摘要
近年来，物联网（Internet-of-Things，IoT）得到了飞速发展，无线通信是IoT进一步发展的核心驱动力之一。随着IoT应用场景的不断丰富，IoT通信对于传输可靠性和传输速率的要求也越来越高。作为一种拥有着低功耗、低成本以及抗干扰能力强特点的调制技术，扩频调制在IoT通信中具有显著的优势。在IoT通信业务当中，目前短距离通信的占比仍为最高，然而，IoT远距离通信的业务量则有着更高的增长速度。面向IoT短距离通信的场景，差分混沌移位键控（DifferentialChaosShiftKeying,DCSK）调制作为一种以混沌信号为载波的扩频调制方案，被认为是该场景下一种极具潜力的无线通信技术。而面向IoT远距离通信，LoRa扩频调制已成为低功耗广域网（LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN）中主流的无线通信技术。为了能更好的发掘这两种扩频调制技术在IoT通信中的优势，本文围绕传输可靠性和传输速率这两个关键需求，分别对于面向IoT短距离的DCSK扩频调制和面向IoT远距离通信LoRa扩频调制展开理论研究，开展了以下工作。 针对IoT短距离通信： (1)提出并研究了两种索引调制（IndexModulation，IM）辅助的DCSK系统。首先提出了一种具有发射分集的DCSK方案（DCSKwithTransmitDiversity，TD-DCSK）。该方案引入了多天线技术和IM技术。在TD-DCSK方案当中，利用混沌信号的正交性设计了新型的空时块模式，基于所设计的空时块可以使得TD-DCSK方案在多径衰落信道下实现满分集。在此基础上，在多径Rayleigh衰落信道下对TD-DCSK方案的理论误码率（BitErrorRate，BER）和分集度进行了分析。通过数据速率分析，TD-DCSK方案可以实现比现有的多天线DCSK方案更高的数据速率。仿真和理论结果表明，TD-DCSK方案还具有优于现有多天线DCSK的BER性能。然后，还提出了一种多维度IM辅助的DCSK（DCSKwithMultidimensionalIM，MIM-DCSK）扩频调制方案。在该方案当中，时隙、载波以及Walsh码的索引都被同时用于承载信息比特。因此，相比于现有的IM辅助DCSK系统，MIM-DCSK系统利用了更多的传输资源以实现更高的数据速率。仿真和理论结果表明，在数据速率相近或相同的情况下，MIM-DCSK系统有着优于现有IM辅助DCSK系统的BER性能。 (2)针对DCSK扩频调制提出了可重构智能表面辅助的M进制调频DCSK（ReconfigurableIntelligentSurface-aidedM-aryFrequency-ModulatedDCSK，RIS-M-FM-DCSK）系统，并根据通信场景的不同为该系统设计了两种传输方案。方案I针对源节点和目的节点存在直射路径的场景所设计，在该场景中，RIS被作为发射机的一部分。在方案I中，源节点的信息比特不仅通过混沌信号所承载，还通过RIS加载在混沌信号上的相位来承载。方案II则针对源节点和目的节点间不存在直射路径的场景所设计。在该场景中，源节点和中继节点都可以将自身的信息比特传输给目的节点。在方案II中，RIS被当作无源的中继，该中继可以利用RIS将自身的信息比特加载在源节点所发出的信号上，并反射给目的节点。此外，在多径Rayleigh衰落信道下对RIS-M-FM-DCSK系统的理论BER表达式进行了推导。与现有的多天线DCSK方案和中继DCSK方案相比，RIS-M-FM-DCSK系统在BER性能上有着大幅的提升。 针对IoT远距离通信： (1)提出并研究了基于空时分组码（SpaceTimeBlockCode，STBC）的多输入多输出（MultipleInputMultipleOutput,MIMO）LoRa系统，称之为STBC-MIMOLoRa系统。本文将STBC-MIMO配置引入了LoRa通信系统来解决LoRa扩频调制在衰落信道下性能严重恶化的问题。为了评估STBC-MIMOLoRa系统的性能，在完美信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）和两种信道估计误差模型（ChannelEstimationErrorModel，CEEM）的情况下推导了闭合形式的理论BER表达式。基于所推导的BER表达式，分析了STBC-MIMOLoRa系统的分集度和吞吐量。根据理论分析和仿真研究的结果表明，STBC-MIMOLoRa系统的BER性能显著好于单输入单输出（Single-InputSingle-Output，SISO）LoRa系统。研究还发现，若为STBC-MIMOLoRa系统配备两根发射天线，并为LoRa网关配备多根接收天线，可以在BER性能和吞吐量之间实现平衡。 (2)设计了一种基于起始频点（StartingFrequencyBin，SFB）索引的频点索引辅助LoRa（Frequency-Bin-IndexLoRa,FBI-LoRa）通信系统。该系统致力于解决传统LoRa系统数据速率低的问题。本文为FBI-LoRa系统设计了两种传输方案。为了保持系统的低复杂度，FBI-LoRa系统对LoRa信号的SFB进行了分组。在方案I中，每个SFB组中SFB索引的组合被用来携带信息比特。而在方案II中则使用SFB组索引的组合以及被选中的SFB组中的SFB索引的组合来承载信息比特。由于对SFB的充分利用，在相同参数下，方案I有着更高的数据速率而方案II则有着更好的BER性能。本文在Rayleigh衰落信道下分析了FBI-LoRa系统的理论BER性能和吞吐量性能。理论和仿真结果表明，FBI-LoRa系统相比于传统LoRa系统在略微牺牲BER性能的前提下获得了吞吐量性能的大幅提升。
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