CN113726704A - 基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，能够实现LoRa通信功率效率和频谱效率的折中，增强LoRa技术在物联网应用中的可扩展性。包括：发送端将输入的信息比特流进行串并转换，根据参数扩频因子SF和分组数目GN将输入的信息比特分为GN组，每一分组按照二进制数转十进制数的自然映射方式生成相应的各个分组的调制符号；之后每一分组根据其符号取值生成相应的LoRa调制信号，发射机将所有分组的所述LoRa调制信号进行叠加发送；接收端对接收到的信号依次进行de‑chirp处理、快速傅里叶变换和频域峰值判决。

Description

基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法。

背景技术

LoRa作为低功耗广域网LPWAN(Low Power Wide Area Network)中最具发展前景的技术之一，具有带宽可扩展、抗干扰能力强、接收灵敏度高等优点，已成功应用于大量低功耗远距离的物联网通信场景中。

频移啁啾扩频调制(FSCM)作为LoRa物理层的调制技术，能够满足物联网应用中低功耗、远距离的通信需求。LoRa的物理层共有三个关键参数：信号带宽(B)、扩频因子(SF)、码率(CR)(这里需要指出LoRa中的码率CR实质上是指添加冗余比特的数目，与一般码率的概念不同)，其核心是频移啁啾扩频调制(FSCM)技术。

频移啁啾扩频调制(FSCM)可以视为频移键控(FSK)调制和啁啾扩频(CSS)的结合，由每个调制符号的起始频率承载信息，由啁啾(Chirp)信号进行扩频调制。LoRa物理层所采用的频移啁啾扩频调制(FSCM)方案能够给出不同扩频因子(SF)和信号带宽(B)的组合，从而实现数据速率和通信距离的折中、频谱效率和功率效率的折中，其主要优势在于能够实现低速率、低功耗、远距离的可靠通信。鉴于大多数物联网应用都有低速率、低功耗、长距离的通信需求，LoRa技术也因此成为此类物联网应用的解决方案之一。

然而，LoRa物理层所采用的频移啁啾扩频调制(FSCM)技术主要是以牺牲数据速率和频偏效率为代价换取通信距离和功率效率的提升，在对数据速率有较高需求的物联网应用中难以适用，因而限制了LoRa技术在物联网通信中的应用范围。有鉴于此，为了更灵活地实现频谱效率和功率效率的折中，不少学者纷纷提出基于传统LoRa调制的改进调制方式，从而进一步提升LoRa调制的数据速率和频谱效率，扩展LoRa技术的应用范围。

近些年，有学者提出将LoRa调制和相位调制PSK相结合的调制方式，命名为LoRa-PSK调制，在LoRa调制的基础上依靠调制符号的初始相位携带更多信息比特，从而实现数据速率和频谱效率的提升。然而，LoRa-PSK的调制方式需要在接收端恢复准确的信道状态信息(CSI)以便进行相干解调，增加了收发信机的设备复杂度和功耗，并且LoRa-PSK调制方式与传统的LoRa调制的兼容性差，故而可行性较低。

此外，有学者提出基于索引调制的LoRa调制方式，命名为SSK-LoRa(Slope ShiftKeying-LoRa)调制，通过引入索引比特实现了在每个调制符号中多传输一位信息比特。SSK-LoRa调制在系统的误码率性能与传统的LoRa调制保持一致甚至更优的情况下实现了数据速率和频谱效率的提升；且与LoRa调制的兼容性较好，相较于传统的LoRa调制该调制方式的算法复杂度和设备复杂度均没有明显提升。但是，基于索引调制的SSK-LoRa调制方式相比于传统的LoRa调制在每个调制符号中仅能多传输一位信息比特，系统可实现的数据速率和频谱效率的提升也极为有限。

为了进一步提升系统的频谱效率，也有学者提出使用同相和正交分量同时传输啁啾扩频调制信号的IQCSS(In-phase and Quadrature Chirp Spread Spectrum)调制方式，与传统的LoRa调制相比IQCSS调制每个调制符号能够传输的信息比特数多了一倍，频谱效率也变为原来的两倍，因而在数据速率和频谱效率方面实现了有效的提升。然而，该调制方式也存在接收机需要恢复信道状态信息进行相干解调从而引起设备复杂度提升的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，能够实现LoRa通信功率效率和频谱效率的折中，增强LoRa技术在物联网应用中的可扩展性。

本发明通过以下技术方案实现。

一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，包括：

发送端将输入的信息比特流进行串并转换，根据参数扩频因子SF和分组数目GN将输入的信息比特分为GN组，每组携带的比特数目为SF-log₂GN，每一分组按照二进制数转十进制数的自然映射方式生成相应的各个分组的调制符号；之后每一分组根据其符号取值生成相应的LoRa调制信号，发射机将所有分组的所述LoRa调制信号进行叠加发送；

接收端对接收到的信号依次进行de-chirp处理、快速傅里叶变换和频域峰值判决。

本发明的有益效果：

本发明通过在LoRa物理层三个关键参数即信号带宽(B)、扩频因子(SF)和码率(CR)的基础上引入分组数目(GN)作为第四个可配置参数，共同决定待传输的啁啾扩频调制信号，相较于传统的LoRa调制，能够大幅提升系统的数据速率，更好地实现频谱效率和功率效率的折中，从而满足不同场景下物联网通信的应用需求；同时，改进的调制方式能够与LoRa的物理层实现很好的后向兼容，在算法复杂度和设备复杂度方面均无明显提升。

附图说明

图1为本发明基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法发送端的结构框图；

图2为本发明基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法接收端的结构框图；

图3(a)为扩频SF＝7，信号带宽B＝125kHz，分组GN＝4时分组LoRa调制信号的频域峰值检测图，(b)为扩频SF＝7，信号带宽B＝125kHz，分组GN＝8时分组LoRa调制信号的频域峰值检测图，(c)为扩频SF＝7，信号带宽B＝125kHz，分组GN＝32时分组LoRa调制信号的频域峰值检测图。

图4(a)为扩频因子SF＝7，信号带宽B＝125kHz时对应不同分组数目GN的误码率性能比较，(b)为扩频因子SF＝8，信号带宽B＝125kHz时对应不同分组数目GN的误码率性能比较，(c)为扩频因子SF＝9，信号带宽B＝125kHz时对应不同分组数目GN的误码率性能比较。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细描述。

在此之前，首先对传统的LoRa调制中的基本概念作出介绍：

传统的LoRa调制中根据物理层参数扩频因子SF确定调制阶数，即系统可选用的信号波形数目M，二者之间满足M＝2^SF。LoRa调制信号的起始频率为：

上式中，p代表LoRa调制的信息符号，代表信号带宽B范围内频域上的频点序号，由输入的每SF位信息比特[b₀，b₁，...，b_SF-1]转换而来，有：

以奈奎斯特速率对信号进行采样，可以得到离散化的LoRa信号表达式为：

上式中，k代表奈奎斯特采样速率下离散化的采样时间序号。因此，在码率CR＝0即不加编码的系统中，每个LoRa调制符号能够携带SF位信息比特，其频谱效率可以表示为：

需要指出的是，在LoRa调制中，符号周期T_s和信号带宽B之间满足时间带宽积BT_s＝M＝2^SF，由此可以实现不同扩频增益(信噪比SNR增益)和数据速率的折中。在LoRa调制中，扩频因子SF的取值范围一般为SF∈{6，7，8，9，10，11，12}，由(4)式可以看出，由于扩频增益的存在，系统的数据速率和频谱效率较低，因此传统的LoRa调制虽然可以满足低速率远距离的通信需求，却不适用于对数据速率有较高要求的物联网应用，应用可扩展性较差。

如图1、2所示，本具体实施方式的一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，具体包括：

步骤一、发送端将输入的信息比特流进行串并转换，根据参数扩频因子SF和分组数目GN将输入的信息比特分为GN组，每组携带的比特数目为SF-log₂GN，每一分组按照二进制数转十进制数的自然映射方式生成相应的各个分组的调制符号；之后每一分组根据其符号取值生成相应的LoRa调制信号，发射机将所有分组的所述LoRa调制信号进行叠加发送；

可以看出，步骤一中在LoRa物理层调制技术的基础上引入新的可配置参数-分组数目GN，使其与信号带宽B，扩频因子SF，码率CR共同决定发送端生成的调制信号，形成新型的基于分组的LoRa调制方式，这样基于分组的LoRa调制方式在相同的符号周期内能够传输的比特数目为GN(SF-log₂GN)，相应地，基于分组的LoRa调制的频谱效率可以表示为：

可以看出，基于分组的LoRa调制单符号所能传输的比特数目和频谱效率存在最大值，当n＝SF-1或SF-2时二者达到最大值，这时理论上该调制方式的频谱效率为0.5bps/Hz。考虑到分组数目GN每增加一倍，系统的误码率性能有约3dB的损失，因此该调制方式n取值的上界可以设定为SF-2(舍去n＝SF-1的情况)，此时系统的数据速率和频谱效率均达到最大值，而相较于传统的LoRa调制功率效率(误码率性能)约有3(SF-2)dB的性能损失。

在具体实施时，基于分组的LoRa调制方案在发送端将M种可选的信号波形按照起始频率由低到高的顺序分为GN组，每一组的信号波形数目为M/GN，分组序号m的取值范围为{1，2...，GN}，下表1中展示了不同分组所对应的LoRa信号波形。

表1不同分组所对应的LoRa信号波形

步骤二、接收端对接收到的信号进行符号解调、检测与判决，包括de-chirp处理、快速傅里叶变换和频域峰值判决。

实施例一：

以信号带宽B＝125kHz，扩频因子SF＝7，分组数目GN＝4且不带编码的系统为例，假设信道为加性高斯白噪声(AWGN)信道，每一帧共传输100个调制符号。

下面对本具体实施方式的基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法进一步分解介绍：

步骤1：根据参数扩频因子SF和分组数目GN确定系统的可选波形数目M和分组状况。本例中SF＝7，M＝128，GN＝4，每一分组的信号波形数目为

假设p₁，p₂，p₃，p₄分别为第一分组第二分组第三分组和第四分组的符号取值，容易得到其取值范围为：

p₁∈{0，1，2，...，31}

p₂∈{32，33，...，63}

p₃∈{64，65，...，95}

p₄∈{96，97，...，127}

步骤2：根据输入的比特流生成每一分组的调制符号。本例中，SF＝7，GN＝4，如前所述每个符号共可携带GN(SF-log₂GN)＝4(SF-2)＝20位信息比特，因此发送端将每次输入的20位信息比特进行串并转换后分为四组比特数据b¹，b²，b³，b⁴，并将其转换为相应的调制符号：

步骤3：根据各组的调制符号生成相应的LoRa调制信号并叠加发送，将发送信号的功率进行归一化并在各个分组间等分配。本例中，SF＝7，GN＝4，得到的分组LoRa调制信号可以表示为：

其中，k＝0，1，...，2^SF-1代表奈奎斯特采样速率下的采样时刻序号，生成的分组LoRa调制信号通过AWGN信道后到达接收端。假设接收端为理想同步，接收到的信号r(k)可以表示为：

r(k)＝y(k)+ω(k)k＝0，1，...，2^SF-1 (9)

上式中，ω(k)为信道引入的加性高斯白噪声。

步骤4：对接收到的信号进行符号解调、检测与判决，包括de-chirp处理、快速傅里叶变换(FFT)和频域峰值判决。

所述de-chirp处理具体包括：

接收端使用初始的啁啾扩频(CSS)信号进行接收信号的de-chirp处理，本实施例中的具体处理过程可以表示为：

所述快速傅里叶变换(FFT)具体包括：

接收端对de-chirp处理后的信号作FFT，本实施例中得到的频域信号表示为：

R(l)＝FFT(r(k)x^*(k；0))l＝0，1，...，2^SF-1 (11)

所述频域峰值判决具体包括：

接收端对FFT之后的接收信号进行取模操作，并根据分组数目GN依次将频域上相应区间中出现峰值的位置分别判决为发送端发送的GN个分组的调制符号。本实施例中波形数目M＝128，分组数目GN＝4，具体的判决规则为：

从接收端的信号处理流程来看，本发明所提出的基于分组的LoRa调制方案的解调、检测和判决方法与传统的LoRa调制完全一致，在算法复杂度和设备复杂度方面基本没有增加。两者的不同之处在于传统的LoRa调制在所有频点上进行峰值检测，而基于分组的LoRa调制则是根据分组数目GN在相应的频点区间内进行GN次的峰值检测，恢复出各个分组的调制符号。

如图3(a)(b)(c)所示，分别展示了扩频因子SF＝7，分组数目GN＝4、8、32时基于分组的LoRa调制方式生成的调制信号在无噪无损传输时接收端的频域峰值检测图。需要指出，传统的LoRa调制可以视为分组LoRa调制在分组数目GN＝1时的特例，通过可配置参数GN，分组LoRa调制可以与传统LoRa调制实现后向兼容。

步骤5：根据符号判决值分别转换成GN组比特数据，恢复发送端的发送信息。本实施例中，扩频因子SF＝7，分组数目GN＝4，需要将步骤4中符号判决得到的值

分别转换成其对应的二进制比特数据再进行并串转换，恢复出发送端发送的20位信息比特。

步骤4-步骤5为接收端进行单符号检测的具体流程，具体实施时接收机会不断重复步骤4-步骤5的操作直到一帧中所有的信息比特都被恢复出来。

如图4(a)所示，为信号带宽B＝125kHz，扩频因子SF＝7时不同分组数目GN所对应的误码率性能比较，同时不同分组数目GN对系统频谱效率和功率效率的影响如表2所示。

表2 SF＝7时不同分组数目GN对系统性能的影响

图4(a)中最左侧的误码率曲线对应于分组数目GN＝1，即传统的LoRa调制方式，此时频谱效率最低，功率效率最佳；图4(a)中最右侧的误码率曲线对应于分组数目GN＝32，如前所述，此时频谱效率达到最优，功率效率最低，两条曲线之间有约15dB的性能差距。图4(b)(c)分别展示了信号带宽B＝125kHz，扩频因子SF分别为8和9时不同分组数目所对应的误码率性能的比较，均与理论分析一致。

基于此，本发明所提基于分组的LoRa调制方式在不增加设备复杂度的前提下通过增加物理层可配置参数的方式更灵活地实现了调制过程频谱效率和功率效率的折中，使本发明的调制方式不再局限于低速率长距离的物联网通信场景，对于那些对数据速率要求较高而功率效率要求较低的物联网应用也可以通过改变物理层参数而具备适用性，从而拓展了传统LoRa调制在物联网通信中的应用范围，适应万物互联的多元化应用需求。

以上结合附图进行说明的实施过程仅为本发明的一个具体实例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，其特征在于，包括：

发送端将输入的信息比特流进行串并转换，根据参数扩频因子SF和分组数目GN将输入的信息比特分为GN组，每一分组按照二进制数转十进制数的自然映射方式生成相应的各个分组的调制符号；之后每一分组根据其符号取值生成相应的LoRa调制信号，发射机将所有分组的所述LoRa调制信号进行叠加发送；接收端对接收到的信号依次进行de-chirp处理、快速傅里叶变换和频域峰值判决。

2.如权利要求1所述一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，其特征在于，所述接收端使用初始的啁啾扩频信号进行信号的de-chirp处理。

3.如权利要求1或2所述一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，其特征在于，所述频域峰值判决具体包括：

接收端对快速傅里叶变换之后的接收信号进行取模操作，并根据所述分组数目GN依次将频域上相应区间中出现峰值的位置分别判决为发送端发送的GN个分组的调制符号。

4.如权利要求1或2所述一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，其特征在于，每组携带的比特数目为SF-log₂GN。

5.如权利要求1或2所述一种基于分组的频移啁啾扩频调制和解调方法，其特征在于，基于分组的LoRa调制的频谱效率表示为：

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