CN217770072U - 一种基于LoRa技术的双向散射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种基于LoRa技术的双向散射系统，包括：基站和接收机，基站包括第一控制模块、OOK发射模块、功率放大器、LoRa模块和第一天线，基站发射单频载波，且在载波上进行调制以发送下行信息，基站和接收机之间通过标准无线LoRa进行通信；节点，包括第二控制模块、低功耗OOK接收模块、射频开关和第二天线，节点控制射频开关的开断以调节第二天线的阻抗匹配。本实用新型实施例所提供的基于LoRa技术的双向散射系统，用以解决LoRa发射电流过大的问题。

Description

一种基于LoRa技术的双向散射系统

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，尤其是一种基于LoRa技术的双向散射系统。

背景技术

LoRa是最受欢迎的物联网低功耗无线标准之一，在业界和学术界都引起了极大的关注。LoRa通信技术和其他物联网通信技术相比，其最大特色是接收灵敏度高、距离远，其最高接收灵敏度相比NB-IoT高出19dBm，优势显著。LoRa特有的物理层设计使其更具有挑战性，LoRa物理层采用白化加扰、汉明码、对角线交织、格雷码、线性扩频调制(Chirp SpreadSpectrum，CSS)等多种技术。

然而LoRa发射电流高达125mA，对于部分有特殊需求的物联网场景而言，这个功耗仍然过大。如何解决LoRa发射电流过大的问题，是需要进一步研究的方向。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种基于LoRa技术的双向散射系统，用以解决LoRa发射电流过大的问题。

本实用新型实施例提供的一种基于LoRa技术的双向散射系统，包括：

基站和接收机，基站包括第一控制模块、OOK发射模块、功率放大器、LoRa模块和第一天线，基站发射单频载波，且在载波上进行调制以发送下行信息，基站和接收机之间通过标准无线LoRa进行通信；

节点，包括第二控制模块、低功耗OOK接收模块、射频开关和第二天线，节点控制射频开关的开断以调节第二天线的阻抗匹配。

进一步地，低功耗OOK接收模块的接收灵敏度不低于-110dBm、工作电流低于4mA、工作电压不超过3V。

进一步地，射频开关的功耗小于1μA、工作电压1.65至2.75V。

进一步地，节点的驱动模块包括散射发送子模块和接收子模块。

进一步地，散射发送子模块用于码表生成单元、规范封装单元、符号调制单元和位流输出单元，接收子模块用于接收同步单元、地址确认单元和数据提取单元。

进一步地，接收机的驱动模块包括LoRa芯片驱动子模块、串口屏驱动子模块和OOK驱动子模块。

进一步地，接收机上还设有功放芯片。

进一步地，接收机的硬件与基站的硬件皆采用一基站接收机一体机。

本实用新型实施例提供的基于LoRa技术的双向散射系统，采用双向LoRa散射通信技术，双向散射技术构建优化了散射系统模型，在传统的基站、节点、接收机的散射系统模型上，使用RF收发芯片，将单工通信改为半双工通信，实现信息的双向传输同时兼顾远距离，使得发送端可以感知接收机数据是否接收，针对散射系统多以固定参数发射数据，以双向散射通信的模型为基础，依据重传机制推导最小平均能耗，在平均能耗的约束下，选择合适的发射参数，可使系统稳定性在基站载波强度变化和信道时变的影响下大幅度提升。从而在解决LoRa发射电流过大的问题的基础上实现了信息的双向传输。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例的附图，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是LoRa物理帧结构；

图2是LoRa物理层结构示意图；

图3是本实用新型实施例的基于LoRa技术的双向散射系统的结构示意图；

图4是本实用新型实施例的基于LoRa技术的双向散射系统的节点硬件结构示意图；

图5是本实用新型实施例的基于LoRa技术的双向散射系统的基站接收机一体机硬件结构示意图；

图6是本实用新型实施例的基于LoRa技术的双向散射系统的节点驱动结构示意图；

图7是本实用新型实施例的基于LoRa技术的双向散射系统的接收机驱动结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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作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。

反向散射通信(Backscatter Communications)技术是近些年国际上的一种新兴超低功耗通信技术，是构建绿色节能、低成本、可灵活部署的未来物联网的关键技术之一。该技术利用天线阻抗调制技术避免了主动辐射电磁波，而只需要通过切换射频开关的状态实现信息的调制，从而大大降低了系统的功耗。但是目前国际上关于反向散射通信技术的研究目前还停留在原理验证阶段，其开发的原理样机一般都基于功耗很大的FPGA平台，硬件结构很复杂，样机的功耗很大。可以采用低功耗MCU代替功耗很大的FPGA平台来降低其功耗，利用LoRa中的线性调频扩频调制技术来提高散射通信系统的通信距离，形成一种基于低功耗MCU的LoRa反向散射通信技术。

现有的散射通信技术诸如Wi-Fi Backscatter、LoRa Backscatter等技术都是单工通信技术，单工通信是指数据信号只能在一个方向上传输，发送方不能校验接收方是否接收到数据。所以对于设备监测这种数据要求严格，数据丢失会造成严重后果的物联网系统，现有的散射通信技术不能满足要求。

LoRa的物理层技术是其低功耗远距离的主要原因，然而当前LoRa仅仅公布了基本的技术框架，对于其具体的技术细节却没有说明，目前有一部分文章对LoRa的调制技术做了理论分析，但同样并未给出技术实现细节，使得LoRa的进一步研究受到极大的阻碍。本实用新型实施例对LoRa物理层通信过程进行了初步的研究，验证并确定了LoRa的物理层实现过程。LoRa物理帧结构包括三个元素：前导码、帧头和有效数据。其中前导码长度可变，帧头支持显式帧头和隐式帧头，显式帧头提供有效数据的相关控制信息和帧头CRC校验，而隐式帧头则去掉了帧头，有效数据的相关控制信息由用户预先约定，有效数据由用户数据经过LoRa编码生成，紧随其后的是有效数据的CRC校验。数据帧格式如图1所示。

根据官方SX1278芯片手册和LoRaWAN协议规范对LoRa物理层的介绍，LoRa的物理层由汉明码、白化、交织器、格雷码编码技术以及频移啁啾调制技术组成，系统框架如图2。LoRa物理帧的帧头、有效数据和CRC校验通过汉明编码，然后白化，再通过交织器，格雷编码，生成LoRa符号码流，最后经过调制将码流生成LoRa符号发射出去，接收机接收到LoRa信号后，经过同步解调和反向译码，还原最初帧内容。

请参见图3，本实用新型实施例的一种基于LoRa技术的双向散射系统，本实用新型实施例提供的一种基于LoRa技术的双向散射系统，包括：基站和接收机，基站包括第一控制模块、OOK发射模块、功率放大器、LoRa模块和第一天线，基站发射单频载波，且在载波上进行调制以发送下行信息，基站和接收机之间通过标准无线LoRa进行通信；节点，包括第二控制模块、低功耗OOK接收模块、射频开关和第二天线，节点控制射频开关的开断以调节第二天线的阻抗匹配。在本实用新型实施例中，节点作为散射系统的散射端、接收机作为接收端，节点天线上连接一个射频开关，以控制天线的吸收状态，从而实现载波的OOK调制，而通过特殊的OOK时序，可以在OOK调制的基础上间接实现LoRa调制技术。

具体地，基站可由控制单元、433MHz的OOK发射模块、功率放大器、LoRa模块和天线组成，负责发射单频载波，同时能够在载波上进行调制来发送下行信息。基站和接收机之间通过标准无线LoRa进行通信。节点由控制单元、低功耗OOK接收模块、射频开关和天线组成，通过控制射频开关的开断，来调节天线的阻抗匹配，从而控制载波的吸收强度，达到调制信息的目的。接收机可采用与基站相同的硬件框架，如基站和接收机皆采用基站接收机一体机，在接收机中，硬件仅使用LoRa模块、控制单元。接收机除了接收到LoRa散射调制信号以外，还接收到了基站的单频信号，单频信号的强度要远远大于散射调制信号，因此节点需要保证散射调制信号和单频信号在幅度谱上是分离的，以便于接收机能够有效的滤除单频信号。

本实用新型实施例提供的基于LoRa技术的双向散射系统，采用双向LoRa散射通信技术，双向散射技术构建优化了散射系统模型，在传统的基站、节点、接收机的散射系统模型上，使用RF收发芯片，将单工通信改为半双工通信，实现信息的双向传输同时兼顾远距离，使得发送端可以感知接收机数据是否接收，针对散射系统多以固定参数发射数据，以双向散射通信的模型为基础，依据重传机制推导最小平均能耗，在平均能耗的约束下，选择合适的发射参数，可使系统稳定性在基站载波强度变化和信道时变的影响下大幅度提升。

请参见图4，在本实用新型在这里中，节点包括MCU、OOK接收芯片和射频开关。其中，节点的低功耗OOK接收模块的接收灵敏度不低于-110dBm、工作电流低于4mA、工作电压不超过3V；射频开关的功耗小于1μA、工作电压1.65至2.75V。一般在LoRa散射通信系统当中，基站因需要产生载波而需要大量功耗，对于散射通信而言，载波发生和信息调制在硬件上是完全隔离的，节点只需要负责低功耗的信息调制即可，而载波发生，则放在了能源充足的基站上实现，节点的功耗大幅降低。

节点端能源紧缺，因此在选择芯片时需要着重考虑的芯片的功耗。根据初步理论分析和计算，要求OOK接收芯片的接收灵敏度不低于-110dBm，工作电流低于4mA，工作电压不超过3V，其次所有芯片的最低工作电压最好统一。MPU选用MSP430FR5959主频16MHz，计算力强且功耗低，最低工作电压1.8V，且拥有硬件乘法器。OOK接收芯片选用CMT2210LB接收灵敏度-113dB，工作电流3.8mA，关断电流0.06μA，工作电压范围1.8～3.6V。射频开关选用ADG901功耗小于1μA，工作电压1.65～2.75V。

此外，节点的驱动模块包括散射发送子模块和接收子模块。其中，散射发送子模块用于码表生成单元、规范封装单元、符号调制单元和位流输出单元，接收子模块用于接收同步单元、地址确认单元和数据提取单元。请参见图6，节点的驱动程序主要分为散射发送程序和接收程序，其中散射发送程序较为复杂，包括码表生成、规范封装、符号调制和位流输出等4个功能模块。

在本实用新型实施例中，接收机的驱动模块包括LoRa芯片驱动子模块、串口屏驱动子模块和OOK驱动子模块。其中，接收机的硬件与基站的硬件皆采用一基站接收机一体机。接收机与基站采用同一套硬件设计方案，只是运行的软件不同，以此来减少设计工作量，提高工作效率。基站和接收机不需要考虑功率问题，重点考虑功能实现，需要考虑的基础功能为标准LoRa接收功能，OOK发送功能，OOK芯片的发射功率普遍较低，要给接收机配备一款功放芯片。基站接收机一体机的结构示意图请参见图5。

请参见图7，在本实用新型在这里中，接收机驱动程序包括LoRa芯片驱动，串口屏驱动，以及OOK驱动。

本实用新型实施例的双向散射系统，在开阔的场景下，将基站、接收机和节点置于一条直线上，基站和接收机到节点距离相等，记为d，通过不断增大距离d记录不同SF下的最远通信距离，测试结果如表1所示。由该测试结果可以验证，采用本实用新型实施例的双向散射系统的通信的距离能达到百米以上，可满足大多数物联网应用的需求。

SF	6	7	8	9	10	11
							距离d/m	49	68	94	115	137	162

表1通信距离测试

LoRa散射通信的散射节点的传统的散射，只能单方向传递信息，即节点端向接收机端传递，节点端无法得知信道质量和数据包是否完整到达等信息。本实用新型实施例提出的双向散射通信技术，在节点端引入重传机制和速率自适应，接收机及时应答散射节点的信息，能有效提高通信质量，在LoRa散射通信基础上，可以实现低功耗、远距离，双向通信，大大提高LoRa散射的通信性能。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于LoRa技术的双向散射系统，其特征在于，包括：

基站和接收机，所述基站包括第一控制模块、OOK发射模块、功率放大器、LoRa模块和第一天线，所述基站发射单频载波，且在载波上进行调制以发送下行信息，所述基站和接收机之间通过标准无线LoRa进行通信；

节点，包括第二控制模块、低功耗OOK接收模块、射频开关和第二天线，所述节点控制所述射频开关的开断以调节所述第二天线的阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的双向散射系统，其特征在于，所述低功耗OOK接收模块的接收灵敏度不低于-110dBm、工作电流低于4mA、工作电压不超过3V。

3.根据权利要求2所述的一种基于LoRa技术的双向散射系统，其特征在于，所述射频开关的功耗小于1μA、工作电压1.65至2.75V。

4.根据权利要求2所述的一种基于LoRa技术的双向散射系统，其特征在于，所述节点的驱动模块包括散射发送子模块和接收子模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于LoRa技术的双向散射系统，其特征在于，所述散射发送子模块用于码表生成单元、规范封装单元、符号调制单元和位流输出单元，所述接收子模块用于接收同步单元、地址确认单元和数据提取单元。

6.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的双向散射系统，其特征在于，所述接收机的驱动模块包括LoRa芯片驱动子模块、串口屏驱动子模块和OOK驱动子模块。

7.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的双向散射系统，其特征在于，所述接收机上还设有功放芯片。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于LoRa技术的双向散射系统，其特征在于，所述接收机的硬件与所述基站的硬件皆采用一基站接收机一体机。

Images