KR102665501B1 - 처프-변조 무선 신호들용 전송기, 수신기 및 방법 - Google Patents

Abstract

프리앰블의 검출 시퀀스가 위상 변조되고 카운트다운 인덱스와 같은 프리앰블 내의 위치를 인코딩하는 정보를 포함하는 LoRa 전송기 및 대응 수신기. 스케줄링된 다운로드를 수신하기 위해 웨이크 업하는 노드들은 이 정보에서 검출 시퀀스의 끝이 얼마나 먼지를 결정하고 그에 따라 에너지 소비를 관리할 수 있다. 위상 변조는 레거시 디바이스들과 호환 가능하다.

Description

처프-변조 무선 신호들용 전송기, 수신기 및 방법{TRANSMITTER, RECEIVER, AND METHOD FOR CHIRP-MODULATED RADIO SIGNALS}

본 발명은 실시예에서, 처프-변조된(chirp-modulated) 확산-스펙트럼 무선 신호들용 수신기들 및 전송기들에 관한 것이다.

무선 연결 디바이스들은 최근 많은 관심과 노력의 대상이 되어 왔다. 무선 통신 기법들의 향상은 "사물 인터넷들"의 생성 및 개발에 중요하다. 이러한 맥락에서, 여러 무선 통신 프로토콜들이 제안되어 활용되고 있다. 특히 특허 출원들 EP2763321 A1, EP3264622 A1, 및 EP2449690 A1에 의해 알려진 LoRa® 통신 시스템은 처프 확산-스펙트럼 변조를 사용하여 복잡성이 낮고 전력 소비가 적은 긴 전송 범위들을 달성한다.

본 개시내용의 맥락에서, "LoRa"라는 용어는 복수의 주파수 처프들을 포함하는 무선 신호들의 교환에 기반한 통신 시스템을 간략하게 나타내고, 각각의 처프는 유한한 시간 간격 및 유한한 대역폭으로 제한되고, 처프들은 주파수들이 시간 간격의 처음부터 끝까지 주어진 함수를 따르는 기본 처프와 기본 처프의 순환 시프트인 변조된 처프를 포함한다. 기본 처프들 및 변조된 처프들은 변조 알파벳의 심볼들로 간주된다. 이 정의는 알려진 LoRa® 제품들 및 표준들뿐만 아니라, 가능하지만 아직 구현되지 않은 광범위한 개념의 변형들을 포함한다.

LoRa® 변조는 저전력 광역 통신망들과 장거리 지점 간 통신 둘 모두를 위해 많은 애플리케이션들과 디바이스들에 사용된다. 이의 확산 증가는 칩셋들, 모듈들 및 참조 설계들의 핵심 기술에 대한 다양한 판매처들에 의해 지원된다. 많은 애플리케이션들에서, 배포는 - 포지션, 온도 결정, ...과 같은 - 주어진 측정을 수행하도록 구성된 많은 센서 노드들과, 센서 노드들과 통신하고 집중기들 및 조정자들 역할을 하는 하나 이상의 게이트웨이들로 구성된다. 센서 노드들은 양방향들로 LoRa-변조 무선 전송들을 통해 게이트웨이 또는 게이트웨이들과 통신할 수 있다. 또한, 일부 디바이스들은 게이트웨이들과 센서 노드들 간의 릴레이들 역할을 한다. 이러한 릴레이들은 일반적으로 배터리로 동작되고, 센서 노드들과 같은 전력 소비 제약들을 갖고 센서 노드 기능을 포함할 수 있다.

릴레이들 및 센서 노드들은 에너지를 절약하기 위해 대부분의 시간을 저전력 슬립 상태(sleep state)에서 보내고 짧은 시간 창들 동안 인입 메시지들을 청취하기 위해 웨이크 업(wake up)할 수 있다. 청취 창들은 어느 정도 결정론적으로 예측 가능하지만, 대부분의 경우들 센서 노드들과 릴레이들이 슬립 모드에서 좋은 시간을 유지할 수 없기 때문에 불확실성이 상당할 수 있다. 이를 제거하기 위해, 메시지를 송신하거나 데이터를 노드 또는 릴레이에 다운로드하려는 게이트웨이들 또는 노드들은 청취 창들과 오버랩하지 않는 것을 보장하기 위해, 변조되지 않은 처프들의 매우 긴 프리앰블(최대 몇 초)을 갖는 메시지로 가장하여야 한다. 변조되지 않은 처프들의 프리앰블은 LoRa 프레임들의 규정된 피처(feature)이지만, 그 길이는 고정되어 있지 않다.

이 솔루션은 효과적이지만, 프리앰블이 동일한 처프들에 의해 만들어지기 때문에, 청취 디바이스는 프리앰블이 종료될 때를 알 수 없고, 긴 프리앰블 동안 매우 일찍 웨이크 업하면, 프리앰블의 전체 지속기간 동안 청취를 계속해야 하고, 이는 유용한 정보를 전달하지 않는 신호 수신에 에너지를 소비한다. 릴레이는 여러 센서 노드들을 서빙할 수 있으므로, 이 전력 소비를 최소화하는 것이 중요하다.

본 발명은 상기 한계들을 극복한 개선된 LoRa 전송기 및 수신기를 제안한다. 동일한 솔루션은 다른 처프-기반 무선 네트워크에 적용할 수 있다.

본 발명의 목적은 최신 기술의 단점들과 한계들을 극복하는 전송기, 수신기 및 데이터 다운로드 방법의 제공이다.

본 발명에 따르면, 이들 목적들은 첨부된 청구범위의 목적에 의해, 그리고 특히 복수의 처프들을 포함하는 무선 신호를 생성하도록 구성된 변조기를 포함하는 처프-변조 무선 신호들용 전송기에 의해 달성되고, 각각의 처프는 신호가 초기 순시 주파수를 갖는 초기 순간과 신호가 최종 순시 주파수를 갖는 최종 순간 사이에서 시간적으로 제한되고, 이에 의해 변조기는, 주파수가 미리 결정된 기본 처프 함수에 따라 초기 순시 주파수에서 최종 순시 주파수로 단조롭게 변하는 기본 처프들, 및 순시 주파수가 기본 처프 함수의 순환 시프트들인 복수의 함수들에 따라 변하는 변조된 처프들을 생성하도록 구성되고, 전송기는 순환 시프트로서 인코딩된 정보의 요소를 반송하는 변조된 처프들의 세트를 포함하는 페이로드 및 프리앰블을 갖는 프레임들에서 처프들을 조직하도록 구성되고, 프리앰블은 연속적인 기본 처프들을 포함하고, 프리앰블의 처프들은 프리앰블 내의 포지션을 인코딩하는 위상 시프트를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 전송기와 협력하고 위에서 정의된 프레임들로 구성된 처프-변조 무선 신호들을 수신하도록 설계된 수신기 디바이스에 관한 것이다. 수신기는 프리앰블을 검출하고, 프리앰블 내의 처프들의 위상 시프트들을 결정하고, 위상 시프트들이 미리 정의된 인코딩에 따라 프리앰블 내의 포지션을 인코딩한다고 가정하고, 프리앰블 내의 상기 포지션에 따라 일정 기간 동안 저전력 상태 및/또는 청취 상태에 진입한다.

프리앰블에 가변 슬립 시간들을 삽입함으로써, 본 발명의 수신기는 중요한 정보를 잃지 않고 전력을 절약할 수 있다. 프리앰블의 마지막 심볼들은 프레임, 시간 및 주파수 동기화를 위해 LoRa에서 사용되고, 바람직하게는 수신기는 프리앰블의 나머지 기간 대부분 동안 저전력 상태를 유지하고 프리앰블의 동기화 심볼들 직전에 웨이크 업한다.

유리하게는, 본 발명의 전송 포맷은 프리앰블 심볼들에서 위상 시프트를 결정하려고 시도하지 않는 레거시 LoRa 수신기들과 호환 가능하다. 이들 수신기들은 성능 손실들 없이 위상-변조된 LoRa 심볼들을 검출하고 본 발명의 위상-변조된 프리앰블과 동기화할 수 있다.

청취 상태에 있는 수신기는 가능하게는 상이한 확산 인자에서 제2 프레임의 제2 프리앰블을 검출하고, 프리앰블의 상기 포지션에 의존하는 기간 동안 저전력 상태 및/또는 청취 상태에 진입할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 수신기는 바람직하게는 어느 하나의 프리앰블의 동기화 심볼들 직전에 깨어난다.

본 발명은 또한 스케줄링된 다운로드 시간에 게이트웨이로부터 또는 센서 노드로부터 저전력 VIDE-영역 네트워크의 무선 디바이스로 데이터를 다운로드하는 방법을 포함하고: 무선 디바이스가 청취 기간에 진입할 때, 게이트웨이 또는 센서 노드들은 위에 정의된 바와 같이 처프들의 하나 이상의 프레임들을 포함하는 무선 신호를 생성하고, 무선 디바이스는 프리앰블을 검출하고, 프리앰블에서 처프들의 위상 시프트를 결정하고, 프리앰블 내의 포지션을 인코딩한다고 가정하고, 프리앰블에서의 상기 포지션에 의존하는 기간 동안 낮은 저전력 상태 또는 청취 상태에 진입한다.

그러나, 종속항들은 예를 들어 프리앰블의 검출 시퀀스에서 처프들이 그룹들로 결합되고, 각각의 그룹의 위상 시프트가, 진폭이 미리 정의된 법칙에 따라 한 그룹에서 다른 그룹으로 변하고 진폭 값이 0이 될 수 있는 미리 정의된 값에 도달하는 포지션에서 프리앰블이 끝나는 패턴을 따르는 위상 시프트의 차분 인코딩 규칙과 같이 필수적이지는 않지만 중요하고 유용한 기능에 관한 것이다. 그 법칙은 감소하거나 증가하는 선형 법칙이거나, 톱니파 법칙, 또는 임의의 다른 적합한 결정론적 함수일 수 있다. 각각의 그룹은 동일하고 반대인 위상 시프트의 2개의 처프들, 제1 마지막이 반대 위상 시프트를 갖고 중앙 처프가 0의 시프트인 3개의 처프들, 또는 다른 처프들의 조합들을 포함할 수 있다.

위상 시프트들은 또한 페이로드가 속한 네트워크 또는 데이터 스트림의 지정과 같은 추가 정보를 인코딩할 수 있다. 이는 미리 정의된 세트에서 위상 시프트에 대해 서로 다른 시퀀스들을 선택하여 획득될 수 있다. 유용한 가능성은 위상 시프트 변동의 기울기에서 추가 정보를 인코딩하는 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 상세한 설명에 개시되고 도면들에 의해 예시된다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 무선 모뎀의 구조를 개략적으로 단순화된 방식으로 표시한다.
도 2a는 본 발명의 일 양태에 따른 기본 처프 및 변조된 처프의 순시 주파수를 표시한다. 동일한 신호들의 위상은 도 2b에 표현되고, 도 2c는 기본 처프와 변조된 처프의 실수 성분과 복소수 성분을 시간 도메인과 기저대역 표현으로 도시한다.
도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 LoRa 프레임의 예를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 적용 가능한 위상 변조의 2개의 가능한 스키마를 예시한다.
도 5는 서로 다른 기울기들을 갖는 일련의 위상 시프트들로 네트워크 식별을 인코딩할 수 있는 방법을 도시한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 2개의 실시예들에서 위상 시프트의 변조 진폭을 도시한다.
도 8은 본 발명의 예에서 일련의 단계들을 도시한다.

본 발명에 이용된 처프 변조 기법의 여러 양태들은 유럽 특허 EP　2449690　B1에 설명되고, 이에 의해 이는 참조로 포함되고, 본원에서 요약해서 상기될 것이다. 도 1에 개략적으로 표현된 무선 트랜스시버는 본 발명의 가능한 실시예이다. 트랜스시버는 기저대역 섹션(200) 및 무선 주파수 섹션(100)을 포함한다. 이것은 자신의 입력에서 디지털 데이터(152)에 기반하여 기저대역 복소 신호를 생성하는 기저대역 변조기(150)를 포함한다. 이어서, 이것은 RF 섹션(100)에 의해 원하는 송신 주파수로 변환되고, 전력 증폭기(120)에 의해 증폭되고, RF 스위치(102)를 통해 안테나에 의해 송신된다.

신호가 무선 링크의 다른 단부에서 수신되면, 신호는 저잡음 증폭기(160)를 포함하는 도 1의 트랜스시버의 수신부에 의해 프로세싱되고, 일련의 처프들을 포함하는 기저대역 신호(이는 다시, 예를 들어 2개의 성분(I, Q)에 의해 표현된 복소 신호임)를 생성하는 하향-변환 스테이지(170)로 이어지고, 이어서 변조기(150)의 기능과 역의 기능을 갖는 기저대역 프로세서(180)에 의해 처리되고, 재구성된 디지털 신호(182)를 제공한다.

EP2449690호에서 논의된 바와 같이, 프로세싱될 신호는 주파수가, 미리 결정된 시간 간격을 따라, 초기 순시 값(f₀)에서 최종 순시 주파수(f₁)로 변하는 일련의 처프들을 포함한다. 설명을 단순화하기 위해, 모든 처프들이 동일한 지속 시간(T)을 갖는 것으로 가정하지만, 이것은 본 발명에 대한 절대적인 요건이 아니다.

기저대역 신호의 처프들은 순시 주파수의 시간 프로파일(f(t)) 또는 또한 신호의 위상을 시간의 함수로 정의하는 함수(φt))로 설명될 수 있다. 중요하게, 프로세서(180)는 미리 결정된 변조 알파벳의 심볼에 각각 대응하는 복수의 상이한 프로파일들을 갖는 처프들을 프로세싱하고 인식하도록 배열된다.

중요하게도, 수신된 신호(Rx)는 주기적으로 기본 주파수 프로파일을 시간-시프팅함으로써 기본 처프들로부터 획득된 특정하고 미리 정의된 주파수 프로파일을 갖는 기본 처프(또한 이하 변조되지 않은 처프들이라고 칭해짐), 또는 가능한 변조된 처프들의 세트 중 하나를 포함할 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 처프 시작 시간 순간(t=t₀))과 처프 종료 순간(t=t₁) 사이에서 기본 처프(30) 및 하나의 변조된 처프(32)의 가능한 주파수 및 위상 프로파일들을 예로써 예시하는 반면, 도 2c는 시간 도메인에서 대응하는 기저대역 신호들을 도시한다. 수평 눈금은 예를 들어 심볼에 대응하고, 플롯들이 연속적으로 그려지지만, 실제로 구체적인 구현에서 유한 개수의 개별 샘플들을 나타낸다. 수직 눈금은 의도된 대역폭 또는 대응 위상 범위로 정규화된다. 위상은 마치 무한한 변수인 것처럼 도 2b에 표현되지만, 실제로는 구체적인 구현에서 여러 회전들에 걸쳐 있을 수 있다.

묘사된 예에서, 기본 처프들의 주파수는 초기 값(-BW/2)에서 최종 값(BW/2)으로 선형적으로 증가하지만(여기서 BW는 대역폭 확산을 나타냄), 내림차순 처프들 또는 다른 처프 프로파일들이 또한 가능하다. 이 예에서 주파수는 상승하고: 기본 처프는 상향-처프이지만, 반대 선택인 BW/2에서 -BW/2도 또한 가능하다.

정보는 미리 결정된 기본 처프에 대해 복수의 가능한 순환 시프트들 중 하나를 갖는 처프들의 형태로 인코딩되고, 각각의 순환 시프트는 가능한 변조 심볼에 대응한다. 프로세서(180)는 기본 처프 프로파일의 주기적으로 시간-시프트된 복제인 복수의 주파수 처프들을 포함하는 신호를 프로세싱하고, 트랜스시버가 전송에서 동작하는지 수신에서 동작하는지 여부에 따라, 상기 시간-시프트들의 연속으로 인코딩된 메시지를 추출 또는 합성하도록 구성된다.

신호는 또한 변조되지 않은 기본 처프의 복소수 켤레인 켤레 처프들을 포함할 수 있다. 켤레 처프들은 주파수가 BW/2에서 -BW/2로 떨어지는 다운-처프(down-chirp)들로 간주할 수 있다. 다운-처프들은 업-처프들과 다운-처프들 둘 모두를 포함하는 변조 알파벳의 고유한 심볼이거나, 동기화와 같은 특수 목적들을 제공할 수 있다. 기존에, LoRa는 특수 목적들로만 다운-처프를 사용했지만, 필수 사항은 아니다.

로컬 시간 기준에 관하여 수신된 처프의 시간 시프트를 평가하는 동작은 다음에서 "디처핑(dechirping)"으로 지칭될 수 있고, 수신된 처프에 샘플 단위로 로컬적으로 생성된 기본 처프의 복소수 켤레를 곱하는 것을 포함하는 역확산 단계에 의해 유리하게 수행될 수 있다. 이것은 주 주파수가 수신된 처프의 순환 시프트에 비례하는 것으로 도시될 수 있는 진동 디지털 신호를 생성한다. 이어서, 복조는 역확산 신호의 푸리에 변환을 포함할 수 있다. 푸리에의 최대치 포지션은 순환 시프트 및 변조 값의 측정치이다. 수학적 항들에서, 를 갖는 k-번째 수신된 심볼을 나타내어, 대응 변조 값은 에 의해 주어지고, 여기서 는 와 기본 처프()의 켤레와 켤레 간의 곱의 푸리에 변환을 나타낸다. 그러나, 신호를 복조하고 각각의 심볼의 순환 시프트를 추출하는 다른 방식들도 가능하다.

일반 LoRa 복조는 도 2b의 플롯에 표현된 위상 값들의 명시적 추출을 요구하지 않는다. 본 발명은 처프들의 위상에서 추가 정보를 시그널링하는 유리한 스키마에 관한 것이다. 이를 위해, 처프 심볼의 위상은 알려진 기법들로 수신된 신호들()로부터 디지털 값들의 시계열로 계산될 수 있다.

본 발명에 의해 전송 및 수신된 신호는 적합하게 인코딩된 프리앰블 및 데이터 섹션을 포함하는 프레임들로 조직된다. 프리앰블 및 데이터 섹션은 변조 및/또는 변조되지 않은 일련의 처프들을 포함하고, 이는 수신기가 자신의 시간 기준을 전송기의 기준과 시간-정렬하고, 정보 요소를 검색하고, 조치를 수행하거나, 커맨드를 실행하게 한다.

EP2449690 및 EP2763321에 개시된 바와 같이, 바람직하게는 변조되지 않은 동일한 처프들의 프리앰블을 포함하는 것은 검출에 유리하다. 이 신호를 수신하는 디바이스는 위에서 설명된 디처핑 프로세스를 적용하고 노이즈 위의 FFT 스펙트럼에서 피크를 찾는다. 피크의 검출은 수신기에 LoRa 신호가 수신되었음을 알리고, 이 피크의 포지션은 전송기와 수신기 시스템 사이에 존재하는 타이밍 및 주파수 오프셋을 나타낸다. 감도를 향상시키기 위해, 수신기는 간섭적이거나 비간섭적으로, 프리앰블에 여러 연속적인 동일한 처프들의 FFT 출력을 추가하도록 구성될 수 있다.

EP2763321에 개시된 바와 같이, 수신기는 순환 시프트의 미리 결정된 값을 갖는 심볼들, 및 켤레(내림차순) 심볼들과 같은 프리앰블의 다른 특별한 특징들을 살펴봄으로써 시간 및 주파수 동기화를 개선하도록 구성될 수 있다. 수신기는 또한 시간적으로 이격된 상이한 심볼들로부터 발생하는 FFT 피크를 비교함으로써 동기화 수치들을 개선하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 프레임에서, 수신기는 인용 문헌들에 개시된 방법을 사용하여 타이밍 에러를 결정하고 데이터 프레임을 따라, 또는 적어도 프리앰블을 따라 타이밍 및/또는 주파수 에러를 추적하고, 이들을 적합한 추적 알고리즘에 의해 추적하도록 구성된다. 수신은 추정된 크리스탈 에러(crystal error)에 기반하여 합성된 처프들에 체계적 오프셋을 적용하여 더욱 개선될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다양한 양태들에서 이용될 수 있는 프레임 구조를 개략적으로 나타낸다. 제시된 예에서, 프레임들은 기본(즉, 변조되지 않거나, 0과 동일한 순환 시프트를 가짐) 심볼들의 검출 시퀀스(411)를 포함하는 프리앰블을 갖는다. 검출 시퀀스(411)는 신호의 시작을 검출하고, 바람직하게는 전송기의 시간 기준과 신호의 시간 기준의 제1 동기화를 수행하기 위해 수신기에서 사용된다. 검출 시퀀스를 복조함으로써, 수신기는 시프트 양을 결정하고 자신의 클록의 주파수와 위상을 송신기의 클록들로 적응시켜, 다음 데이터를 디코딩할 수 있다. LoRa 표준에서 검출 시퀀스 뒤에는 프레임 동기화 심볼들(412), 주파수 동기화 심볼들(413), 사일런스(silence)(420), 미세 동기화 심볼들(414) 및 데이터 페이로드(440)가 뒤따른다.

검출 시퀀스(411)의 길이는 LoRa 표준에서 완전히 결정되지 않으며, 수신기는 시퀀스 검출 시, 모든 인입 처프를 시퀀스의 끝까지 디코딩할 것으로 예상된다. 검출 시퀀스(411)의 모든 심볼들이 기본 처프들이므로, 수신기는 검출 시퀀스의 끝이 가까운지 먼지를 알 수 있는 방법이 없다.

본 발명에 따르면, 전송기는 검출 시퀀스(411)의 처프들에 위상 시프트들을 삽입하고 위상 시프트들은 프리앰블에서 주어진 처프의 포지션에 대한 정보를 인코딩한다. 수신기는, 시퀀스(411) 검출이 위상 시프트를 추출하도록 구성되는 경우, 이들을 사용하여 프리앰블의 남은 지속기간을 결정하고, 검출 시퀀스의 끝이 가까운 미래인지 먼 미래인지를 알고, 에너지-절약 조치를 취한다.

이들 위상 시프트들의 삽입은 "디처프(dechirp)" 출력의 비간섭 누적을 통해 시퀀스를 검출하는 표준(레거시) LoRa 수신기들과 호환 가능하다. 각각의 위상 시프트가 완전한 처프 심볼에 적용되기 때문에, 비간섭 누적은 이러한 위상 시프트들에 민감하지 않다. 레거시 수신기는 감도 손실 없이 본 발명의 위상 변조 프리앰블을 검출하고 수신할 것이다.

원칙적으로, 포지션을 인코딩하는 많은 방식들이 이용가능하고 본 발명에서 사용될 수 있다. 프레임의 시작에는 수신기와 전송기의 시간축 사이에 결정되지 않은 주파수 오프셋이 있다. 주파수가 일정하다고 가정하면(짧은 시간 범위에 대한 합리적인 근사치임), 수신기는 전송기에 의해 의도적으로 삽입된 위상 시프트들에 합산된 주파수 오프셋에 비례하는 연속 심볼들 사이의 일정한 위상 시프트를 인지할 것이다. 이를 다루는 방식은 원하는 정보가 서로 가까운 2개의 심볼들의 위상 시프트들 사이의 차이에 있도록 차동 변조를 사용하는 것일 수 있고/있거나, 전송기에 의해 삽입된 위상 시프트들이 미리 결정되고 거의 0과 같은 알려진 평균 값을 가지며, 주파수 오프셋으로 인해 야기되는 일정한 위상 드리프트가 빼질 수 있도록 위상 시프트들을 선택하는 것일 수 있다.

도 4a는 위상 시프트들의 정의에 대한 가능한 스키마를 도시한다. 시프트들은 예를 들어 바로 연속되는 심볼에서, 양의 시프트 다음 동일한 크기의 음의 시프트가 뒤따르는 반대되는 값들의 쌍들로 조직된다. 수신기는, 검출 시퀀스를 따를 때, 제2 위상 시프트가 제1 시프트보다 낮은 심볼들의 쌍들을 식별하고, 위상 시프트들 간의 차이는 검출 시퀀스의 끝까지의 거리를 말한다. 위상이 무한한 변수가 아니므로, 모호성 없이 수신기에 의해 인식될 수 있는 위상 시프트의 진폭에 한계들이 있다. 전송기에 의해 삽입된 위상 시프트들과 주파수 오프셋으로 인한 점프를 나타내어, 는 유지되어야 한다. 가 임의의 값을 가정할 수 있으므로, 이는 이어야 한다. Y의 일부 값들의 경우, 수신기는 이 최대값보다 큰 위상 시프트들을 볼 수 있다. 이 경우, 올바른 값은 180°를 더하여 복구될 수 있다.

도 4b는 위상 시프트들이 양의 시프트, 제로 시프트 및 양의 시프트에 반대되는 음의 시프트의 3개의 세트들로 그룹화되는 다른 예이다. 다시, 수신기는 제3 처프의 위상이 제1 처프의 위상보다 낮고, 제2 처프의 위상이 대략 중간 값을 갖는 프리앰블의 3개의 연속적인 처프들에서 확산된 위상으로부터 검출 시퀀스의 포지션을 결정할 수 있다.

이 경우, 전송기에 의해 삽입된 위상 시프트들은 값들()을 가지며 수신기는 하기 2개의 단계들로 를 추정할 수 있다:

- 위상 점프들()을 갖는 일반적인 트리플릿(triplet) 처프들에서 0의 포지션을 찾는다. 이것은 식들(, , ) 중 어느 것이 최소 값을 제공하는 가를 찾음으로써 행해지고, 여기서 는 ±180° 사이의 위상을 반환하는 함수이다.

- 를 평가하고, 여기서 , 및 는 재정렬된 트리플릿의 위상 점프들에 대응한다.

이 패턴은 180°를 제외한 모든 x 값들이 주파수 불일치()에 관계없이 수신기 측에서 명확하게 식별될 수 있기 때문에 전송기에 더 넓은 위상 시프트들의 선택을 남긴다. 재정렬은 x가 0°, 120° 또는 240°일 때 모호하지만, 이것은 결과에 영향을 미치지 않는다.

도 4a 또는 도 4b의 차분 변조들 중 어느 하나를 통해, 전송기는 각각 검출 시퀀스(411)(도 3)의 처프들의 트리플릿인 각각의 쌍에서 값(x)을 인코딩할 수 있고 수신기는 수신된 처프들의 위상들을 보고 일련의 값들(x)을 복구할 수 있다. 각각의 처프의 위상을 결정하는 능력이 부족한 수신기들은 나쁜 결과들 없이 일반적인 방식으로 검출 시퀀스를 프로세싱할 수 있다.

도 4a, 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이, x의 값들은 최대값에서 0으로 감소하는 시퀀스를 형성한다. X의 값들은 검출 시퀀스의 끝에서 0에 도달하는 카운트다운 인덱스로 간주될 수 있고, 이에 의해 수신기는 시퀀스가 언제 종료되고 그에 따라 언제 전력 소비를 관리할 수 있는지 알 수 있다. 이것은 간단하고 매력적이지만, 유일한 가능성은 아니고: 시퀀스는 0이 아닌 미리 결정된 값에서 끝날 수 있고 떨어지는 진행이 아니라 상승하는 진행이 될 수 있다. 일반적으로, x 값들은 수신기에 알려진 모든 결정론적 시퀀스를 따를 수 있다. 본 발명의 이들 변형들의 일부 예들은 다음에서 제공될 것이다.

수신 조건들이 어려운 경우, 수신기에 의해 결정되는 x 값은 노이즈의 영향을 받을 것이다. 이는 여러 심볼들(패턴 길이의 배수)를 평균화하여 완화될 수 있다. 수신기 노드는 x의 가장 가능성 있는 값과 그 분산을 추정하고 그에 따라 분산에 따른 안전 마진으로 웨이크업 시간을 설정할 수 있다.

무선 네트워크에서, 모든 메시지들이 메시지를 수신할 수 있는 모든 노드들에 대해 반드시 중요한 것은 아니고, 메시지가 소정의 미리 결정된 데이터 스트림들에 속한다는 정보 시그널링을 추가하는 것이 유리하다. 표준 LoRa 프레임들에서, 이 정보는 검출 시퀀스(411) 다음에 프레임 동기화 워드(도 3의 412)로 인코딩된다. 수신 노드들은 이 정보를 사용하여 주어진 프레임을 디코딩할지 여부를 조기에 결정할 수 있다. 본 발명의 양태에 따르면, 주어진 데이터 스트림들에 속하는 것을 시그널링하는 정보는 수신기에 알려진 가능한 시퀀스들의 세트 중에서 x 값들에 대한 시퀀스의 선택으로 인코딩된다. 그러나, 유일한 것은 아닌 실제 구현에서, 미리 결정된 시퀀스들은 서로 다른 시간 기울기들을 갖는 선형 진행들이고, 위상 시프트들의 시간 기울기는 주어진 프레임이 어느 스트림에 속하는지 결정하기에 충분하다.

도 5는 예를 들어 WLAN에서 3개의 데이터 스트림들(또한 네트워크들, 서브네트워크들 또는 이와 유사한 것으로 칭해짐)을 시그널링하기 위한 식별자들로 사용될 수 있는 3개의 가능한 시퀀스들(51, 52, 53)을 도시한다. x 값의 진폭은 심볼 번호에 대해 도시되며, 시퀀스는 각각 -2a, -a, +2a인 기울기들로 구분될 수 있다.

바람직하게는, 기울기 값은 노이즈가 존재하는 경우에도 검출 시퀀스의 끝을 정확하게 추정하게 하도록 명시된 최소 값 아래로 진행되지 않아야 한다. 이는 특히 심볼들이 짧고 몇 초의 프리앰블을 커버하는 데 필요한 처프들의 수가 상당히 많은 작은 확산 요소들에 해당된다. 이 상황에서, 간단한 선형 시퀀스는 너무 작은 기울기를 생성하므로, 다른 법칙을 선택하는 것이 유리하다. 도 6에 예시된 가능성은 더 짧은 시퀀스를 여러 번 반복하는 것이고, 여기서 청취 노드는 각각의 시퀀스의 끝을 미리 결정하고, 저전력 상태(점선들)에 진입하고 적시에 웨이크 업하여 현재 시퀀스의 끝(실선들)을 디코딩한다. 청취 노드는 검출 시퀀스가 완료되었는지 여부를 인식하기 위해 몇 개의 심볼들만 청취하면 되고, 다중 슬립 및 웨이크의 사이클들에도 불구하고, 이것은 궁극적으로 시퀀스의 끝에서 매우 큰 불확실성 창을 갖기 보다 더 많은 에너지를 절약할 수 있다.

도 7은 위상을 통해 프리앰블 내의 포지션을 인코딩하는 다른 가능성을 도시한다. 본 발명의 이 실시예에서, 위상 시프트들의 진폭(x)은 위에 제시된 톱니파의 급격한 단계들 없이 연속 삼각파를 따르고, 기울기는 양에서 음으로 변한다. 이 변형의 장점은 절대값에서, 기울기가 동일한 지속기간의 비대칭 톱니보다 두 배 높다는 것이다. 도 7은 최소값에서 최대값까지 그리고 다시 초기값으로의 단일 진동을 도시하지만, 다중 진동들이 또한 가능하다.

에너지를 절약하기 위해 슬리핑하는 것 외에도, 수신 노드는 프리앰블의 끝을 결정하면, 다른 확산 인자들(간섭 없이 수신될 수 있음)에서 다른 프레임들을 청취하는 것과 같은 다른 작업들을 자유롭게 수행한다. 이것은 하드웨어 비용 없이 오버래핑 프레임들의 검출을 허용한다. 도 8은 이러한 상황을 예시한다: 수신 노드는 제1 프레임(81)을 식별하고 프리앰블의 검출 시퀀스(411)가 종료되는 시간(82)을 결정한다. 이어서 동일한 노드는 다른 프레임들을 청취하고, 프레임(91)을 검출하고 검출 시퀀스(411)의 끝이 시간(92)에 떨어질 것이라고 결정한다. 본 발명은 다양한 확산 비율들 및/또는 변조 폭들을 갖는 LoRa 전송들에 대해 예상되는 바와 같이, 상이한 길이 및 심볼 레이트를 갖는 프레임들과 함께 작동할 수 있다. 마지막으로, 노드는 시간(82)까지 저전력 모드(점선)에 진입하여, 동기화 심볼들(412, 413, 414)과 프레임(81)의 페이로드(440)를 수신하고, 시간(92)까지 다시 저전력 모드로 진입하여 동기화 심볼들(412, 413, 414) 및 제2 프레임(92)의 페이로드(440)를 수신한다.

30 기본 처프
32 변조된 처프
39 주파수 점프
51 제1 기울기 예
52 제2 기울기 예
53 제3 기울기 예
61 타이밍 에러를 갖는 위상 에러
62 타이밍 및 주파수 에러를 갖는 위상 에러
81 제1 프레임
82 제1 프리앰블의 끝
91 제2 프레임
92 제2 프리앰블의 끝
100 RF 섹션
102 RF 스위치
110 주파수 변환
120 전력 증폭기
129 발진기, 타임베이스
150 변조기
152 전송할 디지털 신호
154 버퍼
160 LNA
170 하향-변환 스테이지
180 프로세서, 복조기
182 재구성된 디지털 신호
190 제어 발진기
200 기저대역 섹션
411 검출 시퀀스
412 프레임 동기화 워드
413 주파수 동기화 심볼들
420 사일런스
414 미세 동기화 심볼들
440 데이터 페이로드

Claims (14)

1. 복수의 처프(chirp)들을 포함하는 무선 신호를 생성하도록 구성된 변조기를 포함하는 처프-변조 무선 신호들용 전송기에 있어서,
   각각의 처프는 신호가 초기 순시 주파수를 갖는 초기 순간과 상기 신호가 최종 순시 주파수를 갖는 최종 순간(T1) 사이에서 시간적으로 제한되고, 이에 의해 변조기는, 주파수가 미리 결정된 기본 처프 함수에 따라 상기 초기 순시 주파수에서 상기 최종 순시 주파수로 단조롭게 변화는 기본 처프들, 및 순시 주파수가 상기 기본 처프 함수의 순환 시프트들인 복수의 함수들에 따라 변화는 변조된 처프들을 생성하도록 구성되고, 상기 전송기는 순환 시프트로서 인코딩된 정보의 요소를 반송하는 변조된 처프들의 세트를 포함하는 페이로드 및 프리앰블을 갖는 프레임들에서 처프들을 조직하도록 구성되고, 상기 프리앰블은 연속적인 기본 처프들을 포함하고, 상기 프리앰블의 처프들은 상기 프리앰블 내의 자신의 포지션을 인코딩하는 위상 시프트를 갖는 것을 특징으로 하는, 전송기.
2. 제1 항에 있어서, 규칙은 연속적인 기본 처프들의 그룹을 포함하고 각각의 그룹의 위상 시프트들은 미리 정의된 법칙에 따라 한 그룹에서 다른 그룹으로 변하는 진폭을 갖는 위상 시프트들의 패턴을 따르고 상기 프리앰블은 진폭 값이 0일 수 있는 미리 정의된 값에 도달하는 포지션에서 끝나는, 전송기.
3. 제2 항에 있어서, 상기 위상 시프트들의 진폭을 통제하는 법칙은 선형 감소 또는 선형 증가 또는 삼각파인, 전송기.
4. 제3 항에 있어서, 상기 선형 감소 또는 선형 증가의 기울기는 상기 위상 시프트들의 진폭이 최대값에서 0으로 그리고 다시 최대값으로 반복적으로 진행되도록 하는, 전송기.
5. 제2 항에 있어서, 상기 프리앰블은 상기 위상 시프트가 일정한 최종 섹션을 포함하고, 이에 의해 상기 최종 섹션 프리앰블 섹션은 변조된 처프들의 프레임 동기 워드를 포함하는, 전송기.
6. 제2 항에 있어서, 각각의 그룹은 동일하고 반대인 위상 시프트들을 갖는 2개의 처프들을 포함하는, 전송기.
7. 제2 항에 있어서, 각각의 그룹은 3개의 처프들을 포함하고, 그 중 제1 처프 및 마지막 처프는 동일하고 반대인 위상 시프트들을 갖고, 중앙의 처프는 0 위상 시프트를 갖는, 전송기.
8. 제1 항에 있어서, 상기 위상 시프트들은 또한 상기 페이로드가 속하는 네트워크 또는 데이터 스트림의 지정을 인코딩하는, 전송기.
9. 제8 항에 있어서, 상기 네트워크 또는 데이터 스트림은 상기 위상 시프트의 변동 기울기에 의해 시그널링되는, 전송기.
10. 복수의 처프들을 포함하는 신호를 복조하기 위한 복조기를 포함하는 처프-변조 무선 신호들용 수신기에 있어서,
    각각의 처프는 신호가 초기 순시 주파수를 갖는 초기 순간과 상기 신호가 최종 순시 주파수를 갖는 최종 순간 사이에서 시간적으로 제한되고, 상기 신호의 처프들은 프리앰블 및 페이로드를 갖는 프레임들로 조직되고, 상기 프리앰블은 주파수가 미리 결정된 기본 처프 함수에 따라 초기 순시 주파수에서 최종 순시 주파수로 단조롭게 변하는 연속적인 기본 처프들을 포함하고, 상기 페이로드는 기본 처프 함수의 순환 시프트들인 복수의 함수들에 따라 변하는 순시 주파수를 갖는 변조된 처프들의 세트를 포함하고, 정보의 요소는 변조된 처프들에서 순환 시프트들로서 인코딩되고, 수신기는 상기 프리앰블을 검출하고, 상기 프리앰블에서 처프들의 위상 시프트들을 결정하고, 상기 위상 시프트들이 미리 정의된 인코딩에 따라 상기 프리앰블에서 대응하는 처프의 포지션을 인코딩한다고 가정하고, 상기 프리앰블 내의 상기 포지션에 의존하는 기간 동안 저전력 상태 또는 청취 상태(listening state)에 진입하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 수신기.
11. 제10 항에 있어서, 상기 위상 시프트들에 기반하여 상기 정보 요소가 속하는 네트워크 또는 데이터 스트림의 지정을 결정하고 상기 지정에 따라 수신을 계속할지 여부를 결정하도록 추가로 구성되는, 수신기.
12. 제10 항에 있어서, 상기 청취 상태에서, 제2 프레임의 제2 프리앰블을 검출하고, 상기 제2 프리앰블에서 처프들의 위상 시프트들을 결정하고, 상기 제2 프리앰블에서 처프들의 위상 시프트들이 미리 정의된 인코딩에 따라 제2 프리앰블의 포지션을 인코딩한다고 가정하고, 상기 프리앰블의 포지션 및 상기 제2 프리앰블 내의 상기 포지션에 의존하는 기간 동안 저전력 상태 및/또는 상기 청취 상태로 진입하도록 구성되는, 수신기.
13. 저전력 광역 무선 네트워크에서 제1 디바이스로부터 제2 디바이스로 데이터를 다운로딩하는 방법에 있어서,
    스케줄링된 다운로드 시간을 정의하는 단계,
    상기 제2 디바이스의 시간 기준에 따라, 상기 스케줄링된 다운로드 시간일 때 청취 상태에 진입하도록 상기 제2 디바이스를 구성하는 단계,
    상기 제1 디바이스에서 하나 이상의 프레임들을 포함하는 무선 신호를 생성하는 단계로서, 각각의 프레임은 복수의 처프들을 가지며, 각각의 처프는 신호가 초기 순시 주파수를 갖는 초기 순간과 상기 신호가 최종 순시 주파수를 갖는 최종 순간 사이에서 시간적으로 제한되고, 이에 의해 변조기는 미리 결정된 기본 처프 함수에 따라 주파수가 상기 초기 순시 주파수에서 상기 최종 순시 주파수로 단조롭게 변화는 기본 처프들, 및 순시 주파수가 상기 기본 처프 함수의 순환 시프트들인 복수의 함수들에 따라 변하는 변조된 처프들을 생성할 수 있고, 각각의 프레임은 연속적인 기본 처프들을 포함하는 프리앰블 및 순환 시프트로 인코딩된 데이터를 반송하는 변조된 처프들의 세트를 포함하는 페이로드를 갖는, 상기 무선 신호를 생성하는 단계,
    상기 제2 디바이스에서 상기 프리앰블을 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 프리앰블의 길이는 상기 제2 디바이스의 시간 기준에서 추정된 불확실성보다 길고,
    상기 프리앰블에서 처프들의 위상 시프트들을 상기 제2 디바이스에서 결정하고 상기 위상 시프트들이 미리 정의된 인코딩에 따라 상기 프리앰블에서 대응하는 처프의 포지션을 인코딩한다고 가정하는 단계,
    상기 프리앰블 내의 상기 포지션에 의존하는 기간 동안 상기 제2 디바이스가 저전력 상태 또는 청취 상태에 진입하게 하는 단계,
    상기 페이로드를 수신하고 상기 제2 디바이스에서 데이터를 복조하는 단계를 특징으로 하는, 방법.
14. 제13 항에 있어서, 상기 위상 시프트들에 기반하여 상기 데이터가 속하는 네트워크 또는 데이터 스트림의 지정을 상기 제2 디바이스에서 결정하는 단계 및 상기 지정에 따라 수신을 계속할지 여부를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.

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