CN114884534A - 基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法及装置，该方法包括：比特流由高位到低位分成相等的两份，分别转为两个十进制的符号，高位比特流转化的符号为m₁，低位比特流转化的符号为m₂，若m₁≤m₂，采用基本上啁啾信号对两个符号m₁，m₂分别进行调制(传统LoRa调制)后叠加发送；若m₁＞m₂，采用基本下啁啾信号对两个符号m₁，m₂进行调制(SSK调制)后叠加发送；将接收的信号分为两路，上路表示接收信号与基本上啁啾信号的共轭相乘，下路表示接收信号与基本上啁啾信号相乘，分别进行离散傅里叶变换，在Decision模块中，对两路离散傅里叶变换的结果进行处理，最终接收端得到2·SF个Bit。相较于传统LoRa调制，该调制方法不仅提升了两倍的通信速率，还具有与传统LoRa调制相近的误码率性能。

Description

基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法及装置

技术领域

本发明涉及信号调制技术领域，具体涉及一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法及装置。

背景技术

LoRa作为一种新兴的低功耗广域网(LPWAN)技术，它以极低的功耗以及超远的传输距离，在商业上逐渐被市场重视，不仅如此，已经有越来越多的学者对它进行研究学术界上。LoRa调制是啁啾扩频调制的一种，本质是对啁啾信号进行循环移位，所以又称为frequency shift chirp modulation(FSCM)或者frequency shift-chirp spreadspectrum(FSCSS)。LoRa相比于其他LPWAN技术，成本低，部署灵活，具有良好的抗多普勒性能，更为重要的是LoRa在传输距离、接收灵敏度、传输速率上可以进行灵活的调整，扩频因子SF是LoRa最重要的参数，增加SF可以显著的扩大通信范围，但同时带来的代价就是通信速率的降低[4]。影响LoRa通信速率的有两个因素：带宽和扩频因子。因此如果在带宽有限的情况下，想要提高通信速率只有减少SF，但可实现最大的通信速率依然十分有限，于是，许多研究学者对传统的LoRa调制进行了改进，以提高最大通信速率。

LoRa调制是对一个频率线性增加的基本上啁啾信号进行循环移位得到的，假设初始频率为0，带宽BW＝128KHz,则这个基本上啁啾信号的持续时间为：

如图1所示，即为当SF＝7时基本上啁啾信号的时域图，其频率由0线性增加到128KHz,整个符号持续时间时间为1ms。图2表示当SF＝7，调制符号为33时的LoRa信号时域图，这个信号是由基本上啁啾信号向左循环移位得到的。

文献[T.T.Nguyen,H.H.Nguyen,R.Barton,and P.Grossetete,“Efficientdesign of chirp spread spectrum modulation for low-power wide-area networks,”IEEE Internet Things J.,vol.6,no.6,pp.9503–9515,Dec.2019.]和文献[R.Bomfin,M.Chafii,and G.Fettweis,“A novel modulation for IoT:PSK-LoRa,”in IEEEVeh.Technol.Conf.,Apr.2019,pp.1–5.]提出在传统的LoRa基础上符号上嵌入一位信息位来提高传统LoRa的通信速率，具体而言，作者将信号依据信息位的不同被分为两组，第一组是传统的LoRa信号，第二组是对传统的LoRa信号相位上加了π,这种调制方法被描述为phase-shift keying LoRa(PSK-LoRa)modulation,结果表明，通过这种办法，不仅提高了通信速率，而且在相同的信噪比下，几乎不影响LoRa的误码率。

在文献[Hanif,Muhammad,and Ha H.Nguyen."Slope-shift keying LoRa-basedmodulation."IEEE Internet of Things Journal 8.1(2020):211-221.Hanif M,NguyenH H.Slope-shift keying LoRa-based modulation[J].IEEE Internet ofThingsJournal,2020,8(1):211-221.7]在传统的LoRa的信号中嵌入一位信息位来提高传统LoRa信号的通信速率，具体而言，作者将信号依据信息位的不同被分为两组，一组是传统的LoRa信号，第二组是对频率线性向下变化的下啁啾信号进行循环移位，这种调制方法被描述为Slope-Shift Keying LoRa(SSK-LoRa)modulation,结果表明，通过这种方法，可以获得与PSK-LoRa相似的通信速率，而且还获得与PSK-LoRa相似的误码率性能。

文献[T.Elshabrawy and J.Robert,“Interleaved chirp spreading LoRa-based modulation,”IEEE Internet Things J.,vol.6,no.2,pp.3855–3863,Apr.2019]提出在传统的LoRa基础上符号上嵌入一位信息位来提高传统LoRa的通信速率，作者根据信息位的不同，对向上线性变化的交错啁啾信号进行循环移位，再与传统的LoRa信号叠加发送，这种调制方法被描述为Interleaved Chirp Spreading LoRa(ICS-LoRa)，这种方法的好处在与相比PSK-LoRa，SSK-LoRa而言，具有相同的通信速率，而且不需要在接收端进行相干检测，大大降低了复杂度，减少了接收端的功耗，但带来的代价就是误码率性能的下降。

以上的3种调制方法，相比传统的LoRa调制都增加了一位的信息位，对于SF＝7的时候，可以提升大约17％的速率，PSK-LoRa与SSK-LoRa误码率性能相近，ICS-LoRa的误码率性能稍差，但复杂度更低。这三种方法虽然改善了通信的速率，但对通信速率提升仍然很有限。

文献[Hanif,Muhammad,and Ha H.Nguyen."Frequency-shift chirp spreadspectrum communications with index modulation."IEEE Internet of ThingsJournal8.24(2021):17611-17621]提出将信息表示为正交的啁啾信号组合通过这种方法可以实现在相同的带宽下，大幅提高LoRa的通信速率，并且误码率在略低于传统的LoRa调制。这种调制方法被描述为Frequency-Shift Chirp Spread Spectrum with indexmodulation(FSCSS-IM),这种调制方法可以灵活的调整传输的速率，例如当SF＝7,使用两个正交的啁啾信号组合时(|Im|＝2)，可以一个符号传输12个bit,通信速率提高了71％，使用3个正交的啁啾信号组合时(|Im|＝3)，一个符号时间可以传输18个bit，通信速率提高了157％,使用4个正交的啁啾信号组合时，一个符号时间可以传输23个bit，通信速率提高了229％，并且误码率性能与传统的LoRa性能相近，尽管这种方法可以大幅的提高通信速率，但这种方法并没有对正交啁啾信号组合的可能性进行充分利用，例如，SF＝7，使用两个正交的啁啾信号组合时，产生的可能性有8128种，但传输12个bit只表示了4096种可能性，这意味着这种方法并不完美，通信速率依然有提升的空间。

发明内容

为了进一步提高通信速率，并且充分利用两个正交啁啾信号所能携带的信息，本发明提出了一种双载波斜坡调制方法及装置，这种方法相比于传统的LoRa调制可以实现两倍的通信速率，并且可以实现与传统LoRa调制的相近的误码率，相比于FSCSS-IM调制，可以实现更高的通信速率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

根据本发明的第一方面，一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法，包括以下步骤：

发射端获取比特流，并将所述比特流由高位到低位分成相等的两份，分别转换为两个十进制的符号，高位比特流转化的符号为m₁，低位比特流转化的符号为m₂；

判断符号m₁、m₂的大小关系；

若m₁≤m₂，采用基本上啁啾信号对两个符号m₁、m₂分别进行LoRa调制后得到信号

和

并将信号

和

叠加后发送至接收端。

进一步地，还包括：

若m₁＞m₂时，采用基本下啁啾信号对两个符号m₁、m₂进行SSK调制后得到信号

和

并将信号信号

和

叠加后发送至接收端。

进一步地，还包括：

接收端将接收信号分为了两路，上路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号的共轭

相乘，下路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号X₀[n]相乘；

对这两路信号分别进行离散傅里叶变换得到两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]；

在Decision模块中，对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理，最终接收端得到2·SF个Bit，其中，SF表示扩频因子。

进一步地，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，包括：

获取R₁[l]中幅值最大的两个数r₁和r′₁，并计算

获取R₂[l]中幅值最大的两个数r₂和r′₂，并计算

若max(r₁，r′₁)>(2^SF+1+2^SF)/2，则解调的结果为R₁[l]中最大值的索引，(index(max(r₁，r′₁)),index(max(r₁，r′₁)))；其中index表示取索引值。

进一步地，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，还包括：

若max(r₁，r′₁)≤(2^SF+1+2^SF)/2，则判断Count1和Count2的大小关系：

若Count1>Count2，则解调结果为将R₁[l]中最大的两个数的索引由小到大排序(sort(index(r₁)，index(r′₁)),′ascend′),其中′ascend′代表由小到大排序。

进一步地，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，还包括：

若Count1≤Count2，则解调结果为将R₁[l]中最大的两个数的索引由大到小排序(sort(index(r₂)，index(r′₂)，′descend′))，其中′descend′代表由大到小排序。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调装置，包括：发射端；

所述发射端包括：

第一分组转换单元，用于获取比特流，并将所述比特流由高位到低位分成相等的两份，分别转换为两个十进制的符号，高位比特流转化的符号为m₁，低位比特流转化的符号为m₂；

判断单元，用于判断符号m₁、m₂的大小关系；

LoRa调制单元，用于当m₁≤m₂时，采用基本上啁啾信号对两个符号m₁、m₂分别进行LoRa调制后得到信号

和

并将信号

和

叠加后发送至接收端。

进一步地，所述发射端还包括：

SSK调制单元，用于当m₁＞m₂时，采用基本下啁啾信号对两个符号m₁、m₂进行SSK调制后得到信号

和

并将信号

和

叠加后发送至接收端。

进一步地，还包括：接收端；

所述接收端包括：

第二分组转换单元，用于将接收信号分为了两路，上路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号的共轭

相乘，下路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号X₀[n]相乘；

傅里叶变换单元，用于对这两路信号分别进行离散傅里叶变换得到两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]；

Decision处理单元，用于对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理，最终接收端得到2·SF个Bit。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：传统的LoRa的通信速率较慢，传统的LoRa信号一次只发送一个上啁啾信号，为了提高LoRa的通信速率，本发明创新性的采用了一次发送两个上啁啾信号或下啁啾的方法，实现了相比较于传统LoRa调制两倍的通信速率，并且为该调制方案提出了一套具有低复杂度的解调流程，最终结果表明，该调制方案不仅提升了两倍的通信速率，还具有与传统LoRa调制相近的误码率性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为基本上啁啾信号时域图；

图2为LoRa信号调制时域图；

图3为本发明提供的调制流程图；

图4为本发明提供的解调流程图；

图5为本发明提出的DCSSK-LoRa调制方法和传统的LoRa调制误码率性能对比；

图6为本发明双载波斜坡键控调制解调装置的结构图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

在实施例中，与传统的LoRa调制不同，不是一次只发送一个LoRa信号，而是一次同时叠加发送两个LoRa信号，相比起传统的LoRa调制，通信速率提升了一倍。特别的，为了区分这两个符号的高低位顺序，就需要用到SSK调制,我们将这种调制方法称为基于LoRa的双载波斜坡键控调制(Dual Carrier Slope Shift Keying LoRa modulation,DCSSK-LoRa)。

请参考图3，图3描述了这样的调制过程。本实施例一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制方法，包括以下步骤：

发射端获取比特流，并将所述比特流由高位到低位分成相等的两份，分别转换为两个十进制的符号，高位比特流转化的符号为m₁，低位比特流转化的符号为m₂；

判断符号m₁、m₂的大小关系；

若m₁≤m₂，采用基本上啁啾信号对两个符号m₁、m₂分别进行LoRa调制后得到信号

和

并将信号

和

叠加后发送至接收端。

若m₁＞m₂时，采用基本下啁啾信号对两个符号m₁、m₂进行SSK调制后得到信号

和

并将信号信号

和

叠加后发送至接收端。

上述调制方案能实现相较于传统LoRa两倍的通信速率。

本实施例中，针对上述调制方案提供了一种低复杂度的解调方案。请参考图4，图4描述了该调制方案的解调流程；包括以下步骤：

接收端将接收信号分为了两路，上路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号的共轭

相乘，下路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号X₀[n]相乘；

对这两路信号分别进行离散傅里叶变换得到两路离散傅里叶变换结果R₁[l和R₂[l]；

在Decision模块中，对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理，最终接收端得到2·SF个Bit，其中，SF表示扩频因子。

作为可选地实施方式，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，包括：

获取R₁[l]中幅值最大的两个数r₁和r′₁，并计算

获取R₂[l]中幅值最大的两个数r₂和r′₂，并计算

若max(r₁，r′₁)>(2^SF+1+2^SF)/2，则解调的结果为相等的两个符号，其值为R₁[l]中最大值的索引，(index(max(r₁，r′₁)),index(max(r₁，r′₁)))；其中index表示取索引值。

作为可选地实施方式，，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，还包括：

若max(r₁，r′₁)≤(2^SF+1+2^SF)/2，则判断Count1和Count2的大小关系：

若Count1>Count2，则解调结果为将R₁[l]中最大的两个数的索引由小到大排序(sort(index(r₁)，index(r′₁)),′asecnd′)。其中′ascend′代表由小到大排序

作为可选地实施方式，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，还包括：

若Count1≤Count2，则解调结果为将R₁[l]中最大的两个数的索引由大到小排序(sort(index(r₂)，index(r′₂)，′descend′))，其中′descend′代表由大到小排序。

通过本实施例的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法，可以一次传输2*SF个Bit，相较于传统的LoRa调制，通信速率整整快了一倍，同时将本发明方法(DCSSK-LoRa)与前述的LoRa改进型调制ICS-LoRa,SSK-LoRa，FSCSS-IM进行了速率对比，如表1所示。

表1不同调制方案中一个符号可以传输的位数及提升的速率对比

为验证本发明提出的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法的有效性，将其与传统LoRa调制进行了对比，并进行了误码率仿真，信道为高斯信道，对比效果如图5所示：

从图5可以看到，在提升了两倍的通信速率的情况下，误码率依然和传统的LoRa调制相近，并且随着SF的增大，误码率性能就越相近，当SF＝9时，在10^-4的误码率下，信噪比仅仅相差了0.1个dB，所以当SF较大时，采用这种调制方法，可以显著的增加通信速率，而且几乎不影响LoRa通信系统的能量效率，从该结果中，可以看到，本发明提出的调制方案是正确可行的，并且拥有很好的调制性能。

本发明采用了一次发送两个上啁啾信号或下啁啾的方法，实现了相比较于传统LoRa调制两倍的通信速率，并且为该调制方法提出了一套具有低复杂度的解调方法，最终结果表明，该调制方案不仅提升了两倍的通信速率，还具有与传统LoRa调制相近的误码率性能。

可选地，本实施例还提供了一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调装置，参考图6，该装置包括：发射端1和接收端2；

所述发射端1包括：

第一分组转换单元11，用于获取比特流，并将所述比特流由高位到低位分成相等的两份，分别转换为两个十进制的符号，高位比特流转化的符号为m₁，低位比特流转化的符号为m₂；

判断单元12，用于判断符号m₁、m₂的大小关系；

LoRa调制单元13，用于当m₁≤m₂时，采用基本上啁啾信号对两个符号m₁、m₂分别进行LoRa调制后得到信号

和

并将信号

和

叠加后发送至接收端2；

SSK调制单元14，用于当m₁＞m₂时，采用基本下啁啾信号对两个符号m₁、m₂进行SSK调制后得到信号

和

并将信号信号

和

叠加后发送至接收端2。

所述接收端2包括：

第二分组转换单元21，用于将接收信号分为了两路，上路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号的共轭

相乘，下路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号X₀[n]相乘；

傅里叶变换单元22，用于对这两路信号分别进行离散傅里叶变换得到两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]；

Decision处理单元23，用于对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理，最终接收端2得到2·SF个Bit。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其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过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

发射端获取比特流，并将所述比特流由高位到低位分成相等的两份，分别转换为两个十进制的符号，高位比特流转化的符号为m₁，低位比特流转化的符号为m₂；

判断符号m₁、m₂的大小关系；

若m₁≤m₂，采用基本上啁啾信号对两个符号m₁、m₂分别进行LoRa调制后得到信号

和

并将信号

和

叠加后发送至接收端。

2.如权利要求1所述的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法，其特征在于，还包括：

若m₁＞m₂时，采用基本下啁啾信号对两个符号m₁、m₂进行SSK调制后得到信号

和

并将信号信号

和

叠加后发送至接收端。

3.如权利要求2所述的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法，其特征在于，还包括：

接收端将接收信号分为了两路，上路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号的共轭

相乘，下路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号X₀[n]相乘；

对这两路信号分别进行离散傅里叶变换得到两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]；

在Decision模块中，对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理，最终接收端得到2·SF个Bit，其中，SF表示扩频因子。

4.如权利要求3所述的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法，其特征在于，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，包括：

获取R₁[l]中幅值最大的两个数r₁和r'₁，并计算

获取R₂[l]中幅值最大的两个数r₂和r'₂，并计算

若max(r₁，r'₁)>(2^SF+1+2^SF)/2，则解调的结果为R₁[l]中最大值的索引，(index(max(r₁，r'₁)),index(max(r₁，r'₁)))；其中index表示取索引值。

5.如权利要求4所述的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法，其特征在于，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，还包括：

若max(r₁，r'₁)≤(2^SF+1+2^SF)/2，则判断Count1和Count2的大小关系：

若Count1>Count2，则解调结果为将R₁[l]中最大的两个数的索引由小到大排序(sort(index(r₁)，index(r'₁)),'ascend')，其中‘ascend'代表由小到大排序。

6.如权利要求5所述的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调方法，其特征在于，所述对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理的步骤，还包括：

若Count1≤Count2，则解调结果为将R₁[l]中最大的两个数的索引由大到小排序(sort(index(r₂)，index(r'₂)，‘descend'))，其中‘descend'代表由大到小排序。

7.一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调装置，其特征在于，包括：发射端；

所述发射端包括：

第一分组转换单元，用于获取比特流，并将所述比特流由高位到低位分成相等的两份，分别转换为两个十进制的符号，高位比特流转化的符号为m₁，低位比特流转化的符号为m₂；

判断单元，用于判断符号m₁、m₂的大小关系；

LoRa调制单元，用于当m₁≤m₂时，采用基本上啁啾信号对两个符号m₁、m₂分别进行LoRa调制后得到信号

和

并将信号

和

叠加后发送至接收端。

8.如权利要求7所述的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调装置，其特征在于，所述发射端还包括：

SSK调制单元，用于当m₁＞m₂时，采用基本下啁啾信号对两个符号m₁、m₂进行SSK调制后得到信号

和

并将信号

和

叠加后发送至接收端。

9.如权利要求7所述的一种基于LoRa的双载波斜坡键控调制解调装置，其特征在于，还包括：接收端；

所述接收端包括：

第二分组转换单元，用于将接收信号分为了两路，上路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号的共轭

相乘，下路表示接收信号r[n]与基本上啁啾信号X₀[n]相乘；

傅里叶变换单元，用于对这两路信号分别进行离散傅里叶变换得到两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]；

Decision处理单元，用于对两路离散傅里叶变换结果R₁[l]和R₂[l]进行处理，最终接收端得到2·SF个Bit。

Images