nrs導頻只支持1/2天線端口,導頻序列的生成與ltecrs相同,只是加擾因子由lte小區(qū)的小區(qū)id變成為窄帶無線小區(qū)的小區(qū)id。由此在傳輸模式方面,窄帶無線通信系統(tǒng)只支持單天線接收和發(fā)射分集兩種模式。另外窄帶無線通信系統(tǒng)只支持單天線接收。
在部署環(huán)境上,窄帶無線通信終端具有低信噪比、低移動性的特點,其信噪比工作區(qū)間一般在[-12db0db]范圍內(nèi),極端情況下也可能達到snr=-20db,另外其移動所造成的多普勒頻偏一般不超過5hz。為了達到窄帶無線通信終端的低成本,制造商會采用低成本的晶振,此類晶振的精度往往是較低的,最大的殘留頻偏以0.xppm為單位,大致是傳統(tǒng)lte接收機的3-5倍,另一方面,在與lte共網(wǎng)絡部署的場景下,如前所述,100khz的整數(shù)倍掃頻柵格與nb-iot的中心頻點實際存在著最大偏差為7.5khz的頻偏。上述兩方面的影響疊加,導致窄帶無線通信終端的最大頻偏可以達到25khz。
申請?zhí)枮?017101393213的發(fā)明《窄帶無線接收機的基帶接收方法及裝置》公開了一種適用于窄帶無線通信的基帶接收方法,通過對信道估計結(jié)果的平均、加密以及預先定義濾波系數(shù)的頻域濾波等步驟,省略了傳統(tǒng)lte接收中復雜的濾波系數(shù)計算、濾波、軟比特加權(quán)信噪比等運算,大大降低了硬件的開銷,從而降低了成本。但是,面對信噪比在極端的-20db以下場景,采用該發(fā)明的方案或者是其它傳統(tǒng)的lte基帶接收方案都不能保證接收機正確地接收信號。
綜上所述,現(xiàn)有技術在針對窄帶無線網(wǎng)絡的極端部署場景,即極低信噪比(snr=-20db)、大頻偏(最大頻偏25khz)的場景下缺乏使接收機正確接收的方案。
技術實現(xiàn)要素:
對于現(xiàn)有技術的不足,發(fā)明人認為有必要從基站(發(fā)送機)和終端(接收機)兩側(cè)同時考慮來設計窄帶無線通信的信號傳輸方案,以克服在極低信噪比(snr=-20db)且大頻偏(最大頻偏25khz)的部署場景下信號無法正確接收的問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供了一種信號傳輸方法,應用于窄帶無線通信系統(tǒng)。包括下列步驟。
步驟一,由基站側(cè)將同一段業(yè)務數(shù)據(jù)配置到連續(xù)n個可使用的下行子幀上重復發(fā)送,即在每個可使用的下行上配置同樣的數(shù)據(jù),連續(xù)地重復發(fā)送n次。所述n的取值由基站配置并通知給窄帶無線終端。
步驟二,終端在錨載波上利用npss/nsss/npbch子幀對頻偏進行估計。
所述終端在錨載波上接收npss/nsss/npbch子幀,并在本地生成重構(gòu)的npss/nsss/npbch子幀。然后利用所接收的信號和本地重構(gòu)信號進行l(wèi)s信道估計,將所述的子幀分成前、后兩部分,對兩部分的ls信道估計結(jié)果累加,并對累加結(jié)果進行相關,并對多個所述子幀的相關結(jié)果在一個估計窗口內(nèi)進行累加。最后計算累加結(jié)果的相位值,用該相位值除以所述子幀前、后兩部分的時延差,即為頻偏估計值。
步驟三,終端在承載業(yè)務數(shù)據(jù)的載波上接收所述的連續(xù)n個可使用的下行子幀,并依據(jù)所述的頻偏估計結(jié)果對所述子幀上的接收數(shù)據(jù)進行頻偏消除。
步驟四,終端對頻偏校準后的所述的連續(xù)n個可使用的下行子幀的接收數(shù)據(jù)進行合并,并計算和合并所述n個可使用的下行子幀上的信道估計結(jié)果,將合并后的數(shù)據(jù)和信道估計結(jié)果統(tǒng)一進行一次mimo檢測。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供了一種窄帶無線通信終端,包括如下模塊。
模塊一,數(shù)據(jù)接收模塊
所述接收模塊接收基站側(cè)的配置信息,以及在錨載波上接收npss/nsss/npbch子幀的信號,在業(yè)務數(shù)據(jù)載波上接收連續(xù)n個可使用的下行子幀的信號。
模塊二,ls估計模塊
所述ls估計模塊在本地生成npss/nsss/npbch的信號序列,并根據(jù)npss/nsss/npbch子幀的接收數(shù)據(jù)計算ls信道估計結(jié)果,以及在本地生成nrs導頻序列,對承載業(yè)務數(shù)據(jù)的下行子幀計算ls信道估計結(jié)果。進一步地,對下行子幀計算ls信道估計結(jié)果基于頻偏校準后的所述連續(xù)n個可使用下行子幀的接收信號。
模塊三,頻偏估計模塊
所述頻偏估計模塊在錨載波上對窄帶無線通信終端的頻偏值進行估計,具體地,該模塊將npss/nsss/npbch子幀分成前后兩部分,對各部分的ls信道估計結(jié)果進行合并,并對合并結(jié)果進行相關,在一個估計窗口內(nèi)對多個npss/nsss/npbch子幀的相關結(jié)果累加,獲得相位值,最后將所述相位值除以所述前后兩部分的時延,即為頻偏估計值。
模塊四,頻偏校準模塊
所述頻偏估計模塊在承載業(yè)務數(shù)據(jù)的所述連續(xù)n個可使用下行子幀上進行頻偏校準,校準值來源于所述頻偏估計模塊的估計結(jié)果。
模塊五,數(shù)據(jù)檢測模塊
所述數(shù)據(jù)檢測模塊對經(jīng)過頻偏校準后的連續(xù)n個可使用下行子幀的接收信號進行合并,并將上述子幀的信道估計結(jié)果也進行合并,最后統(tǒng)一進行mimo檢測。
本發(fā)明的有益效果是,提供極強的降噪效果,保證了窄帶無線終端在極低信噪比的無線環(huán)境中信號傳輸?shù)臏蚀_性。另一方面,由于對多個下行子幀進行和合并mimo檢測,就大大節(jié)省了終端的硬件開銷,滿足窄帶無線終端低成本的要求。
附圖說明
圖1,是基站對承載業(yè)務數(shù)據(jù)的可使用的下行子幀配置示意圖。
圖2,是實施例一所對應的窄帶無線通信信號傳輸方法流程的示意圖。
圖3,是實施例二所對應的窄帶無線通信終端結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4,是對頻偏校準后的連續(xù)n個可使用的下行子幀進行合并的示意圖。
圖5,是采用本發(fā)明的方法在協(xié)議約定測試例條件下的仿真結(jié)果。
具體實施方式
需要說明的是,在不沖突的情況下,本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。
實施例一
如在背景技術中的描述,在窄帶無線通信系統(tǒng)中包括兩類載波:錨載波和非錨載波。承載同步信號(npss/nsss)的子幀和承載廣播信號(mib/sib1)的子幀都映射在錨載波的固定子幀上。承載業(yè)務數(shù)據(jù)的子幀可以映射在錨載波上,也可以映射在非錨載波上,其子幀序號由基站側(cè)配置,協(xié)議約定配置方式是基站采用bitmap(1表示validdlsubframe,0表示invaliddlsubframe)來指示終端一個無線幀中可使用的下行子幀,例如圖1a所示的業(yè)務數(shù)據(jù)承載在每個無線幀的子幀#0,#1,#2,#3和#8,#9上,其bitmap=1111000011,圖1b所示的子幀配置bitmap=1010101011,圖1a配置中的連續(xù)可使用的下行子幀在一個無線幀中也是連續(xù)的,而圖1b中配置中的連續(xù)可使用的下行子幀在一個無線幀中是不連續(xù)的。進一步地,協(xié)議約定若基站沒有配置的可使用的下行子幀,則ue認為不包含npss/nsss/npbch/nb-sib1的子幀都是可使用的下行子幀。
由于窄帶無線通信系統(tǒng)部署中終端接收數(shù)據(jù)常常伴有大頻偏,其原因如背景技術所述,低成本的晶振以及與100khz整數(shù)倍柵格點間的2.5/7.5khz的頻偏差能夠造成最大等于25khz的頻偏,因此連續(xù)的若干個可使用下行子幀之間的信道伴有較大的頻率相位偏轉(zhuǎn),尤其當這些可使用的下行子幀在一個無線幀中不連續(xù)配置時。
發(fā)明人設計本發(fā)明方案的構(gòu)思是:為了保證極低信噪比環(huán)境下接收機仍能正常工作,需要合并多個下行子幀上的接收數(shù)據(jù)和信道估計結(jié)果,以降噪獲得更大解調(diào)信噪比;但合并信號前需要克服大頻偏的影響,保證被合并的信道在一定時間上是近似不變的。由于窄帶無線終端的低移動性,多普勒效應很小,其子幀間的信道變化主要來自于大頻偏所帶來的頻偏相位旋轉(zhuǎn),因此只需要估計和消除上述頻偏的影響就可達到目的。
進一步地,由于承載業(yè)務數(shù)據(jù)的下行子幀上導頻較少,發(fā)明人為了獲得準確頻偏估計值,借助于錨載波上的npss/nsss/npbch子幀。
請參考圖2,為本發(fā)明所公開的一種適用于窄帶無線通信系統(tǒng)的信號傳輸方法的流程示意圖。包括下列步驟。
步驟s101,基站配置用于承載業(yè)務的可使用的下行子幀,并配置連續(xù)的n個可使用的下行子幀發(fā)送相同的業(yè)務數(shù)據(jù),基站將上述配置發(fā)送至終端。
若基站沒有配置的可使用的下行子幀,則默認為不包含npss/nsss/npbch/nb-sib1的子幀都是可使用的下行子幀。
步驟s201,終端在錨載波上接收npss/nsss/npbch子幀,并進行頻偏估計。
首先,終端將接收到的npss/nsss/npbch子幀的時域信號通過fft變換到頻域,記頻域數(shù)據(jù)為:
對不同類型的子幀而言,其提取的頻域數(shù)據(jù)序列也是不同的,具體地,
■前為npss子幀,所所提取的是每個無線幀中的子幀#5中的第4至第14個ofdm符號中子載波1至子載波11的數(shù)據(jù)序列;
■若當前為nsss子幀,所所提取的是奇數(shù)無線幀中的子幀#9中的第4至第14個ofdm符號中所有子載波的數(shù)據(jù)序列;
■若當前為npbch子幀,所所提取的是每個無線幀中的子幀#0中的第4至第14個ofdm符號中去除nrs、ltecrs導頻位置的數(shù)據(jù)序列。
與此同時,終端在本地重構(gòu)npss、nsss、npbch的頻域發(fā)送序列,具體地,
■npss本地序列的重構(gòu)按照下式進行:
其中,n表示子載波序號,l表示ofdm符號序號,s(l)是針對每個ofdm符號的擾碼序列,定義如下表,
■nsss本地序列的重構(gòu)按照下式進行:
其中:
其中,
bq(m)表示80ms周期中每組nsss序列的擾碼(間隔20ms一組,共4組)取值如下表
■npbch本地序列的重構(gòu)按照協(xié)議211的約定進行。
本地重構(gòu)的頻域數(shù)據(jù)序列為:
然后,利用接收的數(shù)據(jù)序列和本地重構(gòu)的數(shù)據(jù)序列進行l(wèi)s信道估計。
接著,將子幀按照ofdm符號等分成前、后兩部分,各部分內(nèi)的ls估計結(jié)果分別進行累加。
將兩部分的ls累加結(jié)果求相關,并按發(fā)送天線端口個數(shù)和頻偏估計窗口長度中npss/nsss/npbch的子幀個數(shù)進行累加。
由于窄帶無線通信終端工作在極低信噪比的環(huán)境,因此累加多個子幀的相關結(jié)果可以增加估計的準確程度,工程中具體的估計窗長可以根據(jù)具體的信噪比值來設定。
最后,計算ρfoe的相位,并除以子幀前后兩部分的時長(5個ofdm符號的時長)來獲得頻偏估計值:
步驟s301,終端對連續(xù)n個可使用的下行子幀的接收數(shù)據(jù)進行頻偏消除。
終端按照基站的配置接收到連續(xù)n個可使用的下行子幀數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)上帶有著很大的原始頻偏,根據(jù)步驟二所估計出的頻偏值對接收數(shù)據(jù)進行頻偏校準,由于窄帶無線終端的低移動性,所經(jīng)歷的多普勒效應很小,子幀間的信道變化主要來自于頻偏所帶來的相位旋轉(zhuǎn),因此經(jīng)過信號校準后,可以認為其信道在這n個子幀時間長度上是近似固定的。
校準時只需對接收的頻域信號按照ofdm符號的時間間隔進行相位的反旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)因子是:
其中,△t表示各個ofdm符號與起始時間點的時間間隔,以第一個ofdm符號為起始時刻。
步驟s401,終端對頻偏校準后的連續(xù)n個可使用的下行子幀合并,統(tǒng)一進行一次mimo檢測。
所說的合并包括對上述n個可使用的下行子幀上的頻域接收數(shù)據(jù)進行合并,以及對上述n個可使用的下行子幀上的信道估計結(jié)果進行合并。
由于經(jīng)過頻偏校準后可以認為上述n個子幀所經(jīng)歷的無線信道是近似固定的,基于nrs對這些子幀進行l(wèi)s信道估計,過程類似于步驟二中描述,此處不再贅述,并將n個子幀的信道估計結(jié)果合并為一組。對頻域數(shù)據(jù)和信道估計結(jié)果的合并如附圖4所示,在每n個下行子幀的最后一個子幀上得到一組合并后的接收數(shù)據(jù)和信道估計結(jié)果。
最后,統(tǒng)一進行一次mimo檢測,獲得解調(diào)軟比特,具體檢測過程在申請?zhí)枮?017101393213的發(fā)明《窄帶無線接收機的基帶接收方法及裝置》中有詳細描述,此處不再贅述。
理論而言,隨著n呈2的冪指數(shù)增加,每增加一個指數(shù)級別會帶來3db的合并增益,這樣就可以克服在極低信噪比(snr小于-20db)條件下的接收困難。在實際工程衰落信道環(huán)境下,通過仿真我們發(fā)現(xiàn),采用本實施例的方法確實可以大大提高接收機數(shù)據(jù)的準確性,在n=1024時數(shù)據(jù)塊的正確接收率大于95%。另一方面,由于對n個子幀數(shù)據(jù)合并后只進行一次mimo檢測以及之后的信道譯碼等操作,就大大降低了終端的復雜度,滿足窄帶無線終端低成本的要求。
實施例二
請參考圖3,為本發(fā)明所公開的一種窄帶無線通信終端的結(jié)構(gòu)示意圖,包括下列模塊。
m101,數(shù)據(jù)接收模塊
該模塊接收來自基站的配置信息,包括可使用的下行子幀序號,連續(xù)重復發(fā)送的子幀個數(shù)n,nrs天線端口配置。以及接收錨載波上的npss/nsss/npbch子幀的信號,承載業(yè)務數(shù)據(jù)載波上的可使用下行子幀的信號。
m201,ls估計模塊
該模塊實現(xiàn)對npss/nsss/npbch子幀的ls信道估計和對承載業(yè)務數(shù)據(jù)的下行子幀的ls信道估計。
對npss/nsss/npbch子幀的處理包括,在本地生成npss/nsss/npbch信號序列,并將接收到的npss/nsss/npbch子幀信號共軛乘以本地信號獲得ls估計結(jié)果;
對下行子幀的處理包括,根據(jù)nrs天線端口配置和窄帶無線小區(qū)id在本地生成nrs導頻序列,,并將經(jīng)過頻偏校準后的nrs位置的信號共軛乘以本地導頻序列獲得ls估計結(jié)果。
m301,頻偏估計模塊
該模塊在錨載波上對頻偏值進行估計。
具體地,將npss/nsss/npbch子幀分成前后兩部分,對兩部分無線資源(re)上的ls信道估計結(jié)果進行合并,并對合并結(jié)果取相關;
然后,在一個估計窗口內(nèi)對多個npss/nsss/npbch子幀的相關結(jié)果累加,獲得相關結(jié)果的相位值,
最后將所述相位值除以所述前后兩部分的時延,即為頻偏估計值。
在計算前后兩部分的時延考慮到npss/nsss/npbch子幀只占用11個ofdm符號,因此該時延值是5個ofdm符號長度。
m401,頻偏校準模塊
該模塊根據(jù)估計出的頻偏值在承載業(yè)務數(shù)據(jù)的下行子幀上進行頻偏校準。
具體地,以基站配置的重復發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)的連續(xù)n個可使用下行子幀的第一子幀的第一個ofdm符號位時間起點,間隔ofdm符號時長為間隔時間,乘以頻偏估計值,對頻域接收數(shù)據(jù)進行反向的相位旋轉(zhuǎn)。
m501,數(shù)據(jù)檢測模塊
該模塊對經(jīng)過頻偏校準后的連續(xù)n個可使用下行子幀的接收信號進行合并,并將上述子幀的信道估計結(jié)果也進行合并,最后統(tǒng)一進行mimo檢測,獲得解調(diào)軟比特后輸出到窄帶無線終端的譯碼器。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,對于本領域的技術人員來說,本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。