CN110739983A - 低功率广域网中的相对跳频 - Google Patents

Abstract

低功率广域网中的相对跳频。用于IoT应用的跳动扩展频谱无线网络，所述网络包括移动设备，所述移动设备具有未经同步的本地频率基准。所述传送器以这样的方式使用在相对不同的频率方面限定的跳动序列：使得接收器可以确定传送的跳动序列，而无论大频率误差的存在。

Description

低功率广域网中的相对跳频

技术领域

在实施例中，本发明涉及无线传送器设备以及包括多个所述传送器的无线网络。本发明的特定用例涉及用于IoT（物联网）应用的低功率测量节点，并且涉及IoT广域网，所述IoT广域网除了测量节点之外包括多个接收网关，但是本发明不限于那些应用。本发明利用用于数据容量和对抗干扰的稳健性的窄带跳频无线电接口。

背景技术

若干竞争低功率无线电网络用于在IoT应用中提供连接性。局域网、比如WiFi和蓝牙已经被成功地使用在一些应用中，但是它们需要被连接到因特网的、不总是可用或合期望的局部基础设施，并且几乎不可适用于移动应用，其中传感器节点可以移动到WiFi或蓝牙网关的可访问的范围外部。还已经提出了用于IoT应用的广域网，尤其是LoRa网络和Sigfox网络。在这些网络的情况下存在若干挑战：

1. 如果——如通常所是的情况那样——网络在未经许可的带中运作，则高的抗干扰力是必需的。

2. 必须确保遵从规程。

LoRa网络采用啁啾扩展频谱调制，并且在其强点之中具有：低硬件复杂度、无需准确的频率基准或计时、容易的同步和定位。然而，在针对低数据速率的容量中具有某些限制。

低功率WAN倾向于有利于随机介质访问，比如针对传感器节点的ALOHA，这是最功率高效的解决方案。Sigfox技术和超窄带技术与系统负载相比一般遭受非常高的冲突率。在超窄带网络中，冲突出现在三维中：时间、频率和功率。时间维度是通常的ALOHA理论维度。因为没有频率栅格（frequency grid），所以发生频率冲突；传感器节点的本地振荡器与传送带宽相比更不准确得多，并且它们引起针对相同系统负载的冲突率的加倍。功率维度意指在任何冲突中，边缘传感器节点或者“弱节点”将总是失败。另外，传送器的相位噪声限制可通过相邻用户实现的拒绝水平。

总而言之，如果监测最弱节点性能的度量，则这些效应将系统负载限制到1%或更少。不能通过添加更多接收网关的简单应急手段来补救该情形。

本发明提出了一种新颖的传送器设备和对应的无线网络，其实现经修改的形式的超窄带调制，从而允许克服或减轻以上限制。

发明内容

根据本发明，这些目的借助于所附权利要求的对象被实现。

附图说明

借助于作为示例被给出并且通过附图所图示的实施例的描述，将更好地理解本发明，在所述附图中：

图1是根据本发明的包括传感器节点和网关的广域低功率网络的简化表示。

图2图式化由本发明的传送器和接收器所使用的数据帧，所述数据帧包括多个跳频。

图3示出了在传送器和接收器端处在子带中的有用无线电频谱的细分。

图4示出了在信道中的子带的可能的细分。

图5示出了具有邻接的子带的频率规划。

图6和图7绘制了在ALOHA网络中的错失检测率——而无论它是否包括本发明的特征——以及作为网络负载的函数的误包率。

图8示出了扩展频谱传送前导码和数据区段，每个都被拆分成多个跳频。

图9图示了一实施例，其中一些跳频被移位标称步进的一分数。

图10-13图示了在不同假定下在前导码中的重复冲突。

图14示出了在跳动扩展频谱传送中用于补偿传送器的频率误差的机制。

图15比较了通过具有低品质频率基准的节点的跳频传送与通过具有稳定频率基准的节点的相同传送。

图16涉及一实施例，其中通过第一跳动的选择来用信号通知跳动序列的种类。

具体实施方式

图1以简化的方式示出了低功率无线网络，其包括许多传感器节点S0、S1、S2以及接收网关G0、G1。在典型的IoT应用中，传感器节点S0、S1、S2将是简单的电池供电的设备，其获取或计算数据，并且将它们上传（例如箭头80）到网关G0、G1。尽管不是必需的，但是从网关到节点的下行链路业务（例如箭头50）也是可能的。

传感器节点的数目不被限制，并且在现实用例中可超过数千。网关的数目也不受约束，并且通过如下需要来被指示：覆盖在其中发现传感器节点的区域。优选地，网络被设计使得每个传感器在至少一个网关、或优选地若干网关的接收范围中。

在传感器节点和网关之间的上行链路通信80使用窄带宽或超窄带宽调制以及跳频扩展频谱。调制优选是一种形式的具有恒定包络的相干相位调制，例如GMSK、MSK或PSK。信令优选是有差别的以适应信道变化。还优选的是，所述消息包括纠错或检错码，并且它们被格式化到数据帧中，如图2中所图示的，每个都包括若干跳频，原始消息中的相邻的字优选地以帧中间隔开的偏移而交错，使得它们落入不同的跳动中，以增加对抗瞬时干扰的稳健性。

从传感器节点到网关的上行链路通信80包括经调制的无线电信号的合成，其基于传感器节点中的本地频率基准。由于成本和功率考虑，传感器节点不能被配备有高品质振荡器。因此，上行链路无线电信号的频率受相当大的误差影响，所述误差可超过信号的窄带宽。

相反，接收网关与传感器节点相比具有相当更多的计算资源、连续的功率和精确的时间基准，比如例如经GPS规制的时钟（GPS-disciplined clock）。它们优选地被互连并且可以在它们之间协作。

当存在的时候，下行链路通信50可以使用上行链路通信的相同调制协议，或不同的调制协议。为了节约网络容量，下行链路通信可以被广播，以被网关范围内的所有传感器节点接收，但是点对点传送也是可能的。下行链路消息的一个功能是传感器的时间基准与网关时间基准的同步，其有利地可以通过例如LoRa广播分组来被实现。

在大多数IoT应用中，传感器节点仅仅具有非常有限的功率和计算资源。对无线电信道的随机访问，其意指每当传感器节点需要发送消息的时候，传感器节点发送它，而不用信号通知其意图或收听信道是否自由，因此是有利的。这些协议，也已知为ALOHA协议，对系统间冲突是敏感的：ALOHA协议的容量受这样的冲突限制。

本发明的设备和系统使用跳频作为对抗冲突和其它干扰的防御。传感器节点的传送器根据一序列而在可用的无线电带中的若干跳频之间切换载频，使得上行链路传送80包括具有不同载频的一系列接连的跳动。频率在每个跳动边界处改变。优选地，跳动长度与消息长度相比相当更小：一消息或一帧包括一个或若干跳动。

为了准许解调，跳频的序列必须预先已知，或通过接收网关而在算法上可确定。所述系统可具有仅一个预定的跳动序列，并且在该情况中，具有不同起始时间的消息将不会在频率方面冲突，在这个程度上其相应的跳动序列时移，或者具有传送器可以在其之间选择的多个跳动序列。后一布置要求接收网关具有与每个单独的消息的跳动序列相关的信息。

图2图示了上行链路数据帧或消息，诸如可以在本发明的实施例中所使用的那样。帧开始于前导码，其包含同步信号和物理标头，所述同步信号用于在接收器端处的检测。物理标头包括在接收器中用于预测和遵循跳动序列的信息：如果系统预见多于一个可能的跳频序列，则前导码优选地包含已经被选择用于相同帧或消息中随后的数据的序列的标识符。优选地，如将在下文中所见的，物理标头包含与第一跳动中或一个确定的跳动中的频率的绝对值相关的隐式或显式的信息的元素。这样的信息由接收网关用于解析传送器的频率误差。

前导码还可以包括关于数据格式的其它信息，例如数据速率的指示、所使用的调制方案等等。

为了防止前导码丢失，信息优选地在接连的跳频中被重复若干次。图2示出了包含三个跳动的前导码，但是这不是本发明的必需特征。重要地，前导码的每个副本还包含计数器，或信息元素，其允许接收网关标识每个重复。以此方式，即使网关应接收重复中的仅一个，它也仍可以与跳动序列同步。

前导码继之以标头，所述标头告知接收网关有关于随后的有效载荷的性质和格式。重要地，标头和有效载荷交错并且被编码以用于纠错。在示例中，标头和有效载荷包括八个、相应地32个跳动，但是这些数目可以根据用例而变化。每个跳动包含给定数目的调制符号，以及对应数目的经调制消息位。

在本发明的系统中，与跳动序列的同步特别困难，因为感测节点本地振荡器的频率基准具有比信道带宽更大的固有误差。为了引述一些图，假定传感器节点S0-S2配备有具有30 ppm的误差的低级晶体振荡器，并且利用子GHz ISM带中的400 Hz的带宽来调制数据，在限定载频中人们能预期30 kHz的最大误差。这是调制带宽的80倍。

前述内容的两个可能的方式是：

1. 在传送之前，同步传感器的基准与下行链路中的网关基准。

2. 布置跳动序列和可用频率使得频率同步误差可以被校正并且适应。

子带和信道化

优选地，所述系统将可用的无线电频谱划分成可以是相邻的或分离的子带，以及一系列邻接信道中的每个子带。跳动可以在子带内发生或跨子带发生。在子带中的给定信道中传送任何给定的帧，并且由于在感测节点中合成的频率不与通过精确基准所测量的那些直接有关，所以便利的是通过一个子带索引以及在子带索引所指定的子带内部的一个信道索引来限定其频率。

使用若干子带在许多方面中是有利的。

1. 在频域中的较高扩展在未经许可的带中给出更好的共存，既作为受害者又作为攻击者。调控限制满足起来更简单，并且可允许更多频率和/或更长的传送时间。

2. 较高的多样性相对于传播/快速衰落

3. 来自第一跳频的定位的隐式信令：在跳动序列中的第一跳频可以在多个可能的可替换起始频率之间被选择，并且通过该选择，传送器传送信息元素。

4. 网络规划和/或自适应数据速率。

由于在接收器和传送器之间的频率失配，在接收器处和在传送器处不同地限定这些带是有用的。我们引入三个概念：标称、或调控子带定义，接收器子带定义，和传送器子带定义。

如果传送器具有在若干可能的跳动序列之间进行选择的可能性，则所选择的一个可以通过对第一所使用频率的选择而被隐式地用信号通知。

跳动序列的选择可以基于传送设备的频率基准的同步状态。

图3图示了三个子带定义。在该示例中，可用的无线电频谱包括三个不相交的子带：具有相等宽度并且在该示例中规律地间隔的B0、B1和B3，但是这不是本发明的必需特征：子带的数目、宽度和间隔是任意的，并且根据实现方式，它们可接触或重叠；它们可对应于电磁频谱的不同的调控区，但这不是必需的。标称子带（NOM行）是频率的边界，通过精确的仪器被测量，在其内应包含传送。在如通过传送器的频率基准所确定的频率方面表述传送（TX）子带，即当本地振荡器移位的时候，它们移位。为了遵守标称子带边界，传感器节点调整传送器子带，缩减它们，使得即使考虑频率失配，无线电信号也始终落在标称限制中。

重要地，传感器节点具有同步状态，其提供本地振荡器的频率误差的指示。并且取决于同步状态而适配子带的宽度和/或结构。可设计若干策略，但是一般原理是：同步状态所指示的频率误差越高，所调整的子带将越窄。

同步状态可以获得自局部频率基准的标称误差，获得自还可以包括晶体温度的漂移模型，获得自遵循下行链路的同步的结果，获得自从同步中接着发生的上一个下行链路以来经过的时间，或者获得自这些元素中所有或一些的组合。优选地，同步状态是动态的：给定的传感器节点可以能够在同步之后不久使用可用带中的大部分，并且当其本地振荡器的频率变得越来越不精确的时候将逐渐使其传送子带变窄。初始带宽可以通过另外的同步被还原，通过节点的请求被触发，或者遵循预定的调度。

通常，接收器是对经GPS同步的时钟具有访问的网关。在该情况中，接收器（RX）处的子带可以与标称子带基本上相同。在其中接收器被不良地同步（例如在窄带下行链路传送中，或当GPS同步处于故障的时候）的情况中，接收器可以调谐至较宽一组频率，如所示出的，因此它可以接收实际上在标称子带内的所有传送。

在信道规划中还承载在标称或调控的接收器和传送器频率之间的相同差别，如图4中所示。如以上所限定的一个标称子带可以被划分成合适数目的信道（绘图仅仅示出了减小的数目）。如针对传送器所限定的相同子带将由于以上调整而稍微更窄，并且被划分成相同数目的信道。然而，由于频率失配，针对传送器所限定的信道不确切地对应于标称信道。传送器可以排除一些信道，例如靠近于子带边界的那些（在图4中被变暗），以确保所有其传送落在标称子带内。优选地，在网络中的所有传送器使用相同的经缩减的可用频率子集来限制跳动序列选择的信令。

在跳动序列中，在通过子带索引以及在子带内部通过信道索引可以被指定的不同载频上传送每个跳动。优选地，子带被设计使得在传送器——标称的——与接收器之间的对应性是明确的，即在给定子带中存在用于传送器（TX）的载波将是用于接收器的相同子带，而无论同步状态如何，因为在子带之间的分离大于最大预期频率误差。然而，对于信道而言不是这种情况，并且在由传送器所选择的信道索引与由接收器所感知的实际频率之间的对应性不是直接的。

在这些实施例中的可用频带可以被信道化成多个传送信道。优选地，信道不重叠，但是这不是绝对要求。频带可以被拆分成子带，每个都包括多个信道，否则所有信道可以被包括在一个公共的划分中。通常，每个跳频可以由信道索引并且可能地由子带索引来指定。

本发明的传送器可以被布置成通过如下来确定跳频：根据确定的递增演替来使初始跳频的信道重复地递增，从而获得信道的序列，序列中的每个信道定义跳动。优选地，递增继之以取模运算，以将跳频维持在预定的限制内。

因而，在相对间隔方面限定跳动序列，并且传送器可以自由地选择初始频率。在给定跳动的频率（或等同地信道）可导出自先前一个的频率通过偏移、或移位、继之以取模运算的范围内，序列仅仅限定与每个跳动相关联的相对频率移位或间隔，而不约束序列从该处起始的第一信道。当移位操作产生在其子带界限外部的信道的时候，取模运算将它包在子带内部。

在接收中，一旦接收器在初始频率（或信道）处检测到信号，它就可以通过根据已知的递增演替来使初始频率重复地递增而预报跳频，并且接连地在跳频中调谐以接收整个消息。

偏移不取决于所使用的频率，而是可取决于跳动索引，例如，它可以是线性增加的，或它可以产生自伪随机序列或排列，其对于接收器而言已知或在算法上可重现。

跳动序列的隐式和显式信令

本发明的通信网络可以使用一个公共的跳动序列来用于所有上行链路传送，或优选地使用传送节点可以在其之间进行选择的多个跳动序列。当若干跳动序列是可能的时候，在物理标头或前导码中显式地或隐式地用信号通知每个消息的序列。

通过第一跳动的信道索引以及子带索引以及在必要情况下的跳动序列索引来确定跳动序列。传送器侧合成一无线电信号，所述无线电信号具有相对于其自己的时间基准被唯一确定的频率，但是由于该基准具有未确定的误差，所以由接收器所接收的频率是未确定的。

接收网关可以在子带被充分分离的范围内确定无疑地确定第一跳动的子带索引，并且还已知跳动序列索引，因为该信息在标头中被显式地用信号通知，但是它不能确定无疑地确定由传送器为第一跳动所选择的信道索引，并且因此不能确切地确定跳动序列的进一步演进。当频率在子带边界附近折叠的时候，这是特别如此。

为了解决该问题，传送器可具有稳定的频率基准，诸如TCXO，并且同步其来自下行链路帧或信标的频率。在该情况中，准确性可以比调制带宽的一半或甚至四分之一更好。然后有可能限定信道，并且无歧义地限定跳动序列。然而，由于成本和功率预算限制，在IoT应用中，该解决方案可能不是可实践的。

在另一可能的实施例中，传送器具有不太稳定的频率，例如低级XO，但是其误差至少被表征并且被包括在已知限制内。这可以包括借助于下行链路帧或信标来同步传送器的频率基准与网关的频率基准。在该情况中，误差可达到1 ppm，其对应于868MHz或915MHzISM带中的大约超过1 kHz。

为了允许接收器确定跳频的序列，尽管有频率误差，但是传送器在针对第一跳动或针对序列中一个确定的跳动、例如前导码之后的第一数据跳动使用的信道上发出附加的信息。

在简单的显式信令方案中，传送器可以在前导码中包括信道的全指定，或者针对第一跳动或针对前导码中随后的跳动使用的载频的全指定。由此，接收节点可以计量在传送器和本身之间的瞬时频率失配，并且确定跳动序列。

然而，全额用信号通知信道索引可能是浪费的，因为频率误差不是任意大的。接收网关通常可以根据其绝对频率、在具有某些单元的不确定性的情况下确定传送信道。例如，如果最大频率误差对应于调制带宽的± 1.5倍，则接收器仅仅需要两位信息来确定信道索引。前导码包含部分信息，例如信道索引的两个最低有效位，并且更有效的位由接收器基于绝对载频来确定。优选地，指定第一跳频的信道索引的至少有效部分用信号被通知，要么显式地，要么如将更进一步被示出的，通过对第一跳频的选择而隐式地。

在本发明的可能的变体中，关于初始信道的信息不在前导码或消息中的任何地方被显式地调制，但是它通过对第一跳频的选择而隐式地用信号被通知。在相对间隔方面限定跳动序列，传送器可以自由地选择第一跳频，并且通过该选择，隐式地用信号通知针对跳动序列的第一跳动所选择的信道。参考图3的子带规划，例如，可以利用针对第一跳动的B0、B1或B2的选择来隐式地传送1.5位信息。惯例可以是：如果频率索引对3取模等于0，则使用B0，如果它对3取模等于1则使用B1，并且如果它对3取模等于2则使用B2。由于可以无歧义地检测子带，所以接收器能够立即重构跳动序列。

图5图示了没有被分割成不相交子带的频率规划。这避免在子带之间的防护带，并且最大化频谱效率。频率跨度被拆分成邻接的子带，其被分组到被标记为A/B/C/D的不同集合中，以创建不相交的子带的分组。为此，在相同分组的2个子带（在图中A-A、B-B、C-C或D-D）之间的频率距离应当高于端点的最大传送频率误差。

不相交的子带然后可以允许使用第一跳动的频率的隐式信令。分组可以用于网络规划，由此将为给定网关指派给定的分组，因此所接收的子带将不是模糊的。在可替换的方案中，分组可以用于根据数据速率来分离业务；再次，第一跳动的子带索引不是模糊的，因为在帧的标头中用信号通知数据速率。

独立于隐式信令的使用，将带划分成子带的分组还可以用于在利用高功率接收的用户和利用低功率接收的用户之间分离上行链路业务，用于保护最弱的用户。由于频率误差，在子带边缘上仍将存在某些冲突，但是小于在整个带上所限定的跳动序列的情况下的冲突。

冲突预测和消除

由于在跳动序列已知的范围内系统基于跳频，所以如果并且当两个消息将冲突的时候，接收器具有预报的可能性。帧的前导码和同步部分不能被预先预测，但是在短的延迟之后可以对数据进行后期处理。由于帧是经FEC编码的并且在所有跳动之上交错，所以接收器应当在解交错和解码之前等待最后的跳动，在解交错和解码的时候，感兴趣的帧的冲突预测和消除过程完成。因此，消除过程不延迟解码过程。

在优选实施例中，预测包括在接收网关中对干扰图进行构建，所述干扰图根据时间和频率来预报所接收的信号水平。在时间轴上，图的分辨率、或粒度优选地等于符号的长度或比符号的长度更好，并且可以具有与一个样本相等的分辨率。

当检测到信号的时候，接收网关确定其跳动序列并且填充与具有在检测步骤中所测量的信号水平（按每个分组一个功率水平）的到来的分组的预期时间和频率相对应的干扰图的仓。

用词“信号水平”在此处标示强度或功率的任何合适的指示符，包括但不限于所测量的所接收的信号强度，或者以dBmW、以dBμV/m或以任何合适的尺度或单位所测量的RSSI。

操作如下：

1. 接收器按每个所检测的帧而实例化一个解调器。解调器为每个所接收的位生成对数似然比（LLR），以及可能地一些品质指示符、比如RSSI、SNR或其它。

2. 随着检测和解调器实例进展，它们通过如下而更新干扰图：添加所测量的感兴趣的信号的相对信号强度（RSSI）。这样的干扰图示出了所有节点的可能的交叉干扰，所述所有节点在给定时间传送并且应当至少具有一个符号长度的时间粒度以及比调制带宽更好的频率粒度。

3. 一旦帧达到了解调的结束，并且在解交错和解码之前，LLR就基于干扰图被加权并且可能地被消除：对于每个所接收的位，计算干扰加噪声比（SINR）。在其中干扰图示出了在来自两个节点的时间和频率中的同时传送的情况下，LLR通过通常在一和零之间的校正因子被加权，以计及以下事实：即在这些时间和频率间隙中的信号潜在地被干扰损坏。消除总计是指派为0的权重。加权量或可能地总消除基于信号与干扰加噪声比（SINR）来被确定。

优选地，接收器网关被布置成测量在无干扰的无线电信号的跳动序列中的多个分组的信号水平，并且如果源的信号水平在接收改变期间改变，则可以调整在干扰图中所预见的分组的信号水平。

在另一优选的变体中，接收网关应当还评定来自其它系统的干扰，其通过比较所接收的信号与来自干扰图的那些预报。

协作接收

从一个传感器节点所传送的消息可以由多于一个网关接收，并且在该情况中，若干接收器可以在其解码中协作。参考图1，从S1传送的消息由G0和G1二者接收。对于每个帧，接收网关G0、G1向服务器105（其可以在分离的位置中，或在与网关之一相同的地方；分离的零件或硬件，或仅仅是软件程序的实例）传送必要的信息。被上传（箭头110）到服务器的信息优选地包括：如先前所计算的经加权的LLR，连同到达的信息的时间、跳动信息以及将用于标识和处理帧的其它元数据。优选地，接收器可以提供所意图的传送频率的准确估计。这简化服务器105中的帧的标识。隐式信令可以用于该目的。

多个同步字（跳动前导码）

ALOHA网络可以使用特殊的数据序列，其照惯例被指示为“同步字”，用于标识传送或数据帧的起始。同步字可以被放置在帧的前导码或物理标头中，并且其结构由接收器充分已知以允许检测和字对准。

同步字和物理标头特别重要，因为如果它们被误解，则所有后续数据的接收受损。图6示出了前导码的同步字的检测中的预期误差率，其在以下假定之下针对具有增加的负载的ALOHA网络中的系统自干扰而被模拟，所述假定即：当同步字的持续时间的多于20%被干扰覆盖的时候，错失同步字。前导码不受在较高水平下干预的FEC和交错所保护，并且在20%负载下的误差率大约是28%。为了比较，图7绘制了针对图6的相同网络的有效载荷的所预测误差率（PER），其假定卷积FEC（133、177，k=7），并且在解码之前，80%的干扰被检测到并且被消除，并且20%没有，其是针对弱节点的现实假定。我们看到在20%负载下的PER大约是8%。

在实施例中，同步字、以及可能地还有物理标头在以不同频率的若干拷贝中被传送，跟在跳动序列之后。同步字的每个重复与跳动索引上的信息的元素相组合，例如计数器，所述计数器允许接收器对准到跳动序列。图8示出了该多重标头传送的可能实现方式。该绘图表示上行链路传送，所述上行链路传送包括若干跳动的时间演替，所述若干跳动具有不同的载频，并且出现在绘图中的不同纵坐标处。由空的或经填充的矩形表示的每个单独的跳动包括经窄带调制的信号。

前导码跳动302包含多个同步字，每个都与至少一个跳动索引组合，所述跳动索引在该实施例中在每个跳动的开始和结束处的两个拷贝中被重复。这不是必需的，并且索引可以仅仅在开始处或在结束处或在中间内，但是由于大多数干扰受限于短时间间隔，所以该附加的冗余增加了稳健性。

在可能的实现中，跳动索引被布置在倒计数减少的序列中：利用“0”被标注的跳动是前导码跳动中的最后一个。该布置是灵活的，因为接收网关不需要知道前导码包括多少跳动、同步字的数目、或其重复率。接收器仅仅需要正确地接收一个跳动以与跳动序列同步和对准，将传送器的频率误差因素包括进来，并且知道同步字结束和数据起始所在的定位。例如，即使第一同步字（虚线）根本没有被发送，接收器也仍可以在随后多个中的任一个上同步。

同步字320的数目和重复率不需要是固定的，但是可以由传送器基于权变因素动态地修改。在优选实施例中，传送器基于同步状态来适配同步字重复数目和/或同步字重复率，所述同步状态指示其本地频率基准的频率误差。

在另一实施例中，所重复的同步字的数目和/或同步字重复率由传送器基于传送器成功率的估计来被适配。传送器成功率是如下概率：即由一个网关或由多个网关正确地接收传送的概率。它取决于网络负载，并且取决于网关所见的接收信号水平。成功率还取决于同步字的数目，如以上所提及的：同步字越多，成功的概率就越高。当系统容量受其自己的业务所限制的时候，与同步字的数目的依赖性特别不合理（steep）。

传送器可以用若干方式来估计成功率。估计成功率的准确方法基于所传送的帧的分数，所传送的帧应当由网络应答并且事实上被应答。不需要应答的不太准确的方法包括估计信道上的负载，其通过仅仅针对信号水平对信道进行采样，或通过尝试检测来自其它传送器的同步字，并且根据信道负载来计算成功率。

在另一实施例中，传送器基于在网络上所接收的命令来适配同步字重复数目和/或同步字重复率。网络基础设施、例如网关或服务器可以估计针对给定传送器的成功率。用于那样做的可能的方式需要插入帧计数器，所述帧计数器在每个传送时递增，使得可以直接监测成功率。当网络给定传送器传送很少帧的时候，网络还可以根据以下各项来在统计上估计所述给定传送器的成功率：系统负载、传送器接收的信号水平、以及其它传送器接收的信号水平。网络然后可以通过单独地调整同步字重复数目/率而做出性能/功耗/网络负载的权衡。网络可以定义服务的不同类，并且将不同策略应用到这些类。

数据跳动340在绘图上被编号以对它们进行区分，但是不需要包括显式索引。在该点处的接收器已经确定了它们的频率并且可以正常地对它们进行解调。由于数据被FEC编码并且交错，所以传送高度免疫于干扰。照惯例，相对于第一数据跳动的中心时间t_0和中心频率f_data0来限定跳动序列。然而，其它选择可以是可能的。本发明的区别性特征是：帧中的前导码和数据二者各自跨越在多个跳频之上。

如以上所讨论的，跳动序列涉及以非重叠的信道为中心的一系列载频（图4）。在可能的实施例中，传送器节点被布置成按带宽的一分数来使某些前导码跳动的载频偏移，如图9中所图示的。在该布置中，偶数同步字按其带宽的一半而向下移位。通常，跳频可以通过频率偏移被分离，所述频率偏移是带宽的整数或半整数倍数，或者带宽的预定分数的倍数。

尽管该移位看似增加频率中冲突的可能性，但是它事实上是有用的，因为通常由传送器所使用的信道的中心频率没有被良好地限定。调制带宽是低的，大约100 Hz，并且为了检测任何同步字，接收器需要形成大量信道，或增加其带宽。

归因于图9的移位，接收器可以形成较少的信道或缩减其带宽，并且仍能够以高可能性检测同步字的至少一部分。如果一半的同步字按BW/2偏移，则接收器确信在一半的同步字将具有比BW/4更低的偏移。以此方式，为了接收器中较低的复杂度而权衡掉某些稳健性或性能（可能需要同步字的更多重复）。

重要地，整数和分数步进的序列遵循确定性规则，使得接收器可以将这些确定性分数移位应用到跳频的标称序列，并且保持确切的调谐，其在已知移位字的序列中的定位的范围内。如已经提及的，在图9的示例中，偶数索引的同步字按BW/2而向下移位。其它确定性规则可以用于相同的效应。

虽然对于本发明的工作而言足以使同步字可由接收器检测和识别，但是已知的技术可以用于选择具有有利性质、例如锐利自相关的同步字。在这些选择之中，根据预定的已知序列，本发明可以在所有前导码跳动320中使用相同的同步字，或者还为每个跳动使用不同的同步字。在后一情况中，接收器可以根据跳动索引和/或根据同步字本身来确定跳动的定位。

除了同步字之外，前导码跳动320还可以将附加的信息传送到接收器。例如，它们可以包括对数据部分的数据速率进行指定的附加信息，和/或如下指示：其在多个可能的跳动序列之中指定跳动序列。可以用任何合适的方式来对信息的这些元素进行编码。

跳动序列

如已经陈述的，在传送器节点中的频率误差使得难以限定跳动序列。优选地，对于跳动前导码、以及可能地对于在数据部分开始处的跳动序列应当是这样的使得它仅仅可以根据索引和当前频率来被标识。另外，由于所传送的频率可示出比信道带宽的若干倍更高的误差，所以跳动序列确定不应受这样的偏移影响。

假定连续的一组潜在频率，有利的选项是：在相对间隔方面限定跳动序列，所述传送器能够自由地选择初始频率。如已经提及的，这意味着在跳动序列中，给定跳动的频率可导出自先前一个的频率通过偏移、继之以取模运算，用于将它保持在所意图的带限制内。

就涉及跳动前导码而言，所有频率相对于第一数据跳动的中心频率，我们将其标示为f_data0。该频率必须被包括在带或子带的限制之间，所述限制被标示为f_min和f_max。

我们将最小跳动步进定义为h_step。为了简化描述和各图，我们假定h_step等于调制带宽BW（例如在6dB截止处被测量）。然而，这不是必要的要求。所传送的信号将在（具有6dB截止）f_min–bw/2 - f_error_max与f_max + bw/2 + f_error_max之间。

我们用N来标示可用于从传送器的视点进行跳动的信道的数目，N=floor(f_max-f_min) / (h_step+1)。

从接收器的视点，应当被扫描的中心频率的总集合从f_min-f_error_max跨越到f_max+f_error_max，其中f_error_max标示针对传送器的最大频率误差，所述最大频率误差是其晶体振荡器误差的后果。

为了简化记号，我们迫使f_data_0是这样的使得f_data_0 = f_idx_data_0*h_step + f_min，其中f_idx_data_0是在0和N之间的整数。以此方式，我们可以简单地将频率标识成整数。我们仅仅需要频率差是整数数目的h_step。这可以被扩展到一般情况。

当限定若干跳动序列的时候，我们将跳动序列的标识标注为hop_seq_idx。然后，我们可以描述频率相对于索引以及hop_seq_idx。记住索引是跳动前导码索引，其倒计数：

1. 如果index=0，则f_idx_preamb(index) = mod(f_idx_data_0 + hop_delta(0,hop_seq_idx),N+1)

2. 如果index>0，则 f_idx_preamb(index)=mod(f_idx_preamb(index-1) + hop_delta(index,hop_seq_idx),N+1)。

级数hop_delta应当被选择成最小化重复的冲突，尤其是在前导码跳动中：如果两个传送器碰巧在跳动前导码的一个跳动上冲突，则它们在其它跳动上应当尽可能小地冲突。理想地，如果它们将在给定跳动上冲突，则它们不应在其它跳动上冲突。以下性质对于确保多重冲突受限而言是重要的：

1. 应当避开等于±1的hop delta。用代数方法：对于任何索引和任何hop_seq_idx，应当保持不等式abs(hop_delta(index,hop_seq_idx))＞1。这是因为中心频率由于频率误差而没有被良好地限定，因此在仅为1的偏移的情况下，在2个相继的跳动上可发生冲突，如图10中所示。确切的规则，如果BW ≠ h_step，则： abs(hop_delta(index,hop_seq_idx))*h_step＞ BW + abs(hop_offset)。

2. hop_delta的值应当不同，否则一旦出现一个冲突，就肯定出现多个冲突。这在图12上被图示。

3. 由于频率误差，在跳动增量之间的差应当至少是2。这被示出在图11上，其中具有2和3的跳动增量。

4. 对于任何索引和任何hop_seq_idx，hop_delta(index,hop_seq_idx))应当不同于相继跳动增量的任何总和。这在图13上被图示。确切的规则将是相继的跳动的总和加或减1，但是按照规则3，无论如何，差是2的倍数。

为了满足前3个规则，hop_delta序列可以简单地是奇整数或偶整数。为了还遵守第4规则，假定同步字的最大数目在跳动前导码内是4，4个不同的序列，这些可以是{2,4,8,10}、{14,16,20,22}、{-2,-4,-8,-10}、{-14,-16,-20,-22}。

模拟已经示出了：以上规则显著改进了正确地检测到前导码以及重构跳动序列的概率，尽管在传送器中有频率误差。

不同的跳动序列选项

伪随机跳动序列提供更好的抗系统自干扰力，从而带来对抗冲突的更多的多样性。优选地，伪随机跳动序列从一个跳动到另一个仍是双射的：每个跳动的频率确定性地可导出自在前一个的频率。用于获得该特征的可能的但是不唯一的方式是根据确定性的排列序列来布置跳频。

归因于以上的双射对应性，接收器仅仅需要检测一个跳动来由它自己重构跳频序列。

在一般伪随机序列情况下的问题是它们需要对信道的确切认知。存在用于减轻该问题的两个选项：

传送器具有稳定的频率基准，诸如TCXO，并且同步其来自下行链路帧或信标的频率。在该情况中，准确性可以比调制带宽的一半或甚至四分之一更好。然后有可能限定信道，并且按照现有技术来限定跳动序列。

传送器具有不太稳定的频率，但是确实同步其来自下行链路帧或信标的频率。在该情况中，误差可达到1PPM，其在868MHz或915MHz ISM带中留下小于1KHz。然后作为侧边信息，如在此处在跳动前导码内或通过使用不同的方式所描述的，传送器可以用信号通知它将其传送所瞄准的频率。以此方式，接收器知道传送器的频率误差，并且可以导出跳动序列。归因于有限的频率误差，仅仅2位或3位足够作为侧边信息：误差低于+/-1.5信道，并且于是重要的是mod(f_idx_preamb,4)。hop_offset可以被调整使得在该情况中的最大频率误差被限制于+/-1.5信道，或其它值，以便限制所需要的侧边信息。

优选地，跳动序列无歧义地可导出自其第一跳动或等同地在检测前导码中所确定的定位处的一个跳动的标称载频或信道索引，可能地具有附加的侧边信息，尽管有可能是信道带宽若干倍大的频率误差。

为了解决该问题，本发明依赖于跳动序列，所述跳动序列在继之以取模运算的相对移位方面被限定。对于其频率靠近于带或子带的边界的一些跳动，接收网关可能不能知道传送器是否已判断出它们落在带限制的外部，以及取模运算是否已经被应用。换言之，在信道索引k与信道索引k+N之间存在歧义。图14图示了该情况。两个绘图表示了相同的跳动序列，如通过传送节点所传送的以及通过网关所接收的。频率轴相对于网关的时基，其照惯例被认为是确切的，并且所接收的跳动与所传送的跳动水平地对准。

事实上，传送器节点将基于其自己的频率基准来合成频率，所述频率基准受误差f_err影响，并且取决于该未知的量，可能不能将取模运算应用到跳动232，或者如果误差在符号上反转，则将它应用到跳动231。因此存在歧义，因为可以根据增量是否导致被传送器判断为在子带限制外部的频率来以两个不同的频率合成某些跳动频率。

为了应付该歧义，接收器可以为预期落在靠近于边界处的跳动打开第二收听信道。例如，当规定的偏移被应用到跳动234的时候，接收网关发现下一个跳动237将落在f_min之外，并且于是应当应用取模运算并且在被标记为236的定位处收听下一个跳动。尽管如此，网关在展开的定位237处打开第二接收器。以此方式，接收器中的任一个将被正确地调谐。在可替换的实施例中，传送器可省略以传送比如231和232之类的跳动，其与f_err_max相比更靠近于边界。

在实施例中，通过在每个跳动上的排列来生成跳动序列。通过经由排列操作的跳动序列中的在前频率（典型地紧接在前的频率），可导出每个跳动频率。以此方式，每起始频率存在一个排列。每跳动必定存在不同的排列，否则将生成仅一个序列。

优选地，传感器节点隐式地通过起始频率（我们也将其称为第一数据跳动频率、或基准频率）来用信号通知跳动序列。序列如下，也迭代地被描述：

如果index=0，则f_idx_data(index) = f_idx_data_0

如果index>0，则f_idx_data(index, hop_seq_idx) = hopping_perm[hop_seq_idx]( f_idx_data (index-1))

其中hopping_perm[hop_seq_idx]是(0,N-1)的排列，优选地较少循环。

性能增益以此为代价：接收器必须知道第一跳动的确切意图的频率，以导出序列。如已经描述的，这可以通过传送器中的稳定频率基准、或通过任何跳动、优选第一个的绝对频率的隐式或显式信令来被获得，如基于传送器自己的频率基准所合成的。

绝对频率的值可以隐式地或用任何其它合适的方式用信号被通知，隐式地用信号通知，通过在传送中所使用的第一子带的选择，给定移动节点中的频率基准可以在其内进行漂移的限制，由于子带的确定从无歧义。

针对子带情况的跳动序列

如果可用的频率被划分成子带，则可以通过分层次地被叠加到信道序列的子带序列来指定所传送的跳动序列。每个跳动在不同的子带并且在不同的信道中被传送，如通过相应的序列所指示的。

为了简化记号，我们假定所有子带具有等于N+1的相同信道数目。以此方式，我们保持单带情况记号，以标注子带内所使用的频率。

子带索引被标注为sb_idx_data，其取决于跳动号索引，以及跳动序列号hop_seq_idx。对于给定的跳动序列号，跳动序列仅仅取决于sb_idx_data_0以及f_idx_data_0，即第一跳动的频率。

跳动序列然后被限定为集合sb_idx_data(index, hop_seq_idx,sb_idx_data_0,f_idx_data_0)和 f_idx_data(index,hop_seq_idx,sb_idx_data_0, f_idx_data_0)

将可用频率组织为不相交的子带提供独立于跳动序列的优势：对抗多路径的更好的多样性、更好的干扰减轻、更好的共存以及作为结果更好地与规程一致。

当子带不相交的时候，一个优势是：第一跳动的子带对于接收器而言无歧义地已知，甚至当存在来自传感器节点的频率偏移的时候。我们可以使用sb_idx_data_0来用信号通知跳动序列和侧边信息二者，比如f_idx_data_0的LSB。例如，当存在40个子带的时候，2位可以用信号通知f_idx_data_0的LSB，然后可以从sb_idx_data_0用信号通知10个跳动序列。当然，仍可以通过f_idx_data_0隐式地用信号通知更多跳动序列。我们还可以仅仅从sb_idx_data_0用信号通知跳动序列，并且使得频率误差未知，但是然后所接收的将必须在带边缘处打开复制的接收窗口（在频率中被复制），比如图14中那样。

对于未经同步的节点，用于f_idx_data的空间被减小以确保传送总是在经授权的带中发生。用信号通知LSB仅仅有助于提供更好的跳动序列。

当频率同步不完美的时候，模拟已经示出了与单带相比使用子带的某个优势。假定使用单个跳动集合（仅仅通过第一跳动来确定跳动序列），在子带情况下，干扰减轻稍微更好。然而，当使用若干集合的时候，优势减小，因为所有系统都非常接近于完全随机序列，所述完全随机序列对于干扰减轻而言是最优的。

针对具有完美频率同步的子带情况的跳动序列

该情况假定所有传感器节点具有比调制带宽的¼更好的频率同步，使得在所意图的频率中没有歧义。

此处，通过{f_idx_data_0, sb_idx_data_0}对来限定的第一跳动频率仍用于对跳动序列进行索引，潜在地具有其它索引。它们无歧义地已知。

它是用于生成伪随机序列的现有技术的部分，所述伪随机序列取决于f_idx_data_0、sb_idx_data_0、hop_seq_idx。应当存在用于子带索引的一个，以及用于频率索引的一个。对此的一个示例使用“伪随机二进制序列”生成器，其状态大小高于或等于对于表示f_idx_data_0、sb_idx_data_0、index、hop_seq_idx所需要的总位数。

针对具有混合频率同步能力的子带情况的跳动序列

该情况更现实，因为不是所有传感器节点都将配备有良好的时间/频率基准。甚至利用在先同步，传感器节点也可展现显著的频率漂移，因为信标/同步帧在LPWAN中不是非常频繁。

然后，我们需要使两个群体共存。优选的是向更好地同步的节点给出更高的跳动空间。当然，还有可能减小针对所有节点的空间，因此它们变得相同。

图15图示了在本发明框架中的可能的布置。针对宽松同步的节点的第一跳动频率受限，并且不被允许比f_err_max来得更靠近于带限制。传送节点仍通过第一所使用的子带来用信号通知确切的频率。宽松同步的节点可以仅仅使用N-P个中间信道（跳动240），而良好地同步的节点可以使用N个可用信道中的任一个（跳动245）。请注意到，对于每个跳动，子带索引改变，但是这使用标准伪随机跳动序列。

使用哪个跳动集合的信令再次来自第一频率索引。在中心的一些频率可以用信号通知全跨度跳动序列。频率的集合应当被拆分成2个不相交的分组，如图16中所示。第一分组仅仅具有在中心内的频率，以确保宽松同步节点的第一跳动在所允许的边界内，并且第二分组是其余的。分组的相对大小应当取决于宽松同步的节点的比例。

Claims (13)

1.一种无线通信网络，其包括频带中的多个无线电传送设备，所述频带被划分成多个信道，其中，

传送设备各自具有本地频率基准，并且被布置成：调制载波并且通过根据跳动序列在所述频带中的若干跳频之间切换载波频率，来将经调制的信号处理成扩展频谱无线电信号，并且，

传送器被布置成：通过根据确定的递增演替使初始跳频的信道重复地递增，来确定跳频序列，从而获得信道的序列，所述序列中的每个信道定义跳频序列的元素；并且通过无线电接口传送无线电信号。

2.根据权利要求1所述的无线通信网络，其中，所述信道不重叠。

3.根据权利要求2所述的无线通信网络，其中，在所述跳动序列的确定中，所述传送器在每个增量之后应用取模运算，以将所述跳频维持在预定限制内。

4.根据权利要求1所述的无线通信网络，包括至少一个接收网关，所述接收网关被布置用于：在初始接收频率处检测从传送设备传送的信号；通过根据确定的递增演替使初始接收的频率重复地递增，来预报跳频；接收在预报跳频处的信号。

5.根据权利要求4所述的无线通信网络，当依赖于权利要求2时，其中所述接收网关被布置成：根据所述增量是否导致被所述传送器判断为在预定限制外部的频率，来确定预期落入预定限制附近的跳频何时可以在两个不同值中的任何一个；并且以两个不同的频率值收听。

6.根据权利要求3所述的无线通信网络，当依赖于权利要求2时，其中所述传送器设备被布置成：省略其跳频落入比确定的阈值更靠近于预定限制的跳动的传送。

7.根据权利要求1所述的无线网络，其中，所述频带被划分成子带；所述传送设备中的跳动序列的生成包括子带序列的确定，并且每个跳动在由信道序列定义的信道处被传送到由子带序列定义的子带中。

8.根据权利要求1所述的无线网络，其中，所述传送设备被布置用于在多个可能的序列之中选择跳动序列。

9.根据权利要求8所述的无线网络，其中，所述跳动序列的选择基于所述传送设备的频率基准的同步状态。

10.根据权利要求8所述的无线网络，其中，通过对第一所使用频率的选择来用信号通知所选择的跳动序列。

11.根据权利要求1所述的无线网络，其中，所述传送设备被布置用于用信号通知如基于所述传送设备自己的频率基准而合成的一个跳频的值。

12.根据权利要求11所述的无线网络，其中，通过对第一子带的选择来隐式地用信号通知所述值。

13.根据权利要求11所述的无线网络，其中，通过在前导码中包括指定针对所述序列中的第一跳动或任何跳动使用的信道或频率的经调制数据来显式地用信号通知所述值。

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