CN109525367B - 基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法，所述方法包括：改进FEC的检错机制；对符号错误及其错误模式进行建模，分别用不同的数学模型对被发出和接收的LoRa信号s(t)和r(t)、被处理后的混合信号p(t)以及其快速傅里叶变换和原始符号So被错误地识别为另一个符号Sw的可能性P{Sw|Sw≠So}进行分析；数据传输并利用自适应纠错方法纠错。本发明相对于现有的方法显著提升了检错和纠错的能力，同时提高了不可靠无线条件下的分组接受率(PRR)，改善了LoRa链路的可靠性。

Description

基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法

技术领域

本发明涉及低功耗无线通信研究领域，具体涉及基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法。

背景技术

最近低功耗广域网络(LPWANs)越来越多的受到大规模物联网(IOT)部署研究的关注，LPWANs使能量受限的物联网设备能够以低数据速率长距离传输数据(通常几千米)，运行时间最长可达十年。LoRa是其中最成熟的技术的技术之一，因为它具有低复杂性、开放链路标准和对物联网设备的可扩展性。虽然LoRa支持长距离传输，但是受到诸如密集的城市建筑和运行在相同频带上的其他共址网络之列的障碍物导致信号衰减并发生丢包。LoRa采用循环冗余检测(CRC)来验证分组的完整性和正确性，并使用向前纠错来纠正错误的位，但是所使用的FEC(N，4)汉明码不足以用于LoRa中的纠错。LoRa提供四种可用的编码率：4/5、4/6、4/7和4/8，根据汉明码的基本原理(2^k-1≥N和2^k-1<N),使用4/5和4/6码率的FEC不能用于纠错，而是退化为奇偶校验只能用于检错；使用4/7和4/8编码率使用过长的校验位，带来很大的延迟和能量消耗，并且只能提供单个比特的纠错，然而LoRa中的符号错误往往多个比特错误，因此也有很大局限性。

发明内容

本发现提供了一种基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法，包括一种改进的检错机制和一种自适应纠错方法，提高现有FEC纠错能力的同时解决现有方法不能纠正多个位错误的问题，并且适用于动态无线环境。

本发明通过下述技术方案实现：

基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法，包括以下步骤：

步骤S1，改进FEC的检错机制；

步骤S2，对LoRa信号中的符号错误及其错误模式进行建模和分析；

步骤S3，基于步骤S2中建立的模型和分析，提出一种自适应纠错机制。

优选的，所述步骤S1具体包括：

步骤S1.1，考虑FEC原序列的有效信息位中所有“1”的位置信息，依次对原序列中为“1”的位所在位置序号进行判断，如果所在位置序号为奇数，则添加一个数字为“1”的位，否则添加一个数字为“0”的位，生成一个新序列；

步骤S1.2，生成新序列的奇偶校验位，与原序列的奇偶校验位一起使用作为原序列的校验位。

优选的，所述步骤S2具体包括：

步骤S2.1，对被发出的LoRa信号s(t)建模；

步骤S2.2，对被接收的LoRa信号r(t)建模；

步骤S2.3，对处理后的混合信号p(t)建模并对其进行快速傅里叶变换；

步骤S2.4，对错误识别的可能性P{Sw|Sw≠So}建模。

优选的，对被发出的LoRa信号s(t)建模：

其中，E_s代表LoRa符号周期期间的单位能量，T_s是LoRa符号的持续时间，由带宽BW和传播因子SF决定，f₀是信号的载波频率，F代表瞬时频率的范围。

优选的，对被接收的LoRa信号r(t)采用瑞利衰落模型建模：

r(t)＝L(d)c(t)*s(t)+N(t)，

其中，c(t)表示块衰落信道模型，N(t)表示加性高斯白噪声，L(d)是路径损耗函数，

表示举例d₀的路径损耗，n代表路径损耗指数。

优选的，对处理后的混合信号p(t)建模并对其进行快速傅里叶变换：

其中，E_s代表LoRa符号周期期间的单位能量，T_s是LoRa符号的持续时间，由带宽BW和传播因子SF决定，f₀是信号的载波频率，F代表瞬时频率的范围。

优选的，原始符号So被错误地识别为另一个符号Sw的可能性P{Sw|Sw≠So}建模：

其中，fw和fo表示Sw和So相应的频率,f₀是信号的载波频率，BW为LoRa信号带宽，SF为传播因子。

优选的，所述步骤S3的自适应纠错机制具体包括：

步骤S3.1，发送方发送检测分组；

步骤S3.2，接收方收到检测分组，记录错误符号和频率偏移数据，对符号的初始频率偏移的概率排序，发送确认字符ACK；

步骤S3.3，发送方发送正式数据分组；

步骤S3.4，接收方接收到正式数据分组后，用步骤S1改进的检错机制对其进行检错，将发生错误的分组输入到自适应纠错机制中。

优选的，所述自适应纠错机制保证每个发生错误的符号都会作用于之后的符号纠错，直到所有的数据都发送并处理完为止。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提出了一个改进的检错机制和一种自适应的纠错方法，在该方法中我们充分考虑了编码率、对动态无线环境的适应性和资源消耗量三个因素。

本发明在传统FEC汉明码的基础上，提出了可用于低编码率的检错方法，和将最近接收到的分组用于分析和估计符号的初始频率，并且可以适应动态无线环境的自适应纠错方法，提高了检错和纠错能力。

本发明相对于现有的方法显著提升了检错和纠错的能力，同时提高了不可靠无线条件下的分组接受率(PRR)，改善了LoRa链路的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

首先我们分析了LoRa符号中SF取值从7至12，编码率CR从4/5到4/8的所有情况，发现所有的情况中都有大于等于2个可以冗余位，因此得出可以利用超过一个位进行检错的结论。然后我们利用序列中“1”所在的位置信息，如果原序列中为“1”的位所在位置序号为奇数，则添加一个数字为“1”的位，否则添加一个数字为“0”的位，从而得到一个新的生成序列，然后将新序列的奇偶校验位和原本的奇偶校验位一起使用作为原序列的校验位，从而得到一种更有效的检错方法。之后我们从理论上分析LoRa分析的解码和发生符号错误的原因以及可能性，对符号错误及其错误模式进行建模，包括发出和收到的LoRa信号、处理后的LoRa信号及其快速傅里叶变换，和原始符号被错误地识别为其他符号的概率。最后提出自适应的纠错方法，先发送一个特殊的检测分组，接收方收到后记录相关数据并回馈ACK，之后接收方接收到来自发送方的数据之后先又之前提出的检错方法进行检错，并将发生错误的分组输入到自适应纠错机制中，每个发生错误的符号都会对之后的纠错起作用，直到所有的数据都发送并处理完为止。

为了充分提高检错和纠错的能力，如图1所示，本实施例提出基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法所采取的具体的技术方案如下：

主要步骤为：

A.改进FEC的检错机制：

1)考虑FEC原序列的有效信息位中所有为“1”的位，依次对原序列中为“1”的位所在位置进行判断，如果所在位置序号为奇数，则将其记录下来，生成一个新序列；

2)根据生成的新序列来确定新的校验位，与原本的奇偶校验位一起作为检错的指标，使用到两个校验位，作为改进的检错方法。

B、对符号错误及其错误模式进行建模和分析，以从理论上分析产生符号错误的原因及其影响：

分别用不同的数学模型对被发出和接收的LoRa信号s(t)和r(t)、被处理后的混合信号p(t)以及其快速傅里叶变换和原始符号So被错误地识别为另一个符号Sw的可能性P{Sw|Sw≠So}进行分析；具体如下：

1)对被发出的LoRa信号s(t)建模，E_s代表LoRa符号周期期间的单位能量，T_s是LoRa符号的持续时间，由带宽(BW)和传播因子(SF)决定，f₀是信号的载波频率，F代表瞬时频率的范围，

2)对被接收的LoRa信号r(t)使用瑞利衰落模型建模，c(t)表示块衰落信道模型，N(t)表示加性高斯白噪声，L(d)是路径损耗函数，

表示举例d₀的路径损耗，n代表路径损耗指数，

r(t)＝L(d)c(t)*s(t)+N(t)，

3)对处理后的混合信号p(t)建模并对其进行快速傅里叶变换，

4)对错误识别的可能性P{Sw|Sw≠So}建模，fw和fo表示Sw和So相应的频率，

C、基于上述步骤B的建模分析，提出自适应纠错方法纠错：

1)开始分组的发送、接收和处理，发送方发送一个用于更好估计后续数据分组中发生符号错误的检测分组；

ch＝generate(check)；

send(ch)；

2)接收方接收到检测分组，记录下错误符号以及相对正确符号的频率偏移，对符号的初始频率偏移的概率排序，并向发送方发送确认字符ACK；

3)发送方发送正式数据分组；

if received(ACK)then

send(D)；

end if；

4)接收方接收分组后使用步骤A中改进的检错方法检错，并将错误的方案输入到自适应纠错方案中，每个发生错误的符号都会作用于之后的符号纠错，直到所有的数据都发送并处理完为止。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，改进FEC的检错机制；

步骤S2，对LoRa信号中的符号错误及其错误模式进行建模和分析；

步骤S3，基于步骤S2中建立的模型和分析，提出一种自适应纠错机制；所述步骤S1具体包括：

步骤S1.1，考虑FEC原序列的有效信息位中所有“1”的位置信息，依次对原序列中为“1”的位所在位置序号进行判断，如果所在位置序号为奇数，则添加一个数字为“1”的位，否则添加一个数字为“0”的位，生成一个新序列；

步骤S1.2，生成新序列的奇偶校验位，与原序列的奇偶校验位一起使用作为原序列的校验位；所述步骤S2具体包括：

步骤S2.1，对被发出的LoRa信号s(t)建模：

其中，E_s代表LoRa符号周期期间的单位能量，T_s是LoRa符号的持续时间，由带宽BW和传播因子SF决定，f₀是信号的载波频率，F代表瞬时频率的范围；

步骤S2.2，对被接收的LoRa信号r(t)

采用瑞利衰落模型建模：

r(t)＝L(d)c(t)*s(t)+N(t)，

其中，c(t)表示块衰落信道模型，N(t)表示加性高斯白噪声，L(d)是路径损耗函数，

表示举例d₀的路径损耗，n代表路径损耗指数；

步骤S2.3，对处理后的混合信号p(t)建模并对其进行快速傅里叶变换：

：

其中，E_s代表LoRa符号周期期间的单位能量，T_s是LoRa符号的持续时间，由带宽BW和传播因子SF决定，f₀是信号的载波频率，F代表瞬时频率的范围；

步骤S2.4，原始符号So被错误地识别为另一个符号Sw的可能性P{Sw|Sw≠So}建模：

其中，fw和fo表示Sw和So相应的频率,f₀是信号的载波频率，BW为LoRa信号带宽，SF为传播因子；所述步骤S3的自适应纠错机制具体包括：

步骤S3.1，发送方发送检测分组；

步骤S3.2，接收方收到检测分组，记录错误符号和频率偏移数据，对符号的初始频率偏移的概率排序，发送确认字符ACK；

步骤S3.3，发送方发送正式数据分组；

步骤S3.4，接收方接收到正式数据分组后，用步骤S1改进的检错机制对其进行检错，将发生错误的分组输入到自适应纠错机制中。

2.根据权利要求1所述的基于LoRa编码和解码机制的检错和自适应纠错方法，其特征在于，所述自适应纠错机制保证每个发生错误的符号都会作用于之后的符号纠错，直到所有的数据都发送并处理完为止。

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