[发明专利]基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法，发送机包括预编码模块，随机比特选择模块和16QAM符号映射模块；接收机包括接收控制与反馈模块和迭代解调‑译码模块。本发明通过合理的映射设计，使得16QAM符号与对应的选择比特自动满足加权和关系，结合无速率传输技术，能够在不增加发射机计算量的条件下，实现连续的传输能量调整。相比现有的小权重集TLRCM和使用BPSK/QPSK低阶调制的NB‑IoT标准，本发明提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统能在更宽的信道范围内，保证不同覆盖等级的IoT节点均能获得更高的频谱效率和能量效率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于16QAM调制的无速率 IoT上行传输系统及方法。

背景技术

目前，物联网技术(Internet of Things，IoT)已广泛应用于工业控制，智能 交通，智能农业等领域。然而，大部分物联通信发生于IoT节点的数据上行传 输过程，因此，如何有效降低IoT节点的上行传输能耗对IoT应用具有重要意义。 在实际IoT应用场景中，IoT节点随机分布于基站周围，不同位置的节点有不同 的覆盖需求，如3GPP的窄带物联网标准(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT) 提供三种覆盖增强(CoverageEnhancement，CE)等级-CE0，CE1和CE2，它们支 持最大耦合损耗分别为144dB，154dB，164dB。为同时满足高覆盖和低功耗要 求，NB-IoT标准采用BPSK或QPSK调制的重复传输上行通信方案。然而，低 阶调制的重复传输方案，存在传输速率有限和能量效率低的缺点。

无速率传输技术能自动适应信道变量，从而获得细粒度的传输能量调整， 但常见的无速率传输技术，如H.Cui,C.Luo,K.Tan,F.Wu,and C.W.Chen, “Seamless rateadaptation for wireless networking,”Proc.14th ACM International Conference onModeling,Analysis and Simulation of Wireless and Mobile systems (MSWiM),pp.437-446,Oct.2011，提出的速率兼容调制技术(Rate Compatible Modulation,RCM)，其发送端需增加额外的编码处理，而且接收端存在较高的译 码复杂度，使其难以直接应用于IoT通信；W.Rao,S.Chen and Q.Wang,“Rateless TLRCM for IoT Uplink Transmission,”in IEEE Internet of Things Journal,doi: 10.1109/JIOT.2020.3048019，提出的TLRCM技术将RCM的权重集改为小权重 集，在一定程度上降低了发送端的编码计算量，并通过低复杂度解调设计，使 其能应用于IoT通信。然而，无速率的TLRCM技术，与现有通信系统广泛采用 的标准QAM调制技术不兼容，其发送符号包含了大量零点，接收端需要增加更 复杂的信道估计和均衡处理，且接收端无法直接利用有噪的接收符号进行比特 初始化；为降低实现复杂度，TLRCM采用较小的权重集{±1}，导致其最大传输 速率仅为1.74Hz/s/Hz，难以满足实际IoT应用中不同的覆盖要求，如：离基站 较近的IoT设备往往工作在中、高信噪比条件，其传输速率无法进一步提高； TLRCM在一定程度上降低了极低SNR条件下的传输功耗，但其发送端需要增 加额外调制运算处理，增加了IoT节点的计算功耗。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有NB-IoT采用的BPSK，QPSK这些低阶调制技术，其最大传输速 率有限，分别仅为0.33和0.66bits/s/Hz。

(2)现有无速率的TLRCM技术仅能在极低的信道条件下，有效降低上行 传输能量消耗和提高传输速率，但其最大传输速率也仅为1.6bits/s/Hz，难以在 较大信道变化范围内获得较高的传输速率，而且，其发送端需要额外调制运算 处理，从而增加了IoT节点的计算功耗。