CN106817148B - 低通信频度下单一接收机接收扩频因子序列的方法及装置 - Google Patents

低通信频度下单一接收机接收扩频因子序列的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，单一接收机具有单一信道，所述接收机周期性交替进行RSSI基线更新和扩频因子序列接收逻辑：定时采集信道的实时RSSI值，并进行滤波处理，获得平滑的RSSI基线，以更新接收逻辑中的触发阈值；RSSI触发状态下采集信道的实时RSSI值，若超过触发阈值，则进行信道活动性检测，若所述信道检测到扩频因子的前导码，则再次检测实时RSSI值，若仍超过触发阈值，则单次接收该扩频因子的序列，反之不接收并返回RSSI触发状态，进行下一扩频因子的检测。本发明保证了有足够多的时间去进行后期的扩频因子判定和接收工作，大大降低了成本，有效降低丢包率。

Description

低通信频度下单一接收机接收扩频因子序列的方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信领域。更具体地说，本发明涉及一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法。
背景技术
在无线通信领域中，为了获得较高的信号增益，经常会采用扩频调制的方式，尤其是高阶扩频调制，让原本较窄带宽上的信号功率分布到较宽的频带上进行传播，以降低功率谱密度，在接收端通过还原到较窄带宽而获得较高的功率谱密度，以此提高信噪比。在扩频调制中，不同扩频因子的序列之间往往是相互正交的，单一接收机同一时刻只能接收一个扩频因子的序列，如何有效的接收不同扩频因子的序列是一个很有价值的问题。传统的接收不同扩频因子序列的方式基本上就是采用多个接收机的方式：采用多通道(接收不同扩频因子)的专用的芯片；多个接收机设置成不同的扩频因子并行接收。这种方案能够保证很高的接收效率和信道容量，但是在多个扩频因子序列的时间重叠少、冲突概率不大的通信频度不高的场景下，其成本也是比单一接收机要高很多的。因此，目前亟需一种能够在低通信频度的前提下低成本、低丢包率地接收不同扩频因子的方法。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，其能够定位单一信道中序列的起始位置，保证了有足够多的时间去进行后期的扩频因子判定和接收工作，大大降低了成本，有效降低丢包率。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，单一接收机具有单一信道，所述接收机周期性交替进行RSSI 基线更新和扩频因子序列接收逻辑：
所述RSSI基线更新通过定时采集所述信道的实时RSSI值，并进行滤波处理，获得平滑的RSSI基线，更新所述扩频因子序列接收逻辑中的触发阈值；
所述扩频因子序列接收逻辑包括：RSSI触发状态下采集所述信道的实时RSSI值，若当前所述信道的RSSI值超过触发阈值，则进行信道活动性检测，若所述信道检测到扩频因子的前导码，则再次检测实时RSSI值，若当前所述信道的RSSI值仍超过触发阈值，则开启单次接收模式接收该扩频因子序列，反之不接收并返回RSSI触发状态，进行下一扩频因子的检测。
优选的是，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，所述信道检测扩频因子的前导码是从数值最低的扩频因子开始，逐一对所述信道中的前导码进行扩频因子数值由低到高依次匹配，若所述信道存在与该扩频因子数值相同的序列，则匹配成功，该扩频因子的前导码被检测到，匹配失败即返回RSSI触发状态。
优选的是，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，开启单次接收模式接收该扩频因子序列，即有超时地接收该扩频因子，接收成功则保存数据，然后返回RSSI触发状态，接收超时即失败，自动退出接收模式，返回RSSI触发状态。
优选的是，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，所述触发阈值高于所述RSSI基线。
优选的是，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，RSSI触发状态前经过基础射频参数初始化设置，所述基础射频参数包括频率、数据校验、前导码长度等。
一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的装置，包括：
环境RSSI阈值定时更新单元，其包括定时采集单一信道的实时RSSI值的环境RSSI定时采集模块、对采集到的RSSI值进行滤波处理的原始RSSI数据滤波模块、结合滤波后的RSSI值与历史RSSI值以定时更新RSSI基线与触发阈值的环境RSSI基线更新模块；
检测接收单元，其包括对所述信道中的前导码进行检测的前导码检测CAD模块、比较当前所述信道的RSSI值与触发阈值的RSSI值与阈值比较模块、接收当前信道中扩频因子序列的序列接收模块；
其中，接收逻辑过程中，若当前所述信道的RSSI值超过触发阈值，则触发所述前导码检测CAD模块；若所述前导码检测CAD模块检测到扩频因子的前导码，则触发所述 RSSI值与阈值比较模块；若RSSI值与阈值比较模块比较的结果为：当前所述信道的RSSI 值高于触发阈值的RSSI值，则触发所述序列接收模块。
本发明至少包括以下有益效果：通过RSSI阈值检测的方式能够定位信道中序列的起始位置，保证了有足够多的时间去进行后期的扩频因子(以下简称为：SF)判定和接收工作，在判定阶段，信道活动性检测(以下简称为：CAD)去判定前导码匹配比逐一尝试接收超时退出的方法要节省更多的时间，就算CAD失败退出也能保证下一个SF的判定仍有足够多的前导码去匹配和接收，而在高阶调制中，下一SF中的序列前导码时间相比上一 SF是翻倍的，所以上一SF的时间消耗对下一SF的接收不会造成影响，采用本发明中的接收方式，能够在单一接收机中实现不同扩频因子序列的接收，具有低成本、低丢包率的优点，具有很高的推广价值。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明中RSSI触发状态的示意图；
图2为本发明中所述的接收机周期性交替工作的示意图；
图3为本发明中所述的方法的流程图；
图4为本发明中一个实施例的接收跳转逻辑和状态转换的示意图；
图5为本发明中所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
低通信频度即多个扩频因子序列的时间重叠少、冲突概率不大，为了降低因低通信频度下多个接收机接收不同扩频因子造成的成本攀升，本发明提供一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，单一接收机具有单一信道，如图2所示，所述接收机周期性交替进行RSSI基线更新和扩频因子序列接收逻辑：
所述RSSI基线更新通过定时采集所述信道的实时RSSI值，并进行滤波处理，获得平滑的RSSI基线，更新所述扩频因子序列接收逻辑中的触发阈值；
所述扩频因子序列接收逻辑包括：RSSI触发状态下采集所述信道的实时RSSI值，若当前所述信道的RSSI值超过触发阈值，则进行信道活动性检测，若所述信道检测到扩频因子的前导码，则再次检测实时RSSI值，若当前所述信道的RSSI值仍超过触发阈值，则开启单次接收模式接收该扩频因子序列，反之不接收并返回RSSI触发状态，进行下一扩频因子的检测。
在上述技术方案中，接收机本身具有测量环境RSSI值的功能，通过开启此功能可以测量环境的RSSI值，根据环境背景的更新需求定时开启此功能实现数据采集，如图1所示，单一信道中如果出现了待接收序列，则会引起接收机检测到的RSSI值升高，借此可以通过这种方式来判断序列从哪个时刻开始发送，以触发接收逻辑。由于环境的变化，在没有待接收序列时，接收机检测到的RSSI值也不是一成不变的，如果设定一个固定的阈值，则可能造成过触发或者漏触发的现象。为了解决这个问题，设计了环境RSSI的更新功能，通过定时检测RSSI的值，进行滤波处理，以实时更新触发的阈值，降低了受环境的影响，提高了系统的鲁棒性。
RSSI触发状态：当当前信道中的RSSI值突然超过触发阈值时，可以判定信道中可能有待接收序列存在，则跳转到信道活动性检测(CAD)：
CAD状态：从最低的SF开始，对信道中的前导码进行匹配，如果匹配成功，则跳转到接收模式，如果匹配失败，则进行RSSI读取，判断信道中的RSSI是否仍超过阈值，如果超过，则进行下一SF的匹配，如果未超过，则提前终止，返回RSSI触发状态，直到匹配完所有的SF；
接收状态：开启单次接收，即有超时的接收，如果接收成功，则保存数据，返回RSSI触发状态，如果接收失败，亦返回RSSI触发状态。
从最低的SF开始，进行信道活动性检测(CAD)，其目的是进行前导码的匹配，如果前导码匹配成功，则跳转到接收模式。所有的状态跳转均由中断触发，保证了实时性。
如图3所示，本发明的方法包括以下步骤：
接收机定时获取环境RSSI值，并进行滤波操作，得到当前环境的RSSI数据；根据上一步得到的RSSI值，结合之前的RSSI值，更新环境背景RSSI阈值，用作前导码匹配 CAD，接收触发的阈值；
在接收逻辑中，实时监测RSSI值，超过阈值则启动前导码检测CAD，得出状态跳转结果；实时监测环境的RSSI值，并与当前环境背景RSSI阈值进行比较，若超过阈值，则认为当前信道中存在待接收序列，此时启动前导码检测，若前导码匹配成功，则再次进行 RSSI数据测量并与阈值判断，若仍超过则意味着当前信道中的序列仍然存在，则开启序列接收，接收成功则保存数据，若低于则说明序列已不存在，以此来提前终止匹配接收逻辑，减少时间消耗，不论接收是否成功，都终止该步骤；根据接收逻辑的输出结果，决定是否启动序列接收。
在另一种技术方案中，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，所述信道检测扩频因子的前导码是从数值最低的扩频因子开始，逐一对所述信道中的前导码进行扩频因子数值由低到高依次匹配，若所述信道存在与该扩频因子数值相同的序列，则匹配成功，该扩频因子的前导码被检测到，匹配失败即返回RSSI触发状态。在判定阶段，CAD去判定前导码匹配比逐一尝试接收超时退出的方法要节省更多的时间，就算CAD失败退出也能保证下一个SF的判定仍有足够多的前导码去匹配和接收。
在另一种技术方案中，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，单次接收该扩频因子的序列，即有超时地接收该扩频因子，接收成功则保存数据，然后返回RSSI触发状态，接收超时即失败，自动退出接收模式，返回RSSI触发状态。在高阶调制中，下一SF中的序列前导码时间相比上一SF是翻倍的，所以单次接收上一SF的时间消耗对下一SF的接收不会造成影响。
在另一种技术方案中，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，滤波处理通过滑动窗口滤波的方式进行滤波，若当前RSSI值偏离当前基线值较远，则降低该RSSI值的权重，以此获得平滑的RSSI基线。用该基线以实时更新所述扩频因子序列接收逻辑中的触发阈值，以去除掉个别偏差值，使其尽量接近真实值，防止小概率异常情况对RSSI环境背景基线的影响，包括信道中有序列时的RSSI值突然增大情况，提高准确度，以降低接收效果受环境变化的影响。
在另一种技术方案中，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，所述触发阈值高于所述RSSI基线。RSSI基线在一定上浮范围内属于正常偏差，超过该偏差范围即为明显的RSSI值升高，故触发阈值为RSSI基线的偏差范围的右边界值。
在另一种技术方案中，所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法， RSSI触发状态前经过基础射频参数初始化设置，所述基础射频参数包括频率、数据校验、前导码长度等，为系统正常工作的初始化。
一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的装置，如图5所示，包括：
环境RSSI阈值定时更新单元，其包括定时采集所述信道的实时RSSI值的环境RSSI定时采集模块、对采集到的RSSI值进行滤波处理的原始RSSI数据滤波模块、结合滤波后的RSSI值与历史RSSI值以定时更新RSSI基线与触发阈值的环境RSSI基线更新模块；
检测接收单元，其包括对所述信道中的前导码进行检测的前导码检测CAD模块、比较当前所述信道的RSSI值与触发阈值的RSSI值与阈值比较模块、接收当前信道中扩频因子序列的序列接收模块；
其中，接收逻辑过程中，若当前所述信道的RSSI值超过触发阈值，则触发所述前导码检测CAD模块；若所述前导码检测CAD模块检测到扩频因子的前导码，则触发所述 RSSI值与阈值比较模块；若RSSI值与阈值比较模块比较的结果为：当前所述信道的RSSI 值高于触发阈值的RSSI值，则触发所述序列接收模块。
为了更好地理解，本发明提供一种实施例，如图4所示，所述的接收逻辑状态跳转包括8个状态，分别为初始状态S0、检测RSSI状态S1、前导码检测状态CAD SF(1)S2、 SF(1)下检测RSSI状态S3、前导码检测状态CAD SF(2)S4、SF(2)下检测RSSI状态S5、前导码检测状态CAD SF(n)S6、检测RSSI状态S7、序列接收状态S8。其中检测RSSI状态和前导码匹配CAD状态出现多次，主要是为了方便说清楚接收状态转换逻辑。状态机各状态跳转如下：
初始状态S0：启动该接收方法的初始状态，进行相关的初始化和参数设置(频率，校验，前导码长度等基础射频参数)。在设置完成后，则自动跳转到检测RSSI状态S1。
检测RSSI状态S1：测量当前环境的RSSI值，若超过环境阈值，则认为当前信道出现了待接收的序列，则跳转到前导码检测状态CAD SF(1)S2：若没有超过，则认为当前信道没出现待接收的序列，返回初始状态S0。
前导码检测状态CAD SF(1)S2：进行扩频序列的前导码检测，其中检测顺序从小到大 (扩频因子小的最先检测)，此处认为SF(1)最小。若匹配成功，则跳转到检测RSSI状态S7；若失败，则跳转到SF(1)下RSSI检测状态S3。
SF(1)下检测RSSI状态S3：测量当前环境的RSSI值，若超过环境阈值，则认为当前信道仍然存在待接收的序列，则跳转到前导码检测状态CAD SF(2)S4，即为下一扩频因子；若没有超过，则认为当前信道没出现待接收的序列，返回初始状态S0。
前导码检测状态CAD SF(2)S4：进行下一扩频因子的前导码检测，若匹配成功，则跳转到检测RSSI状态S7；若失败，则跳转到SF(2)下RSSI检测状态S5。
SF(2)下检测RSSI状态S5：测量当前环境的RSSI值，若超过环境阈值，则认为当前信道仍然存在待接收的序列，则跳转到下一前导码检测直到最后一个扩频因子检测状态前导码检测状态CAD SF(n)S6；若没有超过，则认为当前信道没出现待接收的序列，返回初始状态S0。
前导码检测状态CAD SF(n)S6：进行下一扩频因子的前导码检测，若匹配成功，则跳转到检测RSSI状态S7；若失败，则跳转到初始状态S0。
检测RSSI状态S7：测量当前环境的RSSI值，若超过环境阈值，则跳转到接收序列状态S8；若没有超过，则认为返回初始状态S0。
序列接收状态S8：启动序列接收，待序列接收完成，无论成功失败，都返回初始状态S0。
为了更好地理解，本发明提供一种在SX1276/77/78/79上实现接收不同SF序列的实施例，SX1276/77/78/79是semtech推出的LoRa芯片型号，其采用扩频调制，而且是高阶扩频，即扩频因子增加1，其码片翻倍，具体如下：
SF7->128码片/符号
SF8->256码片/符号
SF9->512码片/符号
SF10->1024码片/符号
SF11->2048码片/符号
SF12->4094码片/符号
在无线通信中，时间经常用符号时间symboltime来表示，在该芯片中，其关系如下：
不难得出，相同的符号时间，SF增加1，实际时间差不多翻一倍。
在无线通信中，消息序列之前往往有前导码用于给接收机做接收同步，而在lorawan协议中，规定标准的前导码为8个前导码，即8个symboltime，下面的计算均以此作为参考。
此方案中具体用到了以下技术：
RSSI检测：获取信道的RSSI值，一方面获得环境背景RSSI，更新环境背景RSSI基线，另一方面通过RSSI的值的变化来确定信道中是否有待接收的序列，从而触发接收逻辑。
CAD检测：信道活动性检测，通过匹配前导码的方式来确定当前信道中活跃的序列是属于哪一个SF，从而开启对应的接收模式进行数据接收。
其中CAD消耗的时间对于整个系统能否正常运行至关重要，一次CAD的时间均小于2个symboltime，为了方便计算，后面均以2个symboltime表示。
通过RSSI检测获得环境背景RSSI基线，以此来确定CAD中RSSI触发的阈值，减少接收受环境背景变化的影响而造成误触发，以及环境变化造成的不稳定因素，能够做到自适应环境。
通过CAD(channel activity detection)+SF轮询的方式进行接收，让接收状态网关的lora modem一直处在信道活动性检测状态，即检测当前信道是否活跃，一旦RSSI的值超过依据环境计算出的阈值就认为该信道活跃，即存在数据，然后再切换到CAD检测，检测信道中的前导码是属于哪个SF，即轮询SF7～SF12以接收数据，一旦某个SF下接收到了正确的前导码，则接收该状态下的数据，没有则认为是干扰信号，此时检测RSSI的值是否仍高于阈值及信道是否仍然活跃以决定是跳到下一个SF继续进行CAD还是结束当前环节回到初始状态。该种方案的理论基础如下：
在semtech提供的文档中，一次前导码检测的时间最多也不超过2个符号(symbol)时间，而在lorawan的协议中，前导码preamble的长度最少是6，默认是8，按照一次前导码检测时间长度2个符号位，前导码长度8进行计算。
SF7:前导码检测前：8symbols前导码检测后8-2＝6symbols，若失败，则跳转到SF8；
SF8:前导码检测前：7symbols前导码检测后7-2＝5symbols，若失败，则跳转到SF9；
SF9:前导码检测前：6.5symbols前导码检测后6.5-2＝4.5symbols，若失败，则跳转到SF10；
SF10:前导码检测前：6.25symbols前导码检测后6.25-2＝4.25symbols，若失败，则跳转到SF11；
SF11:前导码检测前：6.125symbols前导码检测后6.125-2＝4.125symbols，若失败，则跳转到SF12；
SF12:前导码检测前：6.0625symbols前导码检测后6.0625-2＝4.0625symbols，若失败，则认为是干扰；
此处认为整个检测过程中RSSI值均超过阈值，实际在每次CAD失败之后，都会进行RSSI读取判断，如果低于阈值则不会再进行接下来的工作，提前终止，以避免无谓的时间浪费。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述方法中的全部或部分步骤是可以通过程序指令相关的硬件来完成。所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，单一接收机具有单一信道，其特征在于，所述接收机周期性交替进行RSSI基线更新和扩频因子序列接收逻辑：
所述RSSI基线更新通过定时采集所述信道的实时RSSI值，并进行滤波处理，获得平滑的RSSI基线，更新所述扩频因子序列接收逻辑中的触发阈值；
所述扩频因子序列接收逻辑包括：RSSI触发状态下采集所述信道的实时RSSI值，若当前所述信道的RSSI值超过触发阈值，则进行信道活动性检测，若所述信道检测到扩频因子的前导码，则再次检测实时RSSI值，若当前所述信道的RSSI值仍超过触发阈值，则开启单次接收模式接收该扩频因子序列，反之不接收并返回RSSI触发状态，进行下一扩频因子的检测。
2.如权利要求1所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，其特征在于，所述信道检测扩频因子的前导码是从数值最低的扩频因子开始，逐一对所述信道中的前导码进行扩频因子数值由低到高依次匹配，若所述信道存在与该扩频因子数值相同的序列，则匹配成功，该扩频因子的前导码被检测到，匹配失败即返回RSSI触发状态。
3.如权利要求1所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，其特征在于，开启单次接收模式接收该扩频因子序列，即有超时地接收该扩频因子，接收成功则保存数据，然后返回RSSI触发状态，接收超时即失败，自动退出接收模式，返回RSSI触发状态。
4.如权利要求1所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，其特征在于，滤波处理通过滑动窗口滤波的方式进行滤波，若当前RSSI值偏离当前基线值较远，则降低该RSSI值的权重，以此获得平滑的RSSI基线。
5.如权利要求1所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，其特征在于，所述触发阈值高于所述RSSI基线。
6.如权利要求1所述的低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的方法，其特征在于，RSSI触发状态前经过基础射频参数初始化设置，所述基础射频参数包括频率、数据校验、前导码长度等。
7.一种低通信频度下单一接收机接收不同扩频因子序列的装置，其特征在于，包括：
环境RSSI阈值定时更新单元，其包括定时采集单一信道的实时RSSI值的环境RSSI定时采集模块、对采集到的RSSI值进行滤波处理的原始RSSI数据滤波模块、结合滤波后的RSSI值与历史RSSI值以定时更新RSSI基线与触发阈值的环境RSSI基线更新模块；
检测接收单元，其包括对所述信道中的前导码进行检测的前导码检测CAD模块、比较当前所述信道的RSSI值与触发阈值的RSSI值与阈值比较模块、接收当前信道中扩频因子序列的序列接收模块；
其中，接收逻辑过程中，若当前所述信道的RSSI值超过触发阈值，则触发所述前导码检测CAD模块；若所述前导码检测CAD模块检测到扩频因子的前导码，则触发所述RSSI值与阈值比较模块；若RSSI值与阈值比较模块比较的结果为：当前所述信道的RSSI值高于触发阈值的RSSI值，则触发所述序列接收模块。
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