CN113660007B - 低功率、跳频广域网中的冲突缓解 - Google Patents

Abstract

提供了低功率、跳频广域网中的冲突缓解。在预定频带中操作的用于IoT应用的跳跃扩频无线网络，具有：具有未同步的本地频率参考的移动设备；以及接收网关，其能够检测调制无线电信号是否将在冲突时间间隔中在频率方面冲突，并且消隐冲突时间中的信号。优选地，频带被细分为子频带，并且移动设备基于指示本地频率参考的频率误差的同步状态来适配用于传输的子频带的宽度。

Description

低功率、跳频广域网中的冲突缓解

技术领域

在实施例中，本发明涉及无线传输器设备和包括多个所述传输器的无线网络。本发明的具体用例涉及用于IoT（物联网）应用的低功率测量节点以及除了测量节点之外还包括多个接收网关的IoT广域网，但是本发明不限于那些应用。本发明利用窄带跳频无线电接口以用于数据容量和针对干扰的鲁棒性。

背景技术

若干竞争的低功率无线电网络用于在IoT应用中提供连接性。局域网（如WiFi和蓝牙）已成功地用于一些应用中，但是它们要求连接到互联网的并不始终可用或合期望的本地基础设施，并且几乎不适用于其中传感器节点可能移动到WiFi或蓝牙网关的可访问范围之外的移动应用。还已经提出了用于IoT应用的广域网，特别是LoRa网络和Sigfox网络。在这些网络的情况下，存在若干个挑战：

1. 如在通常情况下那样，如果网络在未授权频带中操作，则对干扰的高抵抗性是必要的。

2. 必须确保依从规章。

LoRa网络采用线性调频扩频调制，并且除了其强项外还具有：低硬件复杂度、无需准确的频率参考或计时、易于同步以及本地化。然而，它在针对低数据率的容量方面具有一些限制。

低功率WAN倾向于支持对传感器节点的随机介质访问（像ALOHA），这是最有功率效率的解决方案。一般而言，Sigfox技术和超窄带技术与系统负载相比遭受非常高的冲突率。在超窄带网络中，冲突发生在三个维度中：时间、频率和功率。时间维度是通常的ALOHA理论维度。频率冲突发生是因为没有频率网格；传感器节点的本地振荡器远远不如传输带宽准确，并且它们引起针对相同系统负载的冲突率加倍。功率维度意味着边缘传感器节点或“弱节点”在任何冲突中将总是会输。附加地，传输器的相位噪声限制了相邻用户可实现的抑制水平（rejection level）。

总而言之，如果监测最弱节点性能的度量，则这些影响将系统负载限制为1％或更少。通过添加更多接收网关的简单计策不能弥补该情形。

本发明提出了一种新颖的传输器设备和对应的无线网络，它们实现了允许克服或缓解上面的限制的修改形式的超窄带调制。

发明内容

根据本发明，这些目标借助于所附权利要求的目的来实现。

附图说明

在通过示例方式给出并由各图图示的实施例的描述的帮助下，本发明将被更好地理解，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将本发明的传输器和接收器使用的数据帧图式化，该数据帧包括多个频率跳跃。

图3示出了传输器的和接收器的端部处的子频带中的有用无线电频谱的细分。

图4示出了信道中的子频带的可能的细分。

图5示出了具有连续子频带的频率规划。

图6和7绘制了作为网络负载的函数的ALOHA网络（无论其是否包括本发明的特征）中的漏检率，以及分组误差率。

图8示出了前导码（preamble）和数据区段的扩频传输，所述前导码和数据区段每个被分成多个频率跳跃。

图9图示了其中一些频率跳跃以标称步长的小部分而移位的实施例。

图10-13图示了在不同假设下的前导码中的重复冲突。

图14示出了在跳跃扩频传输中补偿传输器的频率误差的机制。

图15将具有低质量频率参考的节点进行的跳频传输与具有稳定频率参考的节点进行的跳频传输进行比较。

图16涉及其中通过对第一跳跃的选择来发信号通知跳跃序列的种类的实施例。

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和接收网关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设备，其获取或计算数据并将它们上载（例如，箭头80）到网关G0、G1。尽管不是必要的，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。

传感器节点的数量不受限制，并且在实际用例中可能超过数千个。网关的数量也不受约束，并且通过覆盖其中传感器节点存在的区域的需要来指令。优选地，网络被设计成使得每个传感器处于至少一个网关、或者优选地在若干网关的接收范围中。

传感器节点与网关之间的上行链路通信80使用窄带宽或超窄带宽调制和跳频扩频。调制优选地是具有恒定包络的相干相位调制的形式，例如GMSK、MSK或PSK。信令优选地是差分的以适应信道变化。还优选的是，消息包括误差校正或误差检测码，并且它们被格式化为数据帧，如图2中所图示，每个帧包括若干频率跳跃，原始消息中的相邻字优选地在帧中以间隔开的偏移而交错，使得它们落入不同的跳跃中以增加针对瞬间干扰的鲁棒性。

从传感器节点到网关的上行链路通信80包括基于传感器节点中的本地频率参考的调制无线电信号的合成。由于成本和功率考虑，传感器节点不能配备有高质量的振荡器。因此，上行链路无线电信号的频率受显著的误差所影响，该误差可能超过信号的窄带宽。

相比之下，接收网关比传感器节点具有显著更多的计算资源、连续功率和精确时间参考（像例如，GPS授时的时钟）。接收网关优选地互连并且可以在它们之间协作。

下行链路通信50当存在时可以使用与上行链路通信相同的调制协议或不同的调制协议。为了节省网络容量，可以广播下行链路通信以由网关范围内的所有传感器节点接收，但是点对点传输也是可能的。下行链路消息的一个功能是传感器的时间参考与网关的时间参考的同步，这可以有利地通过例如LoRa广播分组来实现。

在大多数IoT应用中，传感器节点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意味着：无论何时传感器节点需要发送消息，它在不发信号通知其意图或监听信道是否空闲的情况下发送消息，因此对无线电信道的随机访问是有利的。这些协议（也被称为ALOHA协议）对系统间冲突是敏感的：ALOHA协议的容量受这种冲突所限制。

本发明的设备和系统使用跳频作为针对冲突和其他干扰的防御。传感器节点的传输器根据序列在可用无线电频带中的若干跳跃频率当中切换载波频率，使得上行链路传输80包括具有不同载波频率的一系列接续跳跃。频率在每个跳跃边界处改变。优选地，跳跃长度显著小于消息长度：消息或帧由一个或若干跳跃组成。

为了准许解调，跳跃频率的序列必须提前已知，或者可由接收网关通过算法确定。该系统可以具有：仅一个预定的跳跃序列，并且在该情况下，具有不同起始时间的消息将不会在频率方面冲突，只要它们相应的跳跃序列是时移的；或者多个跳跃序列，传输器可以在该多个跳跃序列当中进行选择。后一种布置要求接收网关具有关于每个单独消息的跳跃序列的信息。

图2图示了上行链路数据帧或消息，诸如它可以被用在本发明的实施例中。该帧开始于前导码和物理报头，该前导码包含用于在接收器端部处进行检测的同步信号。物理报头包括在接收器中使用以预测和遵循跳跃序列的信息：如果该系统预见到多于一个可能的跳跃频率的序列，则前导码优选地包含已经针对相同帧或消息中的随后数据而选择的序列的标识符。优选地，如将在以下内容中看到的那样，物理报头包含关于第一跳跃中或一个确定的跳跃中的频率的绝对值的隐式或显式的信息元素。接收网关使用这种信息来解决传输器的频率误差。

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

为了防止前导码丢失，优选地在接续的频率跳跃中重复该信息若干次。图2示出了包含三个跳跃的前导码，但这不是本发明的必要特征。重要的是，前导码的每个副本还包含计数器或者允许接收网关标识每次重复的信息元素。以这种方式，即使如果网关万一仅接收到重复中的一个，那么它也仍然可以与跳跃序列同步。

前导码紧接着是如下报头：该报头向接收网关通知随后的有效载荷的性质和格式。重要的是，对报头和有效载荷进行交错和编码以用于误差校正。在示例中，报头和有效载荷包括八个，分别32个跳跃，但是这些数量可以根据用例而变化。每个跳跃包含给定数量的调制符号，以及调制消息的对应数量的比特。

与跳跃序列的同步在本发明的系统中特别困难，这是因为感测节点本地振荡器的频率参考具有大于信道带宽的固有误差。引用一些数字，假设传感器节点S0-S2配备有具有30 ppm误差的低级晶体振荡器，并且数据在sub-GHz ISM频带中以400 Hz的带宽被调制，那么在定义载波频率中，人们可以预期30kHz的最大误差。这是调制带宽的80倍。

继续进行的两种可能的方式是：

1. 在传输之前，将传感器的参考与下行链路中的网关的参考进行同步。

2. 布置跳跃序列和可用频率，使得可以校正和适应频率同步误差。

子频带和信道化

优选地，该系统在子频带中划分可用的无线电频谱，其可以是相邻的或分离的，并且每个子频带在一系列连续的信道中。跳跃可以在子频带内或跨子频带而发生。任何给定帧在子频带中的给定信道中传输，并且由于在感测节点中合成的频率与通过精确参考测量的频率不直接相关，因此通过一个子频带索引和由子频带索引指定的子频带内部的一个信道索引来定义其频率是方便的。

在许多方面中，若干子频带的使用是有利的。

1. 频域中较高的扩展在未授权频带中给出作为受害者和作为攻击者两者的更好的共存。规章性限制更容易满足，并且可以允许更多功率和/或更长的传输时间。

2. 更高的分集（diversity）对比传播/快衰落。

3. 来自第一跳跃频率的位置的隐式信令：可以在多个可能的替换起始频率当中选择跳跃序列中的第一跳跃频率，并且通过该选择，传输器传输信息元素。

4. 网络规划和/或自适应数据率。

由于接收器与传输器之间的频率失配，在接收器处和传输器处不同地定义这些频带是有用的。我们引入三个概念：标称的或规章性的子频带定义、接收器子频带定义、以及传输器子频带定义。

如果传输器具有在若干可能的跳跃序列之间进行选择的可能性，则可以通过对第一个使用的频率的选择来隐式地发信号通知所选择的跳跃序列。

跳跃序列的选择可以基于传输设备的频率参考的同步状态。

图3图示了三个子频带定义。在该示例中，可用的无线电频谱包括三个不相交的子频带：在该示例中，具有相等的宽度并且规律地间隔开的B0、B1和B3，但是这不是本发明的必要特征：根据实现方式，子频带的数量、宽度和间隔是任意的并且它们可能接触或重叠；它们可能对应于电磁频谱的规章性有区别的区，但这不是必要的。标称子频带（NOM行）是由确切的仪器测量的频率边界，该频率边界内应当包含传输。传输（TX）子频带依据由传输器的频率参考所确定的频率来表达，即它们在本地振荡器移位时移位。为了遵守标称子频带边界，传感器节点调整传输器子频带，从而减少它们，使得即使考虑到频率失配，无线电信号也始终落在标称限制内。

重要的是，传感器节点具有提供本地振荡器的频率误差的指示的同步状态。并且取决于同步状态来适配子频带的宽度和/或结构。可能制定若干策略，但是一般原则是，同步状态指示的频率误差越高，经调整的子频带就将越窄。

同步状态可以从以下各项获得：本地频率参考的标称误差；还可以包括晶体温度的漂移模型；跟随下行链路的同步的结果；自同步中接着发生的最后的下行链路经过的时间；或者这些元素中的全部或一些的组合。优选地，同步状态是动态的：给定传感器节点可以能够在同步之后不久使用大部分可用频带，并且将逐渐使其传输子频带变窄，同时其本地振荡器的频率变得越来越不精确。初始带宽可以通过进一步同步来恢复，该同步由节点请求触发或遵循预定调度。

通常，接收器是具有对GPS同步时钟的访问的网关。在该情况下，接收器（RX）处的子频带可以与标称子频带基本相同。在其中接收器不良同步的情况下（例如，在窄带下行链路传输中，或者当GPS同步失败时），接收器可以调谐到更宽的频率集合（如示出的），使得它可以接收在标称子频带内有效的所有传输。

标称或规章性的接收器频率和传输器频率之间的相同区别也承载在信道规划中，如图4中所示出的。可以以合适数量的信道（附图仅示出减少的数量）来划分如上定义的一个标称子频带。由于上面的调整，如针对传输器所定义的相同子频带将稍微更窄，并且以相同数量的信道而被划分。然而，由于频率失配，针对传输器定义的信道不与标称信道确切地对应。传输器可以排除一些信道，例如接近子频带边界的那些信道（在图4中变暗的），以确保其所有传输都落在标称子频带内。优选地，网络中的所有传输器使用相同的减少的可用频率子集来限制对跳跃序列选择的信令。

在跳跃序列中，每个跳跃在不同的载波频率上传输，该载波频率可以由子频带索引、以及子频带内部的信道索引来指定。优选地，子频带被设计成使得传输器（标称的）和接收器之间的对应性是明确的，即无论同步状态如何，在给定子频带中存在的用于传输器（TX）的载波将是用于接收器的相同子频带，这是因为子频带之间的分离大于最大预期频率误差。然而，这不是针对信道的情况，并且传输器选择的信道索引与接收器感知的实际频率之间的对应性不是直接的。

这些实施例中的可用频带可以被信道化为多个传输信道。优选地，信道不重叠，但这不是绝对要求。频带可以被分成子频带，每个子频带包括多个信道，否则所有信道可以被包括在一个公共划分部中。一般而言，每个跳跃频率可以由信道索引指定，并且可能地由子频带索引指定。

本发明的传输器可以被布置成通过根据确定的一系列递增量使初始跳跃频率的信道重复地递增来确定跳跃序列，从而获得信道序列，序列中的每个信道定义跳跃。优选地，递增紧接着是取模操作以将跳跃频率维持在预定限制内。

因此，跳跃序列是依据相对间隔来定义的，并且传输器可以自由地选择初始频率。只要给定跳跃的频率（或等效地为信道）可从前一个跳跃的频率、通过紧接着是取模操作的偏移或移位而导出，该序列就仅定义与每个跳跃相关联的相对频移或间隔，而不约束序列从其起始的第一信道。当移位操作产出在其子频带边界之外的信道时，取模操作将它包裹（wrap）在子频带内部。

在接收中，一旦接收器检测到初始频率（或信道）处的信号，它就可以通过根据已知的一系列递增量使初始频率重复地递增来预估跳跃频率，并在跳跃频率中接续地调谐以接收整个消息。

偏移不取决于所使用的频率，但是可以取决于跳跃索引，例如，它可以是线性增加的，或者它可以由对于接收器是已知的或通过算法可再现的伪随机序列或排列而产生。

跳跃序列的隐式和显式信令

本发明的通信网络可以针对所有上行链路传输使用一个公共跳跃序列，或者优选地使用多个跳跃序列，传输节点可以在该多个跳跃序列当中进行选择。当若干跳跃序列可能时，在物理报头或前导码中显式地或隐式地发信号通知每个消息的序列。

跳跃序列由第一跳跃的信道索引和子频带索引确定，并且如果需要，由跳跃序列索引确定。传输器侧合成无线电信号，该无线电信号具有相对于其自己的时间参考的良好确定的频率，但是由于该参考具有不确定的误差，因此由接收器接收的频率是不确定的。

接收网关可以肯定地确定第一跳跃的子频带索引，只要子频带被充分分离，并且还知道跳跃序列索引，这是因为该信息在报头中被显式地发信号通知，但是它不能肯定地确定传输器针对第一跳跃选择的信道索引，并且因此不能确切地确定跳跃序列的进一步发展。当频率关于子频带边界折叠时特别是如此。

为了解决该问题，传输器可以具有稳定的频率参考（诸如TCXO），并且根据下行链路帧或信标同步其频率。在该情况下，准确度可以优于调制带宽的一半或甚至四分之一。然后定义信道是可能的，并且在不模糊的情况下定义跳跃序列。然而，由于成本和功率预算限制，该解决方案在IoT应用中可能不实用。

在另一个可能的实施例中，传输器具有较不稳定的频率（例如，低级XO），但是其误差至少被表征并被包括在已知限制内。这可以包括凭借下行链路帧或信标将传输器的频率参考与网关的频率参考同步。在该情况下，误差可能达到1ppm，其对应于868MHz或915MHzISM频带中的大约1kHz。

尽管有频率误差，为了允许接收器确定跳跃频率的序列，传输器发送出关于用于第一跳跃、或用于序列的一个确定的跳跃（例如，前导码之后的第一数据跳跃）的信道的附加信息。

在简单的显式信令方案中，传输器可以在前导码中包括用于第一跳跃、或用于前导码中的随后跳跃的信道或载波频率的完全指定。由此，接收节点可以测出传输器与其自身之间的瞬时频率失配，并确定跳跃序列。

然而，完全地发信号通知信道索引可能是浪费的，这是因为频率误差不是任意大的。接收网关通常可以在有一些单元的不确定性的情况下从其绝对频率确定传输信道。例如，如果最大频率误差对应于调制带宽的±1.5倍，则接收器仅需要两比特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比特，并且更高有效比特由接收器基于绝对载波频率来确定。优选地，显式地或者如将进一步示出的那样通过选择第一跳跃的频率来隐式地发信号通知指定第一跳跃频率的信道索引的至少有效部分。

在本发明的可能变体中，不在前导码中或在消息中的任何地方显式地调制关于初始信道的信息，而是通过选择第一跳跃的频率来隐式地发信号通知该信息。依据相对间隔来定义跳跃序列，传输器可以自由选择第一跳跃的频率，并且通过该选择，隐式地发信号通知针对跳跃序列的第一跳跃而选择的信道。参考图3的子频带规划，例如，针对第一跳跃可以利用B0、B1或B2的选择来隐式地传输1.5比特的信息。约定可以是：如果频率索引等于0模3则使用B0，如果它等于1则使用B1，并且如果它等于2则使用B2。由于可以在不模糊的情况下检测子频带，因此接收器能够立即重建跳跃序列。

图5图示了没有在不相交子频带中进行分区的频率规划。这避免了子频带之间的保护频带并最大化了频谱效率。频率跨度被分成连续的子频带、被分组在不同的集合中、被标记为A/B/C/D，以创建不相交子频带的群组。为此，相同群组的两个子频带（在图中为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输频率误差。

然后，不相交子频带可以允许使用第一跳跃的频率的隐式信令。群组可以用于网络规划，借此给定的网关将被指派给定群组，因此接收到的子频带将不是模糊的。可替换地，群组可以用于以数据率为基础来分离业务；再次，第一跳跃的子频带索引不是模糊的，这是由于在帧的报头中发信号通知了数据率。

独立于隐式信令的使用，将频带划分为子频带的群组还可以用于分离以高功率接收的用户与以低功率接收的用户之间的上行链路业务，以保护最弱的用户。因为频率误差，在子频带的边缘上将仍然存在一些冲突，但是少于在整个频带上定义跳跃序列的情况下的冲突。

冲突预测和消隐

由于该系统基于跳频，因此只要跳跃序列是已知的，接收器就具有预估两个消息是否以及何时将冲突的可能性。帧的前导码和同步部分不能被预先预测，但是可以在短暂延迟之后对数据进行后处理。由于帧是在所有跳跃上进行FEC编码和交错的，因此接收器应当在去交错和解码之前等待最后的跳跃，在该时间完成感兴趣的帧的冲突预测和消隐处理。因此，消隐处理不会延迟解码过程。

在优选实施例中，预测包括干扰图在接收网关中的建立，该干扰图预估作为时间和频率的函数的接收信号电平。在时间轴上，图分辨率或粒度优选地等于或优于符号的长度，并且可以具有等于一个样本的分辨率。

当检测到信号时，接收网关利用在检测步骤中测量的信号电平（每个分组有一个功率电平）来确定其跳跃序列并填充与即将到来的分组的预期时间和频率相对应的干扰图的箱（bin）。

措辞“信号电平”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接收信号强度，或以dBmW、以dBμV/m或以任何合适的尺度或单位测量的RSSI。

操作如以下：

1. 接收器对每个检测到的帧实例化一个解调器。解调器针对每个接收到的比特生成对数似然比（LLR），并且可能地生成某个质量指示符，像RSSI、SNR或其他。

2. 随着检测和解调器实例进展，它们通过添加所测量的感兴趣信号的相对信号强度（RSSI）来更新干扰图。这种干扰图示出了在给定时间传输的所有节点的可能的交叉干扰，并且应当至少具有一个符号长度的时间粒度和优于调制带宽的频率粒度。

3. 一旦帧到达解调的结束，并且在解交错和解码之前，LLR基于干扰图被加权并且可能地被消隐：针对每个接收到的比特，计算干扰加噪声比（SINR）。在干扰图示出了来自两个节点的时间和频率方面的同时传输的情况下，LLR由校正因子（通常在1与0之间）加权，以计及这些时隙和频隙中的信号潜在地被干扰破坏的事实。消隐相当于指派0权重。基于信号与干扰加噪声比（SINR）来确定加权量或可能的总消隐量。

优选地，接收器网关被布置成测量在不受干扰的无线电信号的跳跃序列中的多个分组的信号电平，并且如果在接收改变期间源的信号电平改变，则可以调整干扰图中预见的分组的信号电平。

在另一个优选变体中，接收网关还应当通过将接收到的信号与从干扰图预估的那些信号进行比较来评估来自其他系统的干扰。

协作接收

从一个传感器节点传输的消息可以由多于一个网关接收，并且在该情况下，若干接收器可以在其解码中协作。参考图1，从S1传输的消息由G0和G1两者接收。针对每个帧，接收网关G0、G1将必要信息传输到服务器105（其可以处于分离的位置中，或者处于与网关之一相同的地点中；可以是分离件或硬件，或者仅仅是软件程序的实例）。上载（箭头110）到服务器的信息优选地包括先前所计算的加权LLR，连同到达时间信息、跳跃信息以及将用于标识和处理帧的其他元数据。优选地，接收器可以提供所意图的传输频率的准确估计。这简化了服务器105中的帧的标识。隐式信令可以用于该目的。

多个同步字（跳跃前导码）

ALOHA网络可以使用特殊的数据序列（常规地被指示为“同步字”），以标识传输或数据帧的起始。同步字可以被放置在帧的前导码或物理报头中，并且接收器充分已知它们的结构以允许检测和字对齐。

同步字和物理报头特别重要，这是因为如果它们被误解，则所有后续数据的接收都会被损害。图6示出了在同步字在其多于20％的持续时间被干扰所覆盖时而丢失的假设下、针对具有增加的负载的ALOHA网络中的系统自干扰而仿真的前导码的同步字的检测中的预期误差率。前导码不受以较高水平进行干预的FEC和交错保护，并且在20％负载处的误差率约为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预测误差率（PER），其假设卷积FEC（133，171，k = 7），并且80％的干扰在解码之前被检测到并被消隐，并且20％的干扰没有，这是针对弱节点的现实假设。我们看到在20％负载处的PER约为8％。

在实施例中，同步字以及可能的物理报头也遵循跳跃序列以不同的频率在若干拷贝中传输。同步字的每个重复与关于跳跃索引的信息元素组合，该信息元素例如允许接收器与跳跃序列对齐的计数器。图8示出了该多个报头传输的可能实现方式。该绘图表示上行链路传输，其包括具有不同载波频率并且出现在绘图中的不同纵坐标处的若干跳跃的时间接续。由空的或填充的矩形表示的每个单独的跳跃包括窄带调制信号。

前导码跳跃320包含多个同步字，每个同步字与至少一个跳跃索引组合，在该实施例中，该跳跃索引在每个跳跃的开始处和结束处在两个拷贝中重复。这不是必要的，并且索引可以仅在开始处、或在结束处、或在中间，但是由于大多数干扰限于短暂时间间隔，因此这种附加的冗余增加鲁棒性。

在可能的实现中，跳跃索引布置在倒数递减的序列中：以“0”标注的跳跃是前导码跳跃中的最后一个。该布置是灵活的，这是因为接收网关不需要知道前导码由多少跳跃组成、同步字的数量或它们的重复率。接收器只需要正确地接收一个跳跃以与跳跃序列同步和对齐，将传输器的频率误差作为因子计入，并且知道在其处同步字结束并且数据起始的位置。例如，即使根本没有发送第一同步字（虚线），接收器仍然可以关于任何随后同步字同步。

同步字320的数量和重复率不需要是固定的，而可以由传输器基于偶然因素来动态地修改。在优选实施例中，传输器基于指示其本地频率参考的频率误差的同步状态来适配同步字重复数量和/或同步字重复率。

在另一实施例中，传输器基于传输器成功率的估计来适配重复的同步字的数量和/或同步字重复率。传输器成功率是由一个网关或多个网关正确接收传输的概率。它取决于网络负载，并且取决于网关看到的接收信号电平。如上面所提及，成功率还取决于同步字的数量：同步字越多，成功的概率就越高。当系统容量受其自身业务所限制时，来自同步字数量的依赖性特别陡峭。

传输器可以以若干方式来估计成功率。估计成功率的准确方法基于应当由网络确认并且实际上被确认的所传输的帧的小部分。不要求确认的较不准确的方法包括：仅通过针对信号电平对信道进行采样、或者通过尝试检测来自其他传输器的同步字来估计信道上的负载，并且根据信道负载计算成功率。

在另一实施例中，传输器基于在网络上接收的命令来适配同步字重复数量和/或同步字重复率。例如网关或服务器的网络基础设施可以估计针对给定传输器的成功率。这样做的可能方式要求插入在每次传输时递增的帧计数器，使得可以直接监测成功率。网络还可以在其传输几个帧时根据系统负载、传输器接收的信号电平和其他传输器接收的信号电平来在统计上估计给定传输器的成功率。然后，网络可以通过单独地调整同步字重复数量/重复率来做出对性能/功率消耗/网络负载的折衷。网络可以定义服务的不同的类，并对这些类应用不同的政策。

在绘图上对数据跳跃340编号以区分它们，但不需要包括显式索引。接收器在此时已经确定了它们的频率并且可以正常地对它们进行解调。由于数据是FEC编码和交错的，因此传输高度地免受干扰。常规地，跳跃序列是关于第一数据跳跃的中心时间t_0和中心频率f_data0而定义的。然而，其他选择可以是可能的。本发明的区别性特征是帧中的前导码和数据两者均在多个频率跳跃上跨越。

如上面所讨论的，跳跃序列涉及以非重叠信道为中心的一系列载波频率（图4）。在可能的实施例中，传输器节点被布置成使一些前导码跳跃的载波频率偏移带宽的小部分，如图9中所图示。在该布置中，即使同步字也以其带宽的一半而向下移位。一般而言，频率跳跃可以通过频率偏移来分离，该频率偏移是带宽的整数或半整数倍数、或带宽的预定小部分的倍数。

虽然这种移位似乎增加了频率方面的冲突的可能性，但实际上它是有用的，这是因为，一般而言由传输器使用的信道的中心频率没有被良好地定义。调制带宽是低的（约为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。

归功于图9的移位，接收器可以形成较少的信道或减少其带宽，并且仍然能够以高可能性来检测同步字的至少部分。如果一半的同步字偏移了BW/2，则接收器确知一半的同步字将具有低于BW/4的偏移。以这种方式，为了接收器中的较低复杂度，人们折衷一些鲁棒性或性能（可能需要更多的同步字重复）。

重要的是，整数和分数步长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于跳跃频率的标称序列并保持确切的调谐，只要移位字在序列中的位置是已知的。如已经提及的，在图9的示例中，偶数索引同步字向下移位BW/2。其他确定性规则可以用于相同的效果。

虽然本发明的工作足以使同步字被接收器可检测且可识别，但是已知技术可以用于选择具有有利属性的同步字，该有利属性例如强烈的自相关性。在这些选择当中，根据预定的已知序列，本发明可以在所有前导码跳跃320中使用相同的同步字，或者也可以针对每个跳跃使用不同的同步字。在后一种情况下，接收器可以根据跳跃索引和/或根据同步字本身来确定跳跃的位置。

前导码跳跃320可以向接收器传输除了同步字之外的附加信息。例如，它们可以包括指定数据部分的数据率的附加信息、和/或指定多个可能的跳跃序列当中的跳跃序列的指示。可以以任何合适的方式对这些信息元素进行编码。

跳跃序列

如已经陈述的，传输器节点中的频率误差使得难以定义跳跃序列。优选地，针对跳跃前导码以及可能地针对数据部分的开始处的跳跃序列应当使得它可以仅根据索引和当前频率被标识。附加地，由于传输的频率可以示出高于信道带宽若干倍的误差，因此跳跃序列确定不应当受这种偏移所影响。

假设连续的潜在频率集合，有利的选项是依据相对间隔来定义跳跃序列，从而传输器能够自由地选择初始频率。如已经提及的，这意味着，在跳跃序列中，给定跳跃的频率可从前一个跳跃的频率通过紧接着是取模操作的偏移而导出，以使其保持在所意图的频带限制内。

就跳跃前导码而言，所有频率都与第一数据跳跃的中心频率相关，我们将该中心频率标示为f_data0。该频率必须被包括在频带或子频带的限制之间，该限制被标示为f_min和f_max。

我们将最小跳跃步长定义为h_step。为了简化描述和图，我们假设h_step等于调制带宽BW（例如，在6dB截止处测量的）。然而，这不是必要的要求。所传输的信号将（在6dB截止的情况下）处于f_min-bw/2-f_error_max与f_max+bw/2+f_error_max之间。

我们利用N来标示从传输器视角来看的可用于跳跃的信道数量，N = floor（f_max-f_min）/（h_step+1）。

从接收器视角来看，应当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标示传输器的最大频率误差，该误差是其晶体振荡器误差的结果。

为了简化表示法，我们强制f_data_0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。以这种方式，我们可以简单地将频率标识为整数。我们仅要求频率差是整数数量的h_step。这可以扩展到一般情况。

当定义若干跳跃序列时，我们将hop_seq_idx记录为跳跃序列的标识。然后，我们可以描述频率对比索引以及hop_seq_idx。记住，索引是跳跃前导码索引，其进行倒数：

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）。

应当选择系列hop_delta以最小化尤其是前导码跳跃中的重复冲突：如果两个传输器恰好在跳跃前导码的一个跳跃上冲突，则它们应当在其他跳跃上尽可能少地冲突。理想地，如果它们将在给定的跳跃上冲突，则它们不应当在其他跳跃上冲突。以下属性对于确保多个冲突受到限制是重要的：

1. 应当避免等于±1的跳跃增量。用代数的方法：对于任何索引和任何hop_seq_idx，不等式abs（hop_delta（index，hop_seq_idx））> 1应当成立。这是因为：由于频率误差，中心频率没有被良好地定义，所以在仅有1的偏移的情况下，冲突可能在2个连贯的跳跃上发生，如图10中所示出的。如果BW≠h_step，则确切的规则是：abs（hop_delta（index，hop_seq_idx））* h_step> BW+abs（hop_offset）。

2. hop_delta的值应当不同，否则一个冲突一发生，多个冲突就一定会发生。这被图示在图12上。

3. 由于频率误差，跳跃增量之间的差应当至少为2。这被示出在具有2和3的跳跃增量的图11上。

4. 对于任何索引和任何hop_seq_idx，hop_delta（index，hop_seq_idx））应当不同于连贯跳跃增量的任何总和。这被图示在图13上。确切的规则将是连贯跳跃的总和加上或减去1，但是根据规则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数整数或偶数整数。为了也遵守第4个规则，假设在跳跃前导码内同步字的最大数量为4，则4个不同的序列，这些序列可以是{2,4,8,10}、{14,16,20,22}、{ -2,-4,-8,-10}、{-14,-16,-20,-22}。

仿真已经示出，尽管传输器中有频率误差，但上面的规则显著改进了正确地检测前导码和重建跳跃序列的概率。

不同的跳跃序列选项

伪随机跳跃序列供应对系统自干扰的更好的抵抗性，从而带来针对冲突的更多的分集。优选地，伪随机跳跃序列从一个跳跃到另一个跳跃仍然是双射的：每个跳跃的频率可从先前一个跳跃的频率确定性地导出。获得该特征的可能但非唯一的方式是根据排列的确定性序列来布置跳跃的频率。

归功于上面的双射对应性，接收器仅需要检测一个跳跃来由其自己重建跳跃频率的序列。

一般伪随机序列的问题是它们要求确切的信道知识。存在用于减轻该问题的两个选项：

传输器具有稳定的频率参考（诸如TCXO），并且根据下行链路帧或信标同步其频率。在该情况下，准确度可以优于调制带宽的一半或甚至四分之一。然后定义信道是可能的，并且根据现有技术来定义跳跃序列。

传输器具有较不稳定的频率，但是确实根据下行链路帧或信标同步其频率。在该情况下，误差可能达到1PPM，这在868MHz或915MHz ISM频带中留下小于1KHz。然后作为边信息，如在此处描述的在跳跃前导码内或使用不同方式，传输器可以发信号通知如下频率：传输器以其传输在该频率上进行为目标。这样，接收器知道传输器的频率误差并且可以导出跳跃序列。归功于有限的频率误差，仅2或3比特足以作为边信息：误差低于+/-1.5信道，并且然后重要的是mod（f_idx_preamb，4）。可以调整hop_offset，使得最大频率误差在该情况下被限于+/-1.5信道或其他值，以便限制所要求的边信息。

优选地，跳跃序列可从其第一跳跃、或者等效地在可能具有附加边信息的检测前导码中的确定位置处的一个跳跃的标称载波频率或信道索引不模糊地导出，尽管有可能比信道带宽大若干倍的频率误差。

为了解决该问题，本发明依赖于跳跃序列，该跳跃序列是依据紧接着是取模操作的相对移位来定义的。对于其频率接近频带或子频带的边界的一些跳跃，接收网关可能不能够知道传输器是否已判断出它们落在频带限制之外，以及是否已经应用取模操作。换言之，在信道索引k和信道索引k+N之间存在模糊。图14图示了该情况。两个绘图表示如由传输节点传输并由网关接收的相同的跳跃序列。频率轴与常规被认为是确切的网关的时间基准相关，并且接收到的跳跃与传输的跳跃水平对齐。

实际上，传输器节点将基于其自己的频率参考来合成频率，该频率参考受误差f_err所影响，并且取决于该未知量，可能无法将取模操作应用于跳跃232，或者万一误差在符号方面被反转，则将其应用于跳跃231。因此存在模糊，这是因为：根据递增量是否导致被传输器判断为在子频带限制之外的频率，可能在两个有区别的频率处合成一些跳跃频率。

为了应对这种模糊，接收器可以针对预期落在接近于边界的跳跃打开第二监听信道。例如，当规定的偏移被应用于跳跃234时，接收网关发现下一个跳跃237将落在f_min之外，并且然后应当应用取模操作并在被标记为236的位置处针对下一跳跃进行监听。尽管如此，网关在未包裹的位置237处打开第二接收器。以这种方式，接收器中的任一个将被正确地调谐。在可替换实施例中，传输器可以省略传输比f_err_max更接近边界的跳跃（像231和232）。

在实施例中，通过关于每个跳跃的排列生成跳跃序列。每个跳跃频率可由跳跃序列中的先前频率（典型地是紧接的先前一个）通过排列操作导出。这样，每起始频率存在一个排列。每跳跃必须存在不同的排列，否则将仅生成一个序列。

优选地，传感器节点通过起始频率（我们也将其称为第一数据跳跃频率或参考频率）隐式地发信号通知跳跃序列。该序列如下，其也是被迭代描述的：

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，优选地循环更少。

性能增益是有代价的：接收器必须知道第一跳跃的确切的意图频率，以导出序列。如已经描述的，这可以通过传输器中的稳定频率参考来获得，或者通过如基于传输器自己的频率参考合成的任何跳跃（优选地是第一跳跃）的绝对频率的隐式或显式信令来获得。

可以通过以下方式来隐式地发信号通知绝对频率的值：通过对传输中使用的第一子频带的选择，这是由于子频带的确定从不模糊；给出移动节点中的频率参考可以在其内漂移的限制；或者以任何其他合适的方式。

针对子频带情况的跳跃序列

如果将可用频率划分为子频带，则可以通过分层叠加到信道序列的子频带序列来指定所传输的跳跃序列。每个跳跃在如相应序列所指令的不同子频带中和不同信道中传输。

为了简化表示法，我们假设所有子频带具有等于N+1的相同数量的信道。这样，我们保持单个频带情况的表示法以记录子频带内的所使用的频率。

子频带索引被记录为sb_idx_data，它取决于跳跃数量索引和跳跃序列数量hop_seq_idx。对于给定的跳跃序列数量，跳跃序列仅取决于sb_idx_data_0和f_idx_data_0，即第一跳跃的频率。

然后，将跳跃序列定义为集合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频带供应独立于跳跃序列的优点：针对多路径的更好的分集、更好的干扰缓解、更好的共存、以及因此与规章更好的一致。

当子频带不相交时，一个优点是：即使当存在与传感器节点的频率偏移时，第一跳跃的子频带也不模糊地对于接收器是已知的。我们可以使用sb_idx_data_0来发信号通知跳跃序列和边信息（像f_idx_data_0的LSB）两者。例如，当存在40个子频带时，2比特可以发信号通知f_idx_data_0的LSB，然后可以从sb_idx_data_0发信号通知10个跳跃序列。当然，仍然可以通过f_idx_data_0隐式地发信号通知更多的跳跃序列。我们还可以仅从sb_idx_data_0发信号通知跳跃序列，并且令频率误差是未知的，但是然后接收将必须打开频带边缘处的复制的接收窗口（在频率方面复制的），如图14中那样。

对于未同步节点，减少用于f_idx_data的空间以确保传输始终发生在授权频带中。发信号通知LSB仅有助于提供更好的跳跃序列。

当频率同步不完美时，仿真已经示出使用子频带相比于单个频带的某个优点。假设使用单个跳跃集合（跳跃序列仅由第一跳跃确定），则在子频带的情况下，干扰缓解稍微更好。然而，当使用若干集合时，优点缩小，这是由于所有系统都非常接近完全随机序列，这对于干扰缓解是最佳的。

用于具有完美频率同步的子频带情况的跳跃序列

该情况假设所有传感器节点具有优于调制带宽的1/4的频率同步，使得在所意图频率中不存在模糊。

在此处，由一对{f_idx_data_0，sb_idx_data_0}定义的第一跳跃频率仍然用于对跳跃序列进行索引，潜在地利用其他索引。它们是不模糊地已知的。

生成取决于f_idx_data_0、sb_idx_data_0、hop_seq_idx的伪随机序列是现有技术的部分。应当存在用于子频带索引的一个、以及用于频率索引的一个。这中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所要求的比特的总数量。

用于具有混合频率同步能力的子频带情况的跳跃序列

该情况更加现实，这是因为并非所有传感器节点都将配备有良好的时间/频率参考。即使具有先前的同步，传感器节点也可能表现出显著的频率漂移，这是因为信标/同步帧在LPWAN中不是非常频繁。

然后，我们需要让两个群体共存。向更好地同步的节点给出更高的跳跃空间是优选的。当然，也有可能的是：减少用于所有节点的空间，因此它们所得相同。

图15图示了在本发明的帧中的可能布置。松散同步的节点的第一跳跃频率受到限制，并且不被允许比f_err_max变得更靠近频带限制。传输节点仍然通过第一个使用的子频带发信号通知确切的频率。松散同步的节点可以仅使用N-P个中间信道（跳跃240），而良好同步的节点可以使用N个可用信道中的任一个（跳跃245）。请注意，对于每个跳跃，子频带索引改变，但这使用标准的伪随机跳跃序列。

使用哪个跳跃集合的信令再次来自第一频率索引。中心内的一些频率可以发信号通知全部跨度的跳跃序列。频率集合应当被分成2个不相交的群组，如图16中所示出的。第一群组仅具有中心内的频率，以确保松散同步节点的第一跳跃在允许的边界内，并且第二群组是其余的频率。群组的相对大小应当取决于松散同步的节点的比例。

Claims (7)

1.一种无线电传输设备，包括在预定频带中操作的无线电接口和本地频率参考，其中所述频带包括多个连续或分离的子频带，所述设备操作性地被布置成用于：

-获得指示本地频率参考的频率误差的同步状态，

-取决于所述同步状态来适配子频带的宽度，

-对具有在传输子频带中的频率的载波进行调制以获得调制信号，所述调制信号当使用无线电传输设备的本地频率参考进行测量时被包括在子频带的所适配的宽度中，

-通过根据序列在所述频带中的若干跳跃频率当中切换载波的频率来将调制信号组合成扩频无线电信号，

-通过无线电接口来传输所述无线电信号。

2.如权利要求1所述的无线电传输设备，其中所述跳跃频率属于若干子频带。

3.如权利要求1所述的无线电传输设备，其中传输器传输关于所述序列的第一跳跃频率的信息元素。

4.如权利要求3所述的无线电传输设备，其中所述信息元素对指定第一跳跃频率的信道索引的至少显著部分进行编码。

5.如权利要求3所述的无线电传输设备，其中所述序列是依据相对间隔来定义的，无线电传输设备能够选择第一跳跃频率的绝对值，所述信息元素被编码在第一跳跃频率的选择中。

6.如权利要求1所述的无线电传输设备，其中适配传输子频带的宽度，使得由所述同步状态指示的频率误差越高，所适配的宽度就越窄。

7.如权利要求1所述的无线电传输设备，其中，基于以下各项中的一个或多个来获得所述同步状态：本地频率参考的标称误差；本地频率参考的漂移；自下行链路经过的时间和/或本地频率参考的校正。

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