基于多维特征的LoRa并发传输解调方法技术

本发明专利技术提供基于多维特征的LoRa并发传输解调方法，包括以下步骤：在物理层同时利用LoRa信号的频率特征和能量特征对并发传输的LoRa信号进行解调，可以不修改设备硬件，直接部署在LoRa接收端；通过计算不同symbol对应频率的能量金字塔（Energy pyramid）来从冲突的LoRa传输中分离symbol，从而达到并发解调的目的，本发明专利技术接收端可从碰撞的数据包中恢复数据，无需重传数据包，节省了能耗。节省了能耗。节省了能耗。

【技术实现步骤摘要】
基于多维特征的LoRa并发传输解调方法


[0001]本专利技术属于通讯技术
，尤其涉及涉及一种LoRa物理层并发传输方法。

技术介绍

[0002]LoRa调制与解调原理：低功耗广域网(LPWAN)技术以其低功耗和长距离通信的特点推动了生活中的广泛应用，包括LoRa、NB
‑
IoT、Sigfox和Weightless等，是近年来新兴的流行技术。目前也有许多基于这项技术的应用程序，如帆船监测系统、健康和幸福监测、农业监测。LoRa的基本信号称为chirp，根据其作用及在时频图中形状的不同可分为upchirp、downchirp和symbol。三种chirp的时频图中如图1所示。可以看到，upchirp的频率随时间增加，downchirp的频率随时间减少，symbol的频率有随时间增加的趋势，但会在带宽的上边界被截断，并重新从下边界开始增长。
[0003]LoRa根据扩频因子SF的值，将每个chirp分为2
SF
个码片(chip)发送。Chirp的整个带宽被每个码片平分，因此每个码片对应着带宽相同的一段频带。此处用f
chip
代表一个码片的带宽。LoRa利用upchirp进行调制。首先将二进制比特流转化为十进制数字(此处用sym代表这个数字)，然后在频谱上将upchirp向上搬移sym对应数量的码片个数，其超过带宽上边界的部分将被截断，并从下边界开始增长。用x
sym
[n]表示该波形的离散形式：
[0004][0005]此处将信号的振幅取为1。BW代表信号带宽，表示带宽的下边界。n是离散信号的下标，L为表示一个chirp所需的离散信号点数。
[0006]upchirp和downchirp可以看作特殊的symbol，upchirp对应着sym＝0的情况，downchirp在时频图上是upchirp的镜像对称。
[0007]在获得基带上的波形后，利用高频载波，将其频谱搬移到可通过天线发射出去的高频段，即完成了LoRa信号的调制工作。
[0008]为解调一个LoRa信号的symbol，需计算其sym值，即时频图中upchirp向上搬移的码片数量。为此，将symbol的波形乘以一个downchirp，如式(2)所示：
[0009][0010]结果信号的频率中中仅包含了sym的信息。此时利用傅里叶变换，在信号的频谱图中选择幅值最大的频段即可恢复所传输的数据信息。这一过程称为dechirp。
[0011]LoRa并发传输：LoRa在大规模部署时会不可避免的产生并发冲突，尤其是在长距离通信中，来自各处的LoRa节点随机发送的信号经自由空间传播到同一个网关时不可预测地发生碰撞。为能够有效地接收节点发来的数据，网关必须具备一定的并发解调能力。
[0012]LoRa本身具有一定的并发传输能力。通过将信号调制到不同的载波，并在相同的
载波上使用不同的扩频因子发送LoRa信号(不同扩频因子的LoRa信号互不干扰)，可实现多个LoRa通信的并发进行。
[0013]当节点数量增加至一定规模时，不同载波频率与SF的组合无法满足大量节点的并发通信需求，此时需要在MAC层进行信道的协调分配。然而，MAC层的协调能力有限，不能完全避免信号的冲突，因此，LoRa的接收端必须能够在物理层进行并发解调。
[0014]现阶段的LoRa并发传输在物理层的解决方案大多数聚焦于单一的信号特征。例如，基于CFO(CFO，Carrier Frequency Offset)的方法一般通过检测因制造工艺限制产生的固定信号频偏来将每个LoRa传输对应到其发送端，从而达实现并发解调。以及，不同设备发送信号的能量不同的现象也可用于解调并发的LoRa传输。这些方法均在LoRa并发解调上有着一定的进步，但同时也因特征单一而有着各自的局限性。
[0015]由于LoRa的设计是为了在长范围(例如超过10公里)支持这些应用，大量的LoRa设备不可避免地同时存在，这会导致严重的包丢失问题和网络性能下降。考虑到大量设备的快速部署和LoRa流量不可避免的突发，这一问题将成为越来越关键的挑战。

技术实现思路

[0016]为解决上述问题，本专利技术公开了本项目同时利用多个LoRa特征解调并发的LoRa传输，即综合利用了信号的频率和能量信息，通过计算不同symbol对应频率的能量金字塔E
p
(Energy pyramid)来从冲突的LoRa传输中分离symbol，从而达到并发解调的目的。
[0017]本专利技术的基于多维特征的LoRa并发传输解调方法，在物理层同时利用LoRa信号的频率特征和能量特征对并发传输的LoRa信号进行解调；可以不修改设备硬件，直接部署在LoRa接收端；通过计算不同symbol对应频率的能量金字塔E
p
(Energy pyramid)来从冲突的LoRa传输中分离symbol，从而达到并发解调的目的；具体包括以下步骤：
[0018]步骤1：检测LoRa传输的preamble，并将每条LoRa传输的符号与该传输绑定；
[0019]步骤2：遍历所有symbol对应的起始频率，计算待解调符号经dechirp后，在每个起始频率处与计算窗口不同重叠程度情况下的频率
‑
能量特征值；
[0020]步骤3：利用滑动窗口及upchirp的能量平均值，计算待解调符号的频率
‑
能量特征参考值。
[0021]步骤4：基于待解调信号的频率
‑
能量特征值与频率
‑
能量特征参考值之间的差异来解调信号。
[0022]其中，所述步骤1：持续计算接收信号在一个symbol长度的窗口内dechirp后的频谱，若连续检测到8个相同的峰值频率，则视为检测到了LoRa传输的preamble；由于LoRa的包结构是固定的，因此，在检测一个LoRa数据包的preamble后，可以很容易地确定其数据负载部分各个symbol的位置；当检测到一个LoRa数据包的preamble时，根据包格式向后查找数据包的符号部分，并将其与该条传输绑定，之后仅需解调出该符号的具体值即可；对于其他并发的传输采取同样的处理方法。
[0023]其中，所述步骤2：设立能量金字塔E
p
(Energy pyramid)；对于计算窗口内的待解调符号，遍历其在不同起始频率下，与计算窗口不同重叠程度情况下的能量大小，作为待解调符号的能量金字塔E
p
：
[0024][0025]式中Δn＝sym
‑
k，Δf＝Δn*f
chip
。
[0026]其中，所述步骤3：设立基准能量金字塔E
pr
(Energy pyramid reference)；基准能量金字塔利用了LoRa数据包中称为preamble的部分，该部分一般由8个upchirp组成，用于LoRa数据包的检测和定位；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多维特征的LoRa并发传输解调方法，其特征在于：在物理层同时利用LoRa信号的频率特征和能量特征对并发传输的LoRa信号进行解调；可以不修改设备硬件，直接部署在LoRa接收端；通过计算不同symbol对应频率的能量金字塔E
p
(Energy pyramid)来从冲突的LoRa传输中分离symbol，从而达到并发解调的目的；具体包括以下步骤：步骤1：检测LoRa传输的preamble，并将每条LoRa传输的符号与该传输绑定；步骤2：遍历所有symbol对应的起始频率，计算待解调符号经dechirp后，在每个起始频率处与计算窗口不同重叠程度情况下的频率
‑
能量特征值；步骤3：利用滑动窗口及upchirp的能量平均值，计算待解调符号的频率
‑
能量特征参考值。步骤4：基于待解调信号的频率
‑
能量特征值与频率
‑
能量特征参考值之间的差异来解调信号。2.根据权利要求1所述的基于多维特征的LoRa并发传输解调方法，其特征在于：所述步骤1：持续计算接收信号在一个symbol长度的窗口内dechirp后的频谱，若连续检测到8个相同的峰值频率，则视为检测到了LoRa传输的preamble；由于LoRa的包结构是固定的，因此，在检测一个LoRa数据包的preamble后，可以很容易地确定其数据负载部分各个symbol的位置；当检测到一个LoRa数据包的preamble时，根据包格式向后查找数据包的符号部分，并将其与该条传输绑定，之后仅需解调出该符号的具体值即可；对于其他并发的传输采取同样的处理方法。3.根据权利要求1所述的基于多维特征的LoRa并发传输解调方法，其特征在于：所述步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帅，胡斌，梅洛瑜，张杰锋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：