抗多普勒干扰的无线传输方法、系统及存储介质与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其是一种抗多普勒干扰的无线传输方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.lora通信技术具有功耗低、抗干扰能力强以及传输距离远等特点，是被大力推广的一种低功耗广域物联网通信技术。关于lora技术抗多普勒干扰的研究主要集中在使用预测频偏的方法，该方法通过预测得到的频率偏移，对接收端接收到的信号进行频率补偿的形式，达到抵抗多普勒干扰的效果。目前，基于预测频偏的方法均是在高信噪比的情况下可以实现较好的预测效果，因此研究低信噪比环境下的抗多普勒干扰技术，具有十分重要的应用价值。
3.而lora系统的调制技术在多普勒干扰环境下仍然存在一定的解调误比特率，如何通过研究分析得到解调误比特的规律以及基于该规律研制出解决的技术方案，是急需进一步研究的方向。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种抗多普勒干扰的无线传输方法、系统及存储介质，用以解决lora在解调时解调误比特率偏高的问题。
5.本发明实施例一方面提供的一种抗多普勒干扰的无线传输方法，应用于lora通信网络，包括：
6.将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2；
7.对第一数据流u1按第一规则进行编码和交织处理，得到第三数据流s1；
8.对第二数据流u2按第二规则进行编码和交织处理，得到第四数据流s2，第二规则不同于第一规则；
9.对第三数据流s1和第四数据流s2进行合流处理，得到待调制数据流s；
10.调制待调制数据流s，得到调制信号w；
11.通过信道发送调制信号w。
12.进一步地，在通过信道发送调制信号w的步骤之后，还包括：
13.获取经信道传输的调制信号w，得到带噪声的接收信号r；
14.对接收信号r进行解调得到解调数据流z；
15.将解调数据流z按码率高低分流得到第五数据流z1和第六数据流z2；
16.对第五数据流z1按第三规则进行解交织和译码处理，得到第七数据流；
17.对第六数据流z2按第四规则进行解交织和译码处理，得到第八数据流，第四规则不同于第三规则；
18.对第七数据流和第八数据流进行合流处理，得到输出信息
19.进一步地，对第一数据流u1按第一规则进行编码和交织处理，得到第三数据流s1的
步骤，包括：
20.对第一数据流u1按第一规则进行咬尾卷积码级联随机交织形成第三数据流s1；
21.对第二数据流u2按第二规则进行编码和交织处理，得到第四数据流s2的步骤，包括：
22.对第二数据流u2按第二规则进行咬尾卷积码级联随机交织形成第四数据流s2。
23.进一步地，调制待调制数据流s，得到调制信号w的步骤，包括：
24.基于css调制待调制数据流s，得到调制信号w。
25.进一步地，对接收信号r进行解调得到解调数据流z的步骤，包括：
26.采用最大对数似然比的软解调方案对接收信号r进行解调得到解调数据流z。
27.进一步地，将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2的步骤，包括：
28.将长度为l的待处理数据流u转换成a+b行、x
min
列的第一矩阵；其中l＝(a+b)*x
min
，cr1表示较低的码率，cr2表示较高的码率，m表示将调制符号中最低位的m个比特进行cr1码率的编码；
29.将第一矩阵中前a列数据分到第一数据流u1中，将第一矩阵中其余列分到第二数据流u2中；
30.对第三数据流s1和第四数据流s2进行合流处理，得到待调制数据流s的步骤，包括：
31.将第三数据流s1转换成(sf-m)行x
min
列的第二矩阵、将第四数据流s2转换成m行x
min
列的第三矩阵；
32.将第二矩阵和第三矩阵按照先后顺序进行合并，得到数据流s。
33.进一步地，将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2的步骤，包括：
34.以待处理数据流u中每sf个bit为一个符号s，在符号s中，将从左往右的n(n＜sf)个bit分流至第一数据流u1中，其余的bit全部分流至第二数据流u2中。
35.本发明实施例提供的抗多普勒干扰的无线传输方法，通过在调制阶段将数据按高低位比特进行分流，并对低位比特和高位比特的符号采用不同编码码率的方法，达到对解调符号中易错比特有效纠正的效果，进而提升lora的抗多普勒干扰性能。
36.本发明实施例另一方面提供的一种抗多普勒干扰的无线传输系统，应用于lora通信网络，包括：
37.第一分流模块，用于将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2；
38.第一处理模块，与第一分流模块相连接，用于对第一数据流u1按第一规则进行编码和交织处理，得到第三数据流s1；用于对第二数据流u2按第二规则进行编码和交织处理，得到第四数据流s2；第二规则不同于第一规则；
39.第一合流模块，与第一处理模块相连接，用于对第三数据流s1和第四数据流s2进行合流处理，得到待调制数据流s；
40.调制模块，与第一合流模块相连接，用于调制待调制数据流s，得到调制信号w；
41.发送模块，与调制模块相连接，用于通过信道发送调制信号w。
42.进一步地，还包括：
43.接收模块，与发送模块相连接，用于获取经信道传输的调制信号w，得到带噪声的接收信号r；
44.解调模块，与接收模块相连接，用于对接收信号r进行解调得到解调数据流z；
45.第二分流模块，与解调模块相连接，用于将解调数据流z按码率高低分流得到第五数据流z1和第六数据流z2；
46.第二处理模块，用于对第五数据流z1按第三规则进行解交织和译码处理，得到第七数据流；用于对第六数据流z2按第四规则进行解交织和译码处理，得到第八数据流；
47.第二合流模块，用于对第七数据流和第八数据流进行合流处理，得到输出信息
48.本发明实施例再一方面提供的一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述抗多普勒干扰的无线传输方法的步骤。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例的附图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1是不同多普勒频偏的ccr-lora误码率曲线；
51.图2是本发明实施例抗多普勒干扰的无线传输方法的一个实施例的流程示意图；
52.图3是本发明实施例抗多普勒干扰的无线传输方法的另一个实施例的流程示意图；
53.图4是本发明实施例的drc-ccr-lora物理层；
54.图5是本发明实施例的drc-ccr-lora物理层数据处理流程图；
55.图6是本发明实施例的sf＝7时drc-ccr-lora物理层的抗多普勒性能误码率曲线图；
56.图7是本发明实施例的sf＝12时drc-ccr-lora物理层的抗多普勒性能误码率曲线图；
57.图8是本发明实施例抗多普勒干扰的无线传输系统的结构示意图。
具体实施方式
58.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
59.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作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。
60.lora系统的核心是css调制技术，通过研究css调制技术在多普勒干扰环境下的解调误比特规律，本发明实施例发现在多普勒干扰下解调符号的低位比特更容易出现错误，
如表1和表2所示。其中，|δf|表示多普勒频偏的绝对值，α代表b/2
sf
，b表示信号的带宽，sf表示扩频因子，snr表示信噪比，k代表解调符号的第k位比特。从表1和表2可以看出，sf＝7、12的情况下，在相同的snr，当k＝0和k＝1的时候存在大量的误比特，且随着m的增加误比特个数逐渐减少。纠正解调符号低位比特出现的大量错误，将会有效改善lora技术抵抗多普勒干扰的性能。
61.snr-25-20-15-10-50k＝637851548301110102105k＝538231622404214212204k＝439671807627452435420k＝3398021191048861841837k＝2419627321863173217041694k＝1459439163433343834553398k＝0550062526748679267646742
62.表1sf＝7，|δf|＝α解调符号中不同位置的比特错误个数
63.snr-30-25-20-15-10-5k＝11222575580751k＝10228474691752k＝922787569210104k＝8226279510318259k＝72243786115324425k＝62252766123556757k＝52307884183119121110k＝42359943335263241232k＝323971046570490460463k＝22523143210551001967983k＝1273521402039200719532002k＝0321137163934390939324000
64.表2sf＝12，|δf|＝α解调符号中不同位置的比特错误个数
65.lora在多普勒环境下的误码率曲线如图1所示。从图1的仿真结果可以看出，不同sf在相同比例α的多普勒频偏环境中，误码率曲线走势基本一致，当|δf|＝0.5α时有大量误码出现，当|δf|＞0.5α时误码率不再随snr的增加而减少，出现误码率平层。
66.基于以上研究，请参见图2，本发明实施例的一种抗多普勒干扰的无线传输方法，应用于lora通信网络，包括：
67.步骤101，将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2。
68.由于解调符号中不同位置的比特错误个数存在一定规律，解调符号在低位比特出现大量错误，将待处理数据流u按码率高低分流后再分别进行编码可利于减少数据在解码时的误码情况。其中，第一数据流u1可以是待处理数据流u中较低比特的数据流，第二数据流u2则是待处理数据流u中除第一数据流u1以外的部分。
69.步骤102，对第一数据流u1按第一规则进行编码和交织处理，得到第三数据流s1。
70.在本发明实施例中，对较低比特的的第一数据流u1按第一规则进行编码和交织处理，得到第三数据流s1。第一规则可以是利于对解调符号中易错比特有效纠正的处理规则。
71.步骤103，对第二数据流u2按第二规则进行编码和交织处理，得到第四数据流s2，第二规则不同于第一规则。
72.在本发明实施例中，对较高比特的第二数据流u2按不同于第一规则的第二规则进行编码和交织处理，得到第四数据流s2。由此可以实现以不同处理规则来处理不同码率的数据流的效果。
73.步骤104，对第三数据流s1和第四数据流s2进行合流处理，得到待调制数据流s。
74.在本发明实施例中，将按不同规则编码和交织后的第三数据流s1和第四数据流s2进行合流处理，得到待调制数据流s。
75.步骤105，调制待调制数据流s，得到调制信号w。
76.在本发明实施例中，可以基于css技术调制待调制数据流s，得到调制信号w。
77.步骤106，通过信道发送调制信号w。
78.在本发明实施例中，可以通过瑞利信道或其他信道发送该调制信号w。
79.本发明实施例提供的抗多普勒干扰的无线传输方法，通过在调制阶段将数据按高低位比特进行分流，并对低位比特和高位比特的符号采用不同编码码率的方法，达到对解调符号中易错比特有效纠正的效果，进而提升lora的抗多普勒干扰性能。
80.请参见图3，本发明实施例的另一种抗多普勒干扰的无线传输方法，为基于上述方法的进一步改进，包括：
81.步骤201，将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2。
82.在本发明实施例中，针对目前lora通信系统在多普勒干扰环境中，解调符号的低位比特容易出现大量错误这一缺点，提出了一种双码率的卷积码随机交织长距离(dual rate convolutional code random interleaving lora,drc-ccr-lora)增强型物理层设计方法。drc-ccr-lora是基于lora的css调制技术，采用最大对数似然比的软解调方案，充分提取码子信息给解码模块，最大限度的提升css调制技术的误码率性能。使用咬尾卷积码级联随机交织的编码可以有效改善lora编码的纠错能力。通过对解调符号的低位比特和高位比特采用不同编码码率的方法，达到对解调符号中易错比特有效纠正的效果，进而提升lora的抗多普勒干扰性能。请参见图4，示出了drc-ccr-lora算法的具体实施方案，以及待处理数据流u在drc-ccr-lora物理层的处理过程。
83.作为步骤201的其中一种实施方式，将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2的步骤，可以包括：
84.以待处理数据流u中每sf个bit为一个符号s，在符号s中，将从左往右的n(n＜sf)个bit分流至第一数据流u1中，其余的bit全部分流至第二数据流u2中。
85.其中，可以使用分流器对输入的数据u进行分流得到数据流u1和u2(分流器会结合编码器、交织器以及调制器中已经给定的参数对数据流u进行分流，保证数据流u1和u2可以满足后续的编码、交织以及合流等操作)，合流后得到的待调制数据流s满足如下条件：
86.(1)从待调制数据流s中的第一个bit开始，每sf个bit成为一个符号s；
87.(2)符号s中，从左往右的n(n＜sf)个bit全部位于第三数据流s1中，其余的bit全部位于第四数据流s2中。这样就可以保证待调制数据流s中的每个符号s的低位均可以获得
较低的码率，相应的解码器有更强的纠错性能，以便抵抗多普勒频偏带来的大量误码。
88.作为步骤201的另一种实施方式，将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2的步骤，包括：
89.将长度为l的待处理数据流u转换成a+b行、x
min
列的第一矩阵；其中l＝(a+b)*x
min
，cr1表示较低的码率，cr2表示较高的码率，m表示将调制符号中最低位的m个比特进行cr1码率的编码；
90.将第一矩阵中前a列数据分到第一数据流u1中，将第一矩阵中其余列分到第二数据流u2中。
91.相应地，在步骤204中，对第三数据流s1和第四数据流s2进行合流处理，得到待调制数据流s的步骤，包括：
92.将第三数据流s1转换成(sf-m)行x
min
列的第二矩阵、将第四数据流s2转换成m行x
min
列的第三矩阵；
93.将第二矩阵和第三矩阵按照先后顺序进行合并，得到数据流s。
94.请参见图5，待处理数据流u的长度l＝(a+b)*x
min
，其中，其中cr1表示较低的码率，cr2表示较高的码率，m表示将调制符号中最低位的m个比特进行cr1码率的编码。将长度为l的数据包转换成a+b行，x
min
列的矩阵，矩阵中前a列数据分到第一数据流u1中，矩阵中其余列分到第二数据流u2中。然后对数据流u1和u2分别进行β操作得到数据流s1和s2(规定β操作为对数据流进行编码和交织处理)。将已经得到的第一数据流s1转换成(sf-m)行x
min
列的矩阵，将已经得到的第二数据流s2转换成m行x
min
列的矩阵，并将两个矩阵按照先后顺序进行合并，得到待调制数据流s。
95.步骤202，对第一数据流u1按第一规则进行咬尾卷积码级联随机交织形成第三数据流s1。
96.据研究，相比于矩阵交织、卷积交织，随机交织可以更好的提升卷积编码的抗干扰能力。使用咬尾卷积码级联随机交织的编码可以有效改善lora编码的纠错能力。
97.步骤203，对第二数据流u2按第二规则进行咬尾卷积码级联随机交织形成第四数据流s2。
98.在本发明实施例中，以不同的处理规则分别对第一数据流u1和第二数据流u2进行咬尾卷积码级联随机交织。
99.步骤204，对第三数据流s1和第四数据流s2进行合流处理，得到待调制数据流s。
100.本步骤与前一实施例的相应步骤相同，此处不再赘述。
101.步骤205，基于css调制待调制数据流s，得到调制信号w。
102.在本发明实施例中，基于css调制待调制数据流s，得到调制信号w。
103.步骤206，通过信道发送调制信号w。
104.本步骤与前一实施例的相应步骤相同，此处不再赘述。
105.步骤207，获取经信道传输的调制信号w，得到带噪声的接收信号r。
106.在本发明实施例中，调制信号w经信道传输后会形成带噪声的接收信号r。
107.步骤208，采用最大对数似然比的软解调方案对接收信号r进行解调得到解调数据
流z。
108.在本发明实施例中，采用最大对数似然比的css软解调方案对接收信号r进行解调得到解调数据流z，可以减少数据流在信道传输过程中发生的误码情况。
109.步骤209，将解调数据流z按码率高低分流得到第五数据流z1和第六数据流z2。
110.在本发明实施例中，将解调数据流z按码率高低分流得到第五数据流z1和第六数据流z2，本步骤可以与步骤201相应，不再赘述。
111.步骤210，对第五数据流z1按第三规则进行解交织和译码处理，得到第七数据流。
112.在本发明实施例中，可以相应地在解码阶段将较低比特的数据流分流至第五数据流z1，其余分流至第六数据流z2。
113.步骤211，对第六数据流z2按第四规则进行解交织和译码处理，得到第八数据流，第四规则不同于第三规则。
114.在本发明实施例中，采用不同的处理规则分别对第五数据流z1和第六数据流z2进行随机解交织和卷织译码，可以减少低比特的数据流在解码阶段产生的误码情况。
115.步骤212，对第七数据流和第八数据流进行合流处理，得到输出信息
116.在本发明实施例中，分流器对数据流z进行分流得到数据流z1和z2。数据流z1和z2依次经过解交织器、译码器以及合流器，得到被还原的数据流
117.本发明实施例通过研究lora调制解调时的误比特规律，提出drc-ccr-lora加强型lora,可以有效改善lora的抗多普勒干扰性能，一方面使用卷积编码和随机交织的编码组合替换标准lora所使用的汉明编码和对角线矩阵交织的编码组合，另一方面通过把待传输数据进行分流，并对数据流采用不同编码码率的方法，达到提升lora抗多普勒干扰性能的效果。
118.参见图8，本发明实施例另一方面提供的一种抗多普勒干扰的无线传输系统，应用于lora通信网络，用于实现以上实施例中抗多普勒干扰的无线传输方法的各步骤，具体包括：
119.第一分流模块，用于将待处理数据流u按码率高低分流得到第一数据流u1和第二数据流u2；
120.第一处理模块，与第一分流模块相连接，用于对第一数据流u1按第一规则进行编码和交织处理，得到第三数据流s1；用于对第二数据流u2按第二规则进行编码和交织处理，得到第四数据流s2；第二规则不同于第一规则；
121.第一合流模块，与第一处理模块相连接，用于对第三数据流s1和第四数据流s2进行合流处理，得到待调制数据流s；
122.调制模块，与第一合流模块相连接，用于调制待调制数据流s，得到调制信号w；
123.发送模块，与调制模块相连接，用于通过信道发送调制信号w。
124.接收模块，与发送模块相连接，用于获取经信道传输的调制信号w，得到带噪声的接收信号r；
125.解调模块，与接收模块相连接，用于对接收信号r进行解调得到解调数据流z；
126.第二分流模块，与解调模块相连接，用于将解调数据流z按码率高低分流得到第五数据流z1和第六数据流z2；
127.第二处理模块，用于对第五数据流z1按第三规则进行解交织和译码处理，得到第
七数据流；用于对第六数据流z2按第四规则进行解交织和译码处理，得到第八数据流；
128.第二合流模块，用于对第七数据流和第八数据流进行合流处理，得到输出信息
129.此外，本发明实施例还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述抗多普勒干扰的无线传输方法的步骤。
130.为了验证本专利所提方案的可行性，在matlab上进行了误码率仿真实验。实验分别仿真了lora和本专利所提方案在不同多普勒干扰环境下的误码率性能增益，仿真结果如图6和图7所示，图中所采用的信道均为瑞利信道。其中图6仿真了sf＝7时drc-ccr-lora和lora在不同多普勒频偏干扰下的误码率曲线。图6和图7中“未加多普勒频偏的误码率曲线”，使用的是drc-ccr-lora物理层。当lora面对|δf|＝1/4α的多普勒干扰时，自身具有较好的抵抗多普勒频偏干扰的能力，但是相对于drc-ccr-lora仍然有非常多的误码率性能损失。drc-ccr-lora的误码率曲线与lora在|δf|＝1/4α时的误码率曲线重合，一方面是因为drc-ccr-lora具有非常强的抗多普勒干扰性能，另一方面是因为drc-ccr-lora相对于lora在sf＝7时采用了更低的码率。当|δf|＝1/2α时，可以看出lora的误码率曲线出现了误码率平层，drc-ccr-lora的物理层可以有效的抵抗512hz多普勒频偏的干扰，在snr＝-3.7db时将误比特率降低为1
×
10-4
。
131.drc-ccr-lora在sf＝12时的抗多普勒频偏干扰的误码率曲线如图7所示。当|δf|＝1/4α时，drc-ccr-lora具有非常优异的误码率性能增益，drc-ccr-lora的误码率曲线和drc-ccr-lora在没有多普勒频偏干扰下的误码率曲线重叠。当|δf|＝1/2α，在误码比特率为1
×
10-3
时，drc-ccr-lora相对于没有多普勒频偏干扰的drc-ccr-lora也只有0.77db的误码率性能损失。而当误码比特率为1
×
10-4
时，由于调制符号的低位比特即使在较高的信噪比中，仍然存在大量的误比特率，如果不能及时纠正就会造成误码率性能的急剧恶化。从图7可以看出lora误码率曲线未能到达1
×
10-4
的误码率，drc-ccr-lora误码率曲线当snr＝-17.4db时到达1
×
10-4
的误码率，相对于没有多普勒干扰的drc-ccr-lora只有1.3db的误码率性能损失。
132.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
133.当本发明实施例提及“第一”、“第二”等序数词时，除非根据上下文其确实表达顺序之意，应当理解为仅仅是起区分之用。
134.本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
135.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
136.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。