CN114158063B - 一种智能反射面辅助LoRa通信系统及其控制方法 - Google Patents

一种智能反射面辅助LoRa通信系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种智能反射面辅助LoRa通信系统及其控制方法，本发明基于RIS辅助LoRa的上行链路通信系统与现有LoRa通信系统相比，有效的提高了通信质量，增加了数据传输过程的可靠性，缩短了数据传输时间，从而降低运营成本。当所提出的系统与现有LoRa通信系统采用相同SF，然后比较两者之间误码率，随着RIS反射单元数量不断增加，所提出的系统的误码率远远低于现有LoRa通信系统。此外，所提出系统的吞吐量在饱和值高于相同条件下的现有LoRa通信系统。以及当在相同SNR的情况下去对比两者间的吞吐量，所提出的系统都优于现有LoRa系统。

Description

一种智能反射面辅助LoRa通信系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及LoRa的通信系统领域，更具体地，涉及一种智能反射面辅助LoRa 通信系统及其控制方法。
背景技术
自物联网热潮至今，其带来的社会福祉体现在各行各业中。然而，由于物联网的终端设备呈指数级增长，资源的可扩展性，功耗和传输距离等面临严重挑战。为满足这种需求，低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)概念成为关注的对象。
LoRa调制是LoRaWAN中关键技术。LoRa调制具备节能且可靠性高的远程通信的CSS(Chirp Spread Spectrum)的特点。由于Chirp脉冲的线性性质，针对收发装置产生的频偏，从而多普勒效应可以有效消除，降低发射成本。
如图1所示，首先，串行比特序列B经串并转换，在经过比特到十进制符号 s的转换，符号s在由LoRa调制器调制。在LoRa调制中，每传输一个LoRa样本的间隔为
Figure BDA0003313458920000011
这里BW表示信道带宽。每个LoRa符号在一个传输周期 Ts中被分为2SF个样本，由此得Ts＝2SFTc，这里SF＝{7,8,9,...,12}表示扩频因子。每个LoRa符号的频偏
Figure BDA0003313458920000012
并设置相应的初始频率，其中s包含SF个比特，也就是s∈S＝{0,1,...,2SF-1}。由此，以斜率为
Figure BDA0003313458920000013
初始频率为fs线性的增长到BW,然后信号跳变到最低频0且继续按斜率
Figure BDA0003313458920000014
增长到fs。
一个基础Chrip信号
Figure BDA0003313458920000015
n为该样本索引。LoRa 调制通过基础Chrip信号的2SF次循环时间偏移来实现，χ0(n)是由第s次循环时间偏移产生的LoRaChirp信号，因此可以表示为
Figure BDA0003313458920000021
最后LoRa信号为
Figure BDA0003313458920000022
这里Es为符号能量。
如图2所示，LoRa信号由发送端发射且经过信道，在接收端接收到的信号为r(n)。dechriping是将r(n)与基信号χs(n)的复共轭相乘，为了方便，这里的基信号χs(n)常认为其是upchirp信号，也就是说s＝0。然后对dechirped信号进行DFT，最后得到的估计符号
Figure BDA0003313458920000023
是取离散傅里叶变换结果的最大模值，这里为了降低复杂度，常常使用FFT。随后经符号到比特的转换和并串转换得到最终结果估计比特序列
Figure BDA0003313458920000024
RIS实现了对传播环境可控性，最近引起了学者的广泛关注。信号衰减限制了无线信号的传播距离，多径效应导致了衰落现象，楼房以及树木等大型物体更是导致无线信号在传播过程的发射和阻挡。通过将RIS部署到各类物体上，或许可实现对传播环境的可控性，构建智能无线传播环境。此外，RIS可在三维空间实现信号传播方向的调控，增大信号接受强度，进而提高通信设备的通信质量。的RIS由大量反射元件组成，每个反射元件能够以可调节的反射系数反射入射波。通过有意控制入射波的反射特性，RIS可以实现不同的目的，如发射功率最小化，错误性能改善，以及能源效率增强。此外，RIS可以提高信号的性能外，还可以携带额外的信息，从而衍生了基于RIS的调制技术。
出于能效的原因，LoRa使用了一种非时隙的基于ALOHA的MAC协议。但其导致了LoRa数据包的长时间传输，且基于这种ALOHA的协议带来了大量数据包冲突。随着未来LoRa设备数量的增加，这一问题更加严重，因为LoRa网络的可扩展性受到干扰限制。此外，为了达到特定的BER，以及最优能效和实现成本等各方面因素，需要不同的SF，但随着SF的增大，严重影响了数据传输数率，从而导致LoRa终端设备数据处理功能出现偏差和信息传输失败。现有的LoRa通信技术都是基于星型拓扑结构，LoRa网关和LoRa节点之间采用一对一通信方案，在实际应用环境中，除上述问题外还会受到衰落的影响，常用解决方案是增加LoRa网关和LoRa节点的数量，这样以来无疑是一笔巨大的开销。
发明内容
本发明提供一种智能反射面辅助LoRa通信系统和其控制方法，本发明可提高LoRa发送信号在接收端的接收质量和增加LoRa通信系统的传输性能以达到高可靠性，高数率性的传输需求。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种智能反射面辅助LoRa通信系统，包括串并转换模块、第一比特转化模块、第二比特转化模块、MDPSK调制模块、LoRa调制模块、RIS控制器、RIS 模块、RIS辅助下的LoRa解调模块；串并转换模块经第一比特转化模块连接至 MDPSK调制模块，串并转换模块还经第二比特转化模块连接至LoRa调制模块， MDPSK调制模块经RIS控制器连接至RIS模块；LoRa调制模块发射无线信号经RIS模块至RIS辅助下的LoRa解调模块。
一种智能反射面辅助LoRa通信系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：比特序列I经串并转换后划分为比特序列I1和I2，然后分别对I1和I2转化为十进制符号s和w，这里s和w分别被进行LoRa调制和MDPSK调制；
S2：符号s由LoRa调制后产生LoRa信号xs(n)，符号w由传统MDPSK调制后产生相位信息θ；随后，RIS控制器通过MDPSK调制产生的相位信息θ来控制RIS中的第i个反射单元的相位偏移，因此RIS反射系数表示为exp(jθ)，其中1≤i≤N，N为RIS反射单元数量，将反射系数表示为矩阵Θ，这里Θ＝diag(exp(jθ),…,exp(jθ))；
S3：产生调制信息xs(n)和Θ后，信息通过LoRa发射机与RIS之间的信道 h随后经过RIS的N个反射单元，在经过RIS和LoRa接收机之间的信道g，最后在LoRa接收机接收信息。
进一步地，h建模为Rician信道，h的第i项为
Figure BDA0003313458920000031
其中K为莱斯因子，
Figure BDA0003313458920000032
是直射路径项，
Figure BDA0003313458920000033
是散射路径项；以及g 建模为Rayleigh信道，g的第i项为
Figure BDA0003313458920000034
出于对路径损耗的考虑，vh和vg分别代表发射机与RIS间，RIS与接收机间的路径损耗系数，其中，
Figure BDA0003313458920000035
Figure BDA0003313458920000036
是发射机与RIS之间的距离，
Figure BDA0003313458920000037
Figure BDA0003313458920000038
是RIS与接收机之间的距离，
Figure BDA0003313458920000039
和
Figure BDA00033134589200000310
为路径损耗指数。
进一步地，在LoRa接收机处接受到信号r(n)：
Figure BDA0003313458920000041
其中
Figure BDA0003313458920000042
代表复加性高斯白噪声，N0是单边功率谱密度。
进一步地，所述RIS辅助下的LoRa解调模块的MDPSK解调过程包括：
1)、信号r(n)到达接收端后，开始对r(n)进行信息解调，dechirped信号
Figure BDA0003313458920000043
表示为
Figure BDA0003313458920000044
进一步的：
Figure BDA0003313458920000045
其中
Figure BDA0003313458920000046
也是复加性高斯白噪声，然后对
Figure BDA0003313458920000047
进行DFT得到信号：
Figure BDA0003313458920000048
其中φG是传输信道产生的相位偏移，对ds(k)取模值后，表示为：
Figure BDA0003313458920000049
其中
Figure BDA00033134589200000410
最后选取DFT结果的最大值为估计符号
Figure BDA00033134589200000411
Figure BDA00033134589200000412
2)、为从r(n)解调MDPSK调制产生的RIS信息，需要将LoRa调制的有关信息去除，由于LoRa信号有严格的正交性，表示为
Figure BDA00033134589200000413
为此，将
Figure BDA00033134589200000414
在进行LoRa调制后为信号
Figure BDA00033134589200000415
从而得到：
Figure BDA0003313458920000051
再根据yw，使用MDPSK解调得到RIS的估计信息
Figure BDA0003313458920000052
3)、对LoRa估计信息
Figure BDA0003313458920000053
和RIS估计信息
Figure BDA0003313458920000054
进行符号到比特序列的转化后分别得到
Figure BDA0003313458920000055
和
Figure BDA0003313458920000056
最后并串转换后输出估计序列
Figure BDA0003313458920000057
优选地，
Figure BDA0003313458920000058
和
Figure BDA0003313458920000059
为取值2-6。
进一步地，
Figure BDA00033134589200000510
设置为1m，
Figure BDA00033134589200000511
设置为1000m，K设置为20dB；将
Figure BDA00033134589200000512
和
Figure BDA00033134589200000513
取值均为2.65。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明基于RIS辅助LoRa的上行链路通信系统与现有LoRa通信系统相比，有效的提高了通信质量，增加了数据传输过程的可靠性，缩短了数据传输时间，从而降低运营成本。当所提出的系统与现有LoRa通信系统采用相同SF，然后比较两者之间误码率，随着RIS反射单元数量不断增加，所提出的系统的误码率远远低于现有LoRa通信系统。此外，所提出系统的吞吐量在饱和值高于相同条件下的现有LoRa通信系统。以及当在相同SNR的情况下去对比两者间的吞吐量，所提出的系统都优于现有LoRa系统。
附图说明
图1为现有技术中LoRa通信系统发射机框图；
图2为现有技术中LoRa通信系统接收机框图；
图3为本发明系统结构示意框图；
图4为本发明方法流程图；
图5为本发明中RIS辅助下的MDPSK解调框图；
图6为本发明中当RIS设置不同数量N时，RIS辅助LoRa通信系统与现有 LoRa通信系统的BER比较；
图7为本发明中当RIS取值固定N时，RIS辅助LoRa通信系统与现有LoRa 通信系统在不同SF的BER比较；
图8为现有LoRa通信系统和RIS辅助LoRa通信系统之间吞吐量的比较。其中SF＝10。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图3所示，一种智能反射面辅助LoRa通信系统，包括串并转换模块、第一比特转化模块、第二比特转化模块、MDPSK调制模块、LoRa调制模块、RIS 控制器、RIS模块、RIS辅助下的LoRa解调模块；串并转换模块经第一比特转化模块连接至MDPSK调制模块，串并转换模块还经第二比特转化模块连接至 LoRa调制模块，MDPSK调制模块经RIS控制器连接至RIS模块；LoRa调制模块发射无线信号经RIS模块至RIS辅助下的LoRa解调模块。
如图4所示，一种智能反射面辅助LoRa通信系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：比特序列I经串并转换后划分为比特序列I1和I2，然后分别对I1和I2转化为十进制符号s和w，这里s和w分别被进行LoRa调制和MDPSK调制；
S2：符号s由LoRa调制后产生LoRa信号xs(n)，符号w由传统MDPSK调制后产生相位信息θ；随后，RIS控制器通过MDPSK调制产生的相位信息θ来控制RIS中的第i个反射单元的相位偏移，因此RIS反射系数表示为exp(jθ)，其中1≤i≤N，N为RIS反射单元数量，将反射系数表示为矩阵Θ，这里Θ＝diag(exp(jθ),…,exp(jθ))；
S3：产生调制信息xs(n)和Θ后，信息通过LoRa发射机与RIS之间的信道 h随后经过RIS的N个反射单元，在经过RIS和LoRa接收机之间的信道g，最后在LoRa接收机接收信息。
h建模为Rician信道，h的第i项为
Figure BDA0003313458920000061
其中K为莱斯因子，
Figure BDA0003313458920000062
是直射路径项，
Figure BDA0003313458920000063
是散射路径项；以及g建模为Rayleigh 信道，g的第i项为
Figure BDA0003313458920000064
出于对路径损耗的考虑，vh和vg分别代表发射机与RIS间，RIS与接收机间的路径损耗系数，其中，
Figure BDA0003313458920000071
Figure BDA0003313458920000072
是发射机与RIS之间的距离，
Figure BDA0003313458920000073
Figure BDA0003313458920000074
是RIS与接收机之间的距离，
Figure BDA0003313458920000075
和
Figure BDA0003313458920000076
为路径损耗指数。
在LoRa接收机处接受到信号r(n)：
Figure BDA0003313458920000077
其中
Figure BDA0003313458920000078
代表复加性高斯白噪声，N0是单边功率谱密度。
如图5所示，RIS辅助下的LoRa解调模块的MDPSK解调过程包括：
1)、信号r(n)到达接收端后，开始对r(n)进行信息解调，dechirped信号
Figure BDA0003313458920000079
表示为
Figure BDA00033134589200000710
进一步的：
Figure BDA00033134589200000711
其中
Figure BDA00033134589200000712
也是复加性高斯白噪声，然后对
Figure BDA00033134589200000713
进行DFT得到信号：
Figure BDA00033134589200000714
其中φG是传输信道产生的相位偏移，对ds(k)取模值后，表示为：
Figure BDA00033134589200000715
其中
Figure BDA00033134589200000716
和
Figure BDA00033134589200000717
最后选取DFT结果的最大值为估计符号
Figure BDA00033134589200000718
Figure BDA00033134589200000719
2)、为从r(n)解调MDPSK调制产生的RIS信息，需要将LoRa调制的有关信息去除，由于LoRa信号有严格的正交性，表示为
Figure BDA0003313458920000081
为此，将
Figure BDA0003313458920000082
在进行LoRa调制后为信号
Figure BDA0003313458920000083
从而得到：
Figure BDA0003313458920000084
再根据yw，使用MDPSK解调得到RIS的估计信息
Figure BDA0003313458920000085
3)、对LoRa估计信息
Figure BDA0003313458920000086
和RIS估计信息
Figure BDA0003313458920000087
进行符号到比特序列的转化后分别得到
Figure BDA0003313458920000088
和
Figure BDA0003313458920000089
最后并串转换后输出估计序列
Figure BDA00033134589200000810
为方便与现有LoRa通信系统之间的性能比较，现有LoRa通信系统出于 Rayleigh衰落信道进行通信。此外，为符合实际应用场景，参数数值设置为
Figure BDA00033134589200000811
Figure BDA00033134589200000812
K＝20dB。此外为了比公平较，现有LoRa 通信系统发送端与接收端距离也为1000m，衰落系数指数也为2.65。
如图6所示，现有LoRa通信系统和RIS辅助LoRa通信系统的误比特性能比较。从图5可以看出，当RIS的反射单元数量N＝1时，现有LoRa通信系统和RIS辅助LoRa通信系统具有相同的比特错误概率。随着N的数量不断增加，所提出的系统表现出来性能远超于现有LoRa通信系统。在SNR＝75dB时，现有LoRa通信系统BER只有10-2，而当RIS反射单元数量为N＝64时，RIS辅助 LoRa通信系统BER已经达到了2×10-4。
如图7所示，现有LoRa通信系统和RIS辅助LoRa通信系统在不同的SF条件下的误比特性能比较。此处RIS反射单元数量N＝32。由图6得知，现有LoRa 通信系统和RIS辅助LoRa通信系统使用相同的SF时且固定SNR，如SNR＝80 dB时，现有LoRa通信系统的BER只有10-2，而所提出的通信系统的BER已经达到了3×10-4。此外，若是将两系统处于相同SF和BER条件下，所提出的通信系统比现有LoRa通信系统带来了15dB的增益。
如图8所示，现有LoRa通信系统和RIS辅助LoRa通信系统之间吞吐量的比较。其中，SF＝10，BW＝125kHZ。由图7可以看出，RIS辅助LoRa通信系统的吞吐量明显优于现有LoRa通信系统。此外，当SNR＜70dB时，RIS辅助LoRa通信系统开始增涨明显更早且以更大的斜率到达吞吐量的饱和值。另一方面，改变RIS辅助LoRa通信系统的MDPSK调制的阶数M，可以改变增涨的斜率和吞吐量的饱和值。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能反射面辅助LoRa通信系统，其特征在于，包括串并转换模块、第一比特转化模块、第二比特转化模块、MDPSK调制模块、LoRa调制模块、RIS控制器、RIS模块和RIS辅助下的LoRa解调模块；串并转换模块经第一比特转化模块连接至MDPSK调制模块，串并转换模块还经第二比特转化模块连接至LoRa调制模块，MDPSK调制模块经RIS控制器连接至RIS模块；LoRa调制模块发射无线信号经RIS模块至RIS辅助下的LoRa解调模块；
该系统的控制方法包括以下步骤：
S1：比特序列I经串并转换后划分为比特序列I1和I2，然后分别对I1和I2转化为十进制符号s和w，这里s和w分别被进行LoRa调制和MDPSK调制；
S2：符号s由LoRa调制后产生LoRa信号xs(n)，符号w由传统MDPSK调制后产生相位信息θ；随后，RIS控制器通过MDPSK调制产生的相位信息θ来控制RIS中的第i个反射单元的相位偏移，因此RIS反射系数表示为exp(iθ)，其中1≤i≤N，N为RIS反射单元数量，将反射系数表示为矩阵Θ，这里Θ＝diag(exp(iθ),···,exp(iθ))；
S3：产生调制信息xs(n)和Θ后，信息通过LoRa发射机与RIS之间的信道h随后经过RIS的N个反射单元，再经过RIS和LoRa接收机之间的信道g，最后在LoRa接收机接收信息；
h建模为Rician信道，h的第i项为
Figure FDA0003861083150000011
其中K为莱斯因子，
Figure FDA0003861083150000012
是直射路径项，
Figure FDA0003861083150000013
是散射路径项；以及g建模为Rayleigh信道，g的第i项为gi:
Figure FDA0003861083150000014
出于对路径损耗的考虑，vh和vg分别代表发射机与RIS间，RIS与接收机间的路径损耗系数，其中，
Figure FDA0003861083150000015
Figure FDA0003861083150000016
是发射机与RIS之间的距离，
Figure FDA0003861083150000017
Figure FDA0003861083150000018
是RIS与接收机之间的距离，
Figure FDA0003861083150000019
和
Figure FDA00038610831500000110
为路径损耗指数；
在LoRa接收机处接收到信号r(n)：
Figure FDA00038610831500000111
其中
Figure FDA00038610831500000112
代表复加性高斯白噪声，N0是单边功率谱密度。
2.根据权利要求1所述的智能反射面辅助LoRa通信系统，其特征在于，所述RIS辅助下的LoRa解调模块的MDPSK解调过程包括：
信号r(n)到达接收端后，开始对r(n)进行信息解调，dechirped信号
Figure FDA00038610831500000113
表示为
Figure FDA00038610831500000114
进一步的：
Figure FDA0003861083150000021
其中
Figure FDA0003861083150000022
也是复加性高斯白噪声，然后对
Figure FDA00038610831500000113
进行DFT得到信号：
Figure FDA0003861083150000024
其中φG是传输信道产生的相位偏移，对ds(k)取模值后，表示为：
Figure FDA0003861083150000025
其中
Figure FDA0003861083150000026
和
Figure FDA0003861083150000027
最后选取DFT结果的最大值为估计符号
Figure FDA0003861083150000028
3.根据权利要求2所述的智能反射面辅助LoRa通信系统，其特征在于，所述RIS辅助下的LoRa解调模块的MDPSK解调过程还包括：为从r(n)解调MDPSK调制产生的RIS信息，需要将LoRa调制的有关信息去除，由于LoRa信号有严格的正交性，表示为
Figure FDA0003861083150000029
为此，将
Figure FDA00038610831500000210
在进行LoRa调制后为信号
Figure FDA00038610831500000211
从而得到：
Figure FDA00038610831500000212
再根据yw，使用MDPSK解调得到RIS的估计信息
Figure FDA00038610831500000213
4.根据权利要求3所述的智能反射面辅助LoRa通信系统，其特征在于，所述RIS辅助下的LoRa解调模块的MDPSK解调过程还包括：对LoRa估计信息
Figure FDA00038610831500000214
和RIS估计信息
Figure FDA00038610831500000215
进行符号到比特序列的转化后分别得到
Figure FDA00038610831500000216
和
Figure FDA00038610831500000217
最后并串转换后输出估计序列
Figure FDA00038610831500000218
5.根据权利要求4所述的智能反射面辅助LoRa通信系统，其特征在于，
Figure FDA00038610831500000219
和
Figure FDA00038610831500000220
为取值2-6。
6.根据权利要求5所述的智能反射面辅助LoRa通信系统，其特征在于，
Figure FDA0003861083150000031
设置为1m，
Figure FDA0003861083150000032
设置为1000m，K设置为20dB。
7.根据权利要求6所述的智能反射面辅助LoRa通信系统，其特征在于，将
Figure FDA0003861083150000033
和
Figure FDA0003861083150000034
取值均为2.65。
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