在LPWAN网络中进行频率校正的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用

本国际申请要求2018年12月14日提交的美国专利申请no.16/220,188的优先权，通过引用的方式将其全部内容合并于此。

本技术方案总体上涉及计算机设备领域，特别地涉及一种在低功耗广域网(lpwan)中数据传输期间进行频率校正的方法和系统。

背景技术：

如今，当窄带无线电信号用于低功率广域网(lpwan)时，信号带宽为500hz和更低，频率合成器产生载波频率的不准确可能导致发生与发射器和接收器的频率未对准相关的问题。对于从用户设备发送到集线器的窄带无线电信号来说，这个问题可以通过集线器对宽频带的处理来解决，该宽频带是大于用户设备的发射器和集线器的接收器的频率的任何未对准的先验(prior)。在从集线器到用户设备的相反方向上，无线电信号通常使用现成的收发器接收，该收发器处理与预期信号的频带相对应的窄信号频带，而不考虑接收器和发射器的频率的任何可能的差异。在这种情况下，无线电信号中信号的载波频率应该与用户设备的输入接收滤波器的通带完全匹配，以便成功接收无线电信号。例如，对于具有200hz频带的信号来说，对准精度应该在几十hz的量级。

有些已知的lpwan标准，例如lora^tm和sigfox^tm标准。按照lora^tm标准操作的设备使用频谱扩展的信号。该解决方案的缺点是数据网络的频谱效率降低。为了将消息从集线器发送到用户设备，sigfox^tm使用带宽不足以需要本发明的应用的信号。该解决方案的缺点是在从集线器到用户设备的传输期间通信距离范围的相对减小。因此，现有系统不使用窄带调制来进行数据的下行链路传输。

题为“radiotodetectandcompensationforfrequencymisalignment”的美国专利9,252,998b2(专利持有人：itron公司，公开日期：2016.02.02)，公开了一种包含射频(rf)子系统的无线电接收器；用于从射频子系统获得输入的数字子系统；用于评估从数字子系统获得的样本的频率误差并评估多个接收信号中的接收信号的频率偏移的装置，在这种情况下，用于评估频率误差的工具根据分组前导码长度测量频率偏差，并且多个接收信号与多个不同的信道频带相关联；以及发射器，用于以至少部分地基于评估的频率偏移的频率发送数据。

技术实现要素：

该技术方案旨在消除背景技术中获知的解决方案中固有的缺点。

根据本技术的第一个主要方面，提供了一种在低功率广域网(lpwan)中的数据传输期间进行频率校正方法，所述lpwan包括通信地联接到天线的集线器，所述方法能够由联接到所述集线器的计算设备执行。所述方法包括：由所述集线器通过所述天线接收携带来自用户设备的消息的无线电信号；由所述计算设备处理所述无线电信号，所述处理包括：将所述集线器的整个带宽划分为宽度对应于消息带宽的频谱部分；由所述计算设备接收在至少一些频谱部分中的消息；由所述计算设备识别接收到所述消息的多个频谱部分；由所述计算设备为接收到所述消息的每个频谱部分中的每个接收到的消息生成信号质量度量；由所述计算设备基于给定频谱部分，将接收到的消息的实际频率确定为所述给定频谱部分的中点，其中，所述给定频谱部分满足以下条件：在所述给定频谱部分中成功接收到所述消息，与也接收到所述消息的所有其他频谱部分相比，所述信号质量度量在所述给定频谱部分中具有最大值；由所述计算设备基于所述消息中包含的数据计算所述无线电信号的预期频率；由所述计算设备将接收到的无线电信号频率误差确定为所述信号的实际频率和预期频率之间的差；由所述计算设备基于接收到的无线电信号频率误差产生消息发送频率。

在所述方法的一些实施方式中，所述方法还包括：通过以下方式执行集线器频率误差校正：由所述集线器的发射器以所述集线器已知且可由所述集线器接收的频率发送至少一个附加消息；产生集线器频率误差，所述集线器频率误差为所述至少一个附加消息的实际频率和预期频率之间的差；并且其中，产生所述消息发送频率还基于接收到的无线电信号频率误差和所述集线器频率误差。

在所述方法的一些实施方式中，频谱部分重叠。

在所述方法的一些实施方式中，由所述计算设备接收在至少一些频谱部分中的消息包括：在所述至少一些频谱部分中独立地接收消息。

在所述方法的一些实施方式中，由所述计算设备为接收到所述消息的每个频谱部分中的给定接收到的消息生成信号质量度量：对所述给定接收到的消息进行解码；使用整个解码的给定接收到的消息来生成所述信号质量度量。

在所述方法的一些实施方式中，所述信号质量度量还基于以下中的至少一个：(i)平均信号功率和(ii)平均信号/噪声比。

在所述方法的一些实施方式中，由所述计算设备计算所述无线电信号的预期频率还基于包含在所述消息中的发送消息计数器，其中，在表中标识所述发送消息计数器。

在所述方法的一些实施方式中，所述集线器的发射设备位于所述集线器内。

在所述方法的一些实施方式中，所述集线器的发射设备被执行为以下之一：集成电路和单独部件的组件。

根据本技术的另一个广义方面，提供了一种在lpwan中的数据传输期间进行频率校正的系统。所述系统包括：接收设备天线，其被配置为将接收到的信号从发射设备引导到集线器；集线器，其被配置为通过所述接收设备天线接收无线电信号；与所述集线器相关联的计算设备，所述计算设备被配置为：由所述集线器从所述接收设备天线接收携带消息的无线电信号；由所述计算设备处理所述无线电信号，所述处理包括：将所述集线器的整个带宽划分为宽度对应于消息带宽的频谱部分；由所述计算设备接收在至少一些频谱部分中的消息；由所述计算设备识别接收到所述消息的多个频谱部分；由所述计算设备为接收到所述消息的每个频谱部分中的每个接收到的消息生成信号质量度量；由所述计算设备基于给定频谱部分，将接收到的消息的频率确定为所述给定频谱部分的中点，所述给定频谱部分满足以下条件：在所述给定频谱部分中成功接收到所述消息，与也接收到所述消息的所有其他频谱部分相比，所述信号质量度量在所述给定频谱部分中具有最大值；由所述计算设备基于所述消息中包含的数据计算所述无线电信号的预期频率；由所述计算设备将接收到的无线电信号频率误差确定为所述信号的所确定频率和预期频率之间的差；由所述计算设备基于接收到的无线电信号频率误差产生消息发送频率。

在所述系统的一些实施方式中，所述集线器的发射设备位于所述集线器内。

在所述系统的一些实施方式中，所述集线器的发射设备被实现为以下之一：(i)集成电路和(ii)单独部件的组件。

在所述系统的一些实施方式中，所述集线器还包括接收设备和发射设备。

本技术的非限制性实施例涉及可用于构建nb-filpwan通信技术的方法和系统。使用本技术解决方案的产品可以为物联网(iot)市场制造。

基于发明人对与现有技术解决方案相关联的至少一个问题的理解，已经开发了本技术的非限制性实施例。不希望受特定理论束缚，现有技术似乎没有教导如何在技术上评估频率误差，也没有示出接收设备上的频率误差如何与所需的传输补偿相关联。

本技术的非限制性实施例涉及用于用户设备和集线器的主发生器的频率的不稳定性的补偿算法。本技术的非限制性实施例可用于确保在从集线器到用户设备的消息传输期间载波频率的未对准足够低的等级。

在该技术方案中解决的技术任务或技术问题是确定在从集线器到用户设备的传输期间消息的载波频率的必要校正的值。

在本技术的至少一些非限制性实施例中，在解决上述技术任务时实现的技术结果是：通过使用在接收到消息并纠正误差以及补偿干扰并以更新的频率从集线器到用户设备进行传输之后评估频率误差的方法，提高评估集线器上的频率误差的准确性。在本技术的至少一些非限制性实施例中，这允许在从集线器到用户设备的传输期间使用窄带信号。

另外，在本技术的至少一些非限制性实施例中，由于在较低速度下以较窄信号频带的数据传输并且由于发射设备的频带与用户设备上的接收器的频带的更精确对准，所以从集线器到用户设备的数据传输的抗干扰性得到改善、增加了距离范围并且提高了频谱效率。

在本技术的至少一些非限制性实施例中，还提高了评估频率对干扰的稳定性，该干扰在频谱上看起来类似于来自用户设备的预期信号。

在本技术的至少一些非限制性实施例中，本技术解决方案还允许使用单独的，并且在一些版本中，使用不同的参考时钟和射频频率合成器来单独地实现集线器的发射器和接收器。这允许根据其功能目的将集线器的设计分成若干部分或在一个部分内分割单元，并且允许以不同的频率执行接收和传输。

在本技术的至少一些非限制性实施例中，通过在接收时实施评估频率误差、将该误差重新计算为用于传输的必要的调整并通过调整发送数据的方法，实现了技术结果。

在本技术的至少一些非限制性实施例中，通过在lpwan网络中的数据传输期间实施频率校正的方法，总体上实现了技术结果，该方法包括以下步骤：

·由集线器通过天线接收无线电信号；

·然后由集线器的计算设备对接收到的无线电信号进行处理，在这种情况下，将所述集线器的整个带宽划分为其宽度对应于消息带宽的部分(频谱部分)；

·然后使用集线器的计算设备在上一步骤分配的每个部分中接收消息；

·之后，对于上一步骤接收到的每个消息，将接收到消息的频谱部分的数字进行存储；

·然后，使用集线器的计算设备为接收到所述消息的每个频谱部分中的每个接收到的消息生成信号质量度量；

·将接收到消息的频率确定为满足以下条件的频谱部分的中点：在该部分中成功接收消息，并且与也接收到所述消息的所有部分相比，信号质量度量在该部分中取得最大值；

·然后基于消息中包含的数据计算无线电信号的预期频率；

·将接收到的无线电信号频率误差确定为信号的所确定频率和预期频率之间的差；

·基于先前确定的接收到的无线电信号的频率误差产生消息发送频率。

在技术方案的一些实施方式中，另外地以如下所述的方式校正集线器频率误差：

·使用集线器的发射器以集线器已知且可由集线器接收的频率发送至少一个消息；

·与前述过程类似地确定该消息的频率，将集线器频带划分为频谱部分，并比较接收到消息的部分的信号质量度量；

·将集线器频率误差确定为在前一步骤中确定的信号频率与从集线器的发送部发送并在其接收器上接收的信号的预期频率之间的差；

·基于接收到的消息频率误差和先前确定的集线器频率误差产生消息发送频率。

在技术方案的一些实现方式中，当带宽被分成多个部分时，这些部分重叠。

在技术方案的一些实现方式中，集线器彼此独立地接收每个部分中的消息。

在技术方案的一些实现方式中，解码后的整个消息用于生成信号质量度量。

在技术方案的一些实现方式中，平均信号功率和/或平均信号/噪声比是信号质量度量。

在技术方案的一些实现方式中，使用表将预期频率的计算与包含在消息中的发送消息计数器相关联。

在技术方案的一些实现方式中，集线器的发射器位于集线器内。

在技术方案的一些实现方式中，集线器的发射器是单独的设备。

在技术方案的一些实现方式中，集线器的发射器被制成集成微电路或单独部件的组件。

附图说明

通过下面给出的详细描述和附图，本技术方案的非限制性实施例的结构和优点将变得清楚，其中：

图1示出了在lpwan网络中的数据传输期间进行频率校正的方法的非限制性实施例的流程图。

图2示出了在lpwan网络中的数据传输期间进行频率校正的系统的非限制性实施例。

图3示出了计算设备的非限制性实施例，其将整个带宽划分为其宽度与消息频带相对应的部分。

具体实施方式

本技术方案的非限制性实施例可以实现为分布式计算机系统(无论是否集中)的部件，分布式计算机系统的部件可以是基于云的或本地服务器、计量仪器、路由器等，不受此限制。

根据本技术的非限制性实施例，术语“系统”可包括以下中的一个或多个：计算机系统或自动化系统(as)，计算机，数控系统，plc(可编程逻辑控制器)，计算机化控制系统和能够执行预设的、明确限定的计算操作(动作、指令)序列的任何其他设备。

根据本技术的非限制性实施例，术语“消息”包括十字节或更多字节的数据块，其格式对于用户设备和集线器都是已知的，并且其内容允许接收器(无论是用户设备还是集线器)检测和接收消息。

消息包含称为“前导码”的预定比特序列，其用于对输入信号中的消息和消息本身的数据进行初步搜索。在本技术的一些非限制性实施例中，消息还包括附加服务信息，例如发送消息计数器等。在本技术的一些非限制性实施例中，消息还可以包括校验和、循环冗余码或另一组附加数据。这种类型的附加信息可用于控制消息接收的正确性。在本技术的一些非限制性实施例中，消息还可以包括附加的前向纠错开销。

在本技术的一些非限制性实施例中，术语“集线器(hub)”表示网络基础设施设备，其被配置为服务一组用户设备。在本技术的一些非限制性实施例中，集线器包括接收器、发射器、计算设备，并且在本技术的一些非限制性实施例中，集线器包括其他设备(例如，天线、电源系统等)。

在本技术的一些非限制性实施例中，计算设备表示被配置为基于预安装的程序进行计算的设备。作为示例，计算设备可以是个人计算机或专用计算机，例如片上系统、现场可编程门阵列等。

在本技术的一些非限制性实施例中，用户设备是与集线器交换数据的无线电台(radiostation)。

在本技术的一些非限制性实施例中，接收器(有时称为接收器设备)是被设计为(与天线结合)接收无线电信号或自然无线电发射并将其转换为允许使用其中包含的信息的形式的设备。

在本技术的一些非限制性实施例中，发射器(有时也称为无线电发射器或无线电发射设备)是用于产生要发射的射频信号的电子设备。发射设备被配置为(通过其自身)产生射频交流电流，通过馈线将该射频交流电路提供给发射天线，该发射天线进而发射无线电波。

在本技术的一些非限制性实施例中，在发射设备选择发射频率的情况下，在两个方向上以可由消息分组中包含的数据明确确定的频率来发送消息，或者以发射器和接收器预先知道的频率在两个方向上发送消息。在本技术的至少一些非限制性实施例中，发送的消息具有发送消息计数器，其以表的形式与频率相关联。

消息传输频率由用户设备210确定。这可能是由于集线器220被配置为在通信系统使用的整个频带中接收消息以及确定频率的特定方法对于集线器220上的接收和进一步处理并不重要的事实。另一方面，用户设备210被配置为仅在一个预先选择的频率上接收消息。图2详细示出了在lpwan网络中的数据传输期间进行频率校正的系统的架构。

如图1所示，根据本技术的非限制性实施例的方法基于以下前提：具备测量集线器输入上接收到的信号的频率的能力。

步骤110：集线器通过天线接收无线电信号。

在步骤110，集线器220的接收器230通过天线接收携带消息的至少一个无线电信号，并且如下方式确定该接收到的信号的频率。

步骤120：使用集线器的计算设备处理接收到的无线电信号，在这种情况下，集线器的整个带宽被划分为其宽度与消息频带相对应的部分。

在步骤120，集线器220的计算设备240处理可以发送消息的频带。如图3所示，集线器220的计算设备240将整个频带划分为其宽度与消息频带相对应的部分。将所述部分相对于彼此定位的方法不受特别限制。在本技术的一些非限制性实施方案中，这些部分可以重叠。

例如，根据本技术的至少一些非限制性实施例，接收上的总分析频带可以是50000hz，在这种情况下，带宽部分可以是100hz，具有25hz增量，即0-100hz，25-125hz等。在该特定示例中可以看出，频带重叠，但是不需要在本技术的每个非限制性实施例中都是这样。

步骤130：在步骤120分配的每个部分中使用集线器的计算设备接收消息。

在完成该预处理之后，在步骤120，集线器220在集线器220的带宽的每个部分中接收消息。在本技术的一些非限制性实施例中，可以独立地执行步骤130处的接收。

步骤140：针对每个接收到的消息，将接收消息的频谱部分的数字存储在计算设备的存储器中。

在步骤140，可以在数个输入频带部分中接收消息，由于无线电信道中的失真和接收器本身的不完美，这些输入频带部分甚至在携带消息的无线电信号的频带之外。仅作为示例，由于存在互调失真或由于使用简化的计算方法和定点计算而导致的容差，可能会发生这种情况。

例如，可以在输入频带的数个相邻的重叠部分中接收频带为100hz的消息。例如，在100-200hz，110-210hz，120-220hz的部分。可以看出，这些部分重叠，并且如果在110-210hz部分中发送消息，则其也可以在重叠部分中接收，这取决于所使用的接收算法。如果功率足够，则也可以在其他频谱部分中接收该消息，例如，由于在接收设备的输入路径过载的情况下而导致失真时可以在其他频谱部分中接收该消息。

步骤150：使用集线器的计算设备针对消息被接收的每个频谱部分中的每个接收到的消息生成信号质量度量。

集线器220根据预先选择的规则为每个接收到的消息生成信号质量度量。可以使用整个消息而不仅是导频字符来生成该度量，这是因为在成功接收之后将消息看作整体。

在本技术的非限制性实施例中，平均信号功率或平均信号/噪声比可以用作信号质量度量。例如，信号/噪声比可以在0到30db内。对于这些度量来说，最佳值将是最大值。

步骤160：将接收到的消息的频率确定为频谱部分的中点。

在生成度量之后，作为步骤160的一部分，集线器220的计算设备240将在其中成功接收消息并且相关度量达到最佳值的频谱部分的中点作为消息的频率。

例如，基于满足以下条件来选择频谱部分：

ο在该部分中成功接收到消息，

ο与也接收到该消息的所有部分相比，该部分中的信号质量度量取得最大值。

例如，可以在200-300hz的信道中接收消息，在这种情况下，对接收信号的信号/噪声比的评估可以是10db。作为另一个例子，可以在225-325hz的信道中接收消息，在这种情况下，对信号/噪声比的评估可以是15db。在这种情况下，将选择225-325hz信道和275hz频率(即该信道的中点)，275hz频率将被视为所确定的接收频率。

在本技术的至少一些非限制性实施例中，本技术的方法可总结如下：

·使用已通过处理和解码的整个消息来评估度量；

·仅考虑成功接收到消息的那些频谱部分，而不是可能存在强干扰的频谱部分。

步骤170：基于消息中包含的数据计算接收到的消息的预期频率。

在本技术的一些非限制性实施例中，预期的消息频率对于来自给定用户设备210的所有消息来说都是固定的(即，预先确定的)并且是预先已知的。在本技术的其他非限制性实施例中，根据以在消息本身中发送的发送消息计数器为基础的表来确定预期的消息频率。在本技术的其他非限制性实施例中，根据集线器220和用户设备210预先知道的公式或根据表来确定消息频率，其取决于在消息中发送的数据，例如，使用消息校验和的计算并根据预先知道的表比较校验和字节中的一个和频率。

步骤180：将接收到的无线电信号频率误差确定为信号的所确定频率和预期频率之间的差。

作为步骤180的一部分，集线器220根据以下公式确定已经在集线器220上确定的信号频率与预期信号频率(其基于消息分组而计算)之间的误差：

δful_rx＝fexp_ul-frx_ul，

公式1

其中，δful_rx是用户设备210的消息的预期频率与消息被接收的频率之间的差，fexp_ul是预期消息频率，并且frx_ul是如以上述方式确定的集线器220接收到的消息的频率。

该误差的组成包括用户设备210的发射器的偏移和集线器220计量频率的误差。

其中，δfuser是用户设备的频率的绝对偏移，并且δfbs_rx是集线器220的接收器230的频率的绝对偏移。

还评估了集线器220的发射器250的发生器相对于其接收器230的误差。在这种情况下，发射器250可以位于集线器220内的另一个设备上或相对于集线器220位于远端。对该误差的评估允许额外地补偿集线器的接收器的频率合成器相对于集线器的发射器的频率合成器的误差。特别地，它允许使用不同的发生器用于集线器的接收器230和集线器的发射器250。

集线器220的发射器250可以实现为集成电路或部件的组件。例如，在本技术的特定非限制性实施例中，发射器250可以是ax5043收发器。应当注意，被配置为以特定间隔(每5分钟，没有任何限制)发送消息并且被配置为以固定频率fexp_tx发送分组的任何其他替代设备都可以用作发射设备。被设计用于评估集线器220的发射器250的频率合成器相对于其接收器230的误差的消息的频率(集线器220预先知道)在用户设备210传输数据的频率范围内。例如，俄罗斯可以使用864-865mhz或868.7-869.2mhz的频率范围。这些分组由同一集线器220的接收部230接收，并且根据以下公式计算第二频率误差：

δftx_rx＝fexp_tx-frx_tx，公式2

其中，δftx_rx是集线器220的发射设备发送的消息的预期频率与消息被接收的所确定频率之间的差，fexp_tx是集线器220的发射设备发送的消息的已知频率，并且frx_tx是通过上述方式确定的由集线器220接收并由同一集线器220的发射部250发送的消息的频率。

该调整的计算允许其随后用于补偿集线器的接收器和发射器之间的频率差。

该误差的组成包括集线器220的发射器的容差和集线器220测量频率的误差：

δftx_rx＝δftx-δfbs_rx，公式3

其中，δftx是集线器的发射部250的频率的绝对偏移，并且δfbs_rx是集线器的接收部230的频率的绝对偏移。

步骤190：基于先前确定的接收到的无线电信号的频率误差产生消息发送频率。

根据以下公式确定消息发送频率：

当发送消息时，发射设备将其自身的误差加到该频率上，如上所述，将通过添加使用两个评估的频率设置误差而计算的调整来补偿该误差。

如此计算的频率精确地对应于用户设备210的接收设备被设置到的实际频率，其中考虑了频率的偏移。

假设从用户设备210到集线器220的传输频率和从集线器220回到用户设备210的传输频率相等，即：

公式5fexp_tx_user≈fexp_tx

消息发送频率的公式可以写为fexp_tx＝fexp_dl+df1-df2。

用户设备210接收发送的消息，这是因为其频率与预期频率匹配。

在本技术的一个非限制性实施例中，射频接收设备和发射设备可以制造在至少一个半导体芯片上。这样的微电路实现了信号射频转换的各种专有功能：放大、衰减、中心频率的修改等。

在本技术的另一个非限制性实施例中，每个射频接收器可以制造在一个半导体集成电路上，并且每个射频发射设备可以制造在一个半导体集成芯片上。在这种情况下，使用更高集成度的集成电路，使得接收和发射设备的所有必要功能仅由一个集成电路实现(除了简单的必要外部元件和参考时钟之外)。

本技术的非限制性实施例的部件可以使用用于创建数字集成电路的电子部件来实现，这对于本领域的专业人员来说是显而易见的，因为该实现方式是基本的并且在许多技术解决方案中随处可用，所以没有明确地描述。在制造时其操作逻辑被限定或通过编程设置其操作逻辑的微电路可用于实现这些单元。编程器和调试环境用于编程，允许将数字设备的所需结构设置为主要电路或特定硬件描述语言的程序，特定硬件描述语言为：verilog，vhdl，ahdl等。

本技术的非限制性实施例的描述的一些部分被呈现为对在技术解决方案的存储器中的数据比特的操作的算法和符号表示。算法的这种描述和表示是数据处理专家使用的尽可能有效地将技术解决方案的本质传达给该领域的其他专家的手段。在该文献中并且总体上来说，算法意味着导致所需结果的一系列计算操作。操作需要对物理值进行物理操纵。通常，尽管不是强制性的，但这些值采用可以存储、传输、组合、比较和以其他方式操纵的电信号或磁信号的形式。

然而，应该记住，所有这些术语应该与相关的物理量相关，并且它们仅仅是应用于这些量的方便名称。除非在权利要求中另有明确且明确地指定，否则应当理解，在全文中使用的诸如“确定”、“计算”、“运算”、“接收”、“设置”、“修改”等术语与计算机的动作和过程相关，例如，计算机为soc或类似的电子计算设备，其对计算设备的寄存器和存储器中以物理(例如，电子)值的形式表示的数据转换为计算设备或其他类似的数据存储、传输或显示设备的寄存器和存储器中以物理值形式表示的其他数据。

根据本文给出的详细描述和下面的本技术的非限制性实施例的权利要求，本技术的非限制性实施例可以是本技术的非限制性实施例的结构、方法或其他材料特征内的其他特定形式。所描述的本技术的非限制性实施方案应该在所有方面都被认为仅是示例性的而非限制性的。因此，本技术的非限制性实施例的法律保护的范围在所附权利要求的独立段落中确定，而不是由先前的描述确定。