CN110086739B

CN110086739B - 一种针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法

Info

Publication number: CN110086739B
Application number: CN201910412551.1A
Authority: CN
Inventors: 王文鼐; 柏琛; 吴炜; 王斌
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2039-05-17
Also published as: CN110086739A

Abstract

本发明公开了一种针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，Chirp调制通信系统中所有支路以并发方式解调当前达到的幅值为A的Chirp调制信号S(t)，并在解调后通过FFT变换得到对应各支路的独立频谱图，首先，获取支路经过FFT变换后独立频谱图中的第一峰值P1，第二峰值P2，第三峰值P3；然后，设定一阈值，判断频谱图中第一峰值与阈值的大小关系，并依此关系条件判断第二或第三峰值与阈值的大小关系，由此两种关系判定支路为多址冲突、单站占用和空闲中的一种；最后，根据所有支路的状态关系，判定Chirp调制通信系统中信道争用状态为空闲、单站占用或多址冲突中的一种；本发明可检测出Chirp调制通信系统的信道争用状态，可用于LoRa高吞吐量调度方案的设计与实现。

Description

一种针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法

技术领域

本发明属于Chirp调制通信技术领域，应用于Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测，具体为一种针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法。

背景技术

LoRa是一种基于线性扩频技术的超远距离无线传输方案。其MAC层采用纯ALOHA工作机制，终端不进行检测而直接发送数据，信道容易产生冲突造成帧的破坏。并且随着负载的增大，信道发生碰撞的概率也相应提高，系统的吞吐性能急剧下降；具体可参见文献：LoRaAlliance.V 1.0.2.LoRaWAN TMSpecification[S].Dec.5th,2017.。

LoRa中物理层采用CSS(Chirp Spread Spectrum)调制方式，Chirp调制信号具有四个重要参数：扩频因子SF，最小频率f_min，最大频率f_max和输入比特。LoRa定义扩频因子如下：

其中B＝f_max-f_min为带宽，R_S为符号速率，T_S为符号周期，扩频因子SF一般在7-12之间。Chirp调制信号表达如下：

k_i为初始的码片偏移，值为(0,1…,2^SF-1)；则对于同一个扩频因子SF，可以表示2^SF种Chirp调制信号；具体可参见文献Semtech Corporation,AN1200.22 LoRaTM ModulationBasics,May 2015,Rev2,available at www.semtech.com/images/datasheet/an1200.22.pdfaccessed 2015-09-14.。

利用Down Chirp信号，可以解调出同一扩频因子的Chirp调制信号，并在频谱图上，会出现相对应的峰值。不同扩频因子的Chirp调制信号之间具有正交性；具体可参见文献Croce,Daniele,et al."Impact of LoRa Imperfect Orthogonality:Analysis ofLink-level Performance."IEEE Communications Letters(2018):1-1.。

发明内容

针对上述现有技术中存在的Chirp调制通信系统中因负载的增大，信道发生碰撞的概率也相应提高，导致系统的吞吐性能急剧下降的问题，提供一种针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法；该方法可检测出Chirp调制通信系统的状态，可用于LoRa高吞吐量调度方案的设计与实现。具体采用如下技术方案：

一种针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，所述Chirp调制通信系统中各支路以并发方式解调当前达到的幅值为A的Chirp调制信号S(t)，并在所述解调后通过FFT变换得到对应所述各支路的独立频谱图，所述方法包括：

S1、判断所述Chirp调制通信系统中各支路状态：

S11、获取指定支路经过FFT变换后所述独立频谱图中的第一峰值P1，第二峰值P2，第三峰值P3；

S12、设定一阈值，比较所述第一峰值P1与所述阈值的大小关系，若所述第一峰值P1小于所述阈值，则判定支路状态为空闲，否则判定支路状态为占用，并转至步骤S13；

S13、若所述第一峰值P1等于所述阈值，则选择所述第三峰值P3，其中，若所述第三峰值P3不小于所述阈值，则判定支路状态为多址冲突，否则判定支路状态为单站占用；若所述第一峰值P1大于所述阈值，则选择所述第二峰值P2，并比较所述第二峰值P2与所述阈值的大小，其中，若所述第二峰值P2不小于所述阈值，则判定支路状态为多址冲突，否则判定支路状态为单站占用；

S2、判断所述Chirp调制通信系统中信道争用状态：

判断所述Chirp调制通信系统中所有支路的状态，若所有支路均为空闲的状态，则判定所述Chirp调制通信系统中的信道争用状态为空闲；若任意一条支路的状态为单站占用，其余支路为空闲，则所述Chirp调制通信系统中的信道争用状态为成功；否则，判定所述Chirp调制通信系统中的信道争用状态为多址冲突。

优选地，所述方法还包括：为所述Chirp调制通信系统中各支路设置不同的扩频因子。

优选地，所述阈值为所述幅值A的0.5倍。

优选地，所述Chirp调制通信系统中至多包含六条支路。

本发明的针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，在对Chirp调制通信系统中各支路配置不同扩频因子后，以并发方式解调当前到达的Chirp调制信号，并在解调后各支路经由FFT变换得到独立的频谱图，并获取频谱图中的第一峰值P1、第二峰值P2和第三峰值P3，设定阈值，首先判断阈值与第一峰值P1的大小，并以判断结构为基础依次判断与第二峰值P2和第三峰值P3之间的大小关系，从而实现对Chirp调制通信系统中所有支路的状态判定；最后，根据所有支路的状态判定对Chirp调制通信系统的信道争用状态进行判断，实现对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测操作。与现有技术相比，本发明可以检测出Chirp调制通信系统的状态属于多址冲突、单站占用、空闲三种状态中的一种，并可以用于LoRa高吞吐量调度方案的设计与实现。

附图说明

图1是本发明实施例中所述Chirp调制通信系统网关处的处理流程示意图。

图2是本发明中所述Chirp调制通信系统中各支路状态与信道争用状态状态判别的具体流程示意图。

图3是本发明所述Chirp调制通信系统网关中属于不同扩频因子的站点分布图。

图4是本发明实施例中SF为7这条支路的FFT频谱图。

图5是本发明实施例中SF为8这条支路的FFT频谱图。

图6是本发明实施例中SF为9这条支路的FFT频谱图。

图7是本发明实施例中SF为10这条支路的FFT频谱图。

图8是本发明实施例中SF为12这条支路的FFT频谱图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明实施例中，提供了一种针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，Chirp调制通信系统中各支路以并发方式解调当前达到的幅值为A的Chirp调制信号S(t)，并在解调后通过FFT变换得到对应各支路的独立频谱图，具体包括步骤如下：

S1、判断Chirp调制通信系统中各支路状态：

S11、获取指定支路经过FFT变换后独立频谱图中的第一峰值P1，第二峰值P2，第三峰值P3；

S12、设定一阈值，比较第一峰值P1与阈值的大小关系，若第一峰值P1小于阈值，则判定支路状态为空闲，否则判定支路状态为占用，并转至步骤S13；

S13、若第一峰值P1等于阈值，则选择第三峰值P3，其中，若第三峰值P3不小于阈值，则判定支路状态为多址冲突，否则判定支路状态为单站占用；若第一峰值P1大于所述阈值；则选择第二峰值P2，并比较第二峰值P2与阈值的大小，其中，若第二峰值P2不小于阈值，则判定支路状态为多址冲突，否则判定支路状态为单站占用。

S2、判断Chirp调制通信系统中信道争用状态：判断Chirp调制通信系统中所有支路的状态，若所有支路均为空闲的状态，则判定Chirp调制通信系统中的信道争用状态为空闲；若任意一条支路的状态为单站占用，其余支路为空闲，则Chirp调制通信系统中的信道争用状态为成功；否则，判定Chirp调制通信系统中的信道争用状态为多址冲突。

需要注意的是，本发明中为每一支路提供的无码片偏移的Down Chirp信号频率，其中，DownChirp信号频率的扩频因子为7～12中的一种，且每一支路的扩频因子不同；因此，在实际操作中，为了保障每一支路中的扩频因子不一致，Chirp调制通信系统中至多包含六条支路。

特别地，在对Chirp调制通信系统进行解调前，先为Chirp调制通信系统中各支路设置不同的扩频因子。且在本发明中，阈值为幅值A的0.5倍，即本发明中阈值为0.5A；结合图1，在本实施例中，设置Chirp调制通信系统包含6条支路，其中，102表示Chirp调制通信系统中网关接收端的Chirp调制信号S(t)，106表示S(t)的瞬时频率分别在六条支路中，每一支路分别乘以扩频因子为7～12的无码片偏移的DownChirp信号频率，若S(t)中有对应当前支路SF的频率成分，则此频率成分可解调成两段差距为Chirp信号带宽B，并且与k_i有关的固定频率；108表示各支路进行傅里叶变换，若此前解调出了固定频率，固定频率可产生峰值；110处根据第一峰值P1、第二峰值P2以及第三峰值P3与阈值的大小关系，检测支路状态为空闲、单站占用或冲突三种状态之一；112处结合六条支路状态，判决信道争用状态为空闲，成功，冲突三种之一。

参阅图2，本发明实施例中，在对Chirp调制通信体统进行支路状态和信道争用状态的判定过程中，用S＝0表示当前支路状态为空闲，S＝1表示当前支路状态为单站占用，S＝2表示当前支路状态为冲突；则检测过程具体为：

若206处满足P1<A/2，则判定当前支路没有站点发出请求，用S＝0表示。

若208处满足P1>A/2，需继续检查第二峰值P2，若212处满足P2≥A2，则当前支路只有多个站点发送请求，即当前支路状态判为冲突，用S＝2表示；若不满足212处判断条件，则当前支路状态为单站占用，用S＝1表示。

若208处不满足P1>A/2，需继续检查第三峰值P3，210处若满足P3<A/2，则当前支路只有一个站点发送请求，即判为单站占用，用S＝1表示；若210处不满足判决条件，则当前支路状态判为冲突，用S＝2表示。

信道争用状态的判决过程如下：

具体的，220处S1～S6分别表示六条支路各自的检测状态；其中，若支路状态为空闲，则Si用数字0表示；若支路状态为单站占用，则Si用数字1表示；若支路状态为冲突，则Si用数字2表示；将S1～S6所表示的数字相加为T。需要注意的是，本发明中，若222处满足T＝0，即表示Chirp调制通信系统中六条支路同时为空闲，此时，则226处将信道争用状态判为空闲；若满足224处的T＝1，即任意一条支路状态为单站占用，其余五条支路为空闲，则228处信道争用状态判为成功；若T既不为0，也不为1，则Chirp调制通信系统个支路的信道争用状态都判为冲突。

为了提升本发明方法的检测正确率，在Chirp调制通信系统同一网关中，设置如图3所示的属于同一扩频因子的各站点的分布；具体为：302表示设定的网关；304、306、308都为设定网关下的站点ED，且这三个站点使用的扩频因子SF相同，而初始的码片偏移不同，分别为k₁、k₂、k₃；由于距离网关的相对距离不同，造成各站点传播的信号到网关的时延有差异性，若差异过大，会出现将ED2发出的请求，误判为ED1发出的请求情况；因此限制同一SF下站点间的最大相对距离。本发明将最大相对距离310设定为L，为了不会增强本发明的检测正确率，本发明在部署站点时，将属于同一SF下的各站点部署在相对距离L的范围之内，不包含边界。

在本发明的另一实施例中，基于上述对于本发明方法的描述，在此为了证明本发明方法的有效性，进行实际实验验证，具体的，假设一个网关下，有六个站点ED(ED1-ED6)在同一时隙内向网关发送接入请求，其中，站点ED1、ED2使用的扩频因子都为7，k₁＝84，k₂＝10；站点ED3、ED4的扩频因子为8，k₃＝30，k₄＝120；站点ED5的扩频因子为9，k₅＝156；站点ED6的扩频因子为12，k₆＝1678。网关在同一时隙内收到的Chirp信号用图1中S(t)表示，幅值A设为1，则设定阈值为0.5，带宽B为125kHz。其中：

结合图4，第一条支路用SF＝7的DownChirp信号解调，从图4中可以看出，经过FFT变换后的频谱图出现大于0.5的峰值，说明S(t)中存在SF＝7的Chirp调制信号；其第一峰值P1出现在第10个采样点，P1为0.8427，P1>0.5；再检验第二峰值，出现在第44个采样点，P2为0.7891，P2>0.5，因此SF＝7这条支路状态为冲突，结合图2可知，此时S1＝2。

结合图5，第二条支路用SF＝8的DownChirp信号解调，从图5中可以看出，经过FFT变换后的频谱图出现大于0.5的峰值，说明S(t)中有SF＝8的Chirp调制信号；第一峰值P1出现在第30个采样点，P1为0.9242，P1>0.5；再检查第二峰值P2，出现在第120个采样点，P2为0.6542，即P2>0.5，所以SF＝8这条支路状态判为冲突，结合图2可知，此时S2＝2。

结合图6，第三条支路用SF＝9的DownChirp信号解调，从图6中可以看出，经过FFT变换后的频谱图出现大于0.5的峰值，说明S(t)中有SF＝9的Chirp调制信号；第一峰值P1出现在第156个抽样点，P1为0.6404，即P1>0.5；再检查第二峰值P2，P2为0.3315，即P2<0.5，所以SF＝9的支路状态判为单站占用，结合图2可知，此时S3＝2。

结合图7，第四条支路与第五条支路中，各自用SF＝10和SF＝11的DownChirp信号解调，从图7中可以看出，经过FFT变换后的频谱图不存在大于0.5的峰值，即S(t)中不含对应扩频因子的Chirp调制信号；其中，SF＝10这条支路频谱图的第一峰值P1＝0.1254，即P1<0.5，因此SF＝10的这条支路无任何站点发送请求，状态判为空闲，结合图2可知，此时S4＝0。同样，SF＝11的这条支路状态判为空闲，即此时S5＝0。

结合图8，第六条支路用SF＝12的DownChirp信号解调，从图8中可以看出，经过FFT变换后的频谱图出现大于0.5的峰值，则S(t)中有SF＝12的Chirp调制信号；此时，第一峰值P1出现在第1678个抽样点，P1为0.5897，即P1>0.5；再检查第二峰值P2，出现在第2418个抽样点，P2为0.4046，即P2<0.5，所以SF＝12的支路状态判为单站占用，S6＝1。

最后，六条支路检测支路的结果相加得到：T＝S1+S2+S3+S4+S5+S6＝6，从而判定信道争用状态为冲突，即说明通过本发明方法可以有效检测Chirp调制通信系统的状态。

本发明的针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，在对Chirp调制通信系统中各支路配置不同扩频因子后，以并发方式解调当前到达的Chirp调制信号，并在解调后各支路经由FFT变换得到独立的频谱图，并获取频谱图中的第一峰值P1、第二峰值P2和第三峰值P3，设定阈值，首先判断阈值与第一峰值P1的大小，并以判断结果为基础依次判断与第二峰值P2和第三峰值P3之间的大小关系，从而实现对Chirp调制通信系统中所有支路的状态判定；最后，根据所有支路的状态判定对Chirp调制通信系统的信道争用状态进行判断，实现对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测操作。与现有技术相比，本发明可以检测出Chirp调制通信系统的状态属于多址冲突、单站占用、空闲三种状态中的一种，并可以用于LoRa高吞吐量调度方案的设计与实现。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims

1.一种针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，其特征在于，所述Chirp调制通信系统中各支路以并发方式解调当前达到的幅值为A的Chirp调制信号S(t)，在对Chirp调制通信系统进行解调前，先为Chirp调制通信系统中各支路设置不同的扩频因子，并在所述解调后通过FFT变换得到对应所述各支路的独立频谱图，所述方法包括：

S1、判断所述Chirp调制通信系统中各支路状态：

S2、判断所述Chirp调制通信系统中信道争用状态：

2.如权利要求1所述的针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，其特征在于，所述方法还包括：为所述Chirp调制通信系统中各支路设置不同的扩频因子。

3.如权利要求1所述的针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，其特征在于，所述阈值为所述幅值A的0.5倍。

4.如权利要求1～3任一项所述的针对Chirp调制通信系统的多址接入冲突检测方法，其特征在于，所述Chirp调制通信系统中至多包含六条支路。