阅读说明：本技术 一种无线通信方法及装置 (Wireless communication method and device ) 是由 不公告发明人 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明首先提供了涉及一种无线通信方法,应用于发送侧,将信号在中频调制到不同频率后合成为一路宽带信号；将所述宽带信号经数模转换后送入射频端；将所述射频端信号经时间调制后发送出去；在接收侧,接收来自不同方向的多个用户信号；对所述信号进行时间调制并送入射频端；所述进入射频端的信号经过单通道射频接收机后进行数模转换；对所述经数模转换的信号进行滤波后获得不同频率的不同用户信号。本发明具有高频谱利用率、低射频链路复杂度、低成本投入、低基带处理复杂度的优点,适用于卫星互联网领域,也适用于物联网、城域网、智慧仓储、智能制造等领域,缓解网络资源对移动用户的通信速率和用户数量的制约。(The invention firstly provides a wireless communication method, which is applied to a transmitting side and used for synthesizing signals into a broadband signal after modulating the signals to different frequencies at intermediate frequency; the broadband signal is sent to a radio frequency end after digital-to-analog conversion; the radio frequency end signal is sent out after being subjected to time modulation; receiving, at a receiving side, a plurality of user signals from different directions; time modulation is carried out on the signals and the signals are sent to a radio frequency end; the signal entering the radio frequency end is subjected to digital-to-analog conversion after passing through a single-channel radio frequency receiver; and filtering the signals subjected to digital-to-analog conversion to obtain different user signals with different frequencies. The invention has the advantages of high frequency spectrum utilization rate, low radio frequency link complexity, low cost investment and low baseband processing complexity, is suitable for the field of satellite internet, is also suitable for the fields of internet of things, metropolitan area network, intelligent storage, intelligent manufacturing and the like, and relieves the restriction of network resources on the communication rate of mobile users and the number of users.)

一种无线通信方法及装置

技术领域

本发明涉及天线技术和无线通信技术工程领域，特别提供了一种新型无线通信方法及装置。

背景技术

现代社会人们对信息交互的需求转向了人与人、人与物、物与物之间的无障碍连接。但是传统移动通信体系的发展逻辑并不符合万物互联这一目标，尽管从4G到5G传输速率增长了百倍以上，可以在一定程度上满足万物互联中信息传输的需求，但是传统移动通信网主要覆盖人口密集区域，而对于广袤的山区、草原等区域明显性价比不足以支撑其商业化应用。在人类活动范围已经涵盖陆地、海洋、水下、空中乃至太空的今天，传统移动通信网的发展思维已经无法满足其基本需求。近年来国内外政府、商界和学者都将解决这一问题的眼光拓展到了太空。如马斯克的星链计划，希望通过分布在355km至1200km之间的11943颗卫星建设太空大Wi-Fi。美国政府也曾提出推动地面移动通信与卫星通信的无缝衔接，加快新一代空天地一体化通信网络系统建设的构想，并于2016年宣布开展小卫星的研发。澳大利亚政府于2016年12月发布“超高速宽带基础设施”立法草案，其中就包含了为卫星宽带网络提供长期资金支持。我国航空工业集团推出了“彩虹云工程”商业航天项目，着力建设“太空路由器”，而且2019年还将发射一颗有关项目卫星进行初步探索。此外，俄罗斯、巴西等国也计划启动向边远地区、农村和岛屿提供卫星互联网覆盖的计划。与此同时，以太空探索技术公司、OneWeb等为代表的新兴商业卫星公司也加紧太空布局，抢占发展先机，争相构建卫星互联网。

如今，卫星互联网广泛使用的Ka波段已使得卫星通信带宽有了大幅提升。“高速冲浪”的主要障碍就是卫星通信的延迟，当用户请求“太空WiFi”为你找寻一台服务器地址时，需要等待的时间会“有点长”。为减少服务的延迟，现有的主流方案是把卫星放置在比平时低得多的轨道上，这样就可以提升卫星互联网的服务质量。但要想实现WiFi信号的全球覆盖，就必须发射更多数量的卫星。更多数量的卫星意味着需要更多的频谱资源，尽管Ka波段可以使用的带宽达数GHz，但是以低轨卫星为主的网络节点数量大及高速传输所需要的信道带宽大仍然会造成频谱资源的紧张。同时卫星轨道越低，网络节点间的相对速度就越高，由此带来的多普勒频移现象就越严重，为了克服多普勒频移所需要消耗的基带资源也就越多。因而，卫星互联网领域迫切需要一种低成本投入、高频谱资源利用率、低系统资源开销的新型无线通信架构。这一架构也适用于物联网、城域网、智慧仓储、智能制造等领域，缓解网络资源对移动用户的通信速率和用户数量的制约

发明内容

为了解决人口稀疏地区，如草原、山区、海洋等的移动通信难题，本发明提出了一种新型无线通信架构。该架构一方面能够实现空分/时分/频分的融合，提高频谱利用率，另一方面则通过控制四维阵列的调制频率，实现多普勒频移补偿，降低系统的资源开销。

本发明首先提供了一种无线通信方法，应用于发送侧，将信号在中频调制到不同频率后合成为一路宽带信号；将所述宽带信号经数模转换后送入射频端；将所述射频端信号经时间调制后发送出去。

优选的，本发明还提供一种无线通信方法，在将信号在中频调制到不同频率后合成为一路宽带信号前，还包括：根据用户分布状态及链路性能，利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对不同区域内用户信号进行调制。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，在利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对不同区域内用户信号进行调制后，还包括：利用射频端多普勒频移补偿方法对所有用户信号载波频率进行补偿。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，所述空分和/或时分和/或频分多址的融合方法包括子阵划分方法、时分/空分结合方法、同向多用户频分多址方法、不同向多用户空分多址方法。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，利用射频端多普勒频移补偿方法对所有用户信号载波频率进行补偿包括：计算多普勒频移量；在时间调制频率中进行预设，以修正不同用户信号的载波频率。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，所述子阵划分方法根据用户的分布状态和信号链路的性能将阵列天线分成若干子阵，分别对应不同区域。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，所述时分/空分结合方法利用位于不同方向上的用户信号在空间链路上频率的不同，将传输速率要求低的用户搬移到同一个频谱位置，用时分的方式交替通信。所述同向多用户频分多址方法是在同一方向存在大量不同用户时，此时热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，将这些用户搬移到不同的频谱位置，按照频分多址的方式进行工作。所述不同向多用户空分多址方法是在不同波束覆盖范围内，不同方向用户经过时间调制后的载波频率不同，可以采用空分多址的方式进行工作。

与发送侧无线通信方法对应，本发明还提供一种接收侧的无线通信方法，接收来自不同方向的多个用户信号；对所述信号进行时间调制并送入射频端；所述进入射频端的信号经过单通道射频接收机后进行数模转换；对所述经数模转换的信号进行滤波后获得不同频率的不同用户信号。

优选的，本发明还提供一种无线通信方法，在对所述经数模转换的信号进行滤波后获得不同频率的不同用户信号前，还包括：利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对信号进行解调。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，在对所述信号进行时间调制并送入射频通道前，还包括：利用子阵划分方法区分不同波束覆盖范围内用户群。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，在对所述信号进行时间调制并送入射频通道前，还包括：使用射频端多普勒频移补偿方法对所有用户信号载波进行补偿。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，所述空分和/或时分和/或频分多址的融合方法包括时分/空分结合方法、同向多用户频分多址方法、不同向多用户空分多址方法。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，使用射频端多普勒频移补偿方法对所有用户信号载波进行补偿包括：计算多普勒频移量；并将此频移量在所述对所述信号进行时间调制并送入射频端之前，在时间调制的序列发生器调制频率中进行预设，以修正不同用户信号的载波频率。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，所述子阵划分技术将阵列天线分成若干子阵，分别对应不同区域。子阵的划分由用户的分布状态和信号链路的性能具体计算。

进一步，本发明还提供一种无线通信方法，所述频分/空分结合方法利用位于不同方向上的用户信号在接收机中频率的不同，将在空间链路上频率相同的用户搬移到接收机中频谱的不同位置，实现接收端1：1频率复用。所述同向多用户频分多址方法是在同一方向存在大量不同用户时，此时热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，将这些用户搬移到不同的频谱位置，按照频分多址的方式进行工作。所述不同向多用户空分多址的融合方法是在不同波束覆盖范围内，不同载波频率的不同方向用户经过接收端时间调制后可以在接收端频谱的同一位置上，然后采用时分的方式进行工作。

本发明还提供一种无线通信装置，用于发送端，包括数字信号调制模块、数模转换模块、时间调制模块、信号发送模块，其中：所述数字信号调制模块，用于将信号在中频调制后合成为一路宽带信号；所述数模转换模块，用于将所述宽带信号进行数模转换后送入信号发送模块的射频通道；时间调制模块，用于周期性调制所述射频通道中的信号后，由信号发送模块发送出去。

优选的，本发明还提供一种无线通信装置，还包括信号预调制模块，用于在所述将信号在中频调制并合路不同用户信号前，根据用户分布状态及链路性能，利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对不同区域内用户信号进行预调制。

进一步，本发明还提供一种无线通信装置，信号调制补偿模块，用于在所述利用空分和/或时分和/或频分多址的融合技术对不同区域内用户信号进行调制后，利用射频端多普勒频移补偿方法对所有用户信号载波频率进行补偿。

进一步，本发明还提供一种无线通信装置，所述预调制模块还包括子阵划分子模块、时分/空分结合子模块、同向多用户频分多址子模块、不同向多用户空分多址子模块。

优选的，本发明还提供一种无线通信装置，所述信号调制补偿模块还包括计算子模块和补偿子摸快，其中：所述计算子模块用于计算多普勒频移量；所述补偿子模块用于在所述时间调制模块中进行预设，以修正不同用户信号的载波频率。

进一步，本发明还提供一种无线通信装置，所述子阵划分子模块根据用户的分布状态和信号链路的性能将阵列天线分成若干子阵，分别对应不同区域；所述时分/空分结合子模块用于利用位于不同方向上的用户信号在空间链路上频率的不同，将传输速率要求低的用户搬移到同一个频谱位置，用时分的方式交替通信；所述同向多用户频分多址子模块用于在同一方向存在大量不同用户时，此时热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，将这些用户搬移到不同的频谱位置，按照频分多址的方式进行工作；所述不同向多用户空分多址子模块用于在不同波束覆盖范围内，不同方向用户经过时间调制后的载波频率不同，可以采用空分多址的方式进行工作。

与发送侧装置对应，本发明还提供一种无线通信装置，用于接收侧，包括：信号接收模块用于接收不同区域内不同用户信号；时间调制模块用于对射频信号进行周期性调制；模数转换模块用于对单通道信号接收并进行模数转换；信号解调模块用于解调不同用户信号。

优选的，本发明还提供一种无线通信装置，还包括预解调模块，用于在解调不同用户信号前，利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对信号进行解调。

进一步，本发明还提供一种无线通信装置，所述信号接收模块还包括子阵划分子模块，用于区分不同波束覆盖范围内用户群。

进一步，本发明还提供一种无线通信装置，还包括信号解调修正模块，用于在对射频信号进行周期性调制前对所有用户信号载波频率进行补偿。

进一步，本发明还提供一种无线通信装置，所述预解调模块还包括频分/空分结合子模块、同向多用户频分多址子模块、不同向多用户空分多址子模块。

进一步，本发明还提供一种无线通信装置，所述信号解调修正模块还包括计算子模块和修正模块，其中：计算子模块用于计算多普勒频移量；修正子模块用于将所述多普勒频移量在时间调制模块中进行预设，以修正不同用户信号的载波频率。

进一步，本发明还提供一种无线通信装置，所述频分/空分结合子模块利用位于不同方向上的用户信号在接收机中频率的不同，将在空间链路上频率相同的用户搬移到接收机中频谱的不同位置，实现接收端1：1频率复用；所述同向多用户频分多址子模块是在同一方向存在大量不同用户时，此时热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，将这些用户搬移到不同的频谱位置，按照频分多址的方式进行工作；所述不同向多用户空分多址子模块用于在不同波束覆盖范围内，不同载波频率的不同方向用户经过接收端时间调制后可以在接收端频谱的同一位置上，然后采用时分的方式进行工作。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明能够提高频谱利用率；

2、本发明能够降低射频链路的复杂度，降低成本；

3、本发明能够降低通信过程中基带处理过程的复杂度。

附图说明

图1为本发明基于四维阵列的一体化相控阵星上射频交换系统的上行链路示意图；

图2为本发明基于四维阵列的一体化相控阵星上射频交换系统的下行链路示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明所述无线通信方法及装置作进一步详细的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种无线通信方法及装置，一方面利用四维阵列时间、空间和频率的紧耦合关系，实现空分/时分/频分的融合，提高频谱利用率；另一方面则通过控制四维阵列的调制频率，实现多普勒频移补偿，降低系统的资源开销，解决了人口稀疏地区，如草原、山区、海洋等的移动通信难题。

本发明所述一种无线通信方法，应用于发送侧，首先将信号在中频调制到不同频率后合成为一路宽带信号；

在将信号在中频调制到不同频率后合成为一路宽带信号前，还包括：根据用户分布状态及链路性能，利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对不同区域内用户信号进行调制。所述空分和/或时分和/或频分多址的融合方法包括子阵划分方法、时分/空分结合方法、同向多用户频分多址方法、不同向多用户空分多址方法。其中：所述子阵划分方法根据用户的分布状态和信号链路的性能将阵列天线分成若干子阵，分别对应不同区域；所述时分/空分结合方法利用位于不同方向上的用户信号在空间链路上频率的不同，将传输速率要求低的用户搬移到同一个频谱位置，用时分的方式交替通信；所述同向多用户频分多址方法是在同一方向存在大量不同用户时，此时热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，将这些用户搬移到不同的频谱位置，按照频分多址的方式进行工作；所述不同向多用户空分多址方法是在不同波束覆盖范围内，不同方向用户经过时间调制后的载波频率不同，可以采用空分多址的方式进行工作。

将所述宽带信号经数模转换后送入射频端；

然后利用射频端多普勒频移补偿方法对所有用户信号载波进行补偿。具体包括：

计算多普勒频移量；

在时间调制频率中进行预设，以修正不同用户信号的载波频率。

将所述射频端信号经时间调制后发送出去。

本发明为了提高频谱利用率，采用了基于四维阵列的空分/时分/频分多址的融合技术，其特征在于通过该阵列天线可以将系统中的空间、频率和时间资源进行池化管理。也就是可以将空间不同方向的同频信号通过控制接收阵列天线的调制频率，搬移到星上转发器的不同频谱位置；或者反之星上转发器同一频谱位置的信号可以通过控制四维阵列的调制频率，实现空间不同方向的波束的不同载波频率。进一步将时分与空分相结合，即传输速率要求低的用户用时分的方式交替通信，对传输速率要求高的用户则用空间资源或频率资源满足其要求。

本发明为了降低基带处理的复杂度，采用了基于四维阵列的射频端多普勒频移补偿技术，其特征在于，根据两个通信端口的相对径向速度计算出对应的多普勒频移量，将此频移量在调制频率中进行预设。

本发明所述应用于接收侧的通信方法，首先接收来自不同方向的多个用户信号；

然后，利用子阵划分方法区分不同波束覆盖范围内用户群。

对所述信号进行时间调制并送入射频端；

接着利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对信号进行解调。所述空分和/或时分和/或频分多址的融合方法包括时分/空分结合方法、同向多用户频分多址方法、不同向多用户空分多址方法。

所述子阵划分方法将阵列天线分成若干子阵，分别对应不同区域。子阵的划分由用户的分布状态和信号链路的性能具体计算。

所述频分/空分结合方法利用位于不同方向上的用户信号在接收机中频率的不同，将在空间链路上频率相同的用户搬移到接收机中频谱的不同位置，实现接收端1：1频率复用。

所述同向多用户频分多址方法是在同一方向存在大量不同用户时，此时热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，将这些用户搬移到不同的频谱位置，按照频分多址的方式进行工作。

所述不同向多用户空分多址的融合方法是在不同波束覆盖范围内，不同载波频率的不同方向用户经过接收端时间调制后可以在接收端频谱的同一位置上，然后采用时分的方式进行工作。

优选的，使用射频端多普勒频移补偿方法对所有用户信号载波进行补偿。具体包括：

计算多普勒频移量；

并将此频移量在所述对所述信号进行时间调制并送入射频端之前，在时间调制的序列发生器调制频率中进行预设，以修正不同用户信号的载波频率。

再次，所述进入射频端的信号经过单通道射频接收机后进行数模转换；

最后对所述经数模转换的信号进行滤波后获得不同频率的不同用户信号。

本发明的用于信号发送侧的无线通信装置，包括数字信号调制模块、数模转换模块、时间调制模块、信号发送模块，其中：所述数字信号调制模块，用于将信号在中频调制后合成为一路宽带信号；所述数模转换模块，用于将所述宽带信号进行数模转换后送入信号发送模块的射频通道；时间调制模块，用于周期性调制所述射频通道中的信号后，由信号发送模块发送出去。

该发送侧的无线通信装置还包括信号预调制模块，用于在所述将信号在中频调制并合路不同用户信号前，根据用户分布状态及链路性能，利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对不同区域内用户信号进行预调制。

该发送侧的无线通信装置还包括信号调制补偿模块，用于在所述利用空分和/或时分和/或频分多址的融合技术对不同区域内用户信号进行调制后，利用射频端多普勒频移补偿方法对所有用户信号载波进行补偿。该发送侧的无线通信装置的预调制模块还包括子阵划分子模块、时分/空分结合子模块、同向多用户频分多址子模块、不同向多用户空分多址子模块。其中：子阵划分子模块根据用户的分布状态和信号链路的性能将阵列天线分成若干子阵，分别对应不同区域。时分/空分结合子模块用于利用位于不同方向上的用户信号在空间链路上频率的不同，将传输速率要求低的用户搬移到同一个频谱位置，用时分的方式交替通信。同向多用户频分多址子模块用于在同一方向存在大量不同用户时，此时热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，将这些用户搬移到不同的频谱位置，按照频分多址的方式进行工作。不同向多用户空分多址子模块用于在不同波束覆盖范围内，不同方向用户经过时间调制后的载波频率不同，可以采用空分多址的方式进行工作。

该发送侧的无线通信装置的信号调制补偿模块还包括计算子模块和补偿子摸快，其中：所述计算子模块用于计算多普勒频移量；所述补偿子模块用于在所述时间调制模块中进行预设，以修正不同用户信号的载波频率。

本发明用于接收侧的无线通信装置，包括：信号接收模块，用于接收不同区域内不同用户信号；时间调制模块，用于对射频信号进行周期性调制；模数转换模块，用于对单通道信号接收并进行模数转换；信号解调模块，用于解调不同用户信号。本发明用于接收侧的无线通信装置还包括预解调模块，用于在解调不同用户信号前，利用空分和/或时分和/或频分多址的融合方法对信号进行解调。其中，所述预解调模块还包括频分/空分结合子模块、同向多用户频分多址子模块、不同向多用户空分多址子模块。频分/空分结合子模块利用位于不同方向上的用户信号在接收机中频率的不同，将在空间链路上频率相同的用户搬移到接收机中频谱的不同位置，实现接收端1：1频率复用。同向多用户频分多址子模块是在同一方向存在大量不同用户时，此时热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，将这些用户搬移到不同的频谱位置，按照频分多址的方式进行工作。不同向多用户空分多址子模块用于在不同波束覆盖范围内，不同载波频率的不同方向用户经过接收端时间调制后可以在接收端频谱的同一位置上，然后采用时分的方式进行工作。

本发明用于接收侧的无线通信装置的信号接收模块还包括子阵划分子模块，用于区分不同波束覆盖范围内用户群。本发明用于接收侧的无线通信装置还包括信号解调修正模块，用于在对射频信号进行周期性调制前对所有用户信号载波进行补偿。该信号解调修正模块还包括计算子模块和修正模块，其中：计算子模块用于计算多普勒频移量；修正子模块用于将所述多普勒频移量在时间调制模块中进行预设，以修正不同用户信号的载波频率。

进一步地，请参阅图1和图2，其显示的是基于四维阵列的一体化相控阵星上射频交换系统。在上行链路中，通过基于空域索引的频域滤波技术，可以区分并解调来自不同方向(天线波束)的同频信号，从而使得所有小区使用统一的上行频率，也就是使用同一频率的不同波束内的用户信号到达星上后经新型相控阵天线接收将处在星上转发器工作带宽的不同位置。而在下行链路中，通过基于空域索引的变频技术，可以将同频点下行信号在波束(空间)域之间进行频率隔离，实现下行链路的基于SDMA的FDMA联合多址。另外，同一颗卫星覆盖的区域也可以使用相同频率，由于不同用户在区域的不同方向，各自射频通道的工作频率也会不同，避免了不同用户的同信道干扰。

如果某一颗卫星覆盖区域对应了若干热点，即存在大量用户，会造成星载多波束天线射频端所需带宽过大、甚至超出射频器件的能力。此时可以采用如下若干措施及其组合，在有限频谱资源条件下实现传输能力的最大化，实现空分/时分/频分多址的融合：1)将阵列天线分成若干子阵，分别对应不同区域。子阵的划分由用户的分布状态和链路的性能具体计算。如热点区域子阵的单元数量大，而用户分布稀疏并且信号质量好的区域子阵的单元数量少；2)将时分与空分相结合，即将传输速率要求低的用户搬移到同一个频谱位置，用时分的方式交替通信。此时由于这些用户可能位于不同的方向，他们在空间链路上的频率将会不同，但这并不影响频谱资源的利用；3)如果热点区域位于卫星覆盖的同一个波束内，即同一方向存在大量不同用户。那么可以将这些用户搬移到不同的频谱位置，那么这些由于相对方向相同，空间链路上的频率将会不同，也就是按照频分多址的方式进行工作。

采用四维阵列在射频端实现多普勒频移补偿。具体而言，根据两个卫星的相对径向速度计算出对应的多普勒频移量，将此频移量在调制频率中进行预设，即可在射频端实现多普勒频移补偿。而多普勒频移量则可根据星历表计算得到。当卫星高速运动中方向不断改变时，改变相应的调制频率修正量即可适应多普勒频移量的变化

本发明为了提高频谱利用率，采用了基于四维阵列的空分/时分/频分多址的融合技术，其特征在于通过该阵列天线可以将系统中的空间、频率和时间资源进行池化管理。也就是可以将空间不同方向的同频信号通过控制接收阵列天线的调制频率，搬移到星上转发器的不同频谱位置；或者反之星上转发器同一频谱位置的信号可以通过控制四维阵列的调制频率，实现空间不同方向的波束的不同载波频率。进一步将时分与空分相结合，即传输速率要求低的用户用时分的方式交替通信，对传输速率要求高的用户则用空间资源或频率资源满足其要求。