CN107453839A - 利用宏分集的无线通信*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用宏分集的无线通信***。一种无线通信***包括通过无线无线电接口装备的一个或若干节点（A），所述无线无线电接口被适配用于传输以一系列频率啁啾的形式的经调制的数字消息，例如经LoRa调制的无线电信号。消息被若干基站（C、D、E）同时接收，并且服务器（S）被布置用于划分不同的基站的帧和基于错误码针对预期接收者（B）重组经纠正的帧。有利地，在错误码指示消息的损坏时，基站适应它们的定时误差补偿策略。

Description

利用宏分集的无线通信***

技术领域

本发明在实施例中与无线网络***相关并且特别地与包括多个低功率节点的无线网络相关，并且与通信错误的降低和干扰的抑制相关。

背景技术

在最近的时间，连接网络的设备已经是相当感兴趣和努力的对象。在无线通信技术方面的改进正在导致“物联网”的创建。

已经在该背景下提出了若干无线通信协议。除了别的之外通过专利申请EP2767847 和EP2449690知道的LoRa通信***使用啁啾扩频调制以在低功率消耗和复杂性的情况下实现长传输距离。

也已知使用分集技术从有噪声的通信信道提取信息。例如，天线分集、站点分集和频率分集预见使用若干物理天线、位置或频段来接收同一消息。已经设计了用以从损坏的（corrupted）信号重建消息的若干解调技术。

IoT***中的无线通信常常部署在免许可的ISM波段上。这意味着消息交换必须与来自同时使用相同频率的其他设备的干扰信号作斗争。

同一***可能需要在不同的干扰信道上进行传输。LoRa调制***例如允许以不同的扩频因子的同时传输。利用不同的扩频因子的重叠信号可以被独立地调制，但它们互相干扰。LoRa调制***的一些变体还预见经FSK调制的数据在与经啁啾调制的信号相同的时间的传输，并且这些信号也可能干扰。

常规地，通过使得重发损坏的消息或其部分来应对传输错误。在自动重传请求（ARQ）***中，接收机通过使用一些嵌入的错误纠正数据（例如CRC码）来验证接收到的帧是否被正确地接收。如果验证失败，则向后向发射机发送重发请求。在其他情况下，接收机将发送针对任何正确地接收到的帧的确认，错失所述确认，帧将被自动地重发。

这些方案的缺点是它们表示网络容量上的开销，并且所交换的数据的量随着干扰的数目而迅速增加。在一些情况下，错误率由于干扰而可能接近50%。在这样的情况下，先前帧的重发请求和重传可能消耗网络容量中的大部分。所述请求、确认和重发也可能被为相同频率竞争的其他网络认作为干扰，这还将使得那些网络中的信令增加，并且可能导致干扰的逐步上升。

宽松地称为“混合ARQ”的更先进的方案预见丢失帧的子集的重发，或者不同版本的冗余的重发。这样的措施还要求来自接收机的主动信号，并且虽然其减轻了上面的限制但不能完全解决它们。

在IoT网络中，上面的策略可能证明是不适当的，因为通常基站的占空比受限。因此，处理帧错误的优选方式是有***地应用冗余：可能通过不同的频率发送每个帧若干次。这当然对电池寿命、网络容量有负面影响并且具有对其他网络的干扰。

发明内容

本发明重建从多个不同的无线互连节点接收到的消息。

在比如LoRa的扩频***的情况下，干扰者常常在时间上比传输帧短。

本发明的网络利用高频重用因子进行操作，并且常常被部署为单频网络。指定去往特定接收者的任何传输将被接收范围内的若干其他、可能全部节点拾取。由于该冗余，节点可以协作以恢复其都没有正确地接收的帧。

附图说明

• 图1表示消息在两个节点之间的传输，以及通过网络中的其他节点的帮助的所述消息的恢复。

• 图2示意性地表示了根据本发明的方面的帧的结构。

• 图3以简化方式示出了根据本发明的方面的消息按照错误纠正块的可能划分。

• 图4示意性地图示了根据本发明的方面的比较和组合分集数据的方法。

• 图5和6是本发明的方法的成功率的图。

具体实施方式

根据参照图1讨论的本发明的方面，无线网络82中的发射机节点A向接收机节点B发送编码在一系列帧中的消息，稍后将讨论所述帧的结构。

接收机B可能属于与A相同的无线网络82，但一般地是可由任何种类的网络连接访问的通用节点。可能场景可以是A是移动传感器，其向互联网中或通用网络84中的服务器B发送其部分的周期性更新，并且可能发送其他变量的周期性更新。在与发射机节点A相同的频率上进行传输（箭头35）的干扰者I扰乱传输。如在介绍中提及的那样，I可能属于无线网络82或另一通信网络，其可能使用频率与A使用的频率重叠的不同的调制***。

无线电消息被节点C、D、E接收（箭头21），它们优选地是无线网络82的基础设施的部分。它们可能是无线网络82中的基站。传输21部分被I覆盖，并且基站可能在对消息进行完全解码时不成功，但可能它们得到的消息没有以相同方式损坏。

消息21可以使用利用错误纠正方案的常规LoRa帧的结构。这在本领域中、例如在EP2767847（其特此被通过引用合并）中被描述，并且将在这里仅概要地回想。

LoRa传输的特殊优点是其允许精确同步。这在移动节点具有低成本振荡器并且必须尽可能多地保持在低功率状态中的IoT网络中是有帮助的。LoRa接收机可以将它们本身同步到发送者的时间参考并且跟踪发送者的漂移，以纠正发射机的时间参考的固有误差。

A传输的消息优选地是包括一系列频率啁啾的经LoRa调制的信号，所述一系列频率啁啾可以通过它们的即时频率的时间剖面（profile）ƒ(t)或者还通过将相位描述为时间的函数的函数ϕ(t)来描述。消息可以包括多个不同的剖面，每个对应于调制字母表中的符号。

常常，调制字母表包括也被称作基础啁啾的未经调制的啁啾，其具有特定且预先确定的频率剖面，例如从最小值上升到最大值的频率的线性斜坡，以及通过对基础剖面进行循环地时移而从基础啁啾获得的经调制的啁啾。

基础啁啾的频率可以从初始值ƒ ₀ =−BW/2线性地上升到最终值ƒ ₁ =BW/2，其中BW代表带宽扩展的量，但下降的啁啾或共轭啁啾也是可能的。如果信号的相位在从一个符号跨到下面时是连续的，则是有利的。这可以通过选择在下限和上限处产生相同相位ϕ(t ₀ ) =ϕ(t ₁ )的基础剖面来获得。

图2示意性地表示经LoRa调制的消息中的帧的可能结构。每个矩形表示啁啾或调制符号，并且可以对应于一个或若干被编码位。帧以包括基础（未经调制的）符号的检测序列411的前导码开始。在接收机中使用检测序列以检测信号的开始并且优选地执行接收机的时间参考与发射机的时间参考的第一同步。可以例如通过对基础符号“解啁啾（dechirp）”，即：使基础符号乘以本地合成的共轭啁啾并且对结果应用傅里叶变换，来获得频移。

通过在接收机中使用的各种符号来标记检测序列的结束以提高同步。这些可以包括是用声明的预先确定的值调制的啁啾的帧同步符号412、是基础啁啾的复共轭的频率同步符号413，以及精细同步符号414。帧进一步包括用以标识接着的数据的信息的头部415，以及包括意图被传输的消息的可变长度的净荷。

重要地，在LoRa接收机中利用啁啾信号的时频对偶性以在检测前导码时和在对净荷进行解调时将啁啾信号的时间参考同步到发射机的时基，如在EP2767847中解释的那样。通常，接收机将通过定时补偿回路来连续地估计和跟踪它自己的时基与发射机的时基之间的频率偏移的值。

通过关于扩频因子的协议规范来确定帧的长度。表格1提供了符号中的各种块的可能长度的示例。

相对于干扰者的信号的长度和LoRa符号及帧的长度，补偿回路的带宽对接收质量起重要作用。由于LoRa使用扩频，干扰者常常比帧短，尤其针对高的扩频因子。

已经发现窄带宽精细定时补偿回路常常是有利的。意图通过“窄带宽”的传递功能，其减弱或忽略比典型的LoRa帧短的脉冲。如果定时补偿回路的带宽低，则在帧的中间的短干扰将不影响定时补偿数据并且将不防止在扰乱经过时对帧的末端的正确接收。

在一些情况下，例如当发射机温度由于自加热而快速改变时，时间漂移的快速（宽带宽）纠正也可能是合期望的，所述发射机继而将在它的晶体振荡器的增加的漂移中和在信号的频率偏移中进行转化。该方法的限制是只有在信号被接收并且可以被解调时才可以实时地确定漂移误差。当接收被干扰扰乱时，漂移误差立刻丢失，并且漂移纠正是不可能的。

优选地，接收信号21的基站C、D、E被布置成根据对干扰的检测来适配定时误差补偿。例如，基站可以实现两个或更多个定时跟踪回路，一个具有快速角漂移（dime drift）纠正，并且一个具有较慢纠正，或者甚至没有跟踪的对频率的静态的恒定的纠正。

基站C、D、E的接收机被优选地布置成在正常情况下借助于最快回路来纠正漂移，并且回落到较慢纠正，或甚至到静态纠正，在接收错误的情况下，抛弃跟踪的所有尝试。

基站可以通过错误纠正码来检测接收错误，所述错误纠正码例如根据所选错误纠正方案***的CRC码。当然，如果CRC码是错误的，则当利用快速和缓慢跟踪来处理信号时，切换到缓慢跟踪都将不恢复由于干扰而丢失的数据，但一旦干扰结束就可以帮助重新开始纠正接收。

为了实现若干定时纠正回路，本发明的基站可能具有有着缓慢和快速定时纠正回路的并行的多个接收机，或者有着宽和窄带宽的多个并行的硬件控制单元。由于常常不以非常大的数目部署基站，该硬件重复不是缺点。然而，本发明还包括完全或部分地在软件中实现确定和跟踪定时误差的控制单元的实施例。

优选地，频率偏移纠正回路包括发射机振荡器的频率漂移模型和/或热漂移模型。这些模型用来推断频率漂移和在干扰停止之后重新开始解调。

错误纠正方案将帧划分成几个符号的块，例如五到八个符号的块，数目是根据必要性和编码率可变的。这些块被独立地编码。以扩频因子 SF10传输的40个字节的单个帧可以包括八到十个块，其取决于调制设置。

根据呈现的示例，基站E、F、G报告它们接收的所有有效分组，但还报告无效的接收的分组，连同接收到的帧的CRC。

LoRa中心服务器S从所有基站C、D、E收集数据和元数据。服务器检测并且可能处理对应于同一传输的其他无效帧。

有若干可能性标识源于同一传输的帧的所接收的帧的集合。例如，基站可以对所接收的帧盖时间戳并且将该元数据添加到传输给中心服务器S的信息。时间戳，可能与标识发射机节点A的单独码结合，允许将对应于同一传输的帧组合在一起。

在帧中的对应于转变的至少一个帧具有有效CRC的幸运的可能事件中，该帧被认为“正确”，并且被向前发送到指定的接收者B（箭头28）。

LoRa帧被赋有对编码率进行编码的头部和净荷侧。优选地，用于传输的所接收的帧中的至少一个应该被至少一个基站正确地接收，以简化以下处理和增加结果的可靠性。在替代中，大小和编码率可能被提前确定或知道，或者猜测。

重要地，LoRa网络是冗余的，即所有基站在相同频率上进行操作，这提高了本发明的协作方案的效力。

为了简化讨论，将假设传输集合包括由两个基站（或由同一基站中的两个天线/无线电）接收的被标识为关于同一传输的两个帧。LoRa服务器S在接收到这些帧时，执行以下操作：

• 将每个帧切成对应于错误纠正块的大小的块。块的大小可以被预先确定并且对服务器S已知，或以其他方式可由服务器S导出。对于标准的LoRa传输和各种扩频而言，实际上依靠如下面由表格1给出的扩频因子和其他已知变量来预先确定块的大小，但数值不是本发明的本质特征。

• 在一个帧中块的大小不需要相同：第一块可能是特殊的，因为第一数据位可能与头部一起传输，其被以特定方式编码，并且最后的块可能比其他块小。通常，最后的块包括CRC值，即在切割之前CRC附着在数据位的末端处，但其他位置也是可能的。图3图示了在标准LoRa传输的情况下的切割的示例。

• 找到在集合中的所有帧中相同的对应块。

• 针对不在集合中的所有帧中相同的所有块，通过从所有可能的组合当中选择一个来构成混合帧，并且检查它们是否产生与所传输的CRC匹配的CRC。

• 如果CRC有效，则纠正消息被发现并且可以被传输到指定的接收者B（箭头29）。

表格1：按信息位计的错误纠正块大小。

通常，要探测的组合的数目是可管理的。在典型情况下，一个或多个块将被干扰并且至多四个块将是不同的。这对应于2⁴ = 16个组合的搜索空间，其中的已经被接收的那2个已经使它们的CRC在基站中被检查并且知道是无效的。

图4用图表表示了在两个所接收的信号中有两个被损坏的块的情况下的有效组合的组合搜索的示例。

如果所接收的帧的集合包括多于两个块，则可以通过应用多数选择和接受在大多数所接收的帧中表示的那些块作为有效块来简化搜索空间。上面描述的组合搜索用于不具有多数候选的块。

测试和仿真指示本发明的错误纠正方法提供在成功地传输的帧的数目中的显著提高和在重发请求的数目中的对应降低。下图示出了在以下假设下的仿真的结果：

• 所有干扰具有相同长度，其等于帧的十分之一并且它们的时间分布是泊松过程的时间分布。

• 帧包括20%的头部+前导码，以及80%的数据。针对SF40，这对应于数据的40个字节。

• 不尝试恢复在头部或前导码期间发生的干扰，并且不转发对应帧。

• 如果所有基站在相同时隙或块中遭遇干扰，则帧不能被恢复，否则帧被恢复，或者至少一个基站接收到完全有效的帧。

图5和6是作为单个基站的成功率的函数的本发明的方法的成功率的图。如果一个基站（没有分集）的成功概率是50%，则从两个基站接收一个有效帧的概率是75%。利用上面描述的协作方法，成功率增加到86%（参见点70、72），其是16%的增加。针对大量地干扰的情况，提高可以达到50%。重要地，成功率中的该增加直接转化成吞吐量和***容量的成比例的增加，如图6中示出的那样。

Claims (6)

1.一种无线通信***，包括通过无线无线电接口装备的一个或若干节点，所述无线无线电接口被适配用于向接收者传输在确定长度的帧中组织的并且包括错误码的以一系列频率啁啾的形式的经调制的数字消息，

多个基站，其被布置用于接收和解调所述无线电消息，

服务器，其被布置成接收从每个基站接收的并且源于节点的帧，服务器被可操作地布置用于将从基站接收的帧划分成块、基于错误码重组包括由不同的基站接收的块的经纠正的帧、将经纠正的帧传输到接收者。

2.根据权利要求1所述的通信***，其中所述基站被布置用于确定和跟踪节点的时间参考与基站的时间参考之间的定时误差，以及用于在对源于节点的消息进行解调时补偿所述定时误差，基站被布置用于在错误码指示消息的损坏时适配定时误差的补偿。

3.根据权利要求2所述的通信***，其中基站具有用于定时误差的补偿的第一控制单元，以及用于定时误差的补偿的第二控制单元，第二单元对基本上比帧的持续时间短的脉冲比第一单元更不敏感，补偿的适配在于选择第二补偿单元。

4.根据权利要求2所述的通信***，其中第一控制单元和/或第二控制单元包括针对节点的时间参考的热漂移模型。

5.根据权利要求2所述的通信***，其中第二控制单元应用恒定的频率偏移纠正。

6.根据权利要求1所述的通信***，其中所有基站在相同频率处进行操作。