CN112672325B - LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法和接收机 - Google Patents

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CN112672325B CN202011514231.6A CN202011514231A CN112672325B CN 112672325 B CN112672325 B CN 112672325B CN 202011514231 A CN202011514231 A CN 202011514231A CN 112672325 B CN112672325 B CN 112672325B
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Abstract

本发明公开了LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法和接收机，属于通信技术领域。本发明对接收信号欠采样并变换到最优分数域，每个设备的每一径信号在最优分数域中均对应一个特定位置特定幅度的脉冲。由于设备多径参数的独特性，可将设备的多径参数作为区分不同设备信号的特征，利用各设备的多径时延和多径衰减构造对应的特征窗，特征窗中的特征位置对应该设备的多径时延，特征位置上的幅度对应着多径衰减。通过特征窗在接收信号的最优分数域内进行滑动匹配，匹配成功时，特征窗所在的最优分数域位置即对应着当前特征窗对应的设备信号，从而完成信号的分离解调，使得LoRa系统中多个用户可以共用相同的SF和频带，显著提升了LoRa中的频谱利用率。

Description

LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法和接收机
技术领域
本发明属于通信技术领域，更具体地，涉及LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法和接收机。
背景技术
近年来，5G技术的逐步成熟极大地促进了物联网的发展。在物联网中，设备需要与周围环境进行广泛的通信，以低功耗的方式收集或传输信息。针对物联网中设备的这种需求，目前已经提出了三种技术：NB、LoRa和SigFox。在LoRa物联网系统中，采用了啁啾扩频(Chirp Spread Spectrum，CSS)调制技术将设备信息调制到载波频率上，并给不同设备分配不同扩频因子(Spreading Factor，SF)和频带，保证不同设备的调制信号在接收端互不干扰。然而由于频带资源和SF的有限性，不同设备可能同时使用相同的频带和相同的SF，此时不论采样匹配滤波还是最优分数域变换的解调方式，接收信号的处理结果中都将出现不可区分的峰值，从而解调多设备信号失败。
目前对于这种情况采取的措施是使两个设备信号的接收功率相差较大以从功率上进行分离。然而，这种方法必须付出较大的功率代价。此外，当系统处于多径环境时，由于时延拓展的影响，设备之间的干扰会更加严重。进一步增加了多设备信号在接收端分离的难度。C Goursaud等人2015年“Dedicated networks for IoT：PHY/MAC state of the artand challenges”提出让共用相同SF和频带的多个用户的发射功率相差至少6dB，在接收端通过功率的差异，以串行干扰消除的方式进行多用户信号的分离解调。然而，当用户数较多时，该方案将带来的较大的功率消耗。ANGESOM ATAKLITY TESFAY等人2020年“MultiuserDetection for Downlink Communication in LoRa-Like Networks”考虑的是下行链路，发送到所有用户的数据使用相同的SF和频带进行调制，并且假设发送给所有用户的数据相同，通过求解使接收信号与发送信号的欧几里得距离最小的概率来进行接收信号的解调。然而，该方法计算复杂度大，且只针对下行链路。而对于上行链路，由于用户发送的数据是互不相同的且彼此不知道对方的发送数据，这个方法对于上行传输无效。
现有技术均不能很好解决多径环境下LoRa物联网系统中多设备同时使用相同频带和相同SF导致的接收端信号混叠问题。
发明内容
针对现有技术多径环境下LoRa物联网系统中多设备同时使用相同频带和相同SF导致的接收端信号混叠的缺陷和改进需求，本发明提供了LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法和接收机，其目的在于在多个设备不满足功率差，对发送数据先验未知的情况下解决该技术问题，提高了频谱利用率，极大的节省频带资源，增加系统的负载能力。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法，该方法包括以下步骤：
S1.对上行数据传输阶段接收到的混合多径信号进行频率为LoRa系统带宽的欠采样，将欠采样后的信号变换到最优分数域，得到一系列脉冲信号，其中，每个发送设备对应一组脉冲信号，所述多径信号是由多个发送设备的调制信号经过信道之后得到的信号，所述调制信号是各个发送设备对各自待发送信号通过使用相同的LoRa系统的扩频因子SF和具有相同频带的载波信号调制得到；
S2.构建多个脉冲，脉冲数量为发送设备的多径数量，相邻脉冲之间的间隔为相邻多径时延的差值，每个脉冲的幅度为对应多径衰减，得到该发送设备的特征窗；
S3.在最优分数域内特征窗以滑动匹配的方式匹配对应发送设备所对应的一组脉冲信号，匹配成功后即可分离解调对应发送设备信号，从而实现多设备信号的解调。
优选地，步骤S1中，以采样间隔
Figure GDA0003527091480000031
进行欠采样，得到离散化的接收信号
Figure GDA0003527091480000032
其中，U表示发送设备数量，P表示信号的多径数量，B表示LoRa系统带宽，βd，i表示第d个发送设备的第i条路径的信号衰减，
Figure GDA0003527091480000033
表示第d个发送设备的第i条路径的在采样时刻n的采样信号，τd，i表示第d个发送设备的第i条路径的信号时延。
有益效果：本发明通过对接收信号进行采样间隔为
Figure GDA0003527091480000034
的欠采样，由于特定的采样间隔
Figure GDA0003527091480000035
使得离散化接收信号yn的相位是连续而不发生跳变的，从而实现了将分段表示的连续接收信号合并为一段离散化采样信号来表示。
优选地，步骤S1中，每个发送设备的最优变换阶数
Figure GDA0003527091480000036
有益效果：本发明通过对yn进行最优变换阶数下的分数域傅里叶变换，由于最优变换阶数可以使得yn中任意设备的一径信号在最优分数域内聚集为一个脉冲，从而实现了yn在最优分数域内对应一系列脉冲。
优选地，步骤S1中，yn的最优分数域变换对应的脉冲在分数域的特定位置和特定幅度与设备的多径时延和多径幅度相关，对于第d个发送设备的第i条路径的信号，对应最优分数域脉冲的位置为
Figure GDA0003527091480000037
Figure GDA0003527091480000041
幅度为
Figure GDA0003527091480000042
其中，fmin表示载波的下频带，Kd表示第d个发送设备的待发送信号。
有益效果：本发明通过对yn进行最优分数域傅里叶变换，由于yn中任意设备的一径信号在最优分数域内所对应脉冲的位置和幅度与该径信号的信号时延和信号衰减直接相关，从而实现了利用不同设备的多径时延和多径衰减可以区分不同设备的多径信号。
优选地，步骤S3中，特征窗匹配过程为：
(a)取所有发送设备中的多径衰减的最小值，记为βmin；
(b)检测yn的最优分数域中幅度不小于
Figure GDA0003527091480000043
的脉冲，并记录这些脉冲的位置为Peaks＝[Peak1，Peak2，…，PeakN]；
(c)将第d个发送设备的特征窗在最优分数域中进行滑动匹配：
第1次匹配时，将特征窗的左侧起点与最优分数域中Peak1对齐，检测此时yn的最优分数域信号是否在特征窗的P个特征位置上同时出现脉冲，且出现的脉冲幅度除以
Figure GDA0003527091480000044
后的值均不小于窗口中对应特征位置上的特征幅度，若同时满足以上两个条件，完成匹配，此时yn在特征窗对应特征位置上的脉冲信号对应着第d个设备信号，否则，向右滑动特征窗，将特征窗的左侧起点与最优分数域中Peak2对齐，持续这个匹配过程，直至完成匹配；
(d)记录第d个发送设备的特征窗匹配成功时的左侧位置，对应着第d个发送设备的第P条路径信号的最优分数域位置
Figure GDA0003527091480000045
Figure GDA0003527091480000046
于是解调得到第d个设备的发送信号
Figure GDA0003527091480000047
Figure GDA0003527091480000048
有益效果：本发明通过利用各设备的多径时延和多径衰减构造不同设备的特征窗，并以滑动匹配的方式在最优分数域内匹配设备的多径信号对应的一组脉冲，由于设备多径参数的独特性以及不同设备的多径信号在最优分数域内对应的一组脉冲的位置和幅度与该设备的多径时延和多径参数直接相关，从而保证了通过特征窗滑动匹配的方式来获取对应设备信号的准确性。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种接收机，计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明在上行数据传输阶段，不同设备使用相同频带和相同SF进行数据的调制，接收端接收到多个设备经过多径信道的混合信号，对接收信号欠采样，并变换到最优分数域，每个设备的每一径信号在最优分数域中均对应一个特定位置特定幅度的脉冲。由于设备多径参数的独特性，可以将设备的多径参数作为区分不同设备信号的特征，于是，在接收端我们利用导频训练阶段估计得到的各设备的多径时延和多径衰减，构造各个设备对应的特征窗，特征窗中的特征位置对应该设备的多径时延，特征位置上的幅度对应着多径衰减。通过特征窗在接收信号的最优分数域内进行滑动匹配，当检测到接收信号的最优分数域信号在特征窗的所有特征位置上同时出现脉冲，且出现的脉冲幅度均不小于窗口中对应特征位置上的特征幅度，此时匹配成功，否则继续滑动直至匹配成功。匹配成功时，特征窗所在的最优分数域位置即对应着当前特征窗对应的设备信号，从而完成信号的分离解调，使得LoRa物联网系统中多个用户可以共用相同的SF和频带，显著提升了LoRa中的频谱利用率。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于多径时延的LoRa物联网设备信号的传输方法的流程图；
图2为本发明提供的特征窗结构示意图；
图3为本发明提供的一种基于多径时延的LoRa物联网设备信号的传输方法中的特征窗匹配流程图；
图4为本发明提供的单天线系统上行传输模型示意图；
图5为本发明提供的在不同用户数下用户共用相同的SF和频带的误码率对比曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先，对本发明涉及的术语进行解释：
多径：同时接收到两个副本，这两个副本经过了不同的传输途径，具有不同的传输延时。
多径时延：多径传输中，最大传输时延与最小传输时延之差。
最优分数阶：使得时域信号在最优变换阶次的傅里叶变换下，得到一个脉冲信号。
图1所示为本发明基于多径时延的LoRa物联网设备信号的传输方法的流程图，具体包括以下步骤：
(1)多径信道参数估计
(1-1)U个设备分别向接收端发送相互正交的导频信号；
(1-2)接收端根据接收到的导频信号，估计U个设备的多径信道参数；
具体地，多径信道参数包括多径时延和多径衰减，分别按从小到大顺序排列成向量，第d个设备的多径时延和多径衰减分别表示为τd＝[τd，1，τd，2，…，τd，P]和βd＝[βd，1，βd，2，…，βd，P]，其中，τd，i和βd，i(i＝1，2，…，P，d＝1，2，…，U)分别是第d个设备的第i条路径的信号时延和衰减，P表示信道的多径数目。
(2)发送信息调制
(2-1)U个发送设备分别将待发送信息通过CSS调制方式调制到载波线性调频信号的频率上，分别得到各设备的已调信号。其中，U个发送设备采用的CSS调制方式中使用相同的SF和具有相同频带的载波信号。
具体地，第d个设备的已调信号为
Figure GDA0003527091480000071
其中，载波的频带表示为[fmin，fmax]，系统带宽表示为B＝fmax-fmin，载波信号持续时间为
Figure GDA0003527091480000072
载波频率的跳变时间为
Figure GDA0003527091480000073
第d个设备的发送信号表示为Kd，d＝1，2，…，U。
(3)接收信号分离解调
(3-1)接收端接收到来自U个设备的混合信号y，以采样间隔
Figure GDA0003527091480000074
进行欠采样，得到离散的接收信号
Figure GDA0003527091480000075
(3-2)接收端将接收信号yn变换到最优分数域，得到一系列特定位置和特定幅度的脉冲信号。这些脉冲分别对应着不同设备的多径信号或者多径信号的混叠信号。其中，U个设备的最优变换阶数为
Figure GDA0003527091480000076
具体地，脉冲的特定位置和特定幅度与设备的多径时延和多径幅度相关，对于第d个设备的第i条路径的信号，对应最优分数域的位置为
Figure GDA0003527091480000081
幅度为
Figure GDA0003527091480000082
由于不同设备发送数据和信道均不相同，不同设备的多径信号可能在最优分数域发生重叠，因此最优分数域中的脉冲可能对应着某个设备的多径信号，也可能对应着不同设备的多径信号的混叠。
(3-3)接收端根据步骤(1)获取的多径时延和多径衰减构造每个设备的特征窗。
具体地，特征窗的构造与设备的多径时延和多径衰减相关，由于每个设备的多径时延和多径衰减具有特殊性，可以通过这两个信息提取设备信号，提取第d个设备信号的特征窗如图2所示。其中，第d个设备信号的特征窗中有P个脉冲，P为第d个设备的多径数。从右往左看，特征窗中第i个脉冲的位置为Δτd，i，Δτd，i＝τd，i-τd，1表示第d个设备的第i径时延与第1径时延的差值，特征窗中第i个脉冲的幅度为第i径衰减γd，i。
(3-4)分别将每个设备的特征窗以滑动方式在接收信号yn的最优分数域中进行脉冲信号的匹配，匹配成功时，即匹配到当前特征窗对应的设备的多径信号，根据特征窗匹配成功时所在位置，解调对应设备的发送信号。
图3为本发明提供的一种基于多径时延的LoRa物联网设备信号的传输方法中的特征窗匹配流程图，特征窗匹配过程对于U个用户的信号匹配和解调过程均相同，以第d个设备的特征窗的匹配过程为例，所述特征窗匹配步骤为：
(a)取所有发送设备中的多径衰减的最小值，记为βmin；
(b)检测yn的最优分数域中幅度不小于
Figure GDA0003527091480000083
的脉冲，并记录这些脉冲的位置为Peaks＝[Peak1，Peak2，…，PeakN]；
(c)将第d个发送设备的特征窗在最优分数域中进行滑动匹配：
第1次匹配时，将特征窗的左侧起点与最优分数域中Peak1对齐，检测此时yn的最优分数域信号是否在特征窗的P个特征位置上同时出现脉冲，且出现的脉冲幅度除以
Figure GDA0003527091480000091
后的值均不小于窗口中对应特征位置上的特征幅度，若同时满足以上两个条件，完成匹配，此时yn在特征窗对应特征位置上的脉冲信号对应着第d个设备信号，否则，向右滑动特征窗，将特征窗的左侧起点与最优分数域中Peak2对齐，持续这个匹配过程，直至完成匹配；
(d)记录第d个发送设备的特征窗匹配成功时的左侧位置，对应着第d个发送设备的第P条路径信号的最优分数域位置
Figure GDA0003527091480000092
Figure GDA0003527091480000093
于是解调得到第d个设备的发送信号
Figure GDA0003527091480000094
Figure GDA0003527091480000095
实施例
图4所示为本发明实施例的单天线系统上行传输模型示意图，将本发明基于多径时延的LoRa物联网设备信号的传输方法应用于该系统中，来解决多径环境下LoRa物联网系统中多设备同时使用相同频带和相同SF导致的接收端信号混叠问题。本实施例中设备数为U＝3，多径数P＝3，所采用的载波频带为[fmin，fnax]＝[0，1.25×105]Hz，系统带宽B＝1.25×105Hz，扩频因子SF＝7，U个设备的发送序列为服从高斯分布的0和1组成的随机序列。具体包括以下步骤：
(1)多径信道参数估计
(1-1)U个设备分别向接收端发送相互正交的导频信号；
(1-2)接收端根据接收到的导频信号，估计U个设备的多径信道参数；其中多径信道参数包括多径时延和多径衰减，分别按从小到大顺序排列成向量，第d个设备的多径时延和多径衰减分别表示为τd＝[τd，1，τd，2，…，τd，P]和βd＝[βd，1，βd，2，…，βd，P]，其中，τd，i和βd，i(i＝1，2，…，P，d＝1，2，…，U)分别是第d个设备的第i条路径的信号时延和衰减，P表示信道的多径数目。
(2)发送信息调制
(2-1)U个发送设备分别将待发送信息通过CSS调制方式调制到载波线性调频信号的频率上，U个发送设备采用的CSS调制方式中使用相同的SF和具有相同频带的载波信号，分别得到各设备的已调信号为
Figure GDA0003527091480000101
d＝1，2，…，U，第d个设备的发送信号表示为Kd。
(3)接收信号分离解调
(3-1)接收端接收到来自U个设备的混合信号y，以采样间隔
Figure GDA0003527091480000102
进行欠采样，得到离散的接收信号
Figure GDA0003527091480000103
(3-2)接收端将接收信号yn变换到最优分数域，得到一系列特定位置和特定幅度的脉冲信号。这些脉冲分别对应着不同设备的多径信号或者多径信号的混叠信号。对于第d个设备的第i条路径的信号，对应最优分数域的位置为
Figure GDA0003527091480000104
幅度为
Figure GDA0003527091480000105
其中，U个设备的最优变换阶数为
Figure GDA0003527091480000106
Figure GDA0003527091480000107
(3-3)接收端根据步骤(1)获取的多径时延和多径衰减构造每个设备的特征窗。由于每个设备的多径时延和多径衰减具有特殊性，可以通过这两个信息提取设备信号，提取第d个设备信号的特征窗。
(3-4)分别将每个设备的特征窗以滑动方式在接收信号yn的最优分数域中进行脉冲信号的匹配，匹配成功时，即匹配到当前特征窗对应的设备的多径信号，根据特征窗匹配成功时所在位置，解调对应设备的发送信号。
具体地，特征窗匹配过程对于U个用户的信号匹配和解调过程均相同，以第d个设备的特征窗的匹配过程为例，所述特征窗匹配过程为：
(a)取所有发送设备中的多径衰减的最小值，记为βmin；
(b)检测yn的最优分数域中幅度不小于
Figure GDA0003527091480000111
的脉冲，并记录这些脉冲的位置为Peaks＝[Peak1，Peak2，…，PeakN]；
(c)将第d个发送设备的特征窗在最优分数域中进行滑动匹配：
第1次匹配时，将特征窗的左侧起点与最优分数域中Peak1对齐，检测此时yn的最优分数域信号是否在特征窗的P个特征位置上同时出现脉冲，且出现的脉冲幅度除以
Figure GDA0003527091480000112
后的值均不小于窗口中对应特征位置上的特征幅度，若同时满足以上两个条件，完成匹配，此时yn在特征窗对应特征位置上的脉冲信号对应着第d个设备信号，否则，向右滑动特征窗，将特征窗的左侧起点与最优分数域中Peak2对齐，持续这个匹配过程，直至完成匹配；
(d)记录第d个发送设备的特征窗匹配成功时的左侧位置，对应着第d个发送设备的第P条路径信号的最优分数域位置
Figure GDA0003527091480000113
Figure GDA0003527091480000114
于是解调得到第d个设备的发送信号
Figure GDA0003527091480000115
Figure GDA0003527091480000116
图5所示为本发明实施例在不同用户数下用户共用相同的SF和频带的误码率对比曲线图；用户数的设置为U＝[2，3，4，5]，从图5可以发现，当LoRa系统中5个用户共用相同的频带和SF时，平均误码率在8dB时下降为0。并且共用相同的SF和频带的用户数越少，系统的平均误码率性能越好。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.对上行数据传输阶段接收到的混合多径信号进行频率为LoRa系统带宽的欠采样，将欠采样后的信号变换到最优分数域，得到一系列脉冲信号，其中，每个发送设备对应一组脉冲信号，所述多径信号是由多个发送设备的调制信号经过信道之后得到的信号，所述调制信号是各个发送设备对各自待发送信号通过使用相同的LoRa系统的扩频因子SF和具有相同频带的载波信号调制得到；
S2.构建多个脉冲，脉冲数量为发送设备的多径数量，相邻脉冲之间的间隔为相邻多径时延的差值，每个脉冲的幅度为对应多径衰减，得到该发送设备的特征窗；
S3.在最优分数域内特征窗以滑动匹配的方式匹配对应发送设备所对应的一组脉冲信号，匹配成功后即可分离解调对应发送设备信号，从而实现多设备信号的解调；
步骤S1中，以采样间隔
Figure FDA0003527091470000011
进行欠采样，得到离散化的接收信号
Figure FDA0003527091470000012
yn的最优分数域变换对应的脉冲在分数域的特定位置和特定幅度与设备的多径时延和多径幅度相关，对于第d个发送设备的第i条路径的信号，对应最优分数域脉冲的位置为
Figure FDA0003527091470000013
Figure FDA0003527091470000021
幅度为
Figure FDA0003527091470000022
每个发送设备的最优变换阶数
Figure FDA0003527091470000023
其中，U表示发送设备数量，P表示信号的多径数量，B表示LoRa系统带宽，βd,i表示第d个发送设备的第i条路径的信号衰减，
Figure FDA0003527091470000024
表示第d个发送设备的第i条路径的在采样时刻n的采样信号，τd,i表示第d个发送设备的第i条路径的信号时延；fmin表示载波的下频带，Kd表示第d个发送设备的待发送信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，特征窗匹配过程为：
(a)取所有发送设备中的多径衰减的最小值，记为βmin；
(b)检测yn的最优分数域中幅度不小于
Figure FDA0003527091470000025
的脉冲，并记录这些脉冲的位置为Peaks＝[Peaki,Peak2,…，PeakN]；
(c)将第d个发送设备的特征窗在最优分数域中进行滑动匹配：
第1次匹配时，将特征窗的左侧起点与最优分数域中Peak1对齐，检测此时yn的最优分数域信号是否在特征窗的P个特征位置上同时出现脉冲，且出现的脉冲幅度除以
Figure FDA0003527091470000026
后的值均不小于窗口中对应特征位置上的特征幅度，若同时满足以上两个条件，完成匹配，此时yn在特征窗对应特征位置上的脉冲信号对应着第d个设备信号，否则，向右滑动特征窗，将特征窗的左侧起点与最优分数域中Peak2对齐，持续这个匹配过程，直至完成匹配；
(d)记录第d个发送设备的特征窗匹配成功时的左侧位置，对应着第d个发送设备的第P条路径信号的最优分数域位置
Figure FDA0003527091470000031
Figure FDA0003527091470000032
于是解调得到第d个设备的发送信号
Figure FDA0003527091470000033
3.一种接收机，其特征在于，计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1或2所述的LoRa系统多设备上行数据传输接收端信号解调方法。
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