一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信系统及方法，系统包括基站和终端，基站设有多个天线，所述终端有多个，每个终端均为单天线，基站和终端之间的通信方法为：下行时，基站向终端采用扩频通信技术发送信号；上行时，基站采用窄带MIMO技术多天线接收终端发送的信号；基站设置一个窄带时隙同步信息最大重发间隔，在该间隔时间内，基站向终端至少发送一次窄带时隙同步信息，终端在收到基站发出的窄带时隙同步信息后，确定窄带时隙内窄带子时隙的个数，以及开始时间和结束时间，选择一个窄带子时隙发送上行信号。本发明专利技术既保留了窄带通信在物联网上应用的低功耗，传输距离长的优势，又克服了其频率选择性衰落的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信系统及方法
本专利技术属于无线通信领域，涉及一种时分双工无线通信方法，具体涉及一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信系统及方法。
技术介绍
时分双工(TimeDivisionDuplex，简称“TDD”)是一种移动通信系统的通信方式，这种方式在基站和用户设备之间的收发信息，是以突发脉冲序列的形式，在同一个信道上交替传送，即收发双方轮流发和收，或称“乒乓方式”。这样就可以在一个信道上实现一个双工信道，从而提高频谱利用率。TDD的上行通信是终端向基站发送信号，下行通信是基站向终端发送信号。对于物联网来说，一个特点就是数据包较小，但是要求功耗低，因此窄带通信是比较好的选择，但是窄带通信有一个缺陷就是频率选择性衰落，因此采用窄带通信，关键是如何克服频率选择性衰落，目前常用的方法有两种，1)扩频通信，将窄带信号扩展为较宽频带的信号，利用频率分集克服频率选择性衰落；2)多天线通信，用多个天线接收窄带信号，利用天线分集克服频率选择性衰落。单纯使用扩频通信，其缺点是频谱利用效率低，通信容量低。单纯使用多天线技术，其缺点是多天线通信在下行不可行，下行过程中，终端通常只能装备一个天线，不能进行多天线信号接收，因此窄带通信用于物联网中还有很多问题需要解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够在上下行通信中有效克服频率选择衰落的窄带无线通信系统及方法。物联网通信的一个重要特征是上行通信容量大于下行通信容量，上行通信用于终端向基站和网络报告数据，数据量较大；而下行通信通常仅用于基站和网络向终端发送应答和控制信息，数据量较小。专利技术结合了扩频和窄带MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，即为多入多出技术)通信技术，将扩频通信技术用于下行，使终端在单天线接收情况下，能够克服频率选择性衰落；将窄带MIMO通信技术用于上行，基站用多个天线接收信号，克服频率选择性衰落的同时，支持多个终端同时向基站发送窄带信号，这里窄带信号指没有经过扩频的信号，从而提升上行容量。此外，本专利技术还给出支持上述技术的TDD中继。为了达到上述目的，解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信系统，其特征在于，包括：基站，所述基站设有多个天线，下行时，基站采用扩频通信技术单天线发送信号，上行时，基站采用窄带MIMO技术多天线接收信号。终端，所述终端有多个，下行时，与基站对应通过扩频通信技术单天线接收信号，上行时，每个终端通过单天线向基站发送窄带信号，这里窄带信号指没有经过扩频的信号，多个终端与基站采用窄带MIMO技术传输信号。作为改进，基站设置一个窄带时隙同步信息最大重发间隔，在该间隔时间内，基站向终端至少发送一次窄带时隙同步信息，终端在收到基站发出的窄带时隙同步信息后，确定窄带时隙内窄带子时隙的个数，以及每个窄带子时隙的开始时间和结束时间，选择一个窄带子时隙发送上行信号；作为改进，终端选择窄带子时隙的方法为：终端根据接收到的基站信号功率选择窄带子时隙，接收信号功率较高时，选择序号较大的窄带子时隙。作为改进，在窄带时隙同步信息最大重发间隔内，基站采用下列方法中一种或多种向终端至少发送一次窄带时隙同步信息：(1)在窄带时隙同步帧中发送窄带时隙同步信息；(2)在下行应答帧中携带窄带时隙同步信息，即在下行应答帧中，发送应答信息之外，还顺带发送窄带时隙同步信息；(3)在下行数据帧中携带窄带时隙同步信息，即在下行数据帧中，发送下行数据之外，还顺带发送窄带时隙同步信息。作为改进，发送窄带时隙同步信息的窄带时隙同步帧、下行应答帧和下行数据帧采用最大扩频倍数进行扩频。作为改进，下行应答帧同时对多个终端进行应答，即合并对多个终端的应答数据于一个下行应答帧内，基站发送的下行应答帧的扩频倍数设为最差信号质量的终端所需要的扩频倍数。作为改进，终端搜索基站工作信道采用的方式为：终端对基站监听时间大于窄带时隙同步信息最大重发间隔，如果收到了窄带时隙同步信息，则找到了工作信道；否则，切换下一个可能的基站工作信道继续监听；如果找到多个工作信道，则选择接收基站信号功率最强的工作信道。作为改进，还包括TDD中继，所述TDD中继包括用于与基站收发通讯的天线A、用于与终端收发通讯的天线B、上行放大器和下行放大器，所述天线A和天线B通过开关A和开关B切换与上行放大器或下行放大器相连，通过上行放大器和下行放大器对上行信号和下行信号进行中继放大；TDD中继平时工作在下行状态，通过接收来自基站的窄带时隙同步帧，或者携带窄带时隙同步信息的下行应答帧和下行数据帧，确定窄带子时隙的个数，以及每个窄带子时隙的开始时间和结束时间，并在窄带时隙时间内切换到上行状态。作为改进，每个窄带子时隙中，多个终端向基站传输数据包，每个数据包均采用窄带单载波调制方式进行调制；所述终端在窄带子时隙中传输数据的格式为导频信号加上行同步序列再加编码数据序列，其中导频信号为单频率信号，上行同步序列是一个具有良好自相关特性的序列。一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信方法，其特征在于：下行时，基站采用扩频通信技术向终端发送信号，基站和终端均采用单天线收发；上行时，基站采用窄带MIMO技术接收终端发出的信号，多个终端组成发射端的多天线，基站采用多天线接收。作为改进，基站设置一个窄带时隙同步信息最大重发间隔，在该间隔时间内，基站向终端至少发送一次窄带时隙同步信息，终端在收到基站发出的窄带时隙同步信息后，确定窄带时隙内窄带子时隙的个数，以及每个窄带子时隙的开始时间和结束时间，选择一个窄带子时隙发送上行信号。本专利技术的有益效果是：本专利技术结合了扩频和窄带MIMO通信技术，将扩频通信技术用于下行，使终端在单天线接收情况下，能够克服频率选择性衰落；将窄带MIMO通信技术用于上行，基站用多个天线接收信号，克服频率选择性衰落的同时，支持多个终端同时向基站发送信号，从而提升上行容量。本专利技术既保留了窄带通信在物联网上应用的低功耗，传输距离长的优势，又克服了其频率选择性衰落的缺点，使得物联网技术的实用性更进一步发展。附图说明图1为本专利技术三种窄带时隙同步信息发送方法及窄带时隙示意图。图2为TDD中继示意图。图3为终端在窄带子时隙中传输数据的格式具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行举例说明。需要指出的是，本专利申请中定义的名词以本专利技术定义为准，没有定义的名词以行业通用理解为准。一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信系统，包括基站和终端，基站设有多个天线，所述终端有多个，每个终端均为单天线，基站和终端之间的通信方法为：下行时，基站向终端采用扩频通信技术发送信号，基站和终端都采用单天线；一个例子：扩频通信采用LoRa通信技术，LoRa是Semtech公司开发的一种长距离、低功耗、扩频的、无线传输的物理层通信技术；上行时，终端向基站发送信号，终端采用单天线发送窄带信号，这里窄带信号指没有经过扩频的信号，基站采用窄带MIMO技术多天线接收终端发送的信号；下行采用扩频通信技术，根据终端与基站的通信信道质量选择扩频因子，信道质量较差，选择较大的扩频因子，信道质量较好，选择较小的扩频因子。一个例子：扩频因子最小为1，最大为12，分别对应扩频倍数2到212倍。对于一些本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信系统，其特征在于，包括：基站，所述基站设有多个天线，下行时，基站采用扩频通信技术单天线发送信号，上行时，基站采用窄带MIMO技术多天线接收信号；终端，所述终端有多个，下行时，与基站对应通过扩频通信技术单天线接收信号，上行时，每个终端通过单天线向基站发送窄带信号，多个终端与基站采用窄带MIMO技术传输信号。

【技术特征摘要】
1.一种结合扩频和窄带MIMO的时分双工通信系统，其特征在于，包括：基站，所述基站设有多个天线，下行时，基站采用扩频通信技术单天线发送信号，上行时，基站采用窄带MIMO技术多天线接收信号；终端，所述终端有多个，下行时，与基站对应通过扩频通信技术单天线接收信号，上行时，每个终端通过单天线向基站发送窄带信号，多个终端与基站采用窄带MIMO技术传输信号。2.如权利要求1所述的时分双工通信系统，其特征在于：基站设置一个窄带时隙同步信息最大重发间隔，在该间隔时间内，基站向终端至少发送一次窄带时隙同步信息，终端在收到基站发出的窄带时隙同步信息后，确定窄带时隙内窄带子时隙的个数，以及每个窄带子时隙的开始时间和结束时间，选择一个窄带子时隙发送上行信号。3.如权利要求2所述的时分双工通信系统，其特征在于：终端选择窄带子时隙的方法为：终端根据接收到的基站信号功率选择窄带子时隙，接收信号功率高时，选择序号大的窄带子时隙。4.如权利要求2所述的时分双工通信系统，其特征在于：在窄带时隙同步信息最大重发间隔内，基站采用下列方法中一种或多种向终端至少发送一次窄带时隙同步信息：(1)在窄带时隙同步帧中发送窄带时隙同步信息；(2)在下行应答帧中携带窄带时隙同步信息，即在下行应答帧中，发送应答信息之外，还顺带发送窄带时隙同步信息；(3)在下行数据帧中携带窄带时隙同步信息，即在下行数据帧中，发送下行数据之外，还顺带发送窄带时隙同步信息。5.如权利要求4所述的时分双工通信系统，其特征在于：发送窄带时隙同步信息的窄带时隙同步帧、下行应答帧和下行数据帧采用最大扩频倍数进行扩频。6.如权利要求4所述的时分双工通信系统，其特征在于：下行应答帧同时对多个终端进行应答，即合并对多个终端的应答数据于一个下行应答帧内，基站发送下行应答帧的扩频倍数设为最差信号质量的终端所需要的扩频倍数。7.如权利要求2所述的时分双工通信系统，其特征在于：终端搜索基站工作信道采用的方式为：终端对基站监听时间大于窄带时隙同步信息最大重发间隔，如果收到了窄带时隙同步信息，则找到了工作信道；否则，切换下一个可能的基站工作信道继续监听；如果找到多个工作信道，则选择接收基站信号功率最强的工作信道。8.如权利要求2所述的时分双工通信系统，其特征在于：还包括TDD中继，所述TDD中继包括用于与基站收发通讯的天线A、用于与终端收发通讯的天线B、上行放大器和下行放大器，所述天线A和天线B通过开关A和开关B切换与上行放大器或下行放大器相连，通过上行放大器和下行放大器对上行信号和下行信号进行中继放大，TDD中继平时工作在下行状态，通过接收来自基站的窄带时隙同步帧，或者携带窄带时隙同步信息的下行应答帧和下行数据帧，确定窄带子时隙的个数，以及每个窄带子时隙的开始时间和结束时间，并在窄带时隙时间内切换到上行状态。9.如权利要求2所述的时分双工通信系统，其特征在于：每个窄带子时隙中，多个终端向基站传输数据包，每个数据包均采用窄带单载波调制方式进行调制；所述终端在窄带子时隙中传输数据的格式为导频信...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈代明，汪志冰，何辉，刘景顺，吴华意，
申请(专利权)人：武汉拓宝科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42