一种无线通信数据传输方法及系统与流程

本发明涉及无线通信中的数据传输技术领域，具体来讲是一种无线通信数据传输方法及系统。

背景技术：

无线通信系统(Wireless Communication System)指的是通过无线协议利用电磁波传送信息数据实现通信的一种系统。目前，无线通信系统被广泛部署用于提供诸如语音、视频、分组数据、消息接发、广播等各种通信服务。现有的无线通信系统包括可支持许多终端在前向和反向链路上通信的许多基站。前向链路(或下行链路)指从基站到终端的通信链路，而反向链路(或上行链路)指从终端到基站的通信链路。终端可以位于该系统内的任何地方，并且每个终端在任何给定时刻可以处于零个、一个、或多个基站的覆盖之内。终端可以在反向链路上传送导频以允许这些基站检测到该终端，然后再向这些基站发送数据，以实现数据的传输。

由于无线通信系统主要用于语音、视频、消息接发、广播等服务中，因此对数据传输的准确性、可靠性及安全性有着较高要求。但随着终端数量的不断增加，终端发射越来越密集，其载荷数据及应用多样性越来越突出，需要传输的数据量成倍增加，导致数据传输的准确性及安全性受到严重影响。而使得现有的无线通信系统已无法满足大数据时代下准确、可靠、安全的传输要求，因此，如何提高无线通信系统在数据传输时的准确性、安全性是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种无线通信数据传输方法及系统，能有效提高无线通信数据传输的准确性及可靠性，满足大数据时代下越来越高的数据传输要求。

为达到以上目的，本发明提供一种无线通信数据传输方法，包括以下步骤：S1：当终端发送端处于上行导频时隙时，向基站接收端发送特定频率的正弦波，所述特定频率是从已有的K种标称频率中随机选择的一种频率；S2：待特定频率的正弦波发送完成后，向基站接收端发送经OQPSK调制的PN序列，以供基站接收端进行定时同步使用；S3：待PN序列发送完成后，向基站接收端发送经OQPSK调制的编码数据，所述编码数据采用纠错编码；S4：基站接收端根据终端发送端发来的正弦波进行信道估计和频偏同步，根据PN序列进行定时同步和相位估计；在频偏同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码。

在上述技术方案的基础上，所述终端发送端采用sx1276型号的通信芯片实现特定频率的正弦波发送；其实现过程包括以下流程：将sx1276通信芯片设置为FSK模式，在FSK模式下，设置正弦波频率；根据要发送的正弦波时长和比特率设置数据长度；利用配置好的sx1276通信芯片实现正弦波的发送。

在上述技术方案的基础上，步骤S2和步骤S3中所述经OQPSK调制的实现过程如下：将要发送的0、1bit数据转换成1或-1；对转换之后的数据进行实虚交错排列；对得到的实虚交错序列，从第一个数开始，如果后面的数的相位相对于前面的数的相位增加了90°，那么得到1，如果后面的数的相位相对于前面的数的相位减少了90°，那么得到0，根据上述规则通过实虚交错排列的1或-1得到对应的0或1数据；将得到的0或1数据送入MSK或者GMSK调制器实现对数据的OQPSK调制。

在上述技术方案的基础上，步骤S4具体包括以下流程：S401：基站接收端根据终端发送端发来的正弦波估计出正弦波的频率、相位和幅度；根据正弦波的幅度和相位得到终端发送端的信道响应；根据正弦波的频率，将正弦波的频率和与正弦波的频率频差最小的标称频率相减得到频偏，对正弦波之后的接收信号补偿该频偏，实现频率同步；S402：基站接收端将接收到的PN序列与已知的PN序列做相关运算，得到定时偏差；补偿该定时偏差，实现定时同步，并根据相关值的相位得到相位估计；S403：在频率同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码。

在上述技术方案的基础上，步骤S3中采用的纠错编码为卷积码。

本发明同时还提供一种实现上述传输方法的无线通信数据传输系统，包括终端发送端和基站接收端，所述终端发送端包括正弦波发送单元、PN序列发送单元和编码数据发送单元；

所述正弦波发送单元用于：当终端发送端处于上行导频时隙时，向基站接收端发送特定频率的正弦波；

所述PN序列发送单元用于：待特定频率的正弦波发送完成后，向基站接收端发送经OQPSK调制的PN序列；

所述编码数据发送单元用于：待PN序列发送完成后，向基站接收端发送经OQPSK调制的采用纠错编码的编码数据；

所述基站接收端用于：根据终端发送端发来的正弦波进行信道估计和频偏同步；根据PN序列进行定时同步和相位估计；在频率同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码。

在上述技术方案的基础上，所述正弦波发送单元采用sx1276型号的通信芯片实现特定频率的正弦波发送；其实现过程包括以下流程：将sx1276通信芯片设置为FSK模式，在FSK模式下，设置正弦波频率；根据要发送的正弦波时长和比特率设置数据长度；利用配置好的sx1276通信芯片实现正弦波的发送。

在上述技术方案的基础上，所述PN序列发送单元和编码数据发送单元实现OQPSK调制的过程如下：将要发送的0、1bit数据转换成1或-1；对转换之后的数据进行实虚交错排列；对得到的实虚交错序列，从第一个数开始，如果后面的数的相位相对于前面的数的相位增加了90°，那么得到1，如果后面的数的相位相对于前面的数的相位减少了90°，那么得到0，根据上述规则通过实虚交错排列的1或-1得到对应的0或1数据；将得到的0或1数据送入MSK或者GMSK调制器实现对数据的OQPSK调制。

在上述技术方案的基础上，所述基站接收端包括信道估计及频偏同步单元、定时同步及相位估计单元和解调解码单元；

所述信道估计及频偏同步单元用于：根据终端发送端发来的正弦波估计出正弦波的频率、相位和幅度；根据正弦波的幅度和相位得到终端发送端的信道响应；根据正弦波的频率，将正弦波的频率和与正弦波的频率频差最小的标称频率相减得到频偏，对正弦波之后的接收信号补偿该频偏，实现频率同步；

所述定时同步及相位估计单元用于：将接收到的PN序列与已知的PN序列做相关运算，得到定时偏差；补偿该定时偏差，实现定时同步，根据相关值的相位得到相位估计；

所述解调解码单元用于：在频率同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码。

在上述技术方案的基础上，所述编码数据发送单元采用的纠错编码为卷积码。

本发明的有益效果在于：

本发明的终端发送端在进行上行数据的发送时，是按照上行导频时隙+PN序列+纠错编码数据的帧格式进行发送的，帧格式结构简单易实现。具体来说，终端发送端在上行导频时隙时先发送特定频率的正弦波；待正弦波发送完成后，发送PN序列：待PN序列发送完成后，最后发送采用纠错编码的编码数据。基站接收端在收到终端发送端发来的数据后，根据正弦波进行信道估计和频偏同步，根据PN序列进行定时同步和相位估计；并在频偏同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码，从而实现无线通信数据的传输。

与现有技术相比，本发明的整个数据传输过程安全、可靠，准确性高。简单可靠的上行数据帧格式使得即使在大数据量的传输下也能保证有效可靠的传输，满足了大数据时代下越来越高的传输要求。

附图说明

图1为本发明实施例中无线通信数据传输方法的流程图；

图2为OQPSK信号的幅度和相位示意图；

图3为本发明实施例中无线通信数据传输系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种无线通信数据传输方法，包括以下步骤：

步骤S1：当终端发送端处于上行导频时隙时，向基站接收端发送特定频率的正弦波，所述特定频率是从已有的K种标称频率中随机选择的一种频率。

可以理解的是，本实施例中，终端发送端采用是semtech公司sx1276型号的通信芯片来实现特定频率的正弦波发送。具体操作时，其实现过程包括以下流程：

步骤S101、设置正弦波频率：将sx1276通信芯片设置为FSK(Frequency-shift keying，频移键控)模式，在FSK模式下，当发送的比特是连续的“0”或连续的“1”时，发送的信号就是正弦波；通过设置中心频率F_RF和载波偏移量F_DEV控制正弦波的频率f，使正弦波的频率为所述特定频率，其中，当发送比特是连续的“0”时，正弦波频率f＝F_RF-F_DEV，当发送比特是连续的“1”时，正弦波频率f＝F_RF+F_DEV，转入步骤S102。

更进一步地，实际操作时，中心频率F_RF和载波偏移量F_DEV设置的最小分辨率为F_STEP，F_STEP由晶振频率决定，且中心频率F_RF＝mF_STEP(m为正整数)，正弦波频率f＝nF_STEP(n为正整数)。若n<m，由于F_RF＝mF_STEP，f＝nF_STEP，则将发送比特设置为连续的“0”，将载波偏移量F_DEV设置为(m-n)F_STEP；若n>m，则将发送比特设置为连续的“1”，将载波偏移量F_DEV设置为(n-m)F_STEP。

步骤S102、根据要发送的正弦波时长和比特率设置数据长度：设要发送的正弦波的时间长度为t，比特率为BitRate，则将数据长度设置为：t/BitRate，转入步骤S103。

步骤S103、发送正弦波：配置sx1276通信芯片进入Sleep mode休眠模式，然后将调制类型设置为FSK模式后进入Standby mode待机模式；设置中心频率F_RF，载波偏移量F_DEV和发射功率，将Preamble前同步码长度设置为0，将SyncOn设置为“0”，禁用同步字，向FIFO(First Input First Output，先入先出队列)存储器中写入对应数据长度的信息比特；进入sx1276通信芯片的FSTx mode，等待PLL(Phase Locked Loop，锁相环)频率锁定，频率锁定后进入sx1276通信芯片的Tx mode，开始发送正弦波；待sx1276发出TxDone中断后，正弦波发送完成。

步骤S2：待特定频率的正弦波发送完成后，向基站接收端发送经OQPSK(偏移四相相移键控)调制的PN序列(Pseudo-noise Sequence，伪随机噪声序列)，以供基站接收端进行定时同步使用。

步骤S3：待PN序列发送完成后，向基站接收端发送经OQPSK调制的编码数据，所述编码数据采用纠错编码。本实施例中，采用的纠错编码为卷积码。

可以理解的是，本发明中所发送的PN序列和编码数据都是经过OQPSK调制的。OQPSK调制是指将同相和正交两支路的码流在时间上错开了一个比特周期。由于两支路码元半周期的偏移，使得每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路比特极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变，如图2所示。根据图2和OQPSK调制的公式：

S(t)＝I(t)*sin(wt)+Q(t-Tb)*cos(wt)

I(t)＝A₁*g(t-T)+A₃*g(t-3*T)+A₅*g(t-5*T)

Q(t)＝A₂*g(t-2*T)+A₄*g(t-4*T)+A₆*g(t-6*T)

其中，I(t)和Q(t)分别表示同向和正交两路信号,A₁，A₃，A₅为同向支路上的码元，A₂，A₄，A₆为正交支路上的码元，sin(wt)和cos(wt)表示同向和正交两路载波，Tb等于一个比特周期，可知：PN序列和编码数据经过OQPSK调制编码后，使得包络起伏小，性能得到了改善，从而使得无线通信数据能实现有效、可靠的传输。具体来说，步骤S2和步骤S3中所述经OQPSK调制的实现过程如下：

将要发送的0、1bit数据转换成1或-1：将0转换成1，将1转换成-1；将转换之后的数据记为a1，a2，a3，a4，a5….，再对转换之后的数据进行实虚交错排列，如a1*j，a2,a3*j，a4，a5*j….，j为正整数；对得到的实虚交错序列，从第一个数开始，如果后面的数的相位相对于前面的数的相位增加了90°，那么得到1，如果后面的数的相位相对于前面的数的相位减少了90°，那么得到0；根据通过实虚交错排列的1或-1得到对应的0或1数据，则0或1数据便是GMSK或者MSK调制前的二进制0、1数据；将得到的0或1数据送入MSK或者GMSK调制器实现对数据的OQPSK调制。

S4：基站接收端根据终端发送端发来的正弦波进行信道估计和频偏同步，根据PN序列进行定时同步和相位估计；在频偏同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码。

实际操作时，步骤S4具体包括以下操作：

S401：基站接收端根据终端发送端发来的正弦波估计出正弦波的频率、相位和幅度；根据正弦波的幅度和相位得到终端发送端的信道响应；根据正弦波的频率，将正弦波的频率和与正弦波的频率频差最小的标称频率相减得到频偏，对正弦波之后的接收信号补偿该频偏，实现频率同步；

S402：基站接收端将接收到的PN序列与已知的PN序列做相关运算，得到定时偏差；补偿该定时偏差，实现定时同步，并根据相关值的相位得到相位估计；

S403：在频率同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码。

参见图3所示，本发明实施例还提供一种无线通信数据传输系统，包括终端发送端和基站接收端，所述终端发送端包括正弦波发送单元、PN序列发送单元和编码数据发送单元。

其中，正弦波发送单元用于：当终端发送端处于上行导频时隙时，向基站接收端发送特定频率的正弦波。PN序列发送单元用于：待特定频率的正弦波发送完成后，向基站接收端发送经OQPSK调制的PN序列。编码数据发送单元用于：待PN序列发送完成后，向基站接收端发送经OQPSK调制的采用纠错编码的编码数据。基站接收端用于：根据终端发送端发来的正弦波进行信道估计和频偏同步；根据PN序列进行定时同步和相位估计；在频率同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码。

进一步地，参见图3所示，所述基站接收端包括信道估计及频偏同步单元、定时同步及相位估计单元和解调解码单元。其中，信道估计及频偏同步单元用于：根据终端发送端发来的正弦波估计出正弦波的频率、相位和幅度；根据正弦波的幅度和相位得到终端发送端的信道响应；根据正弦波的频率，将正弦波的频率和与正弦波的频率频差最小的标称频率相减得到频偏，对正弦波之后的接收信号补偿该频偏，实现频率同步。定时同步及相位估计单元用于：将接收到的PN序列与已知的PN序列做相关运算，得到定时偏差；补偿该定时偏差，实现定时同步，并根据相关值的相位得到相位估计。解调解码单元用于：在频率同步和定时同步之后，利用相位估计对编码数据进行解调和解码。

需要说明的是：上述实施例提供的系统在进行操作时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。