技术摘要：
本发明公开了一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统及方法，所述系统中的发送端设备能够数据帧中不同信息比特序列使毫米波沿着不同方向发射；当所述不同方向的毫米波波束沿着信道中不同路径传输时，会经历不同程度的衰减，即波束能量在经过不同路径后呈现出能量差异  全部
背景技术：
预计到2025年，物联网设备的总数将在全球范围内达到750亿，每年以23.76％的 速度增长。随着物联网设备的指数级增长，人们相信开发可扩展，节能，可靠的物联网连接 解决方案可以为社会和行业带来巨大利益。不幸的是，目前，物联网设备主要是面向低速率 的应用场景，使用的通信频段较低而无法满足目前大数据量高速率传输的物联网通信需 求。物联网设备的巨大增长给未来的无线通信系统带来了巨大的挑战，尤其是在需要宽带 物联网服务的时候。宽带物联网连通性应在高吞吐量和低延迟方面提供出色的性能，例如 为数百亿个摄像机提供连通性。因此，物联网设备与宽带数据通信的大量连接将给已经拥 挤的基于低频段(低于6GHz)的WiFi和蜂窝频段带来巨大压力。此外，基于IOT的应用中一个 很重要的问题就是对低功耗的支持，毕竟实际应用场景中的IOT设备都是计算资源和能耗 均受限的传感器节点。因此，物联网通信技术需要进一步发展，以满足增加容量、提高数据 速率、支持大规模连接、降低终端成本和功耗等需求。 为了应对未来的通信系统对通信容量的爆炸式需求和进一步提升通信传输速率， 利用具有丰富频谱资源的毫米波来扩展通信带宽是直接有效的方法，因此学术界和工业界 都将毫米波频段作为研究的重点。通过与多输入多输出(MIMO)技术相结合，毫米波借助波 束成形技术让在空间中形成不同的波束。波束的形成本质上就是通过分别控制天线阵列中 每根天线信号的振幅和相位来实现天线能量的集中，从而补偿毫米波的频谱在空间中快速 衰减的频谱特性。从而毫米波能够克服毫米波损耗大，传播距离短的问题，使得毫米波依然 能够覆盖到较远的区域。另外，MIMO天线阵列可以使毫米波在空间中形成多个不同覆盖区 域的波束，每个波束可覆盖不同的用户从而实现单个基站与多用户之间的通信。 在这种发展趋势下，已有部分学者将毫米波应用到IOT系统中，由于毫米波信道的 路径损耗大，绕射能力差等缺点，一般而言，空间传播中的损耗被认为是有害的现象，是不 利于通信系统的传输的，因此目前毫米波通信系统主要是依靠视距路径(LOS)进行传播的， 而忽略了NLOS径的作用，没有充分利用非视距路径(NLOS)，并且为了找到较强视距路径，往 往需要进行算法复杂度很高的信道估计。例如：O.Y.Kolawole等人在名为"Transceiver  Design  for  Energy-Efficiency  Maximization  in  mmWave  MIMO  IoT  Networks"的文献 中提出的一种高能量效率的毫米波物联网系统，其需要信道估计和复杂的波束成形设计、 算法复杂度相对较高。并且现有的毫米波器件采用的均为高功耗和昂贵的硬件部件，例如 射频链、相控阵和移相器等。例如：Y.Chen等学者在名为"Spatial  Lobes  Division-Based  Low  Complexity  Hybrid  Precoding  and  Diversity  Combining  for  mmWave  IoT  Systems,"的文献中提出一种低复杂度的毫米波物联网系统，但其节点需要配备高成本的 射频链，并且其系统的能量效率不高。 4 CN 111600639 A 说　明　书 2/9 页
技术实现要素：
本发明针对现有毫米波系统硬件成本高，算法复杂度高(需信道估计，波束成形 等)的所造成的毫米波通信成本高的问题提出了一种基于波束调制的毫米波物联网通信系 统及方法，与传统毫米波算法仅考虑利用信道最强路径传输不同，该系统充分利用毫米波 信道的视距路径和非视距路径进行信号传输，并基于信道不同路径对毫米波信号的衰减不 同可使得节点发送的未调制的毫米波信号在经过信道传输到达接收端后能量不同，实现一 种类似ASK的调制效果，即波束调制；在所提的基于波束调制的物联网系统中，节点设备根 据发送数据帧中信息比特不同来使能不同的天线组，可使毫米波信号沿着信道中不同路径 传播，则接收端根据接收到的对应帧中前导码的毫米波信号的能量来确定判决方式，并以 此为帧中对应数据部分的波束调制的毫米波信号进行解码，恢复出发送的信息，从而实现 整个通信过程；该系统无需发送前对毫米波信号进行调制，无需信道估计，可通过在接收端 部署多组天线实现空分多址，大大降低了系统的复杂度，提升了毫米波系统的信道容量和 频谱效率。 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案： 一种基于波束调制的毫米波物联网通信系统，包括：发送端设备、毫米波信道、接 收端设备； 其中，所述发送端设备能够根据每帧数据的信息比特序列的顺序切换发送多个毫 米波信号，使所述毫米波信号沿着所述毫米波信道的不同路径进行传播；其中，发送端设备 发送的毫米波信号为同频同相同幅度的毫米波信号； 所述毫米波信道能够对所述同频同相同幅度的毫米波信号进行波束调制，所述波 束调制为：当所述同频同相同幅度的毫米波信号沿着毫米波信道不同路径传输时，会经历 不同程度的衰减损耗，从而使毫米波信号在经过毫米波信道不同路径到达接收端设备后呈 现出幅度能量差异； 所述接收端设备能够根据接收到的每帧数据的前导码序列的顺序和前导码序列 信号幅度能量差异确定信号的判决标准，并根据所述判决标准对所述每帧数据中的信息字 段进行解码，以实现信息传递。 优选的，所述系统以一个AP设备为接收端设备，以K个随机分布在所述AP设备周围 的物联网节点设备为发送端设备。 优选的，每个所述物联网节点设备包含有两组天线，其中，每组天线能够产生一个 固定方向的具有一定宽度的毫米波波束信号，所述两组天线所产生的毫米波波束信号方向 不同、且两个波束宽度重叠范围不超过百分之二十； 所述物联网节点设备根据数据帧中信息比特序列顺序切换两组天线来产生不同 方向的毫米波波束信号，以使所述未调制的毫米波波束信号沿着信道中的不同路径进行传 播。 优选的，所述物联网节点设备的两组天线为微带天线，并且所述两组微带天线的 阵列响应向量为离散傅里叶矩阵码本中的两个不同的向量，以消除两组微带天线所产生的 毫米波波束之间的干扰。 优选的，所述AP设备包含多组天线和多条射频链路，其中，所述AP设备中一组天线 连接到同一个射频链上；其中AP中每组天线中包含P根天线，每根天线上都连接有一个移相 5 CN 111600639 A 说　明　书 3/9 页 器和放大电路。 优选的，所述AP设备通过移相器来改变每根天线信号的相位来调整天线组的波束 指向，并且使各组天线形成的波束分别与多个所述物联网节点设备形成波束对齐，以同时 完成与K个物联网节点设备的数据通信。 优选的，所述AP设备根据每组天线接收信号的SINR进行波束分配。 优选的，所述系统中的毫米波信道采用Saleh-Valenzuela信道模型。 在本发明进一步的实施例中，还提供一种基于波束调制的毫米波物联网通信方 法，该方法采用上述基于波束调制的毫米波物联网通信系统进行通信，包括： 根据每帧数据的信息比特序列的顺序切换发送多个毫米波信号，使所述毫米波信 号沿着所述毫米波信道的不同路径进行传播；其中，所发送的毫米波信号为同频同相同幅 度的毫米波信号； 通过毫米波信道对所述同频同相同幅度的毫米波信号进行波束调制，所述波束调 制为：当所述同频同相同幅度的毫米波信号沿着毫米波信道不同路径传输时，会经历不同 程度的衰减损耗，从而使毫米波信号在经过毫米波信道不同路径到达接收端设备后呈现出 幅度能量差异； 根据接收到的每帧数据的前导码序列的顺序和前导码序列信号幅度能量差异确 定信号的判决标准，并根据所述判决标准对所述每帧数据中的信息字段进行解码，以实现 信息传递。 与现有技术相比，本发明的有益效果： 1、本系统根据要发送的数据帧信息比特顺序切换发送未调制的毫米波波束，并使 毫米波波束沿着信道中不同路径进行传播，在信道传播过程中完成波束调制；并根据数据 帧中前导码对应毫米波信号的能量来确定判决方式，并以此来对数据帧中数据信息字段的 毫米波波束信号进行解码，完成整个通信过程；本系统充分利用毫米波信道的视距路径和 非视距路径进行信号传输，并基于不同路径之间复增益的差别来使得未调制的毫米波信号 在经过信道传输到达接收端后能量不同，实现了一种类似ASK的调制的效果，即波束调制； 因此本系统发送端设备无需对毫米波波束信号进行调制，例如：幅度调制等，相应的接收端 设备只需要检测接收信号的能量即可完成信息的解码，而无需进行复杂的解码算法，因此 本系统的解码算法复杂度较低；不同于其他通信系统实现通信的原理，本发明提供了一种 新的低复杂度、低成本的通信原理和通信手段。 2、本系统中物联网节点设备采用微带天线来代替带移相器的天线阵列，以调整微 带天线的线长、线间距等来调整信号的相位，可代替移相器完成波束方向的调整；通过在物 联网节点设备上增加低成本的微带天线来移除天线阵列和移相器网络，可显著降低物联网 节点设备的成本；除此之外，由于物联网节点设备无需对发送的毫米波信号进行调制，则可 移除节点设备上的调制组件，可进一步降低节点设备的成本，节点设备成本的降低对于该 系统的推广应用具有重要作用。 3、本系统中物联网节点设备的两组微带天线所产生的波束都有一定的宽度，可覆 盖一定范围内的路径，可在没有信道估计的情况下，接收端只需要简单的波束搜索即可完 成波束对齐；由于节点设备的波束固定，只需要调整AP设备的波束指向，可大大降低波束搜 索的空间和算法复杂度；本系统的波束搜索算法复杂度仅为o(N)，远低于802.11ad标准的 6 CN 111600639 A 说　明　书 4/9 页 复杂度o(N2)，而接收端波束固定，可节省波束搜索的能量消耗，提高了物联网节点设备的 能量效率。 4、由于系统是基于接收信号能量不同来进行信号解码的，因此，即使系统接收端 无需严格的波束对齐，只需要对齐的波束在接收到两个波束信号的能量不同时即可完成正 常的通信，因此即使本系统节点设备的两个发送波束对应的路径被暂时遮挡，但接收到的 两个波束信号能量不同依然可完成正常通信，因此本系统具有很强的鲁棒性。 附图说明： 图1为本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统通信原理框 图。 图2为本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统硬件结构框 图。 图3为本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统性能仿真结 果示意图1。 图4为本发明示例性实施例的基于波束调制的毫米波物联网通信系统性能仿真结 果示意图2。