KR20210133922A - 저전력, 주파수-홉핑, 광대역 네트워크에서 충돌 완화 - Google Patents

Abstract

변조된 무선 신호들이 충돌 시간 간격 내에서 주파수에서 충돌할지의 여부를 검출하고 충돌 시간에 신호들을 블랭킹할 수 있는 수신 게이트웨이들 및 비동기된 로컬 주파수 기준들을 갖는 이동 장치들을 갖고 미리 결정된 주파수 대역에서 작동하는 IoT 애플리케이션들을 위한 홉핑 확산-스펙트럼 무선 네트워크. 바람직하게는, 주파수 대역은 서브-대역들로 세분되고, 이동 장치들은 로컬 주파수 기준의 주파수 에러를 나타내는 동기화 상태에 기초하여 송신을 위해 사용된 서브-대역들의 폭을 적응시킨다.

Description

저전력, 주파수-홉핑, 광대역 네트워크에서 충돌 완화{COLLISION MITIGATION IN LOW-POWER, FREQUENCY-HOPPING, WIDE-AREA NETWORK}

본 발명은 실시예들에서 무선 송신기 장치 및 복수의 상기 송신기들을 포함하는 무선 네트워크에 관한 것이다. 본 발명의 특별한 사용예들은 IoT(사물 인터넷) 애플리케이션들을 위한 저전력 측정 노드들 및 측정 노드들 외에 복수의 수신 게이트웨이들을 포함하는 IoT 광역 네트워크에 관한 것이지만, 본 발명은 그들의 애플리케이션들로 한정되지 않는다. 본 발명은 간섭에 대한 견고성 및 데이터 용량을 위해 협대역 주파수 홉핑 무선 인터페이스들을 이용한다.

여러 경쟁 저전력 무선 네트워크들이 IoT 애플리케이션들에서 접속성을 제공하기 위해 사용된다. WiFi 및 Bluetooth와 같은 근거리 통신망들은 일부 애플리케이션들에서 성공적으로 사용되었지만, 이들은 항상 이용가능하거나 바람직하지는 않고, 센서 노드들이 WiFi 또는 Bluetooth 게이트웨이의 액세스 가능한 범위 밖으로 이동할 수 있는 이동 애플리케이션들에 거의 적용가능하지 않는 인터넷에 접속된 로컬 기반 구조를 필요로 한다. IoT 애플리케이션들을 위한 광역 네트워크들이 또한 제안되었고, 특히 LoRa 네트워크 및 Sigfox 네트워크이다. 이들 네트워크들에 의해 여러 도전 과제들이 존재한다:

1. 종종 그러하듯이, 네트워크가 허가되지 않은 대역에서 작동하는 경우, 간섭들에 대한 높은 저항이 필수적이다.

2. 규정들의 준수는 보장되어야 한다.

LoRa 네트워크는 처프 확산 스펙트럼 변조(chirp spread spectrum modulation)을 채용하고, 그의 강점들 중에서: 낮은 하드웨어 복잡성, 정확한 주파수 기준들 또는 타임킵핑의 불필요, 쉬운 동기화, 및 국소화를 갖는다. 그러나, 이는 낮은 데이터 레이트들에 대한 용량에서 일부 제한들을 갖는다.

저전력 WAN은 센서 노드들에 대한 ALOHA와 같은 랜덤 매체 액세스를 선호하는 경향이 있고, 이는 가장 전력 효율적인 솔루션이다. Sigfox 기술 및 초협대역 기술들은 일반적으로 시스템 부하에 비해 매우 높은 충돌 레이트를 겪는다. 초협대역에서 네트워크 충돌들은 3차원들에서 발행한다: 시간, 주파수, 및 전력. 시간 크기는 일반 ALOHA 이론 크기이다. 주파수 그리드가 존재하지 않기 때문에 주파수 충돌들이 발생한다; 센서 노드들의 국부 발진기들은 송신 대역폭보다 훨씬 덜 정확하고, 이들은 동일한 시스템 부하에 대하여 충돌 레이트의 배가를 야기한다. 전력 크기는 근소한 센서 노드 또는 "약한 노드"가 임의의 충돌에서 항상 손실될 것을 의미한다. 또한, 송신기의 위상 잡음은 인접한 사용자들에 의해 달성 가능한 거부 레벨을 제한한다.

전적으로, 가장 약한 노드 성능의 기준이 모니터링되는 경우, 이들 효과들은 시스템 부하를 1% 이하로 제한한다. 이러한 상황은 더 많은 수신 게이트웨이들을 추가하는 단순한 방책에 의해 치유되지 않을 수 있다.

본 발명은 상기 제한들을 극복하거나 완화하는 것을 허용하는 변경된 형태의 초협대역 변조를 구현하는 신규의 송신기 장치 및 대응하는 무선 네트워크를 제안한다.

본 발명에 따라, 이들 목적들은 첨부된 청구항들의 목적에 의해 달성된다.

변조된 무선 신호들이 충돌 시간 간격 내에서 주파수에서 충돌할지의 여부를 검출하고 충돌 시간에 신호들을 블랭킹할 수 있는 수신 게이트웨이들 및 비동기된 로컬 주파수 기준들을 갖는 이동 장치들을 갖고 미리 결정된 주파수 대역에서 작동하는 IoT 애플리케이션들을 위한 홉핑 확산-스펙트럼 무선 네트워크가 제공된다. 바람직하게는, 주파수 대역은 서브-대역들로 세분되고, 이동 장치들은 로컬 주파수 기준의 주파수 에러를 나타내는 동기화 상태에 기초하여 송신을 위해 사용된 서브-대역들의 폭을 적응시킨다.

본 발명은 예로서 제공되고 도면들에 의해 예시된 실시예의 설명의 도음으로 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 센서 노드들 및 게이트웨이들을 포함하는 광역 저전력 네트워크의 간략화된 표현을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 송신기들 및 수신기들에 의해 사용된 데이터 프레임을 도식화하는 도면이고, 데이터 프레임은 복수의 주파수 홉들을 포함한다.
도 3은 송신기 및 수신기의 단부들에서 서브-대역들의 유용한 무선 스펙트럼의 세분을 도시하는 도면.
도 4는 채널들에서 서브-대역의 가능한 세분을 도시하는 도면.
도 5는 인접한 서브-대역들을 갖는 주파수 배치도를 도시하는 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명의 특징을 포함하는지의 여부와 관계없이 ALOHA 네트워크에서 누락된 검출 레이트, 및 패킷 에러 레이트를 네트워크 부하의 함수들로서 도시하는 그래프들.
도 8은 프리앰블 및 데이터 섹션의 확산-스펙트럼 송신을 도시하는 도면으로서, 각각은 복수의 주파수 홉들로 분할된다.
도 9는 일부 주파수 홉들은 공칭 단차의 부분만큼 시프트되는 일 실시예를 도시하는 도면.
도 10 내지 도 13은 상이한 가정들하에서 프리앰블에서 반복된 충돌들을 도시하는 도면들.
도 14는 홉핑 확산-스펙트럼 송신에서 송신기의 주파수 에러를 보상하는 메커니즘을 도시하는 도면.
도 15는 저품질 주파수 기준을 갖는 노드에 의한 주파수 홉핑 송신을 안정한 주파수 기준을 갖는 노드에 의한 것과 비교하는 도면.
도 16은 어느 종류의 홉핑 시퀀스가 제 1 홉의 선택에 의해 시그널링되는지의 일 실시예에 관한 것을 도시하는 도면.

도 1은 다수의 센서 노드들(S0, S1, S2) 및 수신 게이트웨이들(G0, G1)을 포함하는 저전력 무선 네트워크를 간략화된 방식으로 도시한다. 일반적인 IoT 애플리케이션에서, 센서 노드들(S0, S1, S2)은 데이터를 획득하거나 계산하고 그들(예를 들면, 화살표(80))을 게이트웨이들(G0, G1)에 업로드하는 단순한 배터리로 전력 공급되는 장치들일 것이다. 필수적은 아니지만, 게이트웨이들로부터 노드들로의 다운링크 트래픽(예를 들면, 화살표(50)) 또한 가능하다.

센서 노드들의 수는 제한되지 않고, 실제 사용 경우들에서 수천개를 초과할 수 있다. 게이트웨이들의 수는 또한 한정되지 않고, 센서 노드들이 발견되는 영역을 포함의 필요에 의해 영향을 받는다. 바람직하게는, 네트워크는 각각의 센서가 적어도 하나의 게이트웨이, 또는 바람직하게는 여러개의 게이트웨이들의 수신 범위 내에 있도록 설계된다.

센서 노드들과 게이트웨이 사이의 업링크 통신들(80)은 협대역폭 또는 초협대역폭 변조 및 주파수 홉핑 확산 스펙트럼을 사용한다. 변조는 바람직하게는 일정한 엔벨로프, 예를 들면, GMSK, MSK, 또는 PSK을 갖는 코히어런트 위상 변조의 형태이다. 시그널링은 바람직하게는 채널 변동들을 수용하기 위해 구별적이다. 메시지가 에러-보정 또는 에러-검출 코드들을 포함하고, 그들이 도 2에 도시된 바와 같이 데이터 프레임들로 포맷되고, 각각이 여러 주파수 홉들을 포함하고, 원래의 메시지내 인접한 워드들이 바람직하게는 프레임에서 간격이 떨어진 오프셋들에서 인터리빙되어, 그들이 순간적인 간섭들에 대해 견고함을 증가시키기 위해 상이한 홉들로 나뉘는 것이 또한 바람직하다.

센서 노드로부터 게이트웨이로의 업링크 통신(80)은 센서 노드에서 로컬 주파수 기준에 기초하는 변조된 무선 신호의 합성을 포함한다. 비용 및 전력 문제들로 인해, 센서 노드들은 고품질 발진기들이 장착될 수 없다. 따라서, 업링크 무선 신호의 주파수는 신호의 좁은 대역폭을 초과할 수 있은 상당한 에러의 영향을 받는다.

반대로, 수신 게이트웨이들은 센서 노드들, 연속 전력, 및 예를 들면 GPS 규율 클럭들과 같은 정확한 시간 기준보다 상당히 많은 계산 자원들을 갖는다. 그들은 바람직하게 상호 연결되고 그들 사이에서 협력할 수 있다.

다운링크 통신(50)은, 존재할 때, 업링크 통신들 또는 다른 것의 동일한 변조 프로토콜을 사용할 수 있다. 네트워크 용량을 절약하기 위해, 다운링크 통신은 게이트웨이 범위 내의 모든 센서 노드들에 의해 수신되도록 브로드캐스트될 수 있지만, 점 대 점 송신 또한 가능하다. 다운링크 메시지들의 하나의 기능은, 예를 들면, LoRa 브로드캐스트 패킷들에 의해 유리하게 달성될 수 있는 게이트웨이들의 시간 기준과 센서들의 시간 기준의 동기화이다.

대부분의 IoT 애플리케이션들에서, 센서 노드들은 매우 제한된 전력 및 컴퓨팅 자원들만을 갖는다. 따라서, 센서 노드가 메시지를 전송할 필요가 있을 때마다, 그의 의도를 시그널링하거나 채널이 자유로운지의 여부를 학습하지 않고 이를 전송한다는 것을 의미하는 무선 채널에 대한 랜덤 액세스는 이롭다. ALOHA 프로토콜들로서 알려진 이들 프로토콜들은 시스템간 충돌들에 민감하다: ALOHA 프로토콜들의 용량은 이러한 충돌들에 의해 제한된다.

본 발명의 장치들 및 시스템은 충돌들 및 다른 간섭들에 대한 방어로서 주파수 홉핑을 사용한다. 센서 노드들의 송신기들은 시퀀스에 따라 이용 가능한 무선 대역의 여러 홉핑 주파수들 사이에서 반송파 주파수를 스위칭하여, 업링크 송신(80)은 상이한 반송파 주파수들을 갖는 일련의 연속적인 홉들을 포함한다. 주파수는 각각의 홉 경계에서 변경된다. 바람직하게는, 홉 길이는 메시지 길이보다 상당히 작다: 메시지 또는 프레임은 하나 또는 여러개의 홉들로 구성된다.

복조를 허용하기 위해, 홉핑 주파수들의 시퀀스는 수신 게이트웨이에 의해 사전에 알려지거나 알고리즘적으로 결정 가능해야 한다. 시스템은 단지 하나의 미리 결정된 홉핑 시퀀스를 가질 수 있고, 이 경우, 각각의 홉핑 시퀀스가 시간-시프트되거나, 송신기가 선택할 수 있은 복수의 홉핑 시퀀스가 존재하는 한, 상이한 시작 시간들을 갖는 메시지들은 주파수에서 충돌하지 않을 것이다. 후자의 배열은 수신 게이트웨이가 각각의 개별 메시지의 홉핑 시퀀스에 관한 정보를 가지는 것을 요구한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 것과 같은 업링크 데이터 프레임 또는 메시지를 도시한다. 프레임은 수신기 단부 및 물리 헤더에서 검출의 역할을 하는 동기화 신호를 포함하는 프리앰블로 시작한다. 물리 헤더는 홉핑 시퀀스를 예측하고 따르기 위해 수신기에서 사용된 정보를 포함한다: 시스템이 홉핑 주파수들의 하나보다 많은 가능한 시퀀스를 예견할 경우, 프리앰블은 바람직하게는 동일한 프레임 또는 메시지에서 후속하는 데이터에 대해 선택된 시퀀스의 식별자를 포함한다. 바람직하게는, 이하에서 알 수 있듯이, 물리 헤더는 제 1 홉 또는 하나의 결정된 홉의 주파수의 절대값에 대해 묵시적 또는 명시적인 정보의 요소를 포함한다. 이러한 정보는 송신기의 주파수 에러를 해결하기 위해 수신 게이트웨이에 의해 사용된다.

프리앰블은 데이터 포맷에 관한 다른 정보, 예를 들면, 데이터 레이트의 표시, 사용된 변조 방식 등을 또한 포함할 수 있다.

프리앰블 손실을 방지하기 위해, 정보는 바람직하게는 연속적인 주파수 홉들에서 여러번 반복된다. 도 2는 3개의 홉들을 포함하는 프리앰블을 도시하지만, 이것은 본 발명의 필수적인 특징은 아니다. 중요하게는, 프리앰블의 각 복제는 수신 게이트웨이가 각 반복을 식별하게 하는 정보의 요소 또는 카운터를 또한 포함한다. 이러한 방식으로, 게이트웨이가 반복의 하나만 수신하더라도, 여전히 홉핑 시퀀스와 동기화될 수 있다.

프리앰블은 수신 게이트웨이에 후속하는 페이로드의 성질 및 포맷을 알리는 헤더로 후속된다. 중요하게는, 헤더 및 페이로드는 에러 교정을 위해 인터리브되고 코딩된다. 이 예에서, 헤더 및 페이로드는 8개, 각각 32개의 홉들을 포함하지만, 이들 수들은 사용 경우들에 따라 다를 수 있다. 각각의 홉은 주어진 수의 변조 심볼들, 및 변조된 메시지의 대응하는 수의 비트들을 포함한다.

감지 노드 국부 발진기의 주파수 기준들이 채널 대역폭보다 큰 고유 에러를 갖기 때문에 홉핑 시퀀스와의 동기화는 본 발명의 시스템에서 특히 어렵다. 일부 도면들을 인용하기 위해, 센서 노드들(S0-S2)이 30 ppm의 에러를 갖는 저등급 수정 발진기(low-grade crystal oscillator)를 갖추고 데이터가 서브-㎓ ISM 대역에서 400 ㎐의 대역폭으로 변조된다고 가정하면, 반송파 주파수를 정의할 때 30㎑의 최대 에러를 예상할 수 있다. 이는 변조 대역폭의 80배이다.

절차의 2개의 가능한 방식들은 다음과 같다:

1. 송신 전, 센서의 기준을 다운링크의 게이트웨이 하나와 동기화한다.

2. 주파수 동기화 에러들이 수정되고 수용될 수 있도록 홉핑 시퀀스들 및 이용 가능한 주파수들을 정렬한다.

서브-대역들 및 채널화

바람직하게는, 시스템은 이용 가능한 무선 스펙트럼을, 인접하거나 분리될 수 있고 각 서브-대역이 일련의 인접 채널들 내에 있는, 서브-대역들로 분할한다. 홉핑은 서브-대역 내에서 또는 서브-대역들에 걸쳐 발생할 수 있다. 임의의 주어진 프레임은 서브-대역 내의 주어진 채널에서 송신되고, 감지 노드에서 합성된 주파수들이 정확한 기준에 의해 측정된 것과 직접적으로 관련되지 않기 때문에, 이는 하나의 서브-대역 인덱스 및 서브-대역 인덱스에 의해 지정된 서브-대역 내의 하나의 채널 인덱스에 의해 그의 주파수를 정의하는 것이 편리하다.

몇몇 서브-대역들의 사용은 많은 면에서 이롭다.

1. 주파수 도메인에서의 확산이 클수록, 희생자와 공격자 양쪽 모두로서 비인가 대역들에서의 공존이 더 양호하게 제공된다. 규제 한도들은 더 쉽게 충족되고 더 많은 전력 및/또는 더 긴 전송 시간을 허용할 수 있다.

2. 높은 다이버시티 대 전파/빠른 페이딩.

3. 제 1 홉핑 주파수의 위치로부터의 암시적 시그널링: 홉핑 시퀀스의 제 1 홉핑 주파수는 다수의 가능한 대체 시작 주파수들 중에서 선택될 수 있고, 이러한 선택에 의해, 송신기는 정보의 요소를 송신한다.

4. 네트워크 계획 및/또는 적응형 데이터 레이트.

수신기와 송신기 사이의 주파수 불일치로 인해, 이들 대역을 수신기 및 송신기에서 다르게 정의하는 것이 유용하다. 공칭 또는 규제, 서브-대역 정의, 수신기 서브-대역 정의, 및 송신기 서브-대역 정의라는 세가지 개념들을 도입한다.

송신기가 몇몇 가능한 홉핑 시퀀스들 사이에서 선택의 가능성을 갖는 경우, 선택된 것은 제 1 사용된 주파수의 선택을 통해 암시적으로 시그널링될 수 있다.

홉핑 시퀀스의 선택은 송신 장치의 주파수 기준의 동기화 상태에 기초할 수 있다.

도 3은 3개의 서브-대역 정의들을 도시한다. 이 예에서, 이용 가능한 무선 스펙트럼은 3개의 분리된 서브-대역들을 포함한다: 이 예에서는 동일한 폭이고 규칙적으로 이격된 B0, B1, 및 B3을 포함하지만, 이는 본 발명의 필수적인 특징은 아니다: 서브-대역들의 수, 폭, 및 간격은 임의적이고 그들은 구현에 따라 서로 닿거나 겹칠 수 있다; 그들은 전자기 스펙트럼의 규정된 별개의 영역에 대응할 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 공칭 서브-대역들(NOM 행)은 송신이 포함되어야 하는 정확한 계측기로 측정된 주파수의 경계들이다. 송신(TX) 서브-대역들은 송신기의 주파수 기준에 의해 결정되는 바와 같이 주파수로 표현된다. 즉, 국부 발진기가 시프트될 때 이들은 시프트한다. 공칭 서브-대역 경계들에 관련하여, 센서 노드는 송신기 서브-대역들을 조정하여, 주파수 불일치를 고려하더라도, 무선 신호가 항상 공칭 한도 내에 있도록 이들을 감소시킨다.

중요하게는, 센서 노드들은 국부 발진기의 주파수 에러의 표시를 제공하는 동기화 상태를 갖는다. 그리고 동기화 상태에 종속적인 서브-대역들의 폭 및/또는 구조를 적응시킨다. 몇가지 전략들이 생각될 수 있지만, 일반적인 원리는 동기화 상태에 의해 나타내진 주파수 에러가 높을수록, 조정된 서브-대역이 좁아질 것이라는 점이다.

동기화 상태는 로컬 주파수 기준의 공칭 에러로부터, 결정의 온도를 또한 포함할 수 있는 드리프트 모델로부터, 다운링크를 따르는 동기화의 결과로부터, 동기화에서 이어지는 마지막 다운링크 이래로 경과된 시간으로부터, 또는 이들 요소들 모두 또는 그의 일부의 조합으로부터 획득될 수 있다. 바람직하게는, 동기화 상태는 동적이다: 주어진 센서 노드는 동기화 직후에 이용 가능한 대역의 대부분을 사용할 수 있고, 그의 국부 발진기의 주파수가 점점 덜 정확해지는 동안 그의 송신 서브-대역을 점진적으로 좁힐 것이다. 초기 대역폭은 노드의 요청에 의해 트리거되거나 미리 결정된 스케쥴에 따라 추가 동기화에 의해 복원될 수 있다.

종종, 수신기는 GPS-동기화된 클럭에 액세스하는 게이트웨이이다. 이 경우에, 수신기(RX)에서의 서브-대역들은 본질적으로 공칭 서브-대역들과 동일할 수 있다. 수신기가 부정확하게 동기화되는 경우들(예를 들면, 협대역 다운링크 송신에서 또는 GPS 동기화가 실패할 때)에서, 수신기는 도시된 바와 같이 더 넓은 세트의 주파수들로 동조하여, 이는 공칭 서브-대역 내에서 효과적으로 존재하는 모든 송신들을 수신할 수 있다.

공칭 또는 규정, 수신기 및 송신기 주파수들 사이의 동일한 구별은 도 4에 도시된 바와 같이 채널 평면도에서도 또한 수행된다. 상기에서 정의된 바와 같은 하나의 공칭 서브-대역은 적절한 수의 채널들로 분할될 수 있다(도면은 감소된 수만을 도시한다). 송신기에 대해 정의된 것과 동일한 서브-대역은 위의 조정으로 인해 약간 좁아질 것이고 동일한 수의 채널들로 나뉜다. 그러나, 주파수 불일치로 인해, 송신기에 대해 정의된 채널은 공칭 주파수들에 정확하게 대응하지 않는다. 송신기는 모든 그의 송신이 공칭 서브-대역 내에 포함되는 것을 보장하기 위해 일부 채널들, 예를 들면 서브-대역 경계(도 4에서 어두운 부분)에 가까운 채널을 제외할 수 있다. 바람직하게는, 네트워크 내의 모든 송신기는 홉핑 시퀀스 선택의 시그널링을 제한하기 위해 이용 가능한 주파수들의 동일한 감소된 서브-세트를 사용한다.

홉핑 시퀀스에서, 각각의 홉은 서브-대역 인덱스 및 서브-대역 내에서 채널 인덱스에 의해 지정될 수 있는 상이한 반송파 주파수상으로 송신된다. 바람직하게는 서브-대역은 송신기, 공칭 및 수신기 간의 대응이 명확하게 되도록 설계된다. 즉, 서브-대역들 사이의 간격들이 최대 예상된 주파수 에러보다 크기 때문에, 주어진 서브-대역에서 송신기(TX)에 속하는 반송파는 동기화 상태에 무관하게 수신기에 대해 동일한 서브-대역일 것이다. 그러나, 이는 채널들에 대한 경우가 아니고, 송신기에 의해 선택된 채널 인덱스와 수신기에 의해 인지되는 실제 주파수 사이의 대응은 간단하지 않다.

이들 실시예들에서 이용 가능한 주파수 대역은 복수의 송신 채널들로 채널화될 수 있다. 바람직하게는 채널들은 중첩하지 않지만, 이는 절대적인 요건은 아니다. 주파수 대역은 각각이 복수의 채널들을 포함하는 서브 대역들로 분할될 수 있거나, 그렇지 않으면 모든 채널들이 하나의 공통 부분에 포함될 수 있다. 일반적으로, 각각의 홉핑 주파수는 채널 인덱스 및 가능하게는 서브-대역 인덱스에 의해 지정될 수 있다.

본 발명의 송신기들은 결정된 일련의 증분들에 따라 초기 홉핑 주파수의 채널을 반복적으로 증분시킴으로써 홉핑 시퀀스를 결정하도록 배열될 수 있어서, 그에 의해 시퀀스 내의 각 채널이 홉을 정의하는 채널들의 시퀀스를 획득한다. 바람직하게는, 증분은 미리 결정된 한도들 내에서 홉핑 주파수들을 유지하기 위한 모듈로 연산(modulo operation)에 의해 후속된다.

따라서, 홉핑 시퀀스는 상대적인 간격들로 정의되고, 송신기는 초기 주파수를 자유롭게 선택할 수 있다. 주어진 홉의 주파수(또는 등가적으로 채널)가 오프셋 또는 시프트에 의해 이전 홉의 주파수로부터 유도 가능하고, 모듈로 연산으로 후속되는 한, 상기 시퀀스는 시퀀스가 시작되는 제 1 채널을 제한하지 않고 각 홉에 연관된 상대적인 주파수 시프트들 또는 간격들만을 정의한다. 시프트 연산이 그의 서브-대역의 경계들 밖에 있는 채널을 산출할 때, 모듈로 연산은 이를 서브-대역 내로 래핑한다(wrap).

수신시, 수신기가 초기 주파수(또는 채널)에서 신호를 검출하면, 수신기는 알려진 일련의 증분들에 따라 초기 주파수를 반복적으로 증가시킴으로써 홉핑 주파수들을 예측할 수 있고 전체 메시지를 수신하기 위해 홉핑 주파수에서 연속적으로 튜닝할 수 있다.

오프셋은 사용된 주파수에 의존하지 않고, 홉 인덱스에 의존할 수 있고, 예를 들면, 이는 선형적으로 증가할 수 있거나, 수신기에 알려진 또는 알고리즘적으로 재생 가능한 의사 랜덤 시퀀스 또는 순열로부터 기인할 수 있다.

홉핑 시퀀스의 암시적 및 명시적 시그널링

본 발명의 통신 네트워크는 모든 업링크 송신을 위해 하나의 공통 홉핑 시퀀스, 또는 바람직하게는 송신 노드가 선택할 수 있는 복수의 홉핑 시퀀스들을 사용할 수 있다. 여러 홉핑 시퀀스들이 가능할 때, 각 메시지의 시퀀스는 물리 헤더 또는 프리앰블에서 명시적으로 또는 암시적으로 시그널링된다.

홉핑 시퀀스는 제 1 홉의 채널 인덱스 및 서브 대역 인덱스, 및 필요하다면 홉핑 시퀀스 인덱스에 의해 결정된다. 송신기 측은 그 자신의 시간 기준과 관련하여 잘 결정된 주파수를 갖는 무선 신호를 합성하지만, 이러한 기준은 결정되지 않은 에러를 가지므로, 수신기에 의해 수신된 주파수는 결정되지 않는다.

수신 게이트웨이는 서브-대역들이 충분히 분리되고 홉핑 시퀀스 인덱스 또한 아는 한, 이러한 정보는 헤더에서 명시적으로 시그널링되기 때문에, 제 1 홉의 서브-대역 인덱스를 확신을 가지고 결정할 수 있지만, 제 1 홉에 대해 송신기에 의해 선택된 채널 인덱스를 확신을 가지고 결정할 수 없고, 결과적으로 홉핑 시퀀스의 추가 전개를 정확하게 결정할 수 없다. 이것은 주파수가 서브-대역 경계에 대해 폴딩할 때 특히 그러하다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 송신기는 TCXO와 같은 안정된 주파수 기준을 가질 수 있고, 다운링크 프레임 또는 비콘(beacon)으로부터 그의 주파수를 동기화한다. 이러한 경우, 정확도는 변조 대역폭의 1/2 또는 심지어 1/4보다 양호할 수 있다. 이후 채널들을 정의할 수 있고 모호성 없이 홉핑 시퀀스들이 정의된다. 그러나, 이러한 솔루션은 비용 및 전력 예산 제한들로 인해 IoT 애플리케이션에서 실현 가능하지 않을 수 있다.

또 다른 가능한 실시예에서, 송신기는 덜 안정한 주파수, 예를 들면, 저등급 XO를 가지지만, 그의 에러는 적어도 특성화되고 알려진 한도들 내에 포함된다. 이는 다운링크 프레임 또는 비콘에 의해 송신기의 주파수 기준을 게이트웨이의 주파수 기준과 동기화하는 것을 포함할 수 있다. 이 경우, 에러는 1 ppm에 도달할 수 있고, 이는 868㎒ 또는 915㎒ ISM 대역에서 약 1㎑에 대응한다.

주파수 에러에도 불구하고 수신기가 홉핑 주파수들의 시퀀스를 결정하게 하기 위해, 송신기는 제 1 홉에 대해, 또는 시퀀스의 하나의 결정된 홉, 예를 들면, 프리앰블 후 제 1 데이터 홉에 대한 사용된 채널상으로 추가 정보를 전송한다.

단순한 명시적 시그널링 방식에서, 송신기는 프리앰블에서 제 1 홉에 대해, 또는 후속 홉들에 대해 사용된 채널 또는 반송파 주파수의 전체 지정을 프리앰블에 포함할 수 있다. 이로부터, 수신 노드는 송신기와 그 자체 사이의 순간 주파수 불일치를 측정하고, 홉핑 시퀀스를 결정할 수 있다.

그러나, 주파수 에러가 독단적으로 크지 않기 때문에, 채널 인덱스 전체를 시그널링하는 것은 낭비일 수 있다. 수신 게이트웨이는 보통 그의 절대 주파수로부터 일부 유닛들의 불확실성을 가진 송신 채널을 결정할 수 있다. 예를 들면, 최대 주파수 에러가 변조 대역폭의 ±1.5배에 대응하는 경우, 수신기는 채널 인덱스를 결정하기 위해 단지 2 비트의 정보만 필요로 한다. 프리앰블은 부분 정보, 예를 들면, 채널 인덱스의 2개의 최하위 비트들을 포함하고, 상위 비트들은 절대 반송파 주파수에 기초하여 수신기에 의해 결정된다. 바람직하게는, 제 1 홉핑 주파수를 지정하는 채널 인덱스의 적어도 중요한 부분은 명시적으로, 또는 이후에 설명될 바와 같이, 제 1 홉의 주파수의 선택에 의해 암시적으로 시그널링된다.

본 발명의 가능한 변형에서, 초기 채널에 관한 정보는 프리앰블 또는 메시지 내의 임의의 위치에서 명시적으로 변조되지 않지만, 그것은 제 1 홉의 주파수의 선택에 의해 암시적으로 시그널링된다. 홉핑 시퀀스는 상대적인 간격들로 정의되고, 송신기는 제 1 홉의 주파수를 자유롭게 선택할 수 있고, 이러한 선택에 의해, 홉핑 시퀀스의 제 1 홉에 대해 선택된 채널을 암시적으로 시그널링할 수 있다. 도 3의 서브-대역 평면도를 참조하면, 예를 들면, 1.5 비트의 정보가 제 1 홉에 대한 B0, B1, 또는 B2의 선택과 함께 암시적으로 전송될 수 있다. 관례는 주파수 인덱스가 0 모듈로 3과 같은 경우 B0이 사용되고, 1과 같은 경우 B1, 2와 같은 경우 B2이 사용되는 것일 수 있다. 서브-대역이 모호함 없이 검출될 수 있기 때문에, 수신기는 홉핑 시퀀스를 즉시 재구성할 수 있다.

도 5는 분해된 서브-대역에서 분할되지 않은 주파수 평면도를 도시한다. 이는 서브-대역들 사이의 보호 대역들을 회피하고 스펙트럼 효율을 최대화한다. 주파수 스팬은 연속적인 서브-대역들로 분할되고, A/B/C/D로 표시된 다른 세트들로 그룹화되어 분해된 서브-대역들의 그룹들을 생성한다. 이를 위해, 동일한 그룹(도 A-A, B-B, C-C, 또는 D-D에서)의 2개의 서브-대역들간 주파수 거리는 종점들의 최대 송신 주파수 에러보다 높아야 한다.

분해된 서브-대역들은 이후 제 1 홉의 주파수의 암시적 시그널링의 사용을 허용할 수 있다. 그룹들은 네트워크 계획을 위해 사용될 수 있고, 이에 따라 주어진 게이트웨이는 주어진 그룹에 할당될 것이고, 따라서 수신된 서브-대역은 모호하지 않을 것이다. 대안으로, 상기 그룹들은 데이터 레이트에 기초하여 트래픽을 분리하기 위해 사용될 수 있다; 다시, 제 1 홉의 서브-대역 인덱스는 데이터 레이트가 프레임의 헤더에서 시그널링되기 때문에 모호하지 않다.

암시적 시그널링의 사용과 무관하게, 대역을 서브-대역들의 그룹들로 분할하는 것은 또한 높은 전력으로 수신된 사용자들과 저전력으로 수신된 사용자들 사이의 업링크 트래픽을 분리하여 가장 약한 사용자들을 보호하기 위해 사용될 수 있다. 주파수 에러들로 인해, 서브-대역들의 에지들상에 여전히 일부 충돌들이 있지만, 전체 대역에 걸쳐 정의된 홉핑 시퀀스들보다 적다.

충돌 예측 및 블랭킹

시스템은 홉핑 시퀀스가 알려져 있는 한, 주파수 홉핑에 기초하기 때문에, 수신기들은 2개의 메시지들이 충돌하는 경우 및 2개의 메시지들이 언제 충돌할 것인지를 예측할 가능성을 가진다. 프레임들의 프리앰블 및 동기화 부분은 미리 예측될 수 없지만, 데이터는 짧은 지연 후에 후처리될 수 있다. 프레임들이 FEC 인코딩되고 모든 홉들에 걸쳐 인터리빙되기 때문에, 수신기는 디인터리빙 및 디코딩 전에 최종 홉을 대기해야 하고, 그 시점에서 관심 프레임의 충돌 예측 및 블랭킹 프로세스가 완료된다. 따라서, 블랭킹 프로세스는 디코딩 프로세스를 지연시키지 않는다.

바람직한 실시예에서, 예측은 수신 게이트웨이에서 시간 및 주파수의 함수로서 수신된 신호 레벨을 예측하는 간섭 맵을 구축하는 것을 포함한다. 시간축상에서, 맵 해상도 또는 입상성(granularity)은 바람직하게는 심볼의 길이와 동일하거나 더 양호하며, 하나의 샘플과 동일한 해상도를 가질 수 있다.

수신 게이트웨이는, 신호가 검출될 때, 그 홉핑 시퀀스를 결정하고, 검출 단계에서 측정된 신호 레벨(각 패킷당 하나의 전력 레벨)로 들어오는 패킷들의 예상 시간 및 주파수에 대응하는 간섭 맵의 빈들을 채운다.

"신호 레벨"이라는 용어는 본 명세서에서 dBmW, dBμV/m, 또는 임의의 적절한 스케일 또는 단위로 측정된 측정된 수신 신호 강도 또는 RSSI를 포함하지만 그로 한정되지 않는 강도 또는 전력의 임의의 적합한 표시자를 나타낸다.

동작은 다음과 같다:

1. 수신기는 각각의 검출된 프레임마다 하나의 복조기를 인스턴스화한다. 복조기들은 각각의 수신 비트에 대한 LLR(log likelihood ratios) 및 가능하게는 RSSI, SNR 또는 다른 것과 같은 일부 품질 표시자를 생성한다.

2. 검파 및 복조기 인스턴스들이 진행됨에 따라, 이들은 관심 있는 신호의 측정된 상대적 신호 강도(RSSI)를 추가함으로써 간섭 맵을 업데이트한다. 이러한 간섭 맵은 주어진 시간에 송신하는 모든 노드들의 가능한 교차-간섭을 나타내고, 적어도 하나의 심볼 길이의 시간 입상도 및 변조 대역폭보다 양호한 주파수 입상도를 가져야 한다.

3. 일단 프레임이 복조의 끝에 도달하면, 및 디인터리빙 및 디코딩 전에, LLR은 가중되고 아마도 간섭 맵에 기초하여 블랭킹된다: 각각의 수신된 비트에 대해, 간섭-잡음비(SINR)가 계산된다. 간섭 맵이 2개의 노드들로부터의 시간 및 주파수에서의 동시 송신을 나타내는 경우, LLR은 이들 시간 및 주파수 슬롯들의 신호가 간섭에 의해 잠재적으로 손상된다는 사실을 설명하기 위해, 일반적으로 1과 0 사이의 보정 팩터에 의해 가중된다. 블랭킹은 가중치 0을 할당한다. 가중치 또는 가능하게는 전체 블랭킹의 양은 신호 대 간섭-잡음비(SINR)에 기초하여 결정된다.

바람직하게는, 수신기 게이트웨이는 간섭이 없는 무선 신호의 홉핑 시퀀스에서 복수의 패킷들의 신호 레벨을 측정하도록 구성되고, 수신 변경 동안 소스의 신호 레벨이 변경되는 경우, 간섭 맵에서 예측된 패킷들의 신호 레벨을 조정할 수 있다.

또 다른 바람직한 변형에서, 수신 게이트웨이는 수신된 신호를 간섭 맵으로부터 예측된 것과 비교함으로써 다른 시스템으로부터 오는 간섭을 또한 평가해야 한다.

협업 수신

하나의 센서 노드로부터 송신된 메시지는 하나보다 많은 게이트웨이에 의해 수신될 수 있고, 이러한 경우에, 몇몇 수신기들은 그의 디코딩시 협력할 수 있다. 도 1을 참조하면, S1로부터 송신된 메시지는 G0 및 G1 양쪽 모두에 의해 수신된다. 각각의 프레임에 대해, 수신 게이트웨이들(G0, G1)은 필요한 정보를 서버(105)(개별 위치 또는 게이트웨이들 중 하나와 동일한 장소에 있을 수 있고; 별도의 부품 또는 하드웨어, 또는 단순히 소프트웨어 프로그램의 인스턴스)에 송신한다. 서버에 업로드된 정보(화살표(110))는 바람직하게는 도달 시간 정보, 홉핑 정보, 및 프레임을 식별 및 처리하기 위해 사용될 다른 메타데이터와 함께, 이전에 계산된 가중된 LLR을 포함한다. 바람직하게는, 수신기는 의도된 송신 주파수의 정확한 추정을 제공할 수 있다. 이것은 서버(105)에서 프레임의 식별을 단순화한다. 암시적 시그널링은 이러한 목적으로 사용될 수 있다.

다수의 동기 워드들(홉핑 프리앰블)

ALOHA 네트워크들은 송신의 시작 또는 데이터 프레임을 식별하기 위해 통상적으로 "동기 워드"로 표시된 데이터의 특수 시퀀스를 사용할 수 있다. 동기 워드들은 프레임의 프리앰블 또는 물리 헤더에 배치될 수 있고, 그의 구조는 검출 및 워드 정렬을 허용하도록 수신기에 의해 충분히 알려진다.

동기 워드들 및 물리 헤더는, 그들이 잘못 이해된 경우, 모든 후속 데이터의 수신이 손상되기 때문에 특히 중요하다. 도 6은, 그의 지속 기간의 20%보다 많은 것이 간섭에 의해 포함될 때, 동기 워드가 누락되었다는 가정하에서, 증가하는 부하를 갖는 ALOHA 네트워크에서 시스템 자체-간섭에 대해 시뮬레이트된, 프리앰블의 동기 워드의 검출에서 예상된 에러율을 도시한다. 프리앰블은 높은 수준에서 개재하는 FEC 및 인터리빙으로 보호되지 않고, 20% 부하에서의 에러율은 약 28%이다. 비교를 위해, 도 7은 약한 노드에 대해 실현 가능한 가정들인, 컨벌루션 FEC(133, 171, k = 7)을 가정하고 간섭의 80%가 디코딩 전에 검출 및 블랭킹되고 20%는 그렇지 않은 것으로 가정하면, 도 6의 동일한 네트워크에 대한 페이로드에 대한 예측된 에러율(PER)을 그래프로 도시한다. 20% 부하에서 PER은 약 8%인 것을 인지한다.

일 실시예에서, 동기 워드 및 가능하게는 물리 헤더 또한 홉핑 시퀀스에 따라 상이한 주파수들에서 수개의 사본들로 송신된다. 동기 워드의 각 반복은 홉핑 인덱스에 관한 정보의 요소, 예를 들면 수신기가 홉핑 시퀀스에 대해 정렬하게 하는 카운터와 조합된다. 도 8은 이러한 다수의 헤더 송신의 가능한 구현을 도시한다. 그래프는 서로 다른 반송파 주파수들을 갖는 여러 홉들의 시간 연쇄를 포함하고, 그래프에서 상이한 종좌표를 나타내는 업링크 송신을 나타낸다. 비어있는 또는 채워진 사각형으로 나타내지는 모든 개별 홉은 협대역 변조 신호를 포함한다.

프리앰블 홉(320)은 각각이 적어도 하나의 홉핑 인덱스와 조합된 복수의 동기 워드들을 포함하고, 이 실시예에서는 각 홉의 시작과 끝에서 2개의 사본들로 반복된다. 이는 필수적인 것은 아니고, 인덱스는 단지 시작이나 마지막 또는 중간에만 있을 수 있지만, 대부분의 간섭들이 짧은 시간 간격으로 제한되기 때문에, 이러한 추가 중복은 견고성을 증가시킨다.

가능한 실현에서, 홉핑 인덱스들은 카운트다운 감소 시퀀스로 배열된다: '0'으로 라벨링된 홉은 프리앰블 홉들 중 마지막이다. 이러한 배열은 수신 게이트웨이가 프리앰블이 얼마나 많은 홉들로 구성되는지, 동기 워드들의 수, 또는 그들의 반복 레이트를 알 필요가 없다는 점에서 융통성이 있다. 수신기는, 송신기의 주파수 에러들을 고려하여, 홉핑 시퀀스와 동기화 및 정렬하고, 동기 워드가 종료 및 데이터가 시작되는 위치를 알기 위해, 정확히 하나의 홉만을 수신할 필요가 있다. 예를 들면, 제 1 동기 워드(파선)가 전혀 전송되지 않았더라도, 수신기는 여전히 다음 중 하나에서 동기화할 수 있다.

동기 워드들(320)의 수 및 반복 레이트는 고정될 필요는 없지만, 임시의 팩터들에 기초하여 송신기에 의해 동적으로 변경될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 송신기는 그의 국부 주파수 기준의 주파수 에러를 나타내는 동기화 상태에 기초하여 동기 워드 반복 수 및/또는 동기 워드 반복 레이트를 적응시킨다.

다른 실시예에서, 반복된 동기 워드들의 수 및/또는 동기 워드 반복 레이트는 송신기 성공률의 추정에 기초하여 송신기에 의해 적응된다. 송신기 성공률은 송신이 게이트웨이에 의해 또는 게이트웨이들에 의해 정확하게 수신될 확률이다. 이는 네트워크 부하 및 게이트웨이에 의해 알려진 수신 신호 레벨에 의존한다. 성공률은 위에 언급된 바와 같이 동기 워드들의 수에 또한 의존한다: 동기 워드들이 많을수록, 성공 확률이 높아진다. 시스템 용량이 그의 자체 트래픽에 의해 제한될 때, 동기 워드의 수에 대한 의존성은 특히 심하다.

송신기는 여러가지 방식들로 성공률을 추정할 수 있다. 성공률을 추정하는 정확한 방법은 네트워크에 의해 승인되어야 하고 실제로 승인되는 송신된 프레임들의 일부에 기초한다. 승인들을 필요로 하지 않는 덜 정확한 방법들은 단지 신호 레벨에 대한 채널을 샘플링하는 것에 의해, 또는 다른 송신기들로부터 동기 워드들을 검출하기를 시도함으로써 채널상의 부하를 추정하는 단계 및 채널 부하로부터 성공률을 계산하는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 송신기는 네트워크상에서 수신된 명령에 기초하여 동기 워드 반복수 및/또는 동기 워드 반복 레이트를 적응시킨다. 네트워크 기반 구조, 예를 들면, 게이트웨이 또는 서버는 주어진 송신기의 성공률을 추정할 수 있다. 이를 행하는 가능한 방식은 각 송신마다 증가하는 프레임 카운터를 삽입하는 것을 요구하여, 성공률은 직접 모니터될 수 있다. 네트워크는 그가 시스템 부하, 송신기 수신 신호 레벨, 및 다른 송신기 수신 신호 레벨들로부터 몇개의 프레임들을 송신할 때 주어진 송신기의 성공률을 통계적으로 평가할 수도 있다. 네트워크는 이후 동기 워드 반복 수/레이트들을 개별적으로 조정함으로써 성능/전력 소비/네트워크 부하를 절충할 수 있다. 네트워크는 다른 서비스 클래스들을 정의하고 이들 클래스들에 다른 정책들을 적용할 수 있다.

데이터 홉들(340)은 이들을 구별하기 위해 그래프상에 넘버링되지만, 명시적 인덱스를 포함할 필요는 없다. 이러한 지점의 수신기는 이미 자신의 주파수들을 결정하고 그들을 정상적으로 복조할 수 있다. 데이터가 FEC-인코드되고 인터리브되기 때문에, 송신은 간섭들로부터 크게 영향을 받지 않는다. 통상적으로, 홉핑 시퀀스는 제 1 데이터 홉의 중심 주파수(f_data0) 및 중심 시간(t_0)과 관련하여 정의된다. 그러나, 다른 선택들이 가능할 수 있다. 본 발명의 구별적인 특징은 프레임 내의 프리앰블 및 데이터 양쪽 모두가 복수의 주파수 홉들에 걸쳐 각각 분포하는 것이다.

상기에 논의된 바와 같이, 홉핑 시퀀스는 비중첩 채널들에 중심을 둔 일련의 반송파 주파수들을 포함한다(도 4). 가능한 실시예에서, 송신기 노드는 도 9에 도시된 바와 같이, 대역폭의 일 부분에 의해 몇몇 프리앰블 홉들의 반송파 주파수를 오프셋하도록 배열된다. 이러한 배열에서, 심지어 동기 워드들은 그들의 대역폭의 절반만큼 다운시프트된다. 일반적으로, 주파수 홉들은 대역폭의 정수 또는 반정수배, 또는 대역폭의 미리 결정된 분수의 배수인 주파수 오프셋만큼 분리될 수 있다.

이러한 시프트는 주파수에서의 충돌의 가능성을 증가시키는 것으로 보이지만, 일반적으로 송신기에 의해 사용된 채널들의 중심 주파수들이 잘 정의되어 있지 않기 때문에 실제로 유용하다. 변조 대역폭은 약 100 ㎐ 정도로 낮고, 동기 워드를 검출하기 위해, 수신기는 다수의 채널을 형성하거나 그의 대역폭을 증가시킬 필요가 있다.

도 9의 시프트로 인해, 수신기는 더 적은 채널을 형성하거나 그들의 대역폭을 감소시킬 수 있고, 여전히 높은 가능성으로 동기 워드들의 적어도 일부를 검출할 수 있다. 절반의 동기 워드가 BW/2만큼 오프셋되는 경우, 수신기는 동기 워드의 절반이 BW/4보다 낮은 오프셋을 가질 것임을 확신한다. 이러한 방식으로, 수신기에서 더 낮은 복잡성을 위해 (동기 워드의 더 많은 반복이 필요할 수도 있는) 일부 견고성 또는 성능을 절충한다.

중요하게, 정수 및 분수 단계들의 시퀀스는, 시프트 워드들의 시퀀스 내의 위치가 알려져 있는 한, 수신기가 홉핑 주파수들의 공칭 시퀀스에 이들 결정론적 부분 시프트를 적용하고 정확한 튜닝을 유지할 수 있는 결정론적 규칙을 따른다. 이미 언급한 바와 같이, 도 9의 예에서, 짝수 인덱스 동기 워드들은 BW/2만큼 아래쪽으로 시프트된다. 다른 결정론적 규칙들이 동일한 효과에 사용될 수 있다.

동기 워드들이 수신기에 의해 검출 가능하고 인식 가능하다는 것이 본 발명의 작동에 충분하지만, 공지된 기술들은 유리한 속성들, 예를 들면 분명한 자기 상관(autocorrelation)을 갖는 동기 워드를 선택하기 위해 사용될 수 있다. 이들 선택들 중에서, 본 발명은, 미리 결정된 공지된 시퀀스에 따라, 모든 프리앰블 홉들(320)에서 동일한 동기 워드, 또는 또한 각 홉에 대해 상이한 동기 워드들을 사용할 수 있다. 후자의 경우에, 수신기는 홉핑 인덱스로부터 및/또는 동기 워드 자체로부터 홉의 위치를 결정할 수 있다.

프리앰블 홉들(320)은 동기 워드들 옆의 수신기로 추가 정보를 송신할 수 있다. 예를 들면, 이들은 데이터 부분에 대한 데이터 레이트를 지정하는 추가 정보 및/또는 복수의 가능한 홉핑 시퀀스들 중에서 홉핑 시퀀스를 지정하는 표시를 포함할 수 있다. 이들 정보 요소들은 임의의 적절한 방식으로 인코딩될 수 있다.

홉핑 시퀀스들

이미 언급한 바와 같이, 송신기 노드들에서의 주파수 에러들은 홉핑 시퀀스를 정의하는 것을 어렵게 만든다. 바람직하게는, 홉핑 프리앰블에 대한 홉핑 시퀀스 및 가능한 경우 데이터 부분의 시작에 대한 홉핑 시퀀스는 그것이 인덱스 및 현재 주파수로부터만 식별될 수 있도록 해야 한다. 또한, 송신된 주파수는 채널 대역폭의 몇 배보다 높은 에러들을 나타낼 수 있기 때문에, 홉핑 시퀀스 결정은 그러한 오프셋에 의해 영향을 받지 않아야 한다.

잠재적인 주파수들의 연속 세트를 가정하면, 이로운 선택은 홉핑 시퀀스가 상대적인 간격들로 정의되고, 송신기가 초기 주파수를 자유롭게 선택할 수 있다는 것이다. 이미 언급했듯이, 이는, 홉핑 시퀀스에서, 주어진 홉의 주파수는, 의도된 대역 한계들 내에서 유지하기 위해, 모듈로 연산으로 후속되는 오프셋만큼 이전 홉의 주파수로부터 유도 가능하다는 것을 의미한다.

홉핑 프리앰블이 관련되는 한, 모든 주파수들은 제 1 데이터 홉의 중심 주파수에 관련되고, 이는 f_data0로 표시한다. 이러한 주파수는 f_min 및 f_max로 표시되는 대역 또는 서브-대역의 한계들 사이에 포함되어야 한다.

최소 홉핑 단계를 h_step으로 정의한다. 설명 및 도면들을 단순화하기 위해, h_step은 변조 대역폭(BW)과 동일하다고 가정한다(예를 들면, 6dB 컷오프에서 측정). 그러나, 이는 필수 요건은 아니다. 송신된 신호는 f_min - bw/2 - f_error_max와 f_max + bw/2 + f_error_max 사이에 (6dB cut-off로) 있을 것이다.

송신기의 관점에서 홉핑을 위해 이용 가능한 채널들의 수를 N이라고 표시하고, N = floor(f_max-f_min)/(h_step + 1)이다.

수신기의 관점으로부터, 스캐닝되어야 하는 중심 주파수들의 총 세트는 f_min-f_error_max에서 f_max+f_error_max까지 걸쳐 있고, f_error_max는 송신기에 대한 최대 주파수 에러를 표시하고, 이는 그의 수정 발진기 에러의 결과이다.

표기법을 단순화하기 위해, f_data_0가 f_data_0 = f_idx_data_0 * h_step + f_min이 되도록 하고, f_idx_data_0은 0과 N 사이의 정수이다. 이러한 방식으로, 단순히 주파수를 정수로 식별할 수 있다. 주파수 차이가 h_step의 정수가 되도록 요구한다. 이는 일반적인 경우까지 확장될 수 있다.

몇몇 홉핑 시퀀스들이 정의될 때, 홉핑 시퀀스의 식별을 hop_seq_idx로 나타낸다. 이후, 주파수 대 인덱스 및 hop_seq_idx를 설명할 수 있다. 인덱스는 카운트다운하는 홉핑 프리앰블 인덱스인 것을 기억하라:

1. index=0인 경우, f_idx_preamb(index) = mod(f_idx_data_0 + hop_delta(0, hop_seq_idx), N+1)

2. index>0인 경우, f_idx_preamb(index) = mod(f_idx_preamb(index-1) + hop_delta(index, hop_seq_idx), N+1)

일련의 hop_delta는 특히 프리앰블 홉들에서 반복된 충돌들을 최소화하도록 선택되어야 한다: 두개의 송신기들이 홉핑 프리앰블의 한 홉에서 충돌하는 경우, 이들은 다른 홉들에서 가능한 한 적게 충돌해야 한다. 이상적으로, 이들이 주어진 홉에서 충돌할 경우, 이들은 다른 것들에서 충돌하지 않아야 한다. 다음의 속성들은 다수의 충돌들이 제한되는 것을 보장하기 위해 중요하다:

1. ±1와 같은 홉 델타들은 피해져야 한다. 대수적으로: 임의의 인덱스 및 임의의 hop_seq_idx에 대해, 부등식 abs(hop_delta(index,hop_seq_idx))>1이 유지되어야 한다. 이는 주파수 에러로 인해 중심 주파수가 잘 정의되지 않아서, 도 10에 도시된 바와 같이 오프셋이 1일 경우 2개의 연속 홉들에서 충돌이 발생할 수 있기 때문이다. BW ≠ h_step인 경우 정확한 규칙은 다음과 같다: abs(hop_delta(index,hop_seq_idx))*h_step > BW + abs(hop_offset).

2. hop_delta의 값들은 달라야 한다. 그렇지 않으면 하나의 충돌이 발생하자마자 다수의 충돌들이 반드시 발생한다. 이는 도 12에 도시된다.

3. 홉핑 델타들간의 차이는 주파수 에러들로 인해 적어도 2여야 한다. 이것은 홉핑 델타들이 2와 3인 도 11에 보여진다.

4. 임의의 인덱스 및 임의의 hop_seq_idx에 대하여, hop_delta(index,hop_seq_idx))는 연속적인 홉 델타들의 임의의 합계와 달라야 한다. 이는 도 13에 도시된다. 정확한 규칙은 연속적인 홉들 플러스 또는 마이너스 1의 합이 될 것이지만, 규칙 3에 따라 차이는 어쨌든 2의 배수이다.

처음 3개의 규칙들을 만족시키기 위해, hop_delta 시퀀스는 단순히 홀수 또는 짝수의 정수들일 수 있다. 또한 제 4 규칙을 준수하기 위해, 동기 워드들의 최대수가 홉핑 프리앰블 내에서 4인 것을 가정하면, 4개의 상이한 시퀀스들, 이들은 {2,4,8,10}, {14,16,20,22}, {-2, -4, -8, -10}, {-14, -16, -20, -22}일 수 있다.

시뮬레이션들은 송신기의 주파수 에러에도 불구하고 상기 규칙들이 프리앰블을 정확하게 검출하고 홉핑 시퀀스를 재구성할 확률을 상당히 개선시킨다는 것을 보여주었다.

다른 홉핑 시퀀스 옵션들

의사 랜덤 홉핑 시퀀스들은 시스템 자기-간섭에 대한 더 나은 저항을 제공하며, 충돌들에 대한 더 많은 다양성을 가져온다. 바람직하게는, 의사 랜덤 홉핑 시퀀스들은 여전히 하나의 홉에서 다른 홉으로 일대일 대응이다: 각 홉의 주파수는 선행 주파수의 주파수로부터 결정론적으로 유도할 수 있다. 이러한 특징을 얻기 위한 가능하지만 고유하지 않은 방식은 순열들의 결정론적 시퀀스에 따라 홉들의 주파수들을 정렬하는 것이다.

상기 일대일 대응으로 인해, 수신기는 혼자서 홉 주파수들의 시퀀스를 재구성하기 위해 하나의 홉만을 검출할 필요가 있다.

일반적인 의사 랜덤 시퀀스에 의한 문제점은 이들이 채널의 정확한 지식을 필요로 한다는 것이다. 이러한 문제를 완화하기 위한 두 가지 옵션이 있다:

송신기는 TCXO와 같은 안정된 주파수 기준을 가지고, 다운링크 프레임 또는 비콘으로부터 그의 주파수를 동기화한다. 이 경우, 정확도는 변조 대역폭의 1/2 또는 1/4보다 우수할 수 있다. 이후 채널들을 정의할 수 있고, 홉핑 시퀀스들은 최첨단 기술에 따라 정의된다.

송신기는 덜 안정된 주파수를 가지지만, 다운링크 프레임 또는 비콘으로부터 그의 주파수를 동기화한다. 이 경우, 에러는 1PPM에 도달할 수 있고, 868㎒ 또는 915㎒ ISM 대역에서 1㎑ 미만을 유지한다. 이후, 홉핑 프리앰블 내에서 또는 다른 방식을 사용하여 본 명세서에 설명된 바와 같이, 부가 정보로서, 송신기는 그의 송신을 목표로 하는 주파수를 시그널링할 수 있다. 이러한 방식으로, 수신기는 송신기의 주파수 에러를 알고 홉핑 시퀀스를 도출할 수 있다. 제한된 주파수 에러 덕분에, 2 또는 3 비트만으로 부가 정보로서 충분하다: 에러는 +/-1.5 채널들보다 낮고, 문제는 mod(f_idx_preamb,4)이다. hop_offset은 이러한 경우 최대 주파수 에러가 +/-1.5 채널들, 또는 필요한 부가 정보를 제한하기 위한 다른 값들로 제한되도록 조정될 수 있다.

바람직하게는, 홉핑 시퀀스는, 채널 대역폭보다 몇배 더 클 수 있는 주파수 에러에도 불구하고, 가능하게는 추가의 부가 정보에 의해, 검출 프리앰블에서 결정된 위치에서 그의 제 1 홉 또는 동등하게 하나의 홉의 채널 인덱스 또는 공칭 반송파 주파수로부터 모호하지 않게 도출할 수 있다.

이러한 문제를 처리하기 위해, 본 발명은 모듈로 연산에 뒤따르는 상대적 시프트들에 의해 정의되는 홉핑 시퀀스들에 의존한다. 주파수가 대역 또는 서브 대역의 경계에 가까운 일부 홉들에 대하여, 수신 게이트웨이는 송신기가 대역 한계 밖에 있다고 판단했는지 여부 및 모듈로 연산이 적용되었는지의 여부를 알 수 없을 수 있다. 즉, 채널 인덱스 k와 채널 인덱스 k+N 사이에는 모호성이 존재한다. 도 14는 이러한 경우를 도시한다. 2개의 그래프들은 송신 노드에 의해 송신되고 게이트웨이에 의해 수신되는 것과 동일한 홉핑 시퀀스를 나타낸다. 주파수 축은 일반적으로 정확한 것으로 간주되는 게이트웨이의 시간 기준에 관한 것이고, 수신된 홉들은 전송된 홉들에 수평으로 정렬된다.

실제로, 송신기 노드는 에러(f_err)에 의해 영향을 받고 이러한 알지 못하는 양에 종속하는 그 자신의 주파수 기준에 기초하여 주파수를 합성할 것이고, 모듈로 연산을 홉(232)에 적용하기에 실패할 수 있거나, 신호에서 에러가 반전되면, 이를 홉(231)에 적용할 것이다. 따라서, 홉핑(231)에 적용할 수 있다. 따라서, 일부 홉핑 주파수들은 증분이 송신기에 의한 서브-대역 제한들의 외에서 판단된 주파수인지의 여부에 따라 2개의 별개의 주파수들에서 합성될 수 있다는 모호성이 있다.

이러한 모호성을 극복하기 위해, 수신기는 경계에 가까운 것으로 예상되는 홉들에 대한 제 2 청취 채널을 개방할 수 있다. 예를 들면, 규정된 오프셋이 홉(234)에 적용될 때, 수신 게이트웨이는 다음 홉(237)이 f_min을 초과할 것을 발견하고, 이후 모듈로 연산을 적용하고 236으로 표시된 위치에서 다음 홉을 청취해야 한다. 그럼에도 불구하고, 게이트웨이는 언래핑된 위치(237)에서 제 2 수신기를 개방한다. 이러한 방식으로, 수신기들 중 하나가 정확하게 튜닝될 것이다. 다른 실시예에서, 송신기는 f_err_max보다 가까운 홉들(231 및 232)을 경계에 송신하는 것을 생략할 수 있다.

일 실시예에서, 홉핑 시퀀스는 각 홉상의 순열에 의해 생성된다. 각각의 홉핑 주파수는 순열 연산에 의해 홉핑 시퀀스의 선행 주파수(전형적으로 바로 직전의 주파수)에 의해 유도될 수 있다. 이러한 방식으로, 시작 주파수당 하나의 순열이 있다. 홉당 다른 순열이 있어야 하고, 그렇지 않으면 하나의 시퀀스만 생성된다.

바람직하게는, 센서 노드는 시작 주파수(또한 제 1 데이터 홉 주파수 또는 기준 주파수라고도 함)를 통해 홉핑 시퀀스를 암시적으로 시그널링한다. 시퀀스는 다음과 같이 또한 반복적으로 설명된다.

index=0인 경우, f_idx_data(index) = f_idx_data_0

index>0인 경우, f_idx_data(index, hop_seq_idx) = hopping_perm[hop_seq_idx] (f_idx_data (index-1))

hopping_perm[hop_seq_idx]가 (0,N-1)의 순열인 경우, 바람직하게는 사이클이 작다.

성능 이득은 대가가 따른다: 수신기는 시퀀스를 유도하기 위해, 제 1 홉의 정확한 의도된 주파수를 알아야 한다. 이미 설명한 바와 같이, 이는 송신기의 안정된 주파수 기준에 의해, 또는 송신기 자신의 주파수 기준에 기초하여 합성된 임의의 홉, 바람직하게는 제 1 홉의 절대 주파수의 암시적 또는 명시적 시그널링에 의해 획득될 수 있다.

절대 주파수의 값은, 송신에 사용된 제 1 서브-대역의 선택을 통해, 암시적으로 시그널링될 수 있고, 서브-대역의 결정이 결코 모호하지 않기 때문에, 이동 노드의 주파수 기준들이 드리프트할 수 있는 또는 임의의 다른 적절한 방식으로 제한들을 제공한다.

서브-대역 경우에 대한 홉핑 시퀀스들

이용 가능한 주파수가 서브-대역들로 분할된다면, 송신된 홉핑 시퀀스는 채널들의 시퀀스에 계층적으로 중첩된 서브-대역들의 시퀀스에 의해 지정될 수 있다. 각각의 홉은 각각의 시퀀스들에 의해 지시된 바와 같이 상이한 서브-대역 및 상이한 채널에서 송신된다.

표기법을 단순화하기 위해, 모든 서브-대역이 N+1과 동일한 채널 수를 갖는 것으로 가정한다. 이 방법으로 서브 대역 내에서 사용된 주파수를 표기하기 위해 단일 대역 경우 표기법을 유지한다.

서브-대역 인덱스는 sb_idx_data로 표기되고, 이는 홉 번호 인덱스 및 홉핑 시퀀스 번호 hop_seq_idx에 의존한다. 주어진 홉핑 시퀀스 번호에 대해, 홉핑 시퀀스는 sb_idx_data_0 및 f_idx_data_0, 즉 제 1 홉의 주파수에만 의존한다.

홉핑 시퀀스는 이후 세트 sb_idx_data(index, hop_seq_idx, sb_idx_data_0, f_idx_data_0) 및 f_idx_data(index, hop_seq_idx, sb_idx_data_0, f_idx_data_0)로서 정의된다.

분리된 서브 대역들로서 이용 가능한 주파수들의 구성은 홉핑 시퀀스들과 무관한 이점들을 제공한다: 다중 경로에 대한 더 양호한 다이버시티, 더 양호한 간섭 완화, 더 양호한 공존 및 결과적으로 규제들과의 보다 양호한 정렬.

서브 대역들이 서로 떨어져있을 때, 하나의 이점은, 센서 노드로부터 주파수 오프셋이 존재할 때도, 모호성 없이 수신기에 제 1 홉의 서브-대역이 알려지는 것이다. sb_idx_data_0을 사용하여 홉핑 시퀀스와 f_idx_data_0의 LSBs와 같은 부가 정보를 모두 시그널링할 수 있다. 예를 들면, 40개의 서브-대역들이 있을 때, 2비트는 f_idx_data_0의 LSBs를 시그널링할 수 있고, 10개의 홉핑 시퀀스들이 sb_idx_data_0로부터 시그널링될 수 있다. 물론, 더 많은 홉핑 시퀀스들이 f_idx_data_0을 통해 암시적으로 시그널링될 수 있다. 우리는 또한 sb_idx_data_0로부터 홉핑 시퀀스들만을 시그널링할 수 있고, 주파수 에러를 알 수 없지만, 도 14와 같이 대역 에지들에서 수신된 복제된 수신 윈도우(주파수에서 복제됨)를 개방해야 할 것이다.

비동기 노드들의 경우, f_idx_data에 대한 공간은 송신들이 인증된 대역에서 항상 발생하는 것을 보장하도록 감소된다. LSB들을 시그널링하는 것은 더 양호한 홉핑 시퀀스들을 제공하는 데 도움을 준다.

시뮬레이션들은, 주파수 동기화가 불완전한 경우, 단일 대역에 비해 서브 대역들을 사용하는 임의의 이점을 나타냈다. 단일 홉핑 세트가 사용된다고 가정하면(홉핑 시퀀스는 제 1 홉에 의해서만 결정된다), 간섭 완화는 서브-대역의 경우보다 약간 더 양호하다. 그러나, 여러 세트들이 사용될 때, 모든 시스템이 간섭 완화에 최적인 무작위 시퀀스들을 완료하기 위해 매우 가까워짐에 따라 이점이 감소한다.

완벽한 주파수 동기화를 갖는 서브-대역 경우를 위한 홉핑 시퀀스들

이러한 경우는 모든 센서 노드들이 변조 대역폭의 1/4보다 양호한 주파수 동기화를 갖고, 의도된 주파수에서 모호성이 없다고 가정한다.

여기서, 결합{f_idx_data_0, sb_idx_data_0}에 의해 정의된 제 1 홉 주파수는 잠재적으로 다른 인덱싱에 의해 홉핑 시퀀스를 인덱스하기 위해 여전히 사용된다. 그들은 모호성 없이 알려진다.

f_idx_data_0, sb_idx_data_0, hop_seq_idx에 의존하는 의사 랜덤 시퀀스들을 생성하는 것은 종래 기술의 일부이다. 서브 대역 인덱스를 위한 것과 주파수 인덱스를 위한 것 중 하나가 있어야 한다. 이것의 일 예는 그의 상태 크기가 f_idx_data_0, sb_idx_data_0, index, hop_seq_idx를 나타내기 위해 필요한 총 비트수 이상인 의사 랜덤 이진 시퀀스 발생기들을 사용한다.

혼합 주파수 동기화 능력들을 갖는 서브 대역 경우에 대한 홉핑 시퀀스들

모든 센서 노드들이 양호한 시간/주파수 기준들을 구비하지는 않을 것이기 때문에, 이러한 경우는 더 실현 가능하다. 이전 동기화에서도, 센서 노드들은 상당한 주파수 드리프트들을 나타낼 수 있는데, 왜냐하면 비콘/동기화 프레임들이 LPWAN에서 매우 자주 발생하지는 않기 때문이다.

이후, 두 모집단들을 공존시킬 필요가 있다. 더 높은 홉핑 공간을 더 양호하게 동기화된 노드들에 제공하는 것이 바람직하다. 물론, 이는 또한 모든 노드들에 대한 공간을 감소키는 것이 가능해서, 그들이 동일하게 만들 수도 있다.

도 15는 본 발명의 프레임의 가능한 배열을 도시한다. 느슨하게 동기화된 노드들에 대한 제 1 홉 주파수는 제한적이고 f_err_max보다 대역 제한에 더 가깝게 허용되지 않다. 송신 노드는 여전히 첫번째 사용된 서브 대역을 통해 정확한 주파수를 시그널링한다. 느슨하게 동기화된 노드들은 N-P 중간 채널들(홉들(240))만을 사용할 수 있는 반면, 잘 동기화된 노드들은 N개의 이용 가능한 채널들(홉들(245)) 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 각 홉에 대해 서브-대역 인덱스가 변경되지만, 이는 표준 의사 랜덤 홉핑 시퀀스를 사용한다는 점을 유의하라.

홉핑 세트가 사용되는 시그널링은 제 1 주파수 인덱스로부터 다시 온다. 중앙의 일부 주파수들은 전체 스팬 홉핑 시퀀스들을 시그널링할 수 있다. 주파수들의 집합은 도 16에 도시되는 2개의 분리된 그룹들로 분할되어야 한다. 느슨하게 동기 노드의 제 1 홉을 보장하기 위해 중심에 주파수들만을 갖는 제 1 그룹은 허용된 경계들 내에 있고, 제 2 그룹은 나머지이다. 그룹들의 상대적 크기들은 느슨하게 동기화된 노드의 비율에 의존해야 한다.

Claims (7)

1. 미리 결정된 주파수 대역 및 로컬 주파수 기준에서 작동하는 무선 인터페이스를 포함하는 무선 송신 장치로서, 상기 주파수 대역은 복수의 인접하거나 분리된 서브-대역들을 포함하는, 상기 무선 송신 장치에 있어서:
   상기 로컬 주파수 기준의 주파수 에러를 나타내는 동기화 상태를 획득하고,
   상기 동기화 상태에 의존하여 상기 서브-대역들의 폭을 적응시키고,
   무선 송신 장치의 상기 로컬 주파수 기준을 사용하여 측정될 때, 서브-대역의 적응된 폭에 포함되는 변조된 신호들을 획득하기 위해, 송신 서브-대역 내에 주파수를 갖는 반송파를 변조하고,
   시퀀스에 따라, 상기 주파수 대역에서 여러 홉핑 주파수들 중에 반송파의 주파수를 스위칭함으로써 상기 변조된 신호들을 확산 스펙트럼 무선 신호로 조합하고,
   상기 무선 인터페이스를 통해 상기 무선 신호를 송신하도록 작동 가능하게 배열되는, 무선 송신 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 홉핑 주파수들은 여러 서브-대역들에 속하는, 무선 송신 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   송신기들은 상기 시퀀스의 제 1 홉핑 주파수에 대한 정보의 요소를 송신하는, 무선 송신 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 정보의 요소는 상기 제 1 홉핑 주파수를 지정하는 채널 인덱스의 최하위 부분을 인코딩하는, 무선 송신 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   홉핑 시퀀스는 상대적인 간격들에 의해 규정되고, 상기 무선 송신 장치는 상기 제 1 홉핑 주파수의 절대값을 선택할 수 있고, 상기 정보의 요소는 상기 제 1 홉핑 주파수의 선택시 인코딩되는, 무선 송신 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 송신 서브-대역의 폭은 상기 동기화 상태에 의해 나타내진 주파수 에러가 높을수록 상기 적응된 폭이 좁아지도록 적응되는, 무선 송신 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 동기화 상태는: 상기 로컬 주파수 기준의 공칭 에러; 상기 로컬 주파수 기준의 드리프트; 다운링크 이래로 경과된 시간 및/또는 상기 로컬 주파수 기준의 보정 중 하나 이상에 기초하여 획득되는, 무선 송신 장치.

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