CN116886481B - 一种分层LoRa调制通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分层LoRa调制通信系统及方法，涉及物联网通信领域。包括：发射机和接收机；所述发射机包括串并转换模块，第一进制转换模块，第二进制转换模块，第一LoRa调制模块，相移键控或正交调幅调制模块以及乘法器；所述串并转换模块一端用于输入比特序列，输出分别与所述第一进制转换模块，所述第二进制转换模块连接；所述第一进制转换模块与所述第一LoRa调制模块连接，所述第二进制转换模块与所述相移键控或正交调幅调制模块连接，所述第一LoRa调制模块和所述相移键控或正交调幅调制模块的输出经过乘法器输入到接收机中。本发明可以在单个信号中传输多个数据流，并将重要数据流分配到更高的优先级，从而降低其误码率。

Description

一种分层LoRa调制通信系统及方法
技术领域
本发明涉及物联网通信领域，更具体的说是涉及一种分层LoRa调制通信系统及方法。
背景技术
LoRa（长距离低功耗射频）是一种用于物联网（IoT）应用的无线通信技术。它是一种低功耗、长距离传输的解决方案，适用于广域网和城域网环境。
LoRa技术采用了扩频调制方式CSS(Chirp Spread Spectrum)，能够在低功率下实现远距离通信。它利用了较宽的频谱带宽，将数据进行扩展并以低速传输。这种传输方式能够提供长达数公里的通信范围，并且在城市环境中也具备良好的穿透力。
分层调制（Hierarchical Modulation）是一种无线通信技术，用于在不同的传输质量条件下提供不同的数据传输速率。
传统的调制方式只能以固定的速率传输数据，无法根据信道质量进行自适应调整。而分层调制技术则可以根据信道的好坏选择合适的调制方式，以实现更高的可靠性和更高的传输速率。
在分层调制中，数据被分为多个优先级，通过牺牲低优先级的误码率性能提高高优先级的误码率性能，使得较高优先级可以在较差的信道条件下可靠地传输。
分层调制技术在无线通信领域广泛应用，特别是在移动通信系统中。通过合理地使用分层调制技术，可以在不同的信道条件下平衡传输速率和可靠性，提高系统的整体性能。
分层调制是一种根据信道质量自适应选择调制方式的无线通信技术，可以在不同的传输质量条件下提供不同的数据传输速率。它在提高通信系统性能方面具有很大的潜力。
物联网通信往往发生在复杂多变的环境中，信道条件可能随时变化。对于物联网应用，将捕获来自各种传感器的多模态数据，而这些数据具有不同的重要性。LoRa无法实现对于数据重要等级的区分。因此，需要设计分层的LoRa通信系统，根据不同的重要级别来实现不同的比特误码率(BER)要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种分层LoRa调制通信系统及方法，以解决背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分层LoRa调制通信系统，包括：发射机和接收机；
所述发射机包括串并转换模块，第一进制转换模块，第二进制转换模块，第一LoRa调制模块，相移键控或正交调幅调制模块以及乘法器；所述串并转换模块一端用于输入比特序列，输出分别与所述第一进制转换模块，所述第二进制转换模块连接；所述第一进制转换模块与所述第一LoRa调制模块连接，所述第二进制转换模块与所述相移键控或正交调幅调制模块连接，所述第一LoRa调制模块和所述相移键控或正交调幅调制模块的输出经过乘法器输入到接收机中。
可选的，所述接收机包括LoRa解调模块，第二LoRa调制模块，乘法累加器，相移键控或正交调幅解调模块，符号转换模块以及并串转换模块；所述LoRa解调模块一端输入至所述符号转换模块，另一端输入至所述第二LoRa调制模块，所述第二LoRa调制模块的输出的共轭以及接收机原始的输入经乘法累加器运算输入至所述相移键控或正交调幅解调模块；所述相移键控或正交调幅解调模块以及所述符号转换模块分别输入至并串转换模块，得到估计比特序列。
可选的，所述接收机接收到的信号表示为：
；
其中，是服从/>的加性高斯白噪声，x t (n)基于分层PSK或QAM的LoRa的发送信号，g表示瑞利衰落系数，Aexp(jθ)表示经过分层PSK或QAM调制后的信号，x s (n)表示由LoRa调制后产生LoRa信号。
一种分层LoRa调制通信方法，利用任意一项所述的一种分层LoRa调制通信系统，包括以下步骤：
对比特序列串并转换，得到第一比特位序列和第二比特位序列；
分别调制第一比特位序列和第二比特位序列；
将调制后的第一比特位序列和第二比特位序列相乘经过信道后得到第一信号；
解调第一信号，得到第二信号，利用第二信号和第一调制得到第三信号，根据第二信号得到估计第三比特位序列；
第一信号和第三信号的共轭相乘，得到第四信号，分层解调第四信号得到估计第四比特位序列；
将估计第三比特位序列和估计第四比特位序列并串转换，得到估计比特序列。
可选的，分别调制第一比特位序列和第二比特位序列，具体为：所述第一比特位序列进行LoRa调制，所述第二比特位序列进行分层PSK或QAM调制。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种分层LoRa调制通信系统及方法，可以在单个信号中传输多个数据流，并将重要数据流分配到更高的优先级，从而降低其误码率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为LoRa通信系统发射机框图；
图2为LoRa通信系统接收机框图；
图3为基于PSK或QAM的LoRa通信系统的发射机模型图；
图4为基于PSK或QAM的LoRa通信系统的接收机模型图；
图5为分层2/4/8-PSK星座图；
图6为分层4/16/64-QAM星座图；
图7为基于PSK或QAM的LoRa通信系统的工作流程图；
图8为不同相位向量下，LoRa-HPSK的不同优先级BER性能图；
图9为不同距离向量下，LoRa-HQAM的不同优先级BER性能图；
图10为有无PO、FO条件下，LoRa-HPSK的不同优先级BER性能图；
图11为有无PO、FO条件下，LoRa-HQAM的不同优先级BER性能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种分层LoRa调制通信系统，包括：发射机和接收机；
所述发射机包括串并转换模块，第一进制转换模块，第二进制转换模块，第一LoRa调制模块，相移键控或正交调幅调制模块以及乘法器；所述串并转换模块一端用于输入比特序列，输出分别与所述第一进制转换模块，所述第二进制转换模块连接；所述第一进制转换模块与所述第一LoRa调制模块连接，所述第二进制转换模块与所述相移键控或正交调幅调制模块连接，所述第一LoRa调制模块和所述相移键控或正交调幅调制模块的输出经过乘法器输入到接收机中。
所述接收机包括LoRa解调模块，第二LoRa调制模块，乘法累加器，相移键控或正交调幅解调模块，符号转换模块以及并串转换模块；所述LoRa解调模块一端输入至所述符号转换模块，另一端输入至所述第二LoRa调制模块，所述第二LoRa调制模块的输出的共轭以及接收机原始的输入经乘法累加器运算输入至所述相移键控或正交调幅解调模块；所述相移键控或正交调幅解调模块以及所述符号转换模块分别输入至并串转换模块，得到估计比特序列。
其中，图1为LoRa调制实现过程。首先，串行比特序列I经串并转换，再转换为十进制符号s，符号s再由LoRa调制器调制。由于LoRa调制是通过改变初始频率实现的，因此符号s包含SF位，即，其中/>。每次发送LoRa采样的时间间隔为/>，其中/>为信道带宽。在离散时域，采样率为/>时，LoRa信号可以写成/>，其中n为样本索引,/>为单位符号能量，取/>=1,/>为LoRa啁啾信号，/>为虚单位，即/>。
图2为LoRa解调实现过程。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)与基信号的复共轭相乘。
然后对dechirped信号进行DFT，最后得到的估计符号是使/>取得最大模值得符号。随后将符号转换为比特并进行并串转换得到最终结果估计比特序列/>。
本实施例中公开的基于分层相移键控(PSK)或正交调幅(QAM)的LoRa通信系统的发射机、接收机模型，如图3-图4所示，该系统的模型的工作流程如下：
比特序列I通过串并转换被划分为i 1到i SF+m 比特位，其中，M为PSK或QAM的阶数，其中i 1到i SF 为最高优先级(HP)。数字下标SF往后，优先级随数字下标的增加而降低，则i SF+m 为最低优先级(LP)。i 1到i SF 和i SF+1 到i SF+m 分别转换为符号s和w，这里s和w分别被进行LoRa调制和分层PSK或QAM调制。
按图1所示，符号s由LoRa调制后产生LoRa信号x s (n)。按图3所示符号w通过分层PSK或QAM调制器进行调制，产生振幅A和相位，其中/>和/>，经过分层PSK或QAM调制后的信号为/>。对于分层PSK调制器，在从0到/>的顺时针方向上标记圆形点/符号。然后，/>符号被转换为格雷码。优先级角度矢量定义为。在/>中，/>，/>与优先级角度有关。例如，分层2/4/8-PSK星座如图5所示。
其中传输符号为O 1至O 8，角度和/>分别表示第二优先级和第三优先级。例如，如果符号O 1被传输，则/>。对于其他符号，/>可以以相同的方式获得。对于分层QAM调制器，图6所示的分层4/16/64-QAM是说明基本原理的示例。
在图6中，黑色和灰色符号表示虚构的符号，白色符号表示实际传输的符号。黑色、灰色和白色符号分别表示第一、第二和第三优先级中的比特，分别表示第一、第二和第三优先级中的点之间的距离。对于分层M-QAM，有两个距离向量，其中/>和/>分别表示同相（i）和正交相位（q）中的点之间的距离，并且c是星座的一个方向上的同相或正交点的数量，并且/>。在Aexp(jθ)中，/>由/>表示，而/>由/>表示。例如，如果传输了点“100000”，则和/>。将LoRa信号和分层PSK或QAM调制后的信号相乘，可以得到基于分层PSK或QAM的LoRa的发送信号为/>。
按图4所示，接收器机接收到的信号可以表示为，其中/>是服从/>的加性高斯白噪声（AWGN），其中/>表示具有均值/>和方差/>的复高斯分布，g是瑞利衰落系数，服从/>。首先，接收信号r(n)直接通过LoRa解调获得估计符号/>。其次，根据估计的符号/>获得LoRa信号/>。然后，y w 是通过将r(n)和/>相乘而获得的。最后，通过使用分层PSK或QAM解调，将信号y w 转换为比特/>到/>。
具体流程如下：
1.为了解调接收信号r(n)，去啁啾信号，其中。/>又可进一步化为，其中/>和。然后，使用离散傅立叶变换（DFT），可以得到，其中v是由传输信道产生的相移，k是整数。对/>取模后，可表示为，其中/>和。通过选择DFT的最大输出，符号/>通过获得。比特/>到/>可以通过使用/>进行符号到比特序列的转化来获得。
2.通过对进行LoRa调制，获得LoRa信号/>。根据LoRa信号的正交性，即，则有。对于分层M-PSK，/>表示y w 的相位。基于y w ，可以通过使用以下决策规则来获得比特/>到/>。对于位/>，如果/>，否则/>。对于位/>，如果/>，/>，否则/>，以此类推，可以获得y w 的所有比特。对于分层的M-QAM，可以逐层解调M-QAM。例如，对于4/16/64-QAM星座，根据接收信号y w 所在的象限，确定/>和/>。然后，以/>和/>为坐标原点，根据接收信号y w 所处的象限来确定/>与/>。以此类推，可以获得y w 的所有比特。
本实施例还公开了一种分层LoRa调制通信方法，利用任意一项所述的一种分层LoRa调制通信系统，参见图7，包括以下步骤：
对比特序列串并转换，得到第一比特位序列和第二比特位序列；
分别调制第一比特位序列和第二比特位序列；
将调制后的第一比特位序列和第二比特位序列相乘经过信道后得到第一信号；
解调第一信号，得到第二信号，利用第二信号和第一调制得到第三信号，根据第二信号得到估计第三比特位序列；
第一信号和第三信号的共轭相乘，得到第四信号，分层解调第四信号得到估计第四比特位序列；
将估计第三比特位序列和估计第四比特位序列并串转换，得到估计比特序列。
其中，分别调制第一比特位序列和第二比特位序列，具体为：所述第一比特位序列进行LoRa调制，所述第二比特位序列进行分层PSK或QAM调制。
本发明在符合实际应用场景的情况下，采用Matlab软件进行实验仿真。对比了基于分层PSK或QAM的LoRa通信系统在瑞利衰落信道上不同优先级的误码率性能。在仿真中，采用了分层16-PSK和16-QAM。此外，假设基于分层16PSK的LoRa(LoRa-16HPSK)和基于分层16-QAM的LoRa(LoRa-16HQAM)的第二优先级和LP包含2bit，即第二优先级包含bit和，LP包含bit/>和/>。距离向量设为/>。
图8、9比较了LoRa-16HQAM和LoRa-16HPSK系统不同优先级的模拟BER曲线，其中扩频因子设为SF=7,LoRa-16HQAM的距离向量设为和/>，LoRa-16HPSK的相位向量设为/>和/>。从图9中可以看出，随着d1/d2比值的增大，第二优先级的误码率减小，而LP的误码率增大。随着/>的增大，第二优先级的BER与LP的BER之差增大。综上所述，根据数据的重要程度，通过调整分层调制的矢量参数，可以改变不同优先级的误码率性能，达到不同的误码率要求。
此外，还分析了系统中考虑相移PO（Phase Offset）或频移FO（Frequency Offset）的各优先级的BER性能。被PO损坏的接收符号为，其中/>是PO且服从的均匀分布。接收到的被FO破坏的符号为/>，其中为FO。
图10中显示了在瑞利衰落信道下，有或没有PO、FO的LoRa-16HPSK的性能比较，其中，/>以及/>，/>以及/>。可以观察到，PO和FO对LoRa-16HPSK的第一、二优先级的影响很小。然而，对LoRa-16HPSK的LPs的影响是显著的。在BER为/>时，有PO的LoRa-16HPSK的LP的BERs分别比有FO的系统差约0.1 dB和0.6 dB。
图11中显示了在瑞利衰落信道下，有或没有PO、FO的LoRa-16HQAM的性能比较，其中，/>以及/>，/>以及/>。PO和FO对LoRa-16HQAM的LPs的影响是显著的。在BER为/>时，有PO的LoRa-16HQAM的LP的BERs分别比有FO的系统差约0.2 dB和1.0 dB。因此，在设定系统等效参数的前提下，PO的对系统误码率的影响大于FO。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种分层LoRa调制通信系统，其特征在于，包括：发射机和接收机；
所述发射机包括串并转换模块，第一进制转换模块，第二进制转换模块，第一LoRa调制模块，相移键控或正交调幅调制模块以及乘法器；所述串并转换模块一端用于输入比特序列，输出分别与所述第一进制转换模块，所述第二进制转换模块连接；所述第一进制转换模块与所述第一LoRa调制模块连接，所述第二进制转换模块与所述相移键控或正交调幅调制模块连接，第一LoRa调制模块和相移键控或正交调幅调制模块的输出信号经过乘法器处理后，得到要经过信道发送的发送信号；
所述接收机包括LoRa解调模块，第二LoRa调制模块，乘法累加器，相移键控或正交调幅解调模块，符号转换模块以及并串转换模块；经过信道发送的发送信号输入至所述LoRa解调模块，所述LoRa解调模块的输出端输出信号至符号转换模块和第二LoRa调制模块，所述第二LoRa调制模块的输出信号的共轭信号以及由接收机天线接收的信号被输入到乘法累加器，经乘法累加器运算后输出至所述相移键控或正交调幅解调模块；所述相移键控或正交调幅解调模块的输出信号以及所述符号转换模块的输出比特分别输入至并串转换模块，所述并串转换模块用于输出估计比特序列；所述符号转换模块用于将符号转换为比特，一端与所述LoRa解调模块连接，一端与所述并串转换模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种分层LoRa调制通信系统，其特征在于，所述接收机接收到的信号表示为：
其中，是服从复高斯分布/>的加性高斯白噪声，xt(n)基于分层PSK或QAM的LoRa的发送信号，g表示瑞利衰落系数，Aexp(jθ)表示经过分层PSK或QAM调制后的信号，xs(n)表示由LoRa调制后产生LoRa信号。
3.一种分层LoRa调制通信方法，利用权利要求1-2任意一项所述的一种分层LoRa调制通信系统，其特征在于，包括以下步骤：
比特序列I通过串并转换被划分为i1到iSF+m比特位；i1到iSF和iSF+1到iSF+m分别转换为符号s和符号w；符号s和符号w分别被LoRa调制和分层PSK或QAM调制后相乘，得到发送信号，发射机将发送信号经过信道输入至LoRa解调模块，所述LoRa解调模块的输出端输出信号至符号转换模块和第二LoRa调制模块，所述第二LoRa调制模块的输出信号的共轭信号以及由接收机天线接收的信号被输入到乘法累加器，经乘法累加器运算后输出至所述相移键控或正交调幅解调模块；所述相移键控或正交调幅解调模块的输出信号以及所述符号转换模块的输出比特分别输入至并串转换模块，所述并串转换模块输出估计比特序列。
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