CN105471469A - 无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信方法。一种基于具有后面是由CSS或由UNB调制在较窄的带宽处调制的数据体的CSS调制的前导的帧、通过多个基站的在多个端点之间的无线通信方法。系统允许避免或减轻在分组之间的冲突并且增加网络容量，这维持了CSS调制的固有检测的简单性。

Description

无线通信方法

技术领域

本发明针对用于在无线网络中由多个基站控制多个端点的方法和帧，特别是但非排他地在网络系统的吞吐量是限制因素并且网络采用合成的啁啾（chirp）调制方案时。

背景技术

在多种系统中使用数字无线数据传输，所述系统在数据速率、传输范围和功率消耗方面皆呈现极大的可变性。使用频谱调制技术来改进对无线电通信中噪声和干扰的免疫性，各种Bluetooth®协议是这样的技术的示例。这些调制方案使用跳频扩频并且实现低消耗和优良的带宽，但是它们的范围被限制为几米。

直接序列扩频技术也是已知的并且可以达到非常高水平的编码增益。在某些情况下，像在GPS系统中，已经显示出在远距离上的优秀的噪声免疫性。然而这些技术的限制是接收机的相当高的复杂度、对于弱信号而言可以非常长的获取时间以及它们的功耗。

欧洲专利申请EP2449690描述了使用数字合成啁啾符号作为调制的通信系统和合适的基于FFT的接收机。

已知在各种射频电路中的啁啾产生，例如US6549562描述了用于生成调制的啁啾信号的方法，而EP0952713示出了基于啁啾信号的同步过程。除其他之外，US6940893和US6614853通过经过波散滤波器传递脉冲信号来描述啁啾信号的生成和使用以及基于此的通信方案。

在本领域中已知的其他参考描述了使用数字合成啁啾符号作为调制的通信系统和合适的基于FFT的接收机。除其他之外，欧洲专利申请EP2763321描述了一个这样的调制方法，其中信号的相位基本上邻接，并且以这样的方式将啁啾嵌入到数据帧中以便允许在发射机和接收机节点之间的同步以及确定它们之间的传播范围。该调制方案被用在Semtech公司的远程LoRa^TMRF技术中，并且其将在该文档的下文中被简称为‘LoRa’。

上文提及的啁啾扩频（也是下文中的CSS）通信系统在大量的端节点的网络的部署中特别有用，其利用低功率并且在长距离上传输有限量的数据。然而，当在网络中的节点的数量增加时，通信可以受到最大可用网络容量的限制。因此存在关于基于啁啾扩频调制对无线网络的聚合的容量的改进的可能性和需要。

CSS网络和其他联网系统可以实施不同的策略以避免冲突或者至少减少它们的可能性，并且因此更好地利用可用容量。已知例如使用载波感测或者‘发送前监听’协议来获得该益处。然而这些系统不可以超过网络的理论容量并且与直随机访问（straigh random access）（也被称为ALOHA）相比总是在功耗和电池寿命方面施加成本。

已知被共同指定为窄带或超窄带（UNB）调制的其他调制技术，其通过多个非常低的带宽信道传输数据。这些系统可以实现长传输距离，并且承诺交付优秀的谱效率。CDMA是使得非常高效地使用可用频谱的另一种已知的调制。然而，这两种技术需要相当大的处理能力和高质量的基准（温度补偿的）振荡器，这限制了在低功率、低成本应用中的它们的有用性。在某些应用中，在上行链路中窄带或超窄带传输供标准的振荡器使用。然而，在这样的情况下，本地振荡器的随机频率漂移改变频率，使得信道边界不能被精确地定义、冲突概率增加并且消极地影响网络容量。

因此，本发明的目的是提出能够改进现有啁啾扩频网络的谱效率的装置和方法。

发明内容

如将在以下描述中证明的那样，已经设想和开发本发明，目的在于向上述客观技术需求提供技术方案。

根据本发明的实施例，提出了通过多个基站的在多个端点之间的无线通信方法，因为其是所附权利要求书的目的。特别地，本发明涉及一种通过多个基站的在多个端点之间的无线通信方法，包括：由发射机发送消息，所述消息包括根据啁啾扩频格式调制的前导和包括利用比前导窄的带宽调制的数据的主体，链接前导的数据速率和主体的数据速率，在接收机中接收所述消息，检测所述啁啾扩频前导，借助于所述啁啾扩频前导将接收机的本地时间基准对齐到发射机的时间基准，并且解调所述主体。

因此结合本发明的示例性实施例提供了关于这些和其他方面的更详细的解释以及本发明的优势。

附图说明

本发明的以上和其他的方面、特征和优势将根据连同下图呈现的其随后的描述变得更加明显，其中：

图1是诸如在LoRa协议中提出的啁啾扩频中的帧格式的表示；

图2示意性地表示根据本发明的一个方面的、对与在图1中的内容相同的内容编码的帧；

图3、4和5图示了分别根据本发明的实施例以及在窄带或超窄带（UNB）调制中的LoRa协议中的冲突；

图6图示了根据本发明的、针对上行链路和下行链路的、组合啁啾扩频和超窄带技术的在基站和端节点之间的信息的交换；

图7表示系统链路速率自适应的可能的方案，并且

图8示出了消息可以如何在时间上重叠而没有冲突。

具体实施方式

实行本发明的目前构思的最佳模式的以下描述不以限制意义理解，而是仅出于描述本发明的一般原理的目的被做出。本发明的范围应该参照权利要求书来确定。

现在将参考图，其中相同的数字至始至终指相同的部分。

针对LoRa调制方案的详细描述，将读者引导到欧洲专利申请EP2449690和EP2763321（通过引用并入本文）。出于简洁，本说明书将简单回顾要点。

LoRa调制基于一连串频率啁啾，其频率沿着预先确定的时间间隔从初始瞬时频率值 改变到最终瞬时频率。为了简化描述，将假设所有的啁啾具有相同的持续时间，尽管这对于本发明而言不是绝对的要求。

啁啾可以由它们的瞬时频率的时间分布（profile）或者还由将信号的相位定义为时间的函数的函数来描述。重要地，LoRa设备可以生成和识别具有多个不同分布的啁啾，每个对应于在预先确定的调制字母表中的符号。重要地，啁啾可以是具有具体和预定义的频率分布的基础啁啾（在下面也被称为未调制啁啾），或者通过循环地时移基础频率分布从基础啁啾获得的可能的调制啁啾的集合中的一个。

在通常的实现中，基础啁啾的频率从初始值线性地增加到最终值（在基带表示中），其中BW代表带宽扩展的量，但是下降的啁啾或其他啁啾分布也是可能的。啁啾的相位优选地由连续函数描述，其在啁啾的开始处和末尾处具有相同的值：，使得信号的相位连续跨越符号边界。该符号间相位连续性使能有利和简练的FFT解调算法。

如上提及的那样，间隔与啁啾周期T一起限定LoRa传输的扩展因子，使得该系统能够以不同的扩展因子操作。重要的是注意到LoRa信号的解调需要扩展因子的知识，并且因此该参数优选地由协议预先确定、被传输到接收机节点，或者算法上可预测，以便避免长搜索。施加BW的共同值使得扩展因子由T单独意思明确地确定是可能并且确实优选的。

图1表示在LoRa网络中的典型传输帧。每个矩形在这里表示啁啾或者等同地表示符号：水平轴110对应于消逝的时间，并且矩形的高度是每个啁啾的相应的带宽的指示。可以观察到，所有的啁啾都具有共同的高度和宽度，对应于共同的带宽和持续时间。

帧116包括前导102，所述前导102包括一连串调制和未调制的啁啾。前导以在专利申请EP2763321中解释的方式使能接收机的时间基准与发射机的时间基准的在时间和频率上的即时同步。根据需要它也可以明显地比在图中表示的更长或更短。

前导102优选地之后是分组报头104，分组报头104包括用于解码之后的数据净荷106所需要的信息。报头在图中由三个调制的符号表示，但它可以明显地包括更多并且事实上它的结构可以被灵活地确定。

本发明涉及图1的传输方案的改进，其通过更有效地使用可用带宽而允许增加LoRA CSS网络的总容量。根据图2中表示的实施例，传输包括如在常规的LoRa协议中的前导部分，之后是对报头104和净荷106编码的一系列符号，其被作为利用较低的带宽和较低的扩展因子调制的啁啾传输。在表示的示例中，利用是前导的带宽的1/8的带宽来调制数据部分，这生成八频率子信道。然而，其他扩展比也是可能的。

优选地，如表示的那样，通过跳频方案，例如根据在算法上可预测的伪随机序列在每个符号边界处改变子信道，或通过另一合适的变体在多个子信道上传输数据。

由于检测和同步依赖于不变的前导，因此这些任务与在常规LoRa CSS调制中的一样简单，特别地，端点可以接收而没有在先同步和使用标准晶体振荡器。然而图2的模式（schema）提供了某些重要的优势，即：

• 由于数据使用较少的带宽，因此更多的频率可用

• 增加网络的共同容量，因为利用较低的带宽、因此以较高的谱效率对进行大部分业务的数据部分编码；

• 在扩展因子和带宽以相同的比例减少的情况下，数据速率和灵敏度不改变。

• 系统与仅利用全带宽的旧有设备兼容。

• 不同的扩展因子在它们表现为到调制调解器的噪声的意义上是‘正交的’，所述调制调解器被设置用于解码具有不同扩展因子的数据。只要信号/干扰比足够高，就可以接收具有不同SR的同时信号而没有错误。

• 针对上行链路和下行链路两者增加容量。

• 利用对现有CSS调制解调器的较小修改可以执行新的调制方案。

• 使用前导部分，帧的精细时间戳记允许非常准确地定位端点。因为前导占用相对高的带宽，所以位置准确性受影响，因为它将通过较窄的带宽。

尽管图2表示报头104和净荷106符号，其具有与在前导102中的那些相同的持续时间，但是应注意这不是本发明的必要特征并且在报头和净荷中的符号可以比在前导中的那些更长或优选地更短。可以设想，例如当条件允许其时使用在报头104中和/或在净荷106中的半长度符号以及在前导中的全长度符号以便增加数据速率。

优选地选择在前导102的符号以及净荷106的和报头104的那些之间的带宽减小比高于符号持续时间的相应比，使得在报头和净荷期间的频率啁啾的斜率（slope）低于在前导中。例如，调制的低斜率啁啾可以由极合成器来生成。

本发明的实施例涉及在无线网络中的通信，所述无线网络包括至少一个基站、通常被连接到更大的网络或被连接到互联网以及向基站或者站传输数据的多个端节点。该配置的一个示例可以是简单的自治设备的无线网络，每个自治设备配备有电池或类似的能量供应、分散在区域中并且与在范围中最接近的基站通信。通常地，借用GSM和蜂窝电话网络的词汇来将从端节点到基站的通信表示为‘上行链路’，而从基站到端节点的反向链路被称为“下行链路”。

在本发明的实施例中，端节点可以根据用于上行链路的多个可能的扩展因子中的一个、根据需要和信道的质量通信。优选地，在给定网络中并且针对给定的扩展因子，所有端点使用单个带宽比和共同的跳频序列。基站知道或可以重建该序列，并且刚好在检测和同步之后开始跳频。该技术可以针对若干扩展因子提供容量增加。优选地，每个扩展因子仅使用单个带宽比和单个跳频序列。

在传输中，端点可以使用基本上与常规LoRa系统相同的调制器硬件、根据所述的跳频序列来调制信号。在接收侧，在基站中，如常在前导中执行检测和同步。优选地，基站处理两个不同的解调装置，一个针对具有恒定扩展因子的旧有信号，并且一个针对由图2描述的增加的容量。根据另一个优选的特征，基站在检测有效的窄带CSS信号时也生成全带信号，已经从其减去/拒绝窄带信号。以该方式，可以同时解调若干传输。

重要地，该实施例允许处理大部分的冲突情况而没有数据损失或最小数据损失：

• 前导干扰减少的带宽净荷：由于不同的扩展因子的正交性，（不同的时间-频率斜率），可以同时解调这些信号，就像不同的扩展因子的常规CSS信号那样。

• 减少的带宽净荷干扰连续的前导：减少的带宽信号是已知的并且在基站中可以从前导减去减少的带宽信号。在该情况下，灵敏度损失可以是极其小的。

• 两个减少的带宽信号彼此干扰。在该情况下，跳频序列被移位并且冲突不发生，或者以统计上的低概率（大约1/BW比）这么做。

• 前导/前导是在前导之间的那些的、仅有的一个直接地有害的冲突。在该情况下，干扰防止针对两个冲突信号中的至少一个或者两个的检测和同步。这可以通过具有若干并行前导检测器的特别设计的接收机来减轻（基于能量累积），这当时间偏移足够时在大部分情况下允许同时检测。

在典型情况下，前导大约10个符号长而整个帧长度可以在18和200个符号之间改变。甚至接受丢弃其中前导-前导冲突发生的帧，这样的错误的概率现在也取决于前导长度并且不取决于整个帧的长度，并且本发明改进冲突比到2和20倍之间。

图3和图4举例说明由本发明的该实施例获得的在网络容量中的优势。图3与通过其所有帧以统一带宽传输的标准LoRa调制相关。表示四个帧，每个包括一个前导102和报头加净荷112。很明显第三和最后的帧冲突（区域380）并且不可以被解调。

图4示出了具有开始于相同时间并且在与图3中的频率相同的频率上的四个帧的相同情况。在净荷之间未发生冲突，尽管已经故意地将它们表示得比在图3中长的事实，并且由于不同带宽的正交性，在窄带净荷符号和宽带前导啁啾之间的重叠不冲突。

该技术还可以应用于下行链路消息。如果基站向端节点发送确认或者消息，这可以以相同窄带格式被调制并且继续上行链路帧的跳频序列。优选地，基站将下行链路消息中的啁啾在时间和频率上与它们作为目的地的端节点的时间基准对齐，使得它们可以被直接传输而没有前导同步序列。这进一步减少了下行链路消息的谱占用。

技术还允许在以FDMA方式在不同频率子信道中堆叠不同的用户，而不是使所有端节点共享所有的子信道。该变体对于低的和中间的扩展因子而言特别令人感兴趣。

当需要利用基站的全功率对用户寻址时，用户堆叠是不可实行的。代之以，本发明的变体通过允许附近的基站同时在相同的扩展因子上共存而没有冲突来增加容量。

为了实现这个，需要在时间上同步基站以好于1/带宽。这确保由用户接收对齐到样本的前导。然后每个基站在传输前导之后切换到未被附近的站使用的跳频序列。基础跳频序列的时间循环移位是生成序列的集合的好方式。然后可以跨网络规划跳频序列。在基站可以在其可以在若干用户之间分割它的功率的情况下被分配若干序列。如果选择带宽比为128，那么可以建立128个正交的跳频序列，这意味着在网络级别处高达128x的容量的总增加。再次，在容量中的该增加仅针对最高的扩展因子。替代地，可以将随机跳频序列分派到基站，其避免网络规划但以某些容量为代价。

根据现在关于图5到8呈现的本发明的另一实施例，帧由啁啾调制的前导开始，之后是借助于超窄带调制的、利用比前导窄的带宽调制的报头和净荷。

在本发明的上下文中，‘窄带’和‘超窄带’指定不故意扩展生成的信号的带宽的数字调制技术。除其他之外，其可以包括频移键控（FSK、GFSK……），相移键控（PSK、BPSK，QPSK……），最小移键控（MSK），移幅键控（ASK、QAM、APSK、OOK），连续相位调制（CPM）。

不考虑其调制，单独的窄带传输具有包括编码增益、在0.25和1.5bits/s/Hz之间的范围中的谱效率。假设用于无线（或其他共享信道）传输的信道接入方法，其允许非协作的用户在时间和频率域两者中共享共同的传输资源，诸如随机信道接入（ALOHA），则可实现的效率在5%和10%之间，这取决于可接受的冲突比。在125KHz信道中，这转化成大约4Kbps的聚合吞吐量。

图3和图5图示了在规则CSS和窄带调制之间的冲突和容量差异。为了简单，可以假设上面和下面两者的每个矩形都携带相同量的数据。与图3的情况的相比，如由重叠区域380指示的那样，冲突仍发生在图5中，然而窄带调制的较大的网络容量是明显的。然而，窄带传输的缺点在于它们检测和解调相对困难，特别是与可以由端点容易地检测和接收的CSS信号相比。考虑到端节点的简单的硬件，检测UNB信号的困难在下行链路中尤其有问题。而且窄带基站比它们典型的CSS对应物复杂得多。

窄带传输在具有非常大的小区的网络中尤其有效，其中许多端点需要最大链路裕度。在这样的小区中，LoRa CSS技术将也带来相同或更好的覆盖但伴随有限的小区容量。CSS传输最适合于小的小区，其中大部分端点使用高数据速率：这节省端点电力，并且即使容量仍比窄带低，基站的成本也较低，因此可以在给定成本包络（envelope）中部署更多这样的基站。

本发明提出如下技术：组合地采用用于在低吞吐量网络中的数据传输的这两个技术。

根据本发明，传输包括根据啁啾扩频（CSS）调制的前导。这样的前导可以在指定的接收机中被容易地并且可靠地检测并且，由于副作用，所以允许在发送者和接收机之间的时间和频率同步。在另一方面，净荷或主体312由窄带信号或者由在分离的频率子信道中的多个窄带信号构成，前者优选地被用于上行链路，并且后者用于下行链路和多播消息。该组合联合由CSS提供的简单的检测硬件和UNB网络的大的小区覆盖。

进一步有利地：在上行链路上的冲突概率减少，因为仅前导具有冲突的重大机会。因为前导在至多帧的1/2并且下至帧的1/10或者更低，所以冲突概率减小到1/2到1/10并且容量相应地增加。

在下行链路上，容量增加甚至更多，因为可以潜在地并行使用所有UNB信道。这尤其有利，因为下行链路容量由基站传输占空比限制，使得虽然广播可能对CSS而言不是问题，但单播传输是。

CSS的使用解决在端点和基站之间的同步问题。在可能的实现中，端点利用它自己的频谱基准选择窄带信道。信道参考啁啾符号的中心频率。针对下行链路，基站针对该设备使用相同的窄带信道做相同的事情。在下行链路的接收时，端点同步到啁啾符号的中心，因此它可以接收其信道，即使其自己的晶体已经漂移。与需要TCXO时间基准的大部分窄带接收机相对，这允许便宜的晶体振荡器的使用。

在另一可能的实现中，端点同步到下行链路传输然后选择用于它的上行链路传输的窄带信道。上行链路传输不需要CSS前导，可以使用UNB前导。被同步到下行链路，UNB信道可以被定义而无重叠。

在帧中的CSS和窄带格式的组合使用不使业务免于冲突，因为在小区中的若干端点可以挑选相同的窄带信道。然而，存在比CSS信道多得多的这样的信道，因此总容量增加。与CSS、窄带和任何无线电系统一样，消息包括针消息预期去往的对象的报头信令。

图6图示了根据本发明的利用啁啾扩频和窄带技术的组合由端节点传输到基站的上行链路消息305的结构。

如可以从图注意到的那样，消息包括在啁啾扩频（CSS）中调制的前导102。在另一方面，根据窄带格式调制消息的主体312。啁啾扩频前导对于在接收机中的检测是简单的，并且前导102和主体312的数据速率被链接，其简化了发现超窄带信号的任务而保留它们在容量方面的优势。

应注意，在上行链路中，端点可以使用多于一个的窄带信道为了相同的目的跨若干相邻窄带信道来增加数据速率，或者以较大的带宽生成调制的信号。第二变体可以是优选的，因为其保留了恒定包络性质。

图6还在右侧图示了根据本发明的从基站传输到一个或若干个端节点的下行链路消息308。

如结合下行链路消息305在上文讨论的那样，维持具有CSS调制的前导的消息。传输可以是单播或者多播并且包括之后是由在窄带信道上的窄带信号制成的主体的CSS前导。应注意在该情况下，相邻窄带信道不重叠，因为它们在频率上同步，来自相同的发射机。这减少了冲突比。在规则的窄带传输中，因为端点不同步，所以信道甚至在下行链路信道中可以重叠。

图7是系统链路速率自适应的示意性表示。

如可以从图看出的那样，系统能够适配它的链路速率。这是在窄带中不容易可能的某事，因为它进一步增加搜索空间。这里，如已经提及的那样，链接CSS和窄带传输两者的速率并且大大简化搜索。如可以在图中看到的那样，扩展因子越高，可用的窄带信道的数量越大，因此由本发明提出的技术方案带来的增益越大。进一步地，根据由本发明提出的技术方案，也可以实现容量提高。

图8是利用由发明的该实施例提出的装置实现的冲突减少的图示，因为分组可以在时间上重叠而不冲突。

如也可以从图看出的那样，利用由本发明提出的装置和技术方案，分组可以在时间上重叠而不冲突。在下行链路上，由于基站控制（master）所有的传输，因此同样不存在冲突。仅有的例外380发生在CSS前导冲突时或者在两个设备在同一时间选择相同的窄带信道时。可以由基站解决发生，所述基站可以选择传输到或者发送消息到哪个设备以将该端点移动在另一UNB信道上。在下行链路上，必须在并行传输之中共享可用功率。同样地，可优选针对每个窄带信道，即每个端点，调整传输的功率的量。

简而言之，本发明还提出了一种组合CSS前导和窄带主体消息的无线传输的方法，前导的数据速率和主体的数据速率彼此相关，使得极大地简化了搜索和发现窄带信号的任务。这减少了在接收机处的计算负荷，进一步的优势是使用该混合调制的无线网络可以实现速率自适应方案而不增加搜索空间的体积。

尽管本发明的某些优选实施例的在前描述已经被示出、描述和指出本发明的某些基本的新颖特征，但是将理解可以由本领域中的那些技术人员做出如图示的装置的细节的形式的各种省略、替换和改变以及它们的用途而不脱离本发明的精神。因此，本发明的范围应该不限于前述讨论。

Claims (10)

1.一种通过多个基站的在多个端点之间的无线通信方法，包括：

由发射机发送消息，所述消息包括根据啁啾扩频格式调制的前导和包括利用比前导窄的带宽调制的数据的主体，将前导的数据速率和主体的数据速率链接起来，

在接收机中接收所述消息，

检测所述啁啾扩频前导，

借助于所述啁啾扩频前导将接收机的本地时间基准对齐到发射机的时间基准，

解调所述主体。

2.如权利要求1所述的方法，其中利用低于前导的扩展因子、通过啁啾扩频调制来调制所述主体。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述主体根据跳频方案占用多个频率子信道。

4.如权利要求3所述的方法，在包括多个节点的网络中，跳频序列方案对所有节点是共同的。

5.如权利要求2所述的方法，在具有多个节点的网络中，包括将不同的子信道分派到不同的节点的步骤。

6.如权利要求3所述的方法，在包括多个基站的网络中，利用时间同步的传输，前导被同时传输，包括将不同的子信道分派到不同的基站的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，其中在窄带调制中调制所述主体。

8.如权利要求6所述的方法，其中如果所述主体312是上行链路消息，则其由一个窄带子信道中的一个窄带信号组成，或者如果所述主体312是下行链路和/或多播消息，则其由在分离的频率子信道中的多个窄带信号组成。

9.如权利要求6所述的方法，包括适配用于窄带调制的主体312的数据速率。

10.一种通过多个基站的在多个端点之间的无线通信方法，包括：

由发射机发送消息，所述消息包括根据啁啾扩频格式调制的主体和前导，

在接收机中接收所述消息，

检测所述啁啾扩频前导，

借助于所述啁啾扩频前导将接收机的本地时间基准对齐到发射机的时间基准，

解调所述主体，

以利用比前导窄的带宽调制的上行链路消息答复发射机，链接前导的数据速率和上行链路消息的数据速率。