一种异构传输介质中信号分集合并传输的方法及系统与流程

本发明属于物联网通信领域，涉及物联网中多种传输介质共存的传输环境下，对不同传输介质进行信号分集合并的方法及系统。

背景技术：

随着移动通信技术的发展，无线通信技术在物联网中得到广泛应用，但是物联网对通信技术有着特殊的要求。

首先，物联网系统需要传输的数据量比较小，实时性要求不高，所以在具体使用场景中，物联网系统也很难获得稳定的频率资源，不同物联网设备只能采用载波侦听多路访问(简称：csma)竞争方式使用无线通信资源。其次，物联网系统中可以使用的通信传输介质比较多，但是这些传输介质大多不是专门为通信系统设计，通信效果不理想，例如使用电力线进行信号传输时，信号损耗大并且干扰比较严重。最后，物联网数据传输一般都是偶发性和零星状态发送，所以在物联网通信系统中，不可能像公众移动网一样存在同步信号，发送数据时候需要进行随机过程，无线资源也需要进行严格划分和使用要求。

正因物联网应用存在如此多的特殊需求，物联网通信系统和公众移动通信网络系统有本质区别。通常物联网系统采用csma方式共享使用资源，并且采用独立的突发(burst)方式进行传输。在物联网系统中，为了支持共享和小数据量业务，一般采用burst方式进行传输，一般的burst的结构如图1所示。

数据传输都以帧突发(burst)方式进行传输，一个帧突发包括一个完整的帧结构，其中发送端和接收端都已知帧头信息，用于接收端进行帧搜索，完成定时同步以及信道估计等等。帧数据体用于承载通信传输数据，传输数据可以是业务数据或信令数据。

由于物联网通信环境比较恶劣，通信传输介质都是就地取材，不是专门为通信系统使用而设计，例如在电力线上进行数据传输，由于电力线系统的阻抗变化大，并且随机变化范围大，不同电力线节点对信号损耗严重，此外电力线上的各种电器设备对通信也存在影响，这些都限制电力线系统的应用和推广。在物联网系统中，采用无线传输方式也存在诸多局限，物联网系统很难获得专有频段，只能使用共享频段，也就是国家无线管理局分配的指定公用频段，多种物联网系统共享使用这些频段，例如中国ism470mhz到510mhz频段就是一个公共频段，该频段上有调频广播，对讲机以及lora系统，此外还可以用于宽带和窄带电力抄表，所以不可避免地存在多系统共享频段的干扰，严重影响了通信质量。

对于以上种种通信不利因素，物联网系统中通常只能采用加大发射功率、增加重传次数以及缩短通信距离的方式来减少不利影响，并且在某些时段或某些环境只能使用其中一种或几种传输介质进行通信。

为了进一步提高传输的可靠性，目前物联网系统中亟需一种能够同时且高效支持多种传输介质的传输方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用异构传输介质分集合并传输的方法，在异构传输介质的物联网系统中，将传输的物联网帧数据(包括帧头和帧数据体)通过不同的传输介质进行传输，在接收端利用帧头进行定时同步和信噪比计算，然后将不同传输介质接收到的帧数据体进行分集合并，从而提高通信成功率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种异构传输介质中信号分集合并传输的系统，如图2所示，包括帧结构模块、数据调制模块、传输介质模块、帧同步及snr计算模块、帧数据体合并模块、数据解调判决模块和帧数据体解码模块；

所述帧结构模块，将待传输数据构造成帧构，帧结构包括帧头和帧数据体两部分，发送端和接收端都已知固定格式的帧头内容，用于接收端进行同步和信噪比计算，帧数据体承载了需要传输的业务或信令数据；

所述数据调制模块，将帧结构比特流调制为符号数据，异构传输介质使用相同的调制方式；

发送端的传输介质模块完成物联网系统中将符号数据映射到不同传输介质的适配处理，接收端的传输介质模块将接收到的信号转换成调制符号数据；

所述帧同步及snr计算模块，用于完成帧头搜索，并且使用帧头数据计算出帧头的snr，并且保存该snr值；

所述帧数据体合并模块，根据接收帧头的snr合并不同介质上接收到的帧数据体每个符号的判决门限值，如果没有搜索到帧头，则不参与分集合并；

所述数据解调判决模块，根据符号数据的判决门限确定发送端发送的数据内容为比特1或0；

所述帧数据体解码模块，完成信道解码过程，该信道编解码具有校验功能，能够检查接收到的帧数据体是否正确接收，如果校验结果正确，则在最近接收的传输介质上回复确认包，否则回复非确认包。

2、一种异构传输介质中信号分集合并传输的方法该方法包括发送端数据处理和接收端数据处理；其中，发送端数据处理包括帧结构构造和数据调制；接收端数据处理包括帧同步和snr计算、帧数据体合并以及数据解调和帧数据体解码。

进一步，所述发送端数据处理具体包括以下步骤：

步骤1：发送端将发送业务或信令数据块进行信道编码，在信道编码过程中增加业务数据块校验比特，形成帧结构中的帧数据体部分；如图3中1步。

步骤2：在帧数据体部分之前增加固定帧头，发送端和接收端都已知帧头信息，形成一个完整的帧结构数据块；如图3中2步。

步骤3：对帧结构数据块进行调制形成调制符号数据，无论是新传帧数据还是重传帧数据，形成的调制符号数据都相同；如图3中3步。

步骤4：如果是新传帧数据，则优先选择最近成功传输过的传输介质来发送调制符号数据；如果是重传帧数据，则选择与前次传输不同的传输介质进行传输，如图3中4步。

步骤5：根据传输介质的特点，将调制符号数据映射成适合传输介质传输的方式进行传输。

进一步，如果开机第一次传输帧数据，则根据默认设置优先选择预先设定的传输介质或随机选择传输介质进行传输。

进一步，所述接收端数据处理具体包括以下步骤：

步骤1：接收端同时在传输介质1和传输介质2上进行监听，检测是否存在帧结构突发数据能量，如果检测到突发能量，则进入帧头搜索过程；如图4中1，2和4，5步。

步骤2：根据帧结构中的已知帧头信息，利用帧头信息进行信噪比计算；帧结构中的帧头由多个比特组成，在计算snr时候，采用所有正确接收到的帧头信息进行snr计算。如图4中3和6步。

步骤3：根据已经搜索到的帧头确定帧数据体的开始位置，在对应的传输介质上开始接收帧数据体的数据，进行适配处理形成帧数据体的符号数据；根据信号调制特点计算出每个符号的判决门限值；如图4中7步。

步骤4：根据判决门限值，确定发送端发送的比特，然后进行比特收集过程，形成完整的帧数据体数据块；如图4中8步。

步骤5：对接收到的帧数据体数据块进行信道译码，通过校验信息检查收到的帧数据体数据块是否正确；如果正确接收，则回复端确认包，否则回复非确认包；如图4中9步。

进一步，接收端数据处理过程的步骤3中，根据信号调制特点计算出每个符号的判决门限值，具体包括：

如果是初传数据块，则直接使用每个符号的判决门限值进行数据判定；

如果是重传数据块，则根据传输介质上计算的snr，将新传数据的判决门限和重传数据的判决门限进行合并，采用合并得到的判决门限进行数据判定。

进一步，将新传数据的判决门限和重传数据的判决门限采用最大信噪比合并算法进行合并，其中最大信噪比合并算法的计算公式为：

分集合并判决门限值(threshold_comb)＝

threshold_diversity1xsnr_1/(snr_1+snr_2)

+threshold_diversity2xsnr_2/(snr_1+snr_2)

其中，分集合并判决门限值表示分集合并之后的帧数据体中一个符号的判决门限值，snr_1表示传输介质ⅰ上数据帧的信噪比，snr_2表示无线传输介质ⅱ上的信噪比，threshold_diversity1表示传输介质ⅰ上调制符号的判决门限值，threshold_diversity2表示传输介质ⅱ上调制符号的判决门限值。

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种物联网系统中异构传输介质的信号分集和合并的解决方法，具体为：

1)现有的通信系统中仅仅考虑一种传输介质的多径信号分集合并的算法，而本发明则提出了一种利用多种介质进行信号分集合并的方法，即相同的数据包可以在不同的传输介质上进行传输，然后在接收端对接收到的信号进行合并处理，来提高分集增益。本发明扩大了信号分集接收和分集合并在物联网领域中的应用。

2)现有的分集合并算法中，一般都是两个分集同时进行传输，然后在接收端进行实时合并，而本发明增加了使用初始传输信息和重传数据信息分集合并的方法，提高了分集合并的使用灵活度。

3)本发明根据不同传输介质实际情况，提出的信号分集和合并的方法仅仅记录数据块snr值以及该数据中每个比特判决门限值，无需保存传输介质上接收的原始数据，降低对内存空间的要求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为物联网中数据传输burst帧结构；

图2为异构传输介质系统原理图；

图3为异构传输介质发送端数据处理流程图；

图4为异构传输介质接收端数据处理流程图；

图5为宽带微功率异构传输介质的分集合并原理图；

图6为宽带微功率异构传输介质的发送端数据处理流程图；

图7为宽带微功率异构传输介质的接收端数据处理流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

宽带微功率系统是物联网的一种典型应用场景，主要完成电力抄表以及远端电表少量的报警数据传输，便于电力部门了解和掌握整个电网运行情况。目前使用的电力线抄表和窄带微功率抄表系统虽能够满足大部分抄表场景的需求，但是也存在很多不足。首先，使用电力线存在诸多问题，由于电力线可以架设空中，也可以埋在地下，因此无可避免地存在电线接头，并且电力线上负载也将随时间变化而变，这些都将引起电力线抄表的频繁失败。另外，即使使用无线方式完成电力线抄表也存在问题，目前电表存在的位置一般都比较隐蔽，其中部分电表存放在地下室或楼道深处，电表周围存在大型用电设备或金属，影响无线抄表的准确性。

针对上述问题，在电力抄表物联网中采用本发明技术，可以充分利用电力抄表场景中存在的无线传输和电力线条件，将无线和电力线进行分集合并，形成异构传输介质网络来提高通信的成功率。无论采用哪种传输介质均使用同种信道编译码和调制方式以及相同的帧结构。其中帧结构如图1所示。

本实施例中，异构传输的物联网抄表系统采用的分集合并原理如图5所示，主要由下面各个部分组成：

高层协议模块准备发送业务或信令数据，即协议中规定需要发送的传输块数据(tb块)，为二进制数据组成的数据块。

信道编码模块在传输数据块后面增加24比特的循环校验(24比特的循环校验计算不包括帧头),对数据块进行汉明编码(简称：hamming)形成二进制的编码数据块，即帧结构中的帧数据体部分，最后在帧数据体前面增加帧头比特。

信号调制模块将帧结构体数据调制成符号数据，在该实施例中信号采用chirp-bok调制方式，形成chirp-bok基带调制信号，无论采用何种传输介质，相同的数据块采用chirp-bok调制之后形成的基带调制信号都相同。

宽带微功率系统的传输介质有两种，即无线和电力线方式。其中无线传输介质的载波频率集中在470-510mhz之间，带宽选择3.6mhz，发送端对基带符号数据进行上变频处理，通过天线进行发送。接收端通过天线接收，对无线信号进行下变频获得chirp-bok基带调制信号。而电力线传输介质在发送端将chirp-bok基带调制信号通过电力线适配设备直接加载到220伏的电力线，在接收端使用电力线适配设备在电力线上获得chirp-bok基带调制数据。

信号合并解调模块将得到的无线和电力线传输chirp-bok基带信号进行合并操作，形成一路chirp-bok基带信号。信号合并解调模块首先分别对无线和电力线传输介质上收到的chirp-bok基带信号进行chirp-bok解调，计算出每个符号的判决门限值，然后判决出比特数据流。信道解码首先对信道解调的比特数据流进行汉明解码，然后再检查循环校验是否正确。

下面将从发送端和接收端分别来介绍本发明在物联网抄表系统中的具体应用。

在本实施例中发送端的数据处理流程如图6所示，具体包括以下步骤：

步骤1：发送数据开始，高层协议栈准备发送比特数据块，也称传输数据块(简称：tb)，传输数据块包括业务平面的业务数据或控制平面的信令数据。如图6中1步。

步骤2：在传输数据块的尾部增加循环校验比特，在该实施例中采用了24比特循环校验方式，即所有传输数据块的尾部都需要增加24比特的循环校验码，然后对数据块进行汉明编码，形成编码数据块，编码数据块占据帧结构中的帧数据体位置。最后在帧数据体前面增加固定的帧头比特，总计8个比特，内容为11111110，形成完整的帧结构。如图6中2步。

步骤3：对帧结构数据块进行chirp-bok调制，形成调制基带信号，在本实施例中，比特1采用chirp-up来表示，比特0采用chirp-down来表示。无论采用无线传输介质还是电力线传输介质，调制基带信号完全相同，如图6中3步。

步骤4：选择传输介质过程，分为初传和重传两个传输阶段。

首先，确定初传阶段使用的传输介质：

如果发送端处于初始开机状态，则优先使用默认传输介质进行传输，如果没有使用默认配置，则发送端随机选择一种传输介质进行传输。

如果发送端开机之后，成功发送过数据块，则发送端优先选择最近一次成功传输时使用的传输介质。例如发送端发送数据块时，如果前一数据块在无线传输介质上成功发送，则优先使用无线传输介质，否则优先使用电力线传输介质。

其次，确定重传阶段使用的传输介质：

发送端始终选择和不同于前次传输使用的介质进行传输，如果前次传输介质是无线传输，则本次重传使用电力线传输介质。反之则使用无线传输介质传输。如图6中4步。

步骤5：如果选择无线传输介质，那么发送端对chirp-bok调制基带信号进行上变频，将基带信号升频到无线介质发送的频点，本实施例选择的射频频点为490mhz，由于信号带宽是3.6mhz，则无线信号占据的频率范围就是490±1.8mhz。

如果选择电力线传输介质，那么发送端将chirp-bok调制基带信号通过电力线适配设备耦合到220伏的电力线。在本实施例中，为了信号的传输，也可以将chirp-bok信号调制到一个固定的频率进行发送，例如10mhz或20mhz中心频点(在实际的使用中，电力线传输介质10mhz-80mhz以下的传输效果比较好)。

发送端发送完一个完整的帧结构数据后，开启监视定时器，等待接收端回复确认包。如果发送端收到确认包，则删除保存的chirp-bok调制数据，并且记录成功发送使用的传输介质。如图6中5步。

步骤6：如果发送端发送数据之后，监视定时器超时或接收到来自接收端的非确认包。首先确认重传次数是否已经达到本实施例预先设定的最大重传次数，例如4次。若达到则直接删除本地保存的chirp-bok调制数据，取消本次数据发送。

如果重传次数未达到本实施例预先设定的最大重传次数，重复本过程中步骤4。启动chirp-bok调制数据重传过程。如图6中7，8步。

在本实施例中接收端的数据处理流程，如图7所示，具体包括以下步骤：

步骤1：无论采用无线或电力线传输，发送端都使用csma方式竞争使用传输资源。接收端并不知道具体帧到达时间和采用传输介质，因此需要同时监听无线传输介质和电力线传输介质上的信号。

如果是无线传输介质，接收端需要将天线接收到的无线信号进行下变频处理，获得chirp-bok基带调制信号。

如果是电力线传输介质，接收端需要从电力线220伏中适配得到chirp-bok基带调制信号，如果发送端将基带chirp-bok信号调制到10mhz到20mhz范围的频率，那么接收端同样需要将电力线上接收到的信号下变频到chirp-bok基带信号。如图7中1步。

步骤2：帧头搜索过程，首先对接收信号进行能量检测，测量传输介质上接收信号的无线接收信号强度(简称：rssi)值，检测rssi是否大于预定门限值。然后对大于预定门限值的传输介质进行帧头搜索过程，即在接收信号中搜索是否存在帧头数据比特流(本实施例中，帧头数据定义为：11111110)。

如果搜索到有效帧头数据，则根据收发双方都已知的帧头数据进行帧头的信噪比snr计算并记录传输介质和snr值。如图7中2步。

一个符号的snr计算公式如下：

receive_power＝max(abs(xcor(r_data,chirp_data))

snr＝receive_power/(rssi-receive_power)

其中，r_data是接收的chirp-bok调制数据符号，chirp_data表示本地生成的chirp_down或chirp_up数据，xcor表示进行相关计算，abs表示取绝对值。如果帧头中的比特为1，则使用chirp-up表示chirp_data，反之则使用chirp_down表示chirp_data。

一个帧结构的snr计算公式如下：

其中，n表示接收到的正确帧头的比特数。snri表示一个符号计算的snr值。

步骤3：在本实施例中，信号调制使用chirp-bok方式，解调采用滤波方式进行。假设接收信号为r_data,数据比特1采用chirp-up调制，数据比特0采用chirp-down调制,xcor表示进行相关计算。如图7中3步。

chirp_bok判决门限值(threshold_value)

＝max(abs(xcor(r_data,chirp_up)))-max(abs(xcor(r_data,chirp_down))

如果chirp-bok判决门限值(threshold_value)大于0，则表示发送端发送比特内容为1，否则比特内容为0，abs表示取绝对值。

步骤4：对步骤3过程的结果进行比特收集，将接收到的比特流依次生成帧结构中的帧数据体,对该数据体的数据内容进行信道汉明译码，然后生成循环校验码，并检查接收到的数据包是否正确。如图7中4步。

步骤5：对收到的帧数据体进行信道译码和循环校验，若循环校验正确则上报译码后的数据块(tb块)到高层协议栈，并且记录成功接收的传输介质，删除保存的chirp-bok判决门限值。

如果循环校验不正确，则检查是否为初始接收的数据块，若为初传数据块则直接回复非确认包。若为重传数据块，则使用本发明中的合并算法，将初传数据块和重传数据进行合并。如图7中5，8步。

步骤6：如果循环校验不正确，在进行分集合并后再进行信号解调。本实施例中采用了本发明提供的最大信噪比合并算法。如图7中9步。

chirp_bok分集合并判决门限值(threshold_comb)＝threshold_radio_diversity1xsnr_radio/(snr_radio+snr_plc)+threshold_plc_diversity1xsnr_plc/(snr_radio+snr_plc)

其中，chirp-bok分集合并判决门限值表示分集合并之后的帧数据体中一个符号的判决门限值，snr_radio和snr_plc采用snr的具体数值而非db值表示。snr_plc表示电力线传输介质上数据帧的信噪比，snr_radio表示无线传输介质上的信噪比。threshold_radio_diversity1表示无线传输介质上调制符号的判决门限值。threshold_plc_diversity1表示电力线传输介质上调制符号的判决门限值。

步骤7：使用chirp-bok分集合并判决门限值的计算方法，重新得到合并之后的判决门限值，根据新的判决门限值确定发送的数据内容是比特1还是比特0。

在使用本发明中的最大信噪比合并算法后，如果信道解码中的循环校验正确，则采用最后收到的传输介质回复确认包，删除中间保留的门限判决数据和记录的snr值。如果信道解码中的循环校验不正确，则采用最后收到的传输介质回复非确认包。如图7中3，4，5，6步。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。