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CN116073875A - 一种高可靠无线通信方法及系统 - Google Patents

一种高可靠无线通信方法及系统 Download PDF

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CN116073875A
CN116073875A CN202211568437.6A CN202211568437A CN116073875A CN 116073875 A CN116073875 A CN 116073875A CN 202211568437 A CN202211568437 A CN 202211568437A CN 116073875 A CN116073875 A CN 116073875A
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屈代明
张皓
汪志冰
何辉
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Shanghai Road Bio Technology Co ltd
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Shanghai Road Bio Technology Co ltd
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Abstract

本发明实施例提供了一种高可靠无线通信方法及系统，方法包括：在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。下行采用多天线跳频跳空，以及在多个天线上同时发送的数据相同，在部分频点被干扰情况下，也能最大限度地保障了下行通信的可靠性，同时跳空的方案可以抗衰落。上行采用了多天线波束成形方案，增强信号，对干扰进行抑制，保障了下行通信的可靠性。

Description

一种高可靠无线通信方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种高可靠无线通信方法及系统。
背景技术
低功耗广域物联网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)是面向远距离电池供电的物联网接入需求设计开发的物联网技术。LPWAN技术正在向各种工业和民用行业快速得到应用。
随着对物联网需求的日益增长，一些对通信可靠性要求很高的应用也迫切需要采用LPWAN技术进行联网。雷管起爆是一种对可靠性要求极高的应用，用LPWAN无线联网替代传统的有线联网进行雷管起爆，可以大幅度降低起爆网络的成本和施工工作强度。然而，为保证低功耗，LPWAN终端的发送功率普遍较低，另外因为要覆盖较远的通信距离，使得LPWAN通信的可靠性较低。特别是无线通信还存在干扰和衰落问题，其中干扰指无线信道中某些频率存在干扰信号，而衰落指终端和网关的一根天线之间的信道在某些频率上信号被严重衰减，这些都可能导致在这些频率上不能成功通信。
因此，现在亟需一种高可靠无线通信方法及系统来解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种高可靠无线通信方法及系统。
第一方面本发明实施例提供一种高可靠无线通信方法，包括：
在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；
在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，所述上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
其中，所述方法还包括：
网关发送下行通信质量查询命令，以供终端收到查询命令后，反馈下行通信质量；
根据所述下行通信质量，判断所有终端下行通信是否都可靠，若都可靠，则判定网络通信质量好。
其中，所述下行通信质量查询命令中包含M个比特的终端地址字段，其中，每个比特对应一个或者数个预先约定的终端，所述比特置1时对应的终端需响应所述下行通信质量查询命令。
其中，N根天线在N个频点上发送的数据相同。
其中，起爆器连接到网关，雷管连接到终端，当确认当前终端的通信质量可靠稳定时，允许起爆器通过网关和终端起爆雷管。
其中，所述根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应，包括：
网关对所有天线接收到的导频信号做J点傅里叶变换记为矢量Si，Si代表第i个天线支路的傅里叶变换结果，将每个天线接收的傅里叶变换结果取绝对值再平方，将所有天线支路的结果相加记为
Figure BDA0003987078430000021
其中，ABS2(Si)表示将Si中的所有元素取绝对值后再平方；根据设定的门限值，判断出E中的峰值的位置，记为n1,n2…,nK，K为被检测出的峰值个数，每个峰值对应一个发射信号的终端，之后公式得到各终端的上行信号中心频率；
Figure BDA0003987078430000031
fs为系统采样率，得到各个终端的上行信号中心频率记为f1,f2…,fK，根据第k个终端对应在E中峰值的位置nk，k＝1,2,…,K，k为自然数，对所有天线支路的傅里叶变换结果：S1,S2,…SM，取第nk个元素，并合并为矢量hk，即为终端k对网关各天线的信道响应，
Figure BDA0003987078430000032
hk维度为：M行，1列，M为网关接收天线数，
Figure BDA0003987078430000033
表示矢量Si的第nk个元素。
其中，所述网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，包括：
采用共轭、迫零或者最小均方误差方法进行波束赋形。
第二方面本发明实施例还提供一种高可靠无线通信系统，包括：
发射端，用于在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；
接收端，用于在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，所述上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
第三方面本发明实施例提供了一种电子设备，包括：
处理器、存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述一种高可靠无线通信方法。
第四方面本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述一种高可靠无线通信方法。
本发明实施例提供的一种高可靠无线通信方法及系统，下行采用多天线跳频跳空，以及在多个天线上同时发送的数据相同，在部分频点被干扰情况下，也能最大限度地保障了下行通信的可靠性，同时跳空的方案可以抗衰落。上行采用了多天线波束成形方案，增强信号，对干扰进行抑制，保障了下行通信的可靠性。网关发送下行通信质量查询命令及其格式设计，保证了网关可以高效率、可靠地获取下行通信质量。应用到雷管起爆中，能保障雷管起爆命令传输的可靠性。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种高可靠无线通信方法流程图；
图2是本发明实施例提供的通信流程示意图；
图3是本发明实施例提供的下行通信查询命令示意图；
图4是本发明实施例提供的一种高可靠无线通信系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，本领域普通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。
图1是本发明实施例提供的一种高可靠无线通信方法流程图，如图1所示，包括：
101、在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；
102、在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，所述上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
图2是本发明实施例提供的通信流程示意图，如图2所示，在步骤101中，每个通信周期，网关选择1个或者N个天线发射下行信号，其中每个天线选择1个频率发射下行信号。一组通信周期中每个通信周期选择哪些天线哪些频率，称为跳频跳空图案。
例如，网关有四根天线，接入网关的有16个终端，网关在每个通信周期，网关下行每次选择2个天线发射下行信号，每个天线选择一个频率发射下行信号。一组通信周期中每个通信周期选择哪些天线哪些频率，称为跳频跳空图案(网关下行发射2个天线，2个频率称为跳频，两个天线所在空间位置不同称为跳空，例如通信周期一选择天线1和2，下行频点1和3发射，通信周期二选择天线3和4，下行频点2和4发射，后续周期同周期一和二的天线、频点选择一致重复发射)。
在步骤102中，每个通信周期，终端发送的上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
本发明提供的方法高效综合了多项技术确保了高可靠性：下行采用多天线跳频跳空，以及在多个天线上同时发送的数据相同，在部分频点被干扰情况下，也能最大限度地保障了下行通信的可靠性，同时跳空的方案可以抗衰落。上行采用了多天线波束成形方案，增强信号，对干扰进行抑制，保障了下行通信的可靠性。通过查询命令指定终端反馈信道质量信息，使网关能够判断所有终端的下行通信是否都可靠，判定网络通信质量。这个技术组合能满足起爆雷管等高可靠性通信需求。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：
网关发送下行通信质量查询命令，以供终端收到查询命令后，反馈下行通信质量；
根据所述下行通信质量，判断所有终端下行通信是否都可靠，若都可靠，则判定网络通信质量好。
具体的，网关向终端发送的下行数据中，包含下行通信质量查询命令，终端收到查询命令后，发送上行数据，其中携带下行通信质量。网关根据收到的终端响应，判断所有终端下行通信是否都可靠，如果所有终端的下行通信都可靠，则判定网络通信质量为好。
在网关判定网络通信质量为好的情况下，允许起爆器起爆电子雷管，通信终端连接电子雷管，通信网关连接了起爆器。
在上述实施例的基础上，所述下行通信质量查询命令中包含M个比特的终端地址字段，其中，每个比特对应一个或者数个预先约定的终端，所述比特置1时对应的终端需响应所述下行通信质量查询命令。
图3是本发明实施例提供的下行通信查询命令示意图，如图3所示，下行通信质量查询命令中包含16个比特的终端地址字段，其中每个比特对应一个终端，该比特置1则对应的终端需响应查询命令，通过16个比特的终端地址字段去启动查询一个或者多个终端响应查询命令。
在上述实施例的基础上，N根天线在N个频点上发送的数据相同。
为保证下行通信的接收成功率，下行有四根天线对应四个频率，每次下行2个天线在2个频点上发送同样的数据，在部分频点被干扰情况下，也能最大限度地保障了下行通信的可靠性。
在上述实施例的基础上，预设P个通信周期后，重复所述跳频跳空图案。
即每P个通信周期重复跳频跳空图案。这个简化了跳频跳空图案设计。
具体实施时例如每2个通信周期重复跳频跳空图案可以简化跳频跳空图案设计。
在上述实施例的基础上，起爆器连接到网关，雷管连接到终端，当确认当前终端的通信质量可靠稳定时，允许起爆器通过网关和终端起爆雷管。
本发明实施例提供的通信方法具体会应用到雷管的起爆中，网关会连接起爆器，并确认当前通信的稳定性和可靠性，终端连接雷管，当确认此时的通信质量达到高可靠要求时，可以控制终端连接的雷管起爆。
在上述实施例的基础上，所述根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应，包括：
网关对所有天线接收到的导频信号做J点傅里叶变换记为矢量Si，Si代表第i个天线支路的傅里叶变换结果，将每个天线接收的傅里叶变换结果取绝对值再平方，将所有天线支路的结果相加记为
Figure BDA0003987078430000071
其中，ABS2(Si)表示将Si中的所有元素取绝对值后再平方；根据设定的门限值，判断出E中的峰值的位置，记为n1,n2…,nK，K为被检测出的峰值个数，每个峰值对应一个发射信号的终端，之后公式得到各终端的上行信号中心频率；
Figure BDA0003987078430000072
fs为系统采样率，得到各个终端的上行信号中心频率记为f1,f2…,fK，根据第k个终端对应在E中峰值的位置nk，k＝1,2,…,K，k为自然数，对所有天线支路的傅里叶变换结果：S1,S2,SM，取第nk个元素，并合并为矢量hk，即为终端k对网关各天线的信道响应，
Figure BDA0003987078430000081
hk维度为：M行，1列，M为网关接收天线数，
Figure BDA0003987078430000082
表示矢量Si的第nk个元素。
在上述实施例的基础上，所述网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，包括：
采用共轭、迫零或者最小均方误差方法进行波束赋形。
网关对终端进行波束成形接收过程中，根据所述终端的信道响应采用共轭、迫零或者最小均方误差方法进行波束赋形提高接收信号质量，保障接收可靠性。
图4是本发明实施例提供的一种高可靠无线通信系统结构示意图，如图4所示，包括：
发射端401用于在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；
接收端402用于在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，所述上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
具体的如何通过发射端401和接收端402可用于执行图1所示的高可靠无线通信方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，所述上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，所述上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行每个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高可靠无线通信方法，其特征在于，包括：
在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；
在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，所述上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
2.根据权利要求1所述的高可靠无线通信方法，其特征在于，所述方法还包括：
网关发送下行通信质量查询命令，以供终端收到查询命令后，反馈下行通信质量；
根据所述下行通信质量，判断所有终端下行通信是否都可靠，若都可靠，则判定网络通信质量好。
3.根据权利要求2所述的高可靠无线通信方法，其特征在于，所述下行通信质量查询命令中包含M个比特的终端地址字段，其中，每个比特对应一个或者数个预先约定的终端，所述比特置1时对应的终端需响应所述下行通信质量查询命令。
4.根据权利要求1所述的高可靠无线通信方法，其特征在于，N根天线在N个频点上发送的数据相同。
5.根据权利要求1所述的高可靠无线通信方法，其特征在于，起爆器连接到网关，雷管连接到终端，当确认当前终端的通信质量可靠稳定时，允许起爆器通过网关和终端起爆雷管。
6.根据权利要求1所述的高可靠无线通信方法，其特征在于，所述根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应，包括：
网关对所有天线接收到的导频信号做J点傅里叶变换记为矢量Si，Si代表第i个天线支路的傅里叶变换结果，将每个天线接收的傅里叶变换结果取绝对值再平方，将所有天线支路的结果相加记为
Figure FDA0003987078420000021
其中，ABS2(Si)表示将Si中的所有元素取绝对值后再平方；根据设定的门限值，判断出E中的峰值的位置，记为n1,n2…,nK，K为被检测出的峰值个数，每个峰值对应一个发射信号的终端，之后公式得到各终端的上行信号中心频率；
Figure FDA0003987078420000022
fs为系统采样率，得到各个终端的上行信号中心频率记为f1,f2…,fK，根据第k个终端对应在E中峰值的位置nk，k＝1,2,…,K，k为自然数，对所有天线支路的傅里叶变换结果：S1,S2,…SM，取第nk个元素，并合并为矢量hk，即为终端k对网关各天线的信道响应，
Figure FDA0003987078420000023
hk维度为：M行，1列，M为网关接收天线数，
Figure FDA0003987078420000024
表示矢量Si的第nk个元素。
7.根据权利要求1所述的高可靠无线通信方法，其特征在于，所述网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，包括：
采用共轭、迫零或者最小均方误差方法进行波束赋形。
8.一种高可靠无线通信系统，其特征在于，包括：
发射端，用于在每个通信周期，网关选择若干根天线发射下行信号，每根天线选择1个频率发射下行信号，一组通信周期中每个通信周期选择的天线和频率，构成跳频跳空图案；
接收端，用于在每个通信周期，网关采用多天线波束成形接收终端发送的上行信号，所述上行信号包含导频信号和数据信号，网关检测所述导频信号，并根据所述导频信号获取终端的上行信号中心频率和信道响应。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述高可靠无线通信方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述高可靠无线通信方法的步骤。
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