CN115549725B - 一种窄带跳频多路接入的通信算法及arm实现 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种窄带跳频多路接入的通信算法,涉及通信技术领域,具体的步骤为:利用窄带调制技术对需要发射的信号进行BPSK调制,得到高频调制信号;多路接入;高频调制信号按照设定的伪随机序列跳频序列的算法进行跳频发射,直至发射完成。该窄带跳频多路接入的通信算法在搭载有射频收发器模块的ARM上实现,通过超窄带调制和跳频,获得超高接收灵敏度,实现远距离通讯,通过窄带跳频信号的跳频算法实现,超窄带信号可以按照既定的跳频序列在设定的带宽内进行跳频发射,减少邻道干扰并满足地方法规,通过信道划分和伪随机序列跳频序列的算法,可以降低***内的冲突,大大提高了***容量。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域,具体为一种窄带跳频多路接入的通信算法及ARM实现。
背景技术
在智能化发展越来越普遍的趋势下,物联网实现万物互联的需求也正受到大家的期待。无线通信技术在物联网的发展和使用经历了从第一代移动蜂窝网络,到如wifi,蓝牙,zigbee等局域网技术,再到小无线,FSK,LoRa,Sigfox,NB-IOT等广域网通信技术。移动蜂窝网络对物联网应用的灵活性是一个大的受限,且需要对数据付费。局域网通信技术,由于距离短难以实现长距离的设备连接,且功耗大。现有的广域网技术如小无线,FSK,LoRa,sigfox等,由于速率普遍偏低,导致数据发送空中时间较长,由于大部分国家或地区法规对无线信道发射时间作了限制,导致无线频率管理法规的合规性受到挑战;且由于固定频点发射,信道数量有限,网络容量也受到影响。
发明内容
本发明提供了一种窄带跳频多路接入的通信算法及ARM实现,通过超窄带调制信号,获得超高接收灵敏度,实现远距离通讯;通过跳频技术,解决单信道发射的空中时间限制,满足各地法规要求;通过多路接入通信算法,提高了覆盖区域的网络容量,解决了上述背景技术中提出的局域网远距离通信困难,且功耗大,广域网信号速率低,数据发送空中时间长,信号发射时间及频率均受限,网络容量也受影响的问题。
本发明提供如下技术方案:一种窄带跳频多路接入的通信算法,包括以下步骤:
步骤一、利用窄带跳频多路接入调制技术对需要发射的信号进行调制,得到高频调制信号;
需要发生的数据流传输至数据接口Buffer,数据接口Buffer内的信号经过前向纠错编码后被送至交织器存储单元,交织器存储单元内的信号数据存满后,其内部的信号数据被读出,且读出的信号经过符号转换和IQ信号转换得到IQ信号,IQ信号输入到数字delta-sigma调制器得到超窄带BPSK信号,超窄带BPSK信号经过驱动锁相环,得到高频的窄带调制信号;
步骤二、跳频通信技术对信道进行划分,使信道可以容纳多个子载波信道接入,并设定伪随机序列跳频序列的算法。
步骤三、对步骤一中的高频调制信号按照设定的伪随机序列跳频序列的算法进行信号跳频发射,直至发射完成,且接收方确保在跳频范围的带宽内全部接收所有子载波信道的信号,完成完整信号的接收和解析。
优选的,超窄带BPSK信号的载波频率可调节,范围为200~960MHz。
优选的,交织器存储单元内读出的信号数据经过符号转换后输出的符号序列不需要序列扩频,且输出的符号序列为恒包络信号。
优选的,IQ信号转换的方法为:输出的符号序列经过笛卡尔坐标到极坐标方法的转换器提取出来,相位分量通过正交处理得到IQ信号。
优选的,信道通过信道带宽进行划分。
优选的,所述窄带跳频多路接入的通信算法在搭载有射频收发器的模块上的ARM中实现。
优选的,跳频算法为Ni=hash(当前跳频下标i,seq序列种子)%Ngrid(当前带宽下gird的数量);频率=当前中心频点-Ni*当前晶振下grid的数量,其中Ni指当前信道编号数值。
优选的,计算跳频数据块数的算法为:实际长度位数=((有效载荷+2字节CRC)*8+6)*CR总位数/CR实际位数;
数据块数=(实际长度位数+47)/48;
MAC数据位数=114*4字节同步字+数据块数*50;
MAC数据字节数=(MAC数据位数+8-1)/8;
跳频块数=数据块数+4字节同步字;
其中:CR指数据位的冗余率;MAC指媒体访问控制(MAC)层;2字节CRC指2字节循环冗余校验(CRC)码。
优选的,跳频序列中每个频点发射49至51ms。
与现有技术对比,本发明具备以下有益效果:
1、该窄带跳频多路接入的通信算法及ARM实现,通过超窄带调制信号,获得超高接收灵敏度,实现远距离通讯,通过FEC前向纠错算法增加冗余,提高了抗干扰性和纠错能力,相当于提高了接收灵敏度。
2、该窄带跳频多路接入的通信算法及ARM实现,通过窄带跳频信号的跳频算法实现,超窄带信号可以按照既定的跳频序列在设定的带宽内进行跳频发射,减少邻道干扰并满足地方法规,通过信道划分和伪随机序列跳频序列的算法,可以降低***内的冲突,窄带加上跳频大大提高了***网络容量,是实现网络设备的大规模接入的理论基础。实际测试结果显示一个网关设备可以接入数十万终端,实测结果是目前接入容量最大的物联网通信***。
3、本发明面向的是LPWAN(远距离低功耗无线接入网络),通过较高速率,窄带和缩短时间发射,并通过FEC纠错算法和冗余处理及窄带跳频发射,减少现有LPWAN通信***普遍存在的重构发机制,从而实现更低的终端功耗。
附图说明
图1为本发明算法NarrowBandMultiConnect调制过程示意图;
图2为本发明实施例1中一个终端节点NBMC跳频频谱图;
图3为本发明实施例1中十个终端节点累积跳频瀑布图;
图4为本发明实施例2中NarrowBandMultiConnect跳频发射流程示意图。
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。
一种窄带跳频多路接入的通信算法,包括以下步骤:
步骤一、利用窄带跳频多路接入调制技术对需要发射的信号进行调制,得到高频调制信号;
需要发生的数据流传输至数据接口Buffer,数据接口Buffer内的信号经过前向纠错编码后被送至交织器存储单元,交织器存储单元内的信号数据存满后,其内部的信号数据被读出,且读出的信号经过符号转换和IQ信号转换得到IQ信号,且读出的信号数据经过符号转换后输出的符号序列不需要序列扩频,且输出的符号序列为恒包络信号,输出的符号序列输出的符号序列经过笛卡尔坐标到极坐标方法的转换器提取出来,相位分量通过正交处理得到IQ信号,IQ信号输入到数字delta-sigma调制器得到超窄带BPSK信号,超窄带BPSK信号经过驱动锁相环,得到高射频调制信号,超窄带BPSK信号的载波频率可调节,范围为200~960MHz;
步骤二、窄带跳频通信技术通过带宽对信道进行划分,使信道可以容纳多个子载波信道接入,并设定伪随机序列跳频序列的算法,降低***内的冲突,实现***网络容量。
步骤三、对步骤一中的高频调制信号按照设定的伪随机序列跳频序列的算法进行信号跳频发射,直至发射完成,且接收方确保可以在跳频范围的带宽内全部接收所有子载波信道的信号,并完成完整信号的接收和解析。
上述步骤一中窄带跳频多路接入调制技术通过FEC前向纠错算法增加冗余,提高了抗干扰性和纠错能力,窄带跳频多路接入调制技术把通过FEC前向纠错后的比特信息,交织编码后,实现射频通道上的490Hz的超窄带信号,从而获得极低信号噪声,获得超高接收灵敏度,达到远距离通讯的目的,且窄带跳频信号的跳频算法实现,超窄带信号可以按照既定的跳频序列在设定的带宽内进行跳频发射,减少邻道干扰并满足地方法规。
本专利的NBMC(NarrowBandMultiConnect)是基于窄带调制信号作为物理层的多信道接入技术,是由窄带调制技术、跳频通信技术组成的混合组网构建的***,且***内设备跳频通讯过程。
上述窄带跳频多路接入的通信算法的一种实施例1为:
a)、信号调制过程起始于用户数据(数据载荷)传送到数据缓存接口;
b)、用户数据首先按照每2bits进行划分,然后根FEC纠错的设置(寄存器)附加1~4个bit的冗余纠错CR冗余位;
c)、得到的2+CR数据位然后被送到交织器存储单元;
d)、一旦交织器存储单元存满,其数据被按一定顺序读出并被转直接转换为一定速率(根据设定)的符号序列,不需序列扩频;
e)、输出的符号序列为恒包络信号,该复数信号的相位信息通过简单的笛卡尔坐标到极坐标方法的转换器提取出来,相位分量通过正交处理得到IQ信号;
f)、IQ信号输入到数字delta-sigma调制器得到BPSK信号;
g)、调制器输出的信号,驱动锁相环,得到所需要的高频射频调制信号,经过调制后产生一个带宽约为490Hz的超窄带BPSK信号,载波频率合成范围可以覆盖200MHz~960MHz;
h)、跳频通信***设定了一个1.523MHz的工作带宽作为工作带宽范围,该***信道内可以容纳共计3120个490Hz的子载波信道接入,超窄带信号按照既定的跳频序列在设定的带宽内进行跳频发射,直至发射完成,接收方完成完整信号的接收。
上述窄带跳频多路接入的通信算法在搭载有BPSK射频收发器的模块上的ARM中实现,具体流程为:NBMC数据发射启动;配置最大输出功率,配置实际发射功率和上升时间;设置发射超时时间;设置频点、FEC码率、带宽和当前带宽下的Grid数;切换StandBy状态;根据中心频点算出跳频步进;设置并使能发送完成中断、发射超时终端、跳频中断;根据FEC码率计算跳频次数和跳频数据块数,设置跳频序列;NBMC调制组帧:数据白化处理,利用维特比算法计算编码,有效荷载交织;设置发送基地址并向基地址填充有效荷载;切换下个频点,继续发射NBMC数据;判断跳频是否中断,判断结果为是,返回上一步,判断结果为否,继续判断发送完成中断,判断发送完成中断的判断结果为是,停止NBMC发射,NBMC发射完成,判断发送完成中断的判断结果为否,继续判断发送完成中断。
跳频算法为:Ni=hash(当前跳频下标i,seq序列种子)%Ngrid(当前带宽下gird的数量);频率=当前中心频点-Ni*当前晶振下grid的数量。
计算跳频数据块数的算法为:实际长度位数=((有效载荷+2字节CRC)*8+6)*CR总位数/CR实际位数;
数据块数=(实际长度位数+47)/48;
MAC数据位数=114*4字节同步字+数据块数*50;
MAC数据字节数=(MAC数据位数+8-1)/8;
跳频块数=数据块数+4字节同步字。
跳频序列中每个频点发射49至51ms。
跳频步进值为跳频频率和当前中心频点之间差值数的两倍。
其中:CR指数据位的冗余率;MAC指媒体访问控制(MAC)层;2字节CRC指2字节循环冗余校验(CRC)码,Ni指当前信道编号数值。
上述窄带跳频多路接入的通信算法的ARM实现的流程实施例2为:NBMC数据发射启动;配置最大输出功率22dbm,根据当地规范配置实际发射功率和上升时间40us;设置发射超时时间4秒;设置频点为474MHZ、三分之二的FEC码率、带宽为386.719KHZ和当前带宽下的Grid数为3.906KHZ;切换StandBy状态;根据中心频点算出跳频步进;设置并使能发送完成中断、发射超时终端、跳频中断;根据FEC码率计算跳频次数和跳频数据块数,设置跳频序列,且跳频序列中每个频点发射50ms;NBMC调制组帧:数据白化处理,利用维特比算法计算编码,有效荷载交织;设置发送基地址并向基地址填充有效荷载;切换下个频点,继续发射NBMC数据;判断跳频是否中断,判断结果为是,回到切换下个频点,继续发射NBMC数据这一步,接着判断跳频是否中断,判断结果为否,接着判断发送完成中断,判断结果为是,停止NBMC发射,NBMC发射完成,若判断结果为否,继续判断发送完成中断。
本申请涉及到的电气元件均在市场上可以买到,均是现有产品,尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、利用窄带跳频多路接入调制技术对需要发射的信号进行调制,得到高频调制信号;
需要发射的数据流传输至数据接口Buffer,数据接口Buffer内的数据流经过前向纠错编码后被送至交织器存储单元,交织器存储单元内的信号数据存满后,其内部的信号数据被读出,且读出的信号经过符号转换和IQ信号转换得到IQ信号,IQ信号输入到数字delta-sigma调制器得到超窄带BPSK信号,超窄带BPSK信号经过驱动锁相环,得到高频调制信号;
步骤二、跳频通信技术对信道进行划分,使信道可以容纳多个子载波信道接入,并设定伪随机序列跳频序列的算法;
步骤三、对步骤一中的高频调制信号按照设定的伪随机序列跳频序列的算法进行信号跳频发射,直至发射完成,且接收方确保在跳频范围的带宽内全部接收所有子载波信道的信号,完成完整信号的接收和解析。
2.根据权利要求1所述的一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:超窄带BPSK信号的载波频率可调节,范围为200~960MHz。
3.根据权利要求1所述的一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:交织器存储单元内读出的信号数据经过符号转换后输出的符号序列不需要序列扩频,且输出的符号序列为恒包络信号。
4.根据权利要求3所述的一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:IQ信号转换的方法为:输出的符号序列经过笛卡尔坐标到极坐标方法的转换器提取出来,相位分量通过正交处理得到IQ信号。
5.根据权利要求1所述的一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:信道通过信道带宽进行划分。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:所述窄带跳频多路接入的通信算法在搭载有射频收发器的模块上ARM实现。
7.根据权利要求1所述的一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:跳频算法为Ni=hash(当前跳频下标i,seq序列种子)%Ngrid(当前带宽下gird的数量);频率=当前中心频点-Ni*当前晶振下grid的数量,其中Ni指当前信道编号数值。
8.根据权利要求1所述的一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:计算跳频数据块数的算法为:实际长度位数=((有效载荷+2字节CRC)*8+6)*CR总位数/CR实际位数;
数据块数=(实际长度位数+47)/48;
MAC数据位数=114*4字节同步字+数据块数*50;
MAC数据字节数=(MAC数据位数+8-1)/8;
跳频块数=数据块数+4字节同步字;
其中:CR指数据位的冗余率;MAC指媒体访问控制(MAC)层;2字节CRC指2字节循环冗余校验(CRC)码。
9.根据权利要求1所述的一种窄带跳频多路接入的通信算法,其特征在于:跳频序列中每个频点发射49至51ms。
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