CN113015140B - 一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，包括：获取所述LoRa上行系统中SIMO传输的系统最大能效；获取所述LoRa上行系统中虚拟MIMO传输的系统最大能效；比较所述SIMO传输的系统最大能效与所述虚拟MIMO传输的系统最大能效；选择较大的系统最大能效对应的传输作为所述LoRa上行系统的传输。本发明的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，利用LoRa网关的多天线技术，将虚拟MIMO传输引入LoRa系统，解决了具有相同扩展因子的终端引起的干扰问题。

Description

一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法。
背景技术
低功耗广域网络(LPWAN)技术在支持海量互联网(mIoT)应用方面具有广阔的应用前景，其特点是大量的终端(EDs)，功耗低，通信范围长。在现有的LPWAN技术中，LoRa由于其利用啁啾扩频(CSS)调制和在无许可证频带中工作的优点，最近在促进mIoT应用方面引起了人们的广泛关注。
由于独特的CSS调制带来的正交性，LoRa可以支持多达6个ED的并行传输，在同一频带中具有不同的扩展因子(SFs)配置，但这远远不能容纳密集部署mIoT应用程序所需的大规模ED的通信。即使多通道传输在LoRa系统中是可用的，它仍然不能满足mIoT中大规模EDs访问网络的要求。考虑到LoRa系统中SF值的有限数量，当需要更多的EDs访问时对于同一频带的LoRa网络，其中一些EDs将不可避免地采用相同的SF，会造成共SF干扰，将具有相同SF的EDs引起的干扰引入到系统中，这将进一步恶化网络性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，包括：
获取所述LoRa上行系统中SIMO传输的系统最大能效；
获取所述LoRa上行系统中虚拟MIMO传输的系统最大能效；
比较所述SIMO传输的系统最大能效与所述虚拟MIMO传输的系统最大能效；
选择较大的系统最大能效对应的传输作为所述LoRa上行系统的传输；
其中，所述LoRa上行系统中终端的能效按照下式计算得到，
ηm＝Rm/(pm+Pc),m∈K，
其中，Rm表示终端的数据速率，pm表示终端的发射功率，Pc表示终端的电路功耗，K表示用于数据传输的终端的索引集。
在本发明的一个实施例中，所述LoRa上行系统中包括网关和均匀分布在网关服务区域的M个终端，网关配置Nr个接收天线，每个终端配置一个发射天线，
其中，终端索引集为，
Μ＝{1,2,…,M}，M＝|Μ|，
其中，
Figure BDA0002927933400000021
|·|表示集合的基数，
扩展因子索引集为，
ΨSF＝{7,8,9,10,11,12}，
其中，不同扩展因子之间具有正交性。
在本发明的一个实施例中，获取所述LoRa上行系统中SIMO传输的系统最大能效，包括：
获取每个终端在不同扩展因子配置下的能效，并比较得到该终端的最大能效；
比较每个终端的最大能效，选取最大值作为所述SIMO传输的系统最大能效，并以该最大值对应的终端作为SIMO传输。
在本发明的一个实施例中，在SIMO传输中，终端的数据速率按照下式计算得到，
Figure BDA0002927933400000031
其中，Rm,0表示在SIMO传输中终端的数据速率，ψm表示终端的扩展因子，Bm表示终端的调制带宽，γm,0表示在SIMO传输中终端在子载波上的接收信噪比，Γm表示最小信噪比阈值；
在SIMO传输中，终端的发射功率按照下式计算得到，
pm＝Γm/γm,0，
Figure BDA0002927933400000032
其中，gm＝A0dm α表示终端到网关的路径损耗，A0表示与路径损耗相关的常数，dm表示终端到网关的距离，α表示路径损耗系数，hm表示终端到网关的Nr×1瑞利分布的小尺度衰落信道系数，σ2表示每个接收天线的噪声功率，H表示共轭。
在本发明的一个实施例中，获取所述LoRa上行系统中虚拟MIMO传输的系统最大能效，包括：
获取每个终端在不同扩展因子配置下的能效，并得到每个扩展因子对应的终端能效和；
比较所述终端能效和，选取最大值作为所述虚拟MIMO传输的系统最大能效，并以该最大值对应的终端作为虚拟MIMO传输。
在本发明的一个实施例中，在虚拟MIMO传输中，使用fmincon函数确定终端的发射功率；
在虚拟MIMO传输中，终端的数据速率按照下式计算得到，
Figure BDA0002927933400000041
Figure BDA0002927933400000042
其中，Rm,1表示在虚拟MIMO传输中终端的数据速率，γm,1表示在虚拟MIMO传输中终端在子载波上的接收信噪比，ISF表示扩展因子之间的干扰。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，利用LoRa网关的多天线技术，将虚拟MIMO传输引入LoRa系统，解决了具有相同扩展因子的终端引起的干扰问题。
2.本发明的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，利用虚拟MIMO技术，将配置有一个或多个天线的多个终端作为一个MIMO发射机处理，并传输多个独立的数据流，与传统的LoRa系统相比，可以在网关上利用先进的MIMO接收方案来分离这些数据流，从而有助于获得额外的多终端分集增益。
3.本发明的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，进一步地对LoRa系统中的能效进行了优化，实现了LoRa系统的高能效的通信。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的LoRa上行系统中SIMO传输的系统最大能效获取流程图；
图3是本发明实施例提供的LoRa上行系统中虚拟MIMO传输的系统最大能效获取流程图；
图4是本发明实施例提供的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输流程图；
图5是本发明实施例提供的不同系统能效的CDF曲线图；
图6是本发明实施例提供的不同最大功率下的系统平均能效图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法的流程示意图。如图所示，本发明的方法包括：
S1：获取LoRa上行系统中SIMO传输的系统最大能效；
S2：获取LoRa上行系统中虚拟MIMO传输的系统最大能效；
S3：比较SIMO传输的系统最大能效与虚拟MIMO传输的系统最大能效；
S4：选择较大的系统最大能效对应的传输作为LoRa上行系统的传输。
其中，LoRa上行系统中终端的能效按照下式计算得到，
ηm＝Rm/(pm+Pc),m∈K (1)，
其中，Rm表示终端的数据速率，pm表示终端的发射功率，Pc表示终端的电路功耗，K表示用于数据传输的终端的索引集。
本实施例的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，利用LoRa网关的多天线技术，将虚拟MIMO传输引入LoRa系统，解决了具有相同扩展因子的终端引起的干扰问题。
在本实施例中，LoRa上行系统中包括一个网关和M个终端，M个终端均匀分布在网关的服务区域。其中，网关配置Nr个接收天线，每个终端(ED)配置一个发射天线。
其中，终端索引集为，
Μ＝{1,2,…,M}，M＝|Μ| (2)，
其中，
Figure BDA0002927933400000061
|·|表示集合的基数。
扩展因子(SF)索引集为，
ΨSF＝{7,8,9,10,11,12} (3)，
其中，不同扩展因子之间具有完全正交性，也就是具有不同SF的多个ED可以同时在同一个子载波上传输数据，而不相互干扰，SF间干扰为零。
那么，在上行链路传输过程中，网关在一个子载波上的接收信号为，
Figure BDA0002927933400000071
其中，如果任一终端EDm在子载波上传输，则λm＝1，否则λm＝0；pm表示EDm的发射功率；gm＝A0dm α表示EDm到网关的路径损耗，其中，A0表示与路径损耗相关的常数，dm表示EDm到网关的距离，α表示路径损耗系数；hm表示EDm到网关的Nr×1瑞利分布的小尺度衰落信道系数；xm表示EDm的传输数据；w表示分布为
Figure BDA0002927933400000072
的加性高斯白噪声，其中，σ2表示每个接收天线的噪声功率，
Figure BDA0002927933400000073
是Nr×1维零向量，
Figure BDA0002927933400000074
是Nr×Nr的恒等矩阵。
需要说明的是，考虑到关于LoRa上行系统的能效优化问题，重点考虑在一个子载波上具有相同SF的所有ED的能效优化。更具体地说，每个子载波上的能效优化问题表述为：
Figure BDA0002927933400000075
Figure BDA0002927933400000076
Figure BDA0002927933400000077
Figure BDA0002927933400000078
Figure BDA0002927933400000079
Figure BDA00029279334000000710
Figure BDA00029279334000000711
其中，约束(5b)表明每个ED只能参与一个传输方案，其中βm＝0表示SIMO传输，βm＝1表示虚拟MIMO传输；约束(5c)表明当涉及SIMO传输时，只有一个ED可以选择在子载波上传输，以避免ED之间的共SF干扰；约束(5d)限制在虚拟MIMO传输中可以选择不超过Nr个节点同时在子载波上传输；约束(5e)表明ED的发射功率受其最大功率Pmax预算的限制，约束(5f)是每个ED的SF约束。
进一步地，S1包括：
S11：获取每个终端在不同扩展因子配置下的能效，并比较得到该终端的最大能效；
S12：比较每个终端的最大能效，选取最大值作为SIMO传输的系统最大能效，并以该最大值对应的终端作为SIMO传输。
具体地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的LoRa上行系统中SIMO传输的系统最大能效获取流程图。对于SIMO传输，只有具有不同SF的ED才能同时在同一子载波上传输数据，以避免这些ED之间的产生共SF干扰。
如果EDm在一个子载波上传输数据，则在SIMO传输中终端在子载波上的接收信噪比为，
Figure BDA0002927933400000081
其中，H表示共轭。
LoRa上行系统中各终端的可达数据速率与其扩展因子密切相关。设ψm是EDm的SF，Γm是最小信噪比阈值，以实现EDm的可靠和有效传输时，Γm与SF的对应关系如表1所示。
表1扩展因子与最小信噪比阈值的对应关系
Figure BDA0002927933400000082
那么，在SIMO传输中EDm的数据速率为，
Figure BDA0002927933400000083
其中，[bit/s]为吞吐量单位，Bm表示EDm的调制带宽。
结合公式(5)，在LoRa上行系统使用SIMO传输，
Figure BDA0002927933400000084
那么，LoRa上行系统中SIMO传输能效优化问题为：
Figure BDA0002927933400000091
受约束(5a)、(5c)、(5e)和(5f)限制。在公式(8)中，对于特定的ED，m∈K，如果SF和ψm可以被这个ED使用，那么，当pm＝Γm/γm,0时，得到该情况下的最大能效。通过比较每个终端的最大能效，选取最大值作为SIMO传输的系统最大能效
Figure BDA0002927933400000092
并以该最大值对应的终端作为SIMO传输。图2中
Figure BDA0002927933400000093
和
Figure BDA0002927933400000094
是最大值对应ED的SF和发射功率的最终解，
Figure BDA0002927933400000095
是公式(8)的λm解。
进一步地，S2包括：
S21：获取每个终端在不同扩展因子配置下的能效，并得到每个扩展因子对应的终端能效和；
S22：比较终端能效和，选取最大值作为虚拟MIMO传输的系统最大能效，并以该最大值对应的终端作为虚拟MIMO传输。
在本实施例中，终端能效和通过对配置有相同扩展因子的终端的能效进行加和得到。
具体地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的LoRa上行系统中虚拟MIMO传输的系统最大能效获取流程图。对于虚拟MIMO传输，最多可以使用相同的SF或具有不同SF的多个ED，可以同时在同一子载波上传输数据，共SF干扰将被使用的接收机抑制。在虚拟MIMO传输中EDm在子载波上的接收信噪比为，
Figure BDA0002927933400000096
其中，ISF表示扩展因子之间的干扰，
Figure BDA0002927933400000097
从公式(9)可以看出，当同一子载波上的所有ED都具有不同的SF时，SF间干扰项为零，因此虚拟MIMO传输相当于SIMO传输。然而，当同一子载波上的一些ED具有相同的SF时，虚拟MIMO传输具有进一步抑制共SF干扰的能力。
类似地，在虚拟MIMO传输中EDm的数据速率为
Figure BDA0002927933400000101
结合公式(5)，在LoRa上行系统使用虚拟MIMO传输，
Figure BDA0002927933400000102
那么，LoRa上行系统中虚拟MIMO能效优化问题为：
Figure BDA0002927933400000103
受约束(5a)、(5d)、(5e)和(5f)限制。对于每个特定的SF配置，利用fmincon函数中的内点算法确定每个ED的发射功率，然后得到每个ED的能效，比较不同SF配置之间的终端能效和，选取最大值作为虚拟MIMO传输的系统最大能效
Figure BDA0002927933400000104
并以该最大值对应的终端作为虚拟MIMO传输。图3中，
Figure BDA0002927933400000107
分别为公式(10)中ψm、λm、pm的最终解。
进一步地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输流程图。如图所示，在本实施例中，通过比较SIMO传输的系统最大能效
Figure BDA0002927933400000105
与虚拟MIMO传输的系统最大能效
Figure BDA0002927933400000106
选择较大的系统最大能效对应的传输作为LoRa上行系统的传输。
本实施例的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，利用虚拟MIMO技术，将配置有一个或多个天线的多个终端作为一个MIMO发射机处理，并传输多个独立的数据流，与传统的LoRa系统相比，可以在网关上利用先进的MIMO接收方案来分离这些数据流，从而有助于获得额外的多终端分集增益。而且，进一步地对LoRa系统中的能效进行了优化，实现了LoRa系统的高能效的通信。
实施例二
本实施例通过蒙特卡罗模拟对实施例一的方法进行了模拟评估。本实施例的LoRa上行系统具有一个网关和两个ED，其中网关配备4个接收天线，每个ED配置一个发射天线。在半径为10公里的圆形区域内，ED均匀分布在网关周围。每个ED的最大发射功率在CN470-510MHz波段设置为17dBM。路径损耗系数α设置为4，从ED到网关的距离d最高为10km。噪声功率为-123dBm，带宽为125KHz。
请结合参见图5和图6，图5是本发明实施例提供的不同系统能效(EE)的CDF曲线图；图6是本发明实施例提供的不同最大功率下的系统平均能效(EE)图。图中，SIMO表示SIMO传输而不进行能效优化的CDF曲线图，VMIMO表示虚拟MIMO传输而不进行能效优化的CDF曲线图，SIMO-EE表示SIMO传输进行能效优化的CDF曲线图，VMIMO-EE表示虚拟MIMO传输进行能效优化的CDF曲线图，VMIMOdifferentSFs表示虚拟MIMO发送不同的SFs的CDF曲线图，proposed表示实施例一的节能的自适应虚拟MIMO传输方法的CDF曲线图。
从图5中可以看出，在较低的EE区域，SIMO的性能优于虚拟MIMO，而在较高的EE区域，虚拟MIMO的性能优于SIMO。这是因为较低的EE区域对应于信号功率较小的ED，其中共SF干扰将限制虚拟MIMO传输的性能。也可以看出，节能的自适应虚拟MIMO传输方法具有SIMO和虚拟MIMO传输的优点，因此在这些方案中表现最好。最后，由于SFs的完全正交性，虚拟MIMO传输不同SFs的性能大于其他性能。
图6描述了系统的平均EE与每个ED，最大发射功率Pmax之间的关系。其中不同的Pmax值对应于LoRa系统中的不同场景。从图6中可以看出，平均EE随Pmax的增大而增大。在较小的Pmax区域，SIMO表现良好，而虚拟MIMO在较高的Pmax区域优于SIMO。节能的自适应虚拟MIMO方法优于SIMO和虚拟MIMO传输。上述仿真表明，实施例一的节能的自适应虚拟MIMO方法能显著提高系统性能，当Pmax＝17dBm时，该方法的平均EE比VMIMO-EE提高了23.1％。
应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，其特征在于，包括：
获取所述LoRa上行系统中SIMO传输的系统最大能效；
获取所述LoRa上行系统中虚拟MIMO传输的系统最大能效；
比较所述SIMO传输的系统最大能效与所述虚拟MIMO传输的系统最大能效；
选择较大的系统最大能效对应的传输作为所述LoRa上行系统的传输；
其中，所述LoRa上行系统中终端的能效按照下式计算得到，
ηm＝Rm/(pm+Pc),m∈K，
其中，Rm表示终端的数据速率，pm表示终端的发射功率，Pc表示终端的电路功耗，K表示用于数据传输的终端的索引集；
其中，获取所述LoRa上行系统中SIMO传输的系统最大能效；包括：获取每个终端在不同扩展因子配置下的能效，并比较得到该终端的最大能效；比较每个终端的最大能效，选取最大值作为所述SIMO传输的系统最大能效，并以该最大值对应的终端作为SIMO传输；
在SIMO传输中，终端的数据速率按照下式计算得到，
Figure FDA0003608880410000011
其中，Rm,0表示在SIMO传输中终端的数据速率，ψm表示终端的扩展因子，Bm表示终端的调制带宽，γm,0表示在SIMO传输中终端在子载波上的接收信噪比，Γm表示最小信噪比阈值；
在SIMO传输中，终端的发射功率按照下式计算得到，
pm＝Γm/γm,0，
Figure FDA0003608880410000012
其中，gm＝A0dm α表示终端到网关的路径损耗，A0表示与路径损耗相关的常数，dm表示终端到网关的距离，α表示路径损耗系数，hm表示终端到网关的Nr×1瑞利分布的小尺度衰落信道系数，σ2表示每个接收天线的噪声功率，H表示共轭；
其中，获取所述LoRa上行系统中虚拟MIMO传输的系统最大能效；包括：获取每个终端在不同扩展因子配置下的能效，并得到每个扩展因子对应的终端能效和；比较所述终端能效和，选取最大值作为所述虚拟MIMO传输的系统最大能效，并以该最大值对应的终端作为虚拟MIMO传输；
在虚拟MIMO传输中，使用fmincon函数确定终端的发射功率；
在虚拟MIMO传输中，终端的数据速率按照下式计算得到，
Figure FDA0003608880410000021
Figure FDA0003608880410000022
其中，Rm,1表示在虚拟MIMO传输中终端的数据速率，γm,1表示在虚拟MIMO传输中终端在子载波上的接收信噪比，ISF表示扩展因子之间的干扰。
2.根据权利要求1所述的LoRa上行系统中节能的自适应虚拟MIMO传输方法，其特征在于，所述LoRa上行系统中包括网关和均匀分布在网关服务区域的M个终端，网关配置Nr个接收天线，每个终端配置一个发射天线，
其中，终端索引集为，
Figure FDA0003608880410000023
其中，
Figure FDA0003608880410000024
|·|表示集合的基数；
扩展因子索引集为，
ΨSF＝{7,8,9,10,11,12}，
其中，不同扩展因子之间具有正交性。
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