一种基于频域干扰迭代消除的LoRa并发通信解调方法及系统

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于频域干扰迭代消除的lora并发通信解调方法及系统。

背景技术：

1、lora基于线性扩频调制技术，其调制的每一个信号即chirp，是频率线性增大(upchirp)或减小(downchirp)的sin波。在频带范围内(-bw/2,bw/2)chirp的频率从初始频率f0开始线性上升，直至bw/2，然后回到频带下边界-bw/2，从而扫过整个带宽。不同chirp对应不同的起始频率，共具有2^sf种。如图1(a)与图1(b)所示，分别表示了两种起始频率不同的up-chirp的时频图。从图中可以看到信号的频率在一定区间内均为逐渐增大的状态。如图1(c)所示，为标准的down-chirp的时频图。从图中可以看出，信号的频率随着时间的变化为逐渐减小的状态。解调时对原始chirp进行脉冲压缩得到起始频率，由于upchirp和downchirp存在着共轭的关系，因此此处可以直接使用upchirp与标准的downchirp相乘，并做傅里叶变换，得到其在这一区间的频率能量峰值。能量峰值所对应的频率即为其初始频率从而进行解调。

2、然而随着lora节点的大量部署，数千个lora节点连接到一个lora网关。聚合网络结构带来的严重的数据包冲突，导致大量数据包丢失和吞吐量下降。在无线传输技术上，冲突问题的处理方式分为冲突避免和冲突解决。

3、在冲突避免方面，lora使用多种phy技术来并行传输多个lora节点，可以使用不同的无线电参数(例如，信道、扩展因子等)配置lora节点以减轻冲突，但这需要不同运营商和服务提供商之间的合作，且lora网关最多只能支持8个lora节点同时传输。但是由于lora信号多在低于底噪的环境下进行传输，因此难以完成基于信号的信道监听从而导致冲突避免失败。同时信道监听需要节点付出大量的算力和能量消耗，从而缩短lora节点的工作寿命。受硬件能力和电源的限制，lora节点通常采用简单的基于aloha的mac来避免冲突。根据协议的规范，lora节点可以在不进行信道检测的情况下传输数据包。当lora网关由于冲突而无法解码从节点发送的一个数据包时，该数据包将在随机退避时间后重新传输，而退避重传则进一步加剧lora网络中的冲突问题。同时也带来了节点因多次发送而造成的不必要的能量浪费。因此我们的更为理想状态是节点在任何想发送的时候都可以进行数据包发送，由网关对冲突的信号包进行解码。

4、在冲突解码方面目前也有了一些相关工作，例如choir，根据每个lora节点的不同小数位硬件频率偏移对冲突帧进行分类。但在实际应用中，由于干扰和噪声的影响，很难准确提取硬件引起的载波频偏，同时随着节点数量的增加小数位硬件频率偏移也会不可避免的发生重复，从而导致分类失效。而另一工作mlora则根据设计的前导码检测策略推导出两个冲突包之间的时间偏移，然后获得chirp级无冲突样本和相应的频率，根据这些无冲突频率和样本，利用前导码部分的chirp幅度和chirp的线性扩频调制方式，对冲突信号的时域样本进行预估和重建，在冲突信号的时域减去预估和重建后的冲突信号的时域样本，通过重复估计和减法运算，对一个样本中的冲突数据包进行解码。但由于lora信号多在低信噪比下进行传输，而这一方法在snr降低的情况下，解码准确率会大幅度降低，限制了lora的通信性能。colara利用数据包时间偏移来消除冲突。将接收到的信号切割成一系列接收窗口，每个窗口的长度等于啁啾。利用不对齐的窗口将符号进行分割。然后，对于每个窗口中的信号，根据频域峰值的高度与段的长度成正比进行冲突解码。但该方法在snr由0db降低至-15db的过程中，系统吞吐降低为原来的一半，性能大幅度降低。

技术实现思路

1、本发明给出了一种基于频域干扰迭代消除的lora并发通信解调方法及系统，能够在snr<0的情况下，对冲突的lora信号进行解调；该方法结合了滑动窗口检测，利用其脉冲压缩后的接收信号与先验信号的频域相关性分析，即使lora信号的强度远低于噪声强度，也能保证准确的数据包检测。

2、为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案，包括：

3、一种基于频域干扰迭代消除的lora并发通信解调方法，按照以下步骤执行：

4、步骤一：信号发送；

5、以chirp信号为处理单位，节点端以标准lora数据包帧格式发送信号；

6、步骤二：信号接收；

7、网关端以导频部分频域特征作为依据，对冲突状态下的lora信号进行接收，冲突状态即为多个数据包在同一时间段进行传输；

8、步骤三：信号预处理；

9、对冲突状态下的lora信号进行进行低通滤波和信号同步，以chirp长度为步长进行分割得到多个chirp符号，对chirp符号进行载波频率偏移校正；

10、步骤四：冲突信号解调；

11、对步骤三预处理后的chirp符号进行频域干扰预估并消除，完成符号解调。

12、可选的，所述的步骤四中，频域干扰进行预估包括获取频域峰值频点和频域峰值高度；

13、其中，频域峰值频点的获取包括：

14、

15、其中，f′a1-1，f′a1-2为chirp符号a1对chirp符号b1所产生的干扰的频域峰值频点，hz；fa1-1，fa1-2为chirp符号a1的频域峰值频点，hz；bw为频带宽度，hz；t1_2为时间窗口偏移量，s；t为chirp符号完整的时间长度，s；

16、频域峰值高度的获取包括：

17、当时：

18、

19、当时：

20、

21、其中，h′a1-1，h′a1-2为chirp符号a1对chirp符号b1所产生的干扰的频域峰值高度；ha1-1，ha1-2为chirp符号a1的频域峰值高度，hz；h为chirp符号频域完整的峰值能量高度，hz。

22、可选的，所述的步骤四中，频域干扰预估后，符号解调过程包括：

23、在频域中将估计所得的频域干扰(f′a1-1，h′a1-1)、(f′a1-2，h′a1-2)进行消除；

24、在消除干扰位置后的频域，找到频域峰值最高处所在频点f，

25、当时：

26、

27、当时：

28、

29、其中：f为消除干扰后chirp符号b1的频域中峰值最高处所在频点，hz；bw为频带宽度，hz；f0-b为chirp符号b1的起始频率，hz；找到chirp符号b1的起始频率，即完成chirp符号的解调。

30、可选的，所述的步骤三中，载波频率偏移进行校正的具体过程如下式所示；

31、

32、其中：s′为载波频率偏移校正后的chirp符号，schirp为原始chirp符号，f0为原始chirp符号的起始频率，hz，fcfo为载波频率偏移频率，hz；k为频率变化率，hz/s；t为时间，s；j为虚部信号。

33、可选的，步骤三中，所述的低通滤波采用iir低通滤波器进行。

34、可选的，步骤三中，将低通滤波后的lora信号的频域能量进行脉冲压缩，利用滑动窗口找到脉冲压缩后的能量最大值位置即为chirp信号的有效载荷的起始位置，实现信号同步；利用10个downchirps大小来进行滑动窗口；

35、使用滑动窗口对低通滤波后的lora信号进行信号同步，并依据时间单位对低通滤波后的lora信号中的payload信号进行分割处理。

36、一种基于频域干扰迭代消除的lora并发通信解调系统，包括：

37、信号发送模块，以chirp信号为处理单位，节点端以标准lora数据包帧格式发送信号；

38、信号接收模块，网关端以导频部分频域特征作为依据，对冲突状态下的lora信号进行接收，冲突状态即为多个数据包在同一时间段进行传输；

39、信号预处理模块，对冲突状态下的lora信号进行进行低通滤波和信号同步，以chirp长度为步长进行分割得到多个chirp符号，对chirp符号进行载波频率偏移校正；

40、冲突信号解调模块，对步骤三预处理后的chirp符号进行频域干扰预估并消除，完成符号解调。

41、可选的，所述的冲突信号解调模块中，频域干扰进行预估包括获取频域峰值频点和频域峰值高度；

42、其中，频域峰值频点的获取包括：

43、

44、其中，f′a1-1，f′a1-2为chirp符号a1对chirp符号b1所产生的干扰的频域峰值频点，hz；fa1-1，fa1-2为chirp符号a1的频域峰值频点，hz；bw为频带宽度，hz；t1_2为时间窗口偏移量，s；t为chirp符号完整的时间长度，s；

45、频域峰值高度的获取包括：

46、当时：

47、

48、当时：

49、

50、其中，h′a1-1，h′a1-2为chirp符号a1对chirp符号b1所产生的干扰的频域峰值高度；ha1-1，ha1-2为chirp符号a1的频域峰值高度，hz；h为chirp符号频域完整的峰值能量高度，hz。

51、可选的，频域干扰预估后，符号解调过程包括：

52、在频域中将估计所得的频域干扰(f′a1-1，h′a1-1)、(f′a1-2，h′a1-2)进行消除；

53、在消除干扰位置后的频域，找到频域峰值最高处所在频点f，

54、当时：

55、

56、当时：

57、

58、其中：f为消除干扰后chirp符号b1的频域中峰值最高处所在频点，hz；bw为频带宽度，hz；f0-b为chirp符号b1的起始频率，hz；找到chirp符号b1的起始频率，即完成chirp符号的解调。

59、可选的，所述的信号预处理模块中，载波频率偏移进行校正的具体过程如下式所示；

60、

61、其中：s′为载波频率偏移校正后的chirp符号,schirp为原始chirp符号,f0为原始chirp符号的起始频率，hz，fcfo为载波频率偏移频率，hz；k为频率变化率，hz/s；t为时间，s；j为虚部信号。

62、本发明与现有技术相比具有以下特点：

63、本发明将在原有lora的通信机制上提出并发通信时lora信号冲突解调的方法及系统。通过对lora信号冲突时的频域干扰进行迭代预估和消除，完成冲突状态下的lora信号解调。本冲突解调方法不需要额外的硬件模块。与此同时，lora信号冲突解调的方法还可以信道参数优化及其他方案一起使用，进一步提升网络性能。通过对频域干扰进行迭代预估并进行消除从而实现冲突信号解调这一思路在以前的工作中从未考虑过。相较于其他方法基于信号时域特征或信号能量特征的冲突信号解调，本方法在低信噪比下有着更强的鲁棒下，可以在信号强度远低于噪声强度的情况下，完成冲突信号的解调。