CN105471785B - 无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信方法。一种由多个基站控制多个端点的方法，包括由至少一个端点发出帧并且将帧发送到至少一个基站，在接收帧时从基站向端点发送响应帧，响应帧包括多个下啁啾、至少两个序列和附加的控制序列，所述至少两个序列中的每个包括肯定确认和增加速率以及肯定确认和减少速率。

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呈现极大的可变性。

在本领域中还已知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’。

在本领域中存在对于将长传输范围与低功率消耗搭配的并且可以利用简单的接收机和发射机实现的数字传输方案的需要。

大部分无线网络根据网络实现端点的控制。例如，在2G/3G/4G蜂窝网络中，端点需要在使用网络之前得到它们的许可的访问，并且网络控制它们的传输速度和传输功率。使用关于数据的相同分组来执行控制，控制可能被背负在数据分组中。这允许控制信息的可靠的传输。 WiFi网络具有简单得多的介质访问控制。端点实现“对话前监听”机制。另外，以隐式方式执行链路速率自适应：根据具有各种数据速率的分组的传输差错统计，针对交换的分组中的大部分选择最佳速率。归功于确认分组，实现了信息的可靠传输。这些技术承担大量的下行链路传输，因为网络针对语音操作是对称的，或者针对数据访问是下行链路占主要地位的。进一步地，这些技术增加端点的需要的监听时间。因此，所需要的是提供用于展示较低量的下行链路传输而不影响端点的需要的监听的网络控制的技术。

可以不以与蜂窝或甚至WiFi网络可以被精细控制的方式相同的方式来控制低吞吐量网络。这是由于特定于如下事实的若干限制，所述事实是在这些网络中必须尽可能多地节省端点电力并且数据速率相应地低。由端点发送的分组的数量通常非常有限，可能下至一天一个分组。这使得基于统计的自适应机制不切实际，因此不可以使用基于WiFi的技术并且需要更明确的数据速率控制。另一可能的限制是分组的大小通常非常小的事实，大约20字节或更小。如果相似大小的正常数据分组被用于控制，则它们将对大部分带宽使用有贡献。另一个的可能的限制在于端点的监听时间由于电力节省、端点在不可接受的低功率状态花费大部分时间而是有限的。这是为什么可以不将正常分组、广播/多播分组用于控制的另一个原因。进一步地，在使用未许可频带的某些部署中，传输占空比（duty cycle）有限。这对于端点而言不是问题，但是极大地影响留给在网络基站级别的控制的时间。

尽管这些限制，仍存在对网络自适应的需要。通过改变端点的数据速率，链路速率自适应减少到最小，用于待传输的给定数据播出的时间：这增加网络容量并且更重要的是节省电池寿命。传输功率自适应除链路速率自适应以外到来，或者可以被单独使用。该功率自适应也节省端点电力并且增加容量。其减少对基站尝试接收的、其他端点传输的潜在干扰。端点可以是轻微移动的、环境可以随时间改变或者该网络可以随时间改变：这促使自适应机制的使用。自适应机制必须尽可能地简单以满足低吞吐量网络的约束。

因此，本发明的目的是提出能够提供合适的控制机制、尤其是在低吞吐量网络中的合适的控制机制的装置和方法。

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在多个端点之间的无线通信方法，包括：由所述多个端点中的至少一个发出上行链路消息并且向所述多个基站中的至少一个发送所述帧，所述上行链路消息被根据啁啾扩频格式调制并且包括一系列频率啁啾；在接收所述上行链路消息时，从所述多个基站中的所述至少一个向所述多个端点中的至少一个发送响应消息，所述响应消息包括未由在上行链路消息中的协议使用的啁啾的序列。

根据本发明的其他方面，上行链路消息的频率啁啾具有占优势的（predominant）向上或向下方向，并且响应消息的啁啾具有与在上行链路消息中的频率啁啾的占优势的方向相反的方向。根据是从属权利要求的目的的本发明的其他实施例，响应消息的频率啁啾被调制并且传达使端节点适应像例如传输速度、数据速率、扩展因子等等的它的通信参数、因此实现网络控制的形式的指令。

由本发明提出的控制机制适合于对调制的啁啾扩频循环移位。控制从基站去往端点，并且展示出比传统消息的占空比更低的占空比。进一步地，本发明的控制机制还能够处理冗余的基站：在没有协调的情况下若干基站可以进入控制回路。控制机制是可靠的并且允许在网络参数中的可靠性对播出时间的交换。

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以及本发明的优点的更详细的解释。

附图说明

本发明的以上和其他的方面、特征和优点将根据连同以下附图呈现的其随后的说明变得更加明显，其中：

图1是根据本发明的、针对控制回路的操作的基站的帧格式的表示；

图2包括响应参数的表示。

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。

如本文以下描述的那样，本发明的实施例提供用于控制低吞吐量网络的机制和系统。

如上文讨论的那样，用于控制低吞吐量网络的某些初始技术方案使用仅传输端点。虽然这是简单的控制机制，但是它导致来自端点的功率的浪费和网络容量的浪费。其他技术方案使用标准的分组来确认某些传输。归于该技术方案的不利是占空比限制。该限制可以是1％。假设简单随机接入，上行链路网络负载可以是5至20％。利用“对话前监听”，允许载波感测介质访问CSMA，这甚至可以增长50％。并且由于上行链路帧非常短，所以当使用正常分组时，可以利用其他控制信息确认或者响应上行链路帧的非常有限的部分（降到2％）。

如将随后详细讨论的那样，利用本发明的方法和装置可以实现基于LoRa无线技术的对无线网络的改进。该技术使用啁啾扩频。针对数据传输，调制啁啾符号。测距和/或定位是网络的附加（add-on）。存在对应于不同的数据速率的若干可能的扩展因子。

可以以两个相反方向来合成啁啾，即具有增加频率的上啁啾和具有减少频率的下啁啾）。在基带表示中，下啁啾是上啁啾的复共轭。针对每个扩展因子，可以使用两个通信信道。一个主要使用具有增加频率的啁啾（上啁啾），另一个主要使用具有减少频率的啁啾（下啁啾）。出于同步目的，上啁啾（分别地下啁啾）制成的帧可以包含非常有限数量的相反极性的啁啾。在典型实现中，在包括至少30个符号的分组之中，上啁啾帧仅包括前导中的两个完全相同的未调制的下啁啾。

使用LoRa的低吞吐量无线网络可以是冗余的固定频率网络：所有端点可以使用对于任何网络基站的可用频率中的任何频率。还有可能使用蜂窝部署，其中每个基站仅使用在网络中的可用频率的子集，或者两者的组合。与集中介质访问控制（诸如TDMA）组合，蜂窝部署对使在密集区域的容量最大化有益。

在低吞吐量网络的情况下，它们的兴趣在于干扰减轻：由于许多部署发生在许可免除（exempted）频带，所以网络需要共存在相同频带上。冗余部署对于游动端点而言是最好的，因为没有切换的需要。在基于LoRa的低吞吐量网络中，在物理或者数据链路层处的基站的实时协调是可选的。特别地，本发明允许来自若干基站的确认或者控制消息共存。

本发明根据它的实施例中的一个提出适合于循环移位调制的啁啾扩频的控制机制。控制从基站去往端点，并且展示比传统消息的占空比更低的占空比。还能够处理冗余的基站：在没有协调的情况下，若干基站可以进入控制回路。控制机制是可靠的，具有交换在网络参数中的可靠性对播出时间的能力。

图1是端节点和基站（未表示）之间的交换的表示，所述基站从多个端节点收集数据并且负责适配网络参数，例如传输速率。根据本发明，交换通过由端节点传输到基站的上行链路消息116开始并且可选地使端节点适配它的传输参数，下行链路消息120在所述上行链路消息116之后，并且通过下行链路消息120基站向端节点确认接收。

本发明未联系到上行链路消息116的具体结构。然而，在下文中将呈现基本上如在欧洲专利申请EP2763621中描述的结构，读者可以参考其用于进一步的信息，并且通过引用将所述专利申请并入，具有这不是本发明的必要特征并且仅作为示例被呈现的附带条件。

消息116开始于前导102，其目标是允许在发送者和接收机之间的，在时间和频率两者中的检测和同步。进一步地，消息包括包含用于解码的必要信息的报头104以及传达由端节点传输到基站的信息的净荷106。参考110的轴是在基站处测量的时间。

帧的报头部分104可以包括包含关于出于什么目的意图帧的指示的数据字段以及需要其响应或者确认的具体设备的标识码。仅具有等于在报头中指定的标识码的标识码的该具体设备应该响应于请求。

下行链路消息优选地存在于未由在解链消息中的协议使用的啁啾的短序列中，并且因此可以利用最小的计算努力容易地标识。

为了举例，在由LoRa设备使用的帧协议中，上行链路消息仅包括相同方向的、被不同地调制的、具有在前导中的相反方向的两个未调制的相邻啁啾的唯一例外的啁啾。因此，如果选择上啁啾信道，则三个或更多连续的下啁啾明白地标识下行链路消息，而不论它们的调制状态，并且反之亦然（inversely）。如将在下文中看到的那样，由于该标识不需要啁啾的单个预先确定的调制，因此可以使用调制来传输网络自适应消息。

在可能的实施例中，上行链路消息主要由上啁啾组成。在从端点接收帧116时，基站插入延迟108并且发送存在于三个下啁啾的序列中的响应120，其被用于确认上行链路帧的接收和控制传输端节点访问网络的方式两者。优选地，协议定义两个编码序列：肯定确认+增加速率、肯定确认+减少速率，但是可以定义更多序列，例如用以控制端点网络访问。这些序列可以是先前的一些的循环移位和/或可能需要包括多于三个符号的后链路（backlink）消息。

优选的，响应符号被对齐到频率并且对齐到端点的采样定时：这使得响应更可靠并且在端点中更容易检测。可以根据两个策略在时间上对齐响应符号：带来更多的可靠性，或者给出端点测距估计。另外，控制序列的单独的符号可以是彼此独立并且针对每个基站不同地相移。响应的解释不要求同步也不要求FEC解码，因此除短消息之外，通过端点的响应的处理是快速的且需要低功率。这意味着基站补偿在该具体端点和它本身之间的振荡器的相对误差。采样漂移的补偿可以通过斜率的修改而不是时间插值来执行。目标是相对的参考振荡器差异对端点透明，端点没有注意到在频率或者采样定时中存在差异。下行链路消息120在上行链路消息116之后，这将结合图2被更详细地描述。

图2示意性地表示在下行链路响应的结构，在这种情况下下行链路响应包括四个调制的下啁啾。如之前陈述的那样，在上行链路116和下行链路120之间存在可以具有预先确定值D0的延迟118。在表示的示例中，下行链路120包括，经由调制值M0、M1、M2和M4和符号的相位偏移P0、P1……P4来表征的五个下啁啾，但是其他结构也是可能的。

在给出可能的调制值M0、M1、M2等的示例之前，重要的是注意循环移位调制的性质：小的时移等同于调制值偏移。例如，1个样本（即1个芯片）的时移等同于调制值增量（delta）1。然后，传播延迟在不被补偿时被转换成调制值偏移。通常的部署将使用在乡下的若干公里的小区半径，这转译为大约20个样本延迟（500 KHz带宽，12Km）的最大值，并且针对大部分情况低于8。

优选地，不应该在下行链路120中使用相同的符号或者由少于三个调制单元分离的符号的连续（succession）。以该方式，端节点可以容易和可靠地针对上行链路传输的下啁啾部分区别下行链路消息。另一较小约束是小调制值（接近0或者接近SF-1）比高调制值（接近SF /2）更可靠。

下面提供的表说明了针对调制值的、针对各种数量的消息和关于传播延迟的情况的各种示例。

表1：调制值示例，2个消息、7个样本最大传播延迟。

表2：调制值示例，2个消息，基站补偿的传播延迟。

表3：调制值示例，5个消息，基站补偿的传播延迟。

在第一模式中，由基站插入在上行链路和下行链路之间的延迟D0是整数数量的符号。针对小的扩展因子，其可以是2个符号使用于TX/RX的时间切换，并且针对较高的扩展因子，其可以是单个。接收控制的端点然后能够估计在基站和它本身之间的传播时间（实际上，两倍于传播时间）：延迟越高，由端点接收的表观（apparent）调制值就越高。这赋予端点粗略的估计的距离。

在第二模式中，D0可以通过在基站和端点之间的估计的传播时间减少。例如，该估计的传播时间可以出自测距序列。由于该补偿，控制符号在时间上对齐地到达：由端点接收的表观调制值不能不同于基站传输的预期的调制值。这使得控制操作更可靠。

取决于针对D0的模式，端点需要搜索各种数量的潜在消息。端点需要搜索乘以由传播引入的可能的样本延迟的数量的消息数量。利用传播补偿，这减少到控制消息的数量。该搜索空间的大小示例性地在2和20之间。这对于估计消息的成功可能性而言是重要的。

影响消息的错误概率的另一参数是在序列中的符号的数量：序列越长，可靠性越好。两种错误以与在检测中的方式类似的方式发生：可以错失控制消息，这是“漏检”，或者可以虚构控制消息，这是“假警报”。我们目标在于在非常低的假警报率和非常低的漏检率。

加性高斯白噪声（AWGN）是在信息理论中使用的基本噪声模型，以通过向理想信号添加具有恒定谱密度（被表示为带宽的每赫兹瓦特）和振幅的高斯分布的白噪声来模拟实际上发生的许多随机过程的效果。在其简化中，该模型提供对于获得对系统的行为的洞察而言是有用的、简单的和易于处理的数学模型。

在针对32个消息、8 dB信号与噪声比（SNR）后解扩以及阈值40的AWGN信道的假设下，利用五个符号的确认消息，由本发明提出的下行链路方法，假警报率（接收的错误控制）0.05%那样低，而漏检（未接收到的良好的控制）大约1％。这些是相当悲观的假设，因为8 dB是针对信号与噪声比的最坏的情况，并且32个消息也是最坏的情况，因为32是潜在消息的数量（4）乘以归因于传播的可能的延迟的数量（8）的乘积。

在4个消息、12 dB SNR以及由范围估计导出的时间同步的更实际假设下，AWGN近似产生可忽略的假警报率（大约每消息1E-6）和0.1％的漏检。更进一步地，仅利用三个符号的确认消息获得这些值。总的来说，这证明了设计的机制适合于快速和可靠的速率/功率/网络控制。

优选地，符号120除它们的调制值之外，由P0、P1、P2等记录的相位偏移单独地表征。可以针对每个基站将相位偏移设置为随机值。这在其中多个基站在相同时间传输具有相同序列的应答分组的情况下是有用的。相移减轻在这些并发的传输之间的干扰，因为具有不同相移的符号不互相干扰。如果破坏性的干扰发生在一个符号上，则另一符号仍然将是可检测的。代替随机地设置，可以根据计划，例如以附近的基站总使用不同的相移的这样的方式，或者通过任何合适的算法有意地分派相移。不需要将相位偏移应用于在控制序列中的所有的符号，但是优选地将它们应用于除了第一个之外的所有符号。

除上文讨论的本发明的示例性实施例之外，设想针对本发明的进一步实施例，如下文描述那样：

根据本发明，基站可以使它们的响应时间对齐混乱或者等同地偏移它们的调制值序列。端点可以不再做测距，但是碰撞概率成为零。

除控制消息之外，根据本发明，可以使用相同的消息的进一步循环移位来标识基站。可以针对每个基站随机地设置或者在网络中规划时间偏移（或循环移位），并且它们可以与频率使用对齐。假设例如一个或两个信道在每个基站上可用并且其他不可用（用以使容量最优化或者用以避免干扰的频带）。以该方式，在移动信道上的响应通知可以使用哪个其他的频率。不需要长时间监听信道以访问网络。然后每个基站（BTS）具有偏移。偏移的量大于在网络中的最大飞行时间。不需要将时间偏移应用于控制顺序，但优选地以相同的量将它们应用于所有符号。

消息策略的时间对齐/数量可以取决于扩展因子。例如，对于最高的扩展因子，基站可以使用延迟用信号传送它们的ID/非移动频率，其还允许粗糙的测距。然后针对所有其他的扩展因子，基站在时间上调整它们的响应以对齐到端点的符号边界，加上芯片的整数数量的计划延迟：这允许端点的最佳并发控制。

针对特定的端点，可以由基站减少符号的数量。当信号与噪声比允许足够的裕度时，例如可以发送2个符号而不是4个符号。这减少基站的传输占空比，但仍可以在有利的环境下给出回路控制的准确性能。端点不需要知道减少数量的符号，并且可以使用相同的算法来接收控制消息。

在端点侧，有可能在若干控制消息上取平均以调整在时间中的窗口。这样，接收的符号良好地位于单个调制值上。

可以以任何适当的方式对端点编程以解释下行链路消息。可以将确认的缺乏解释为传输差错并且触发上行链路帧的重传。可以针对所有分组或者优选地针对选择的分组当然地生成确认下行链路，所述选择的分组仅由在上行链路的报头中的合适的标志位标识。优选地，在每个上行链路传输之后的既定时间间隔期间或者仅在针对其已经明确请求确认的那些之后，端节点监听下行链路分组。优选地将优先级授予（honor）用以增加和/或减少传输速率的命令。

概况言之，本发明至少针对一种由多个基站控制多个端点的方法，包括：由所述多个端点中的至少一个发出帧并且向所述多个基站中的至少一个发送所述帧，当接收所述帧时，从所述多个基站中的所述至少一个向所述多个端点中的至少一个发送响应帧，其中所述响应帧包括：多个下啁啾、至少两个序列和附加的控制序列，所述至少两个序列中的每个包括肯定确认和增加速率以及肯定确认和减少速率。

两个序列可以是由所述多个基站中的至少一个先前发出的序列的循环移位。将响应帧对齐到所述多个端点中的至少一个的频率。响应帧在采样定时上与所述多个端点中的至少一个对齐。控制序列包括单独的符号。针对所述多个基站的中的所述基站中的每一个独立地和不同地对单独的符号相移。在基站时间中对齐单独的符号。在端点时间中对齐单独的符号。控制序列包括随机相位偏移。

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：

由所述多个端点中的至少一个发出上行链路消息并且向所述多个基站中的至少一个发送所述上行链路消息，所述上行链路消息被根据啁啾扩频格式调制并且包括一系列频率啁啾；

在接收所述上行链路消息时，从所述多个基站中的所述至少一个向所述多个端点中的至少一个发送响应消息，

所述响应消息包括未由上行链路消息中的协议使用的啁啾的序列，其中上行链路消息的频率啁啾包括具有占优势的向上或向下方向的相反方向的啁啾，并且响应消息的啁啾具有与在上行链路消息中的频率啁啾的占优势的方向相反的方向。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述多个端点中的至少一个在上行链路消息发出之后等待响应消息并且将响应消息解释为上行链路消息的接收的确认。

3.如权利要求1所述的方法，其中包括在响应消息的啁啾的序列中的啁啾被调制并且传达使得端节点适配它的通信参数的指令。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述指令使得端节点增加或者减少它的传输速率和/或带宽和/或扩展因子。

5.如权利要求1所述的方法，其中使响应消息与所述多个端点中的至少一个的频率对齐。

6.如权利要求1所述的方法，其中响应消息在采样定时中与所述多个端点中的至少一个对齐。

7.如权利要求1所述的方法，其中在基站时间中对齐包括在响应消息的啁啾的序列中的所述啁啾。

8.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在响应消息的啁啾的序列中的啁啾的至少部分由随机相位偏移或者由单独地分派给基站的相位偏移的组合来表征。

9.如权利要求1所述的方法，其中在控制序列中的符号的至少部分由被基站随机选择的或者单独分派给基站的共同时间偏移来表征。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述端点在预先确定的频率信道上传输和接收。