提供了低功率、跳频广域网中的冲突缓解。在预定频带中操作的用于IoT应用的跳跃扩频无线网络，具有：具有未同步的本地频率参考的移动设备；以及接收网关，其能够检测调制无线电信号是否将在冲突时间间隔中在频率方面冲突，并且消隐冲突时间中的信号。优选地，频带被细分为子频带，并且移动设备基于指示本地频率参考的频率误差的同步状态来适配用于传输的子频带的宽度。
Conflict mitigation in low power, frequency hopping Wan
【技术实现步骤摘要】
低功率、跳频广域网中的冲突缓解
在实施例中，本专利技术涉及无线传输器设备和包括多个所述传输器的无线网络。本专利技术的具体用例涉及用于IoT（物联网）应用的低功率测量节点以及除了测量节点之外还包括多个接收网关的IoT广域网，但是本专利技术不限于那些应用。本专利技术利用窄带跳频无线电接口以用于数据容量和针对干扰的鲁棒性。
技术介绍
若干竞争的低功率无线电网络用于在IoT应用中提供连接性。局域网（如WiFi和蓝牙）已成功地用于一些应用中，但是它们要求连接到互联网的并不始终可用或合期望的本地基础设施，并且几乎不适用于其中传感器节点可能移动到WiFi或蓝牙网关的可访问范围之外的移动应用。还已经提出了用于IoT应用的广域网，特别是LoRa网络和Sigfox网络。在这些网络的情况下，存在若干个挑战：1.如在通常情况下那样，如果网络在未授权频带中操作，则对干扰的高抵抗性是必要的。2.必须确保依从规章。LoRa网络采用线性调频扩频调制，并且除了其强项外还具有：低硬件复杂度、无需准确的频率参考或计时、易于同步以及本地化。然而，它在针对低数据率的容量方面具有一些限制。低功率WAN倾向于支持对传感器节点的随机介质访问（像ALOHA），这是最有功率效率的解决方案。一般而言，Sigfox技术和超窄带技术与系统负载相比遭受非常高的冲突率。在超窄带网络中，冲突发生在三个维度中：时间、频率和功率。时间维度是通常的ALOHA理论维度。频率冲突发生是因为没有频率网格；传感器节点的本地振荡器远远不如传输带宽准确，并且它们引起针对相同系统负载的冲突率加倍。功率维度意味着边缘传感器节点或“弱节点”在任何冲突中将总是会输。附加地，传输器的相位噪声限制了相邻用户可实现的抑制水平（rejectionlevel）。总而言之，如果监测最弱节点性能的度量，则这些影响将系统负载限制为1％或更少。通过添加更多接收网关的简单计策不能弥补该情形。本专利技术提出了一种新颖的传输器设备和对应的无线网络，它们实现了允许克服或缓解上面的限制的修改形式的超窄带调制。
技术实现思路
根据本专利技术，这些目标借助于所附权利要求的目的来实现。附图说明在通过示例方式给出并由各图图示的实施例的描述的帮助下，本专利技术将被更好地理解，图中：图1是根据本专利技术的包括传感器节点和网关的广域低功率网络的简化表示。图2将本专利技术的传输器和接收器使用的数据帧图式化，该数据帧包括多个频率跳跃。图3示出了传输器的和接收器的端部处的子频带中的有用无线电频谱的细分。图4示出了信道中的子频带的可能的细分。图5示出了具有连续子频带的频率规划。图6和7绘制了作为网络负载的函数的ALOHA网络（无论其是否包括本专利技术的特征）中的漏检率，以及分组误差率。图8示出了前导码（preamble）和数据区段的扩频传输，所述前导码和数据区段每个被分成多个频率跳跃。图9图示了其中一些频率跳跃以标称步长的小部分而移位的实施例。图10-13图示了在不同假设下的前导码中的重复冲突。图14示出了在跳跃扩频传输中补偿传输器的频率误差的机制。图15将具有低质量频率参考的节点进行的跳频传输与具有稳定频率参考的节点进行的跳频传输进行比较。图16涉及其中通过对第一跳跃的选择来发信号通知跳跃序列的种类的实施例。具体实施方式图1以简化的方式示出了低功率无线网络，其包括许多传感器节点S0、S1、S2和接收网关G0、G1。在典型的IoT应用中，传感器节点S0、S1、S2将是简单的电池供电设备，其获取或计算数据并将它们上载（例如，箭头80）到网关G0、G1。尽管不是必要的，但是从网关到节点的下行链路业务（例如，箭头50）也是可能的。传感器节点的数量不受限制，并且在实际用例中可能超过数千个。网关的数量也不受约束，并且通过覆盖其中传感器节点存在的区域的需要来指令。优选地，网络被设计成使得每个传感器处于至少一个网关、或者优选地在若干网关的接收范围中。传感器节点与网关之间的上行链路通信80使用窄带宽或超窄带宽调制和跳频扩频。调制优选地是具有恒定包络的相干相位调制的形式，例如GMSK、MSK或PSK。信令优选地是差分的以适应信道变化。还优选的是，消息包括误差校正或误差检测码，并且它们被格式化为数据帧，如图2中所图示，每个帧包括若干频率跳跃，原始消息中的相邻字优选地在帧中以间隔开的偏移而交错，使得它们落入不同的跳跃中以增加针对瞬间干扰的鲁棒性。从传感器节点到网关的上行链路通信80包括基于传感器节点中的本地频率参考的调制无线电信号的合成。由于成本和功率考虑，传感器节点不能配备有高质量的振荡器。因此，上行链路无线电信号的频率受显著的误差所影响，该误差可能超过信号的窄带宽。相比之下，接收网关比传感器节点具有显著更多的计算资源、连续功率和精确时间参考（像例如，GPS授时的时钟）。接收网关优选地互连并且可以在它们之间协作。下行链路通信50当存在时可以使用与上行链路通信相同的调制协议或不同的调制协议。为了节省网络容量，可以广播下行链路通信以由网关范围内的所有传感器节点接收，但是点对点传输也是可能的。下行链路消息的一个功能是传感器的时间参考与网关的时间参考的同步，这可以有利地通过例如LoRa广播分组来实现。在大多数IoT应用中，传感器节点仅具有非常有限的功率和计算资源。对无线电信道的随机访问意味着：无论何时传感器节点需要发送消息，它在不发信号通知其意图或监听信道是否空闲的情况下发送消息，因此对无线电信道的随机访问是有利的。这些协议（也被称为ALOHA协议）对系统间冲突是敏感的：ALOHA协议的容量受这种冲突所限制。本专利技术的设备和系统使用跳频作为针对冲突和其他干扰的防御。传感器节点的传输器根据序列在可用无线电频带中的若干跳跃频率当中切换载波频率，使得上行链路传输80包括具有不同载波频率的一系列接续跳跃。频率在每个跳跃边界处改变。优选地，跳跃长度显著小于消息长度：消息或帧由一个或若干跳跃组成。为了准许解调，跳跃频率的序列必须提前已知，或者可由接收网关通过算法确定。该系统可以具有：仅一个预定的跳跃序列，并且在该情况下，具有不同起始时间的消息将不会在频率方面冲突，只要它们相应的跳跃序列是时移的；或者多个跳跃序列，传输器可以在该多个跳跃序列当中进行选择。后一种布置要求接收网关具有关于每个单独消息的跳跃序列的信息。图2图示了上行链路数据帧或消息，诸如它可以被用在本专利技术的实施例中。该帧开始于前导码和物理报头，该前导码包含用于在接收器端部处进行检测的同步信号。物理报头包括在接收器中使用以预测和遵循跳跃序列的信息：如果该系统预见到多于一个可能的跳跃频率的序列，则前导码优选地包含已经针对相同帧或消息中的随后数据而选择的序列的标识符。优选地，如将在以下内容中看到的那样，物理报头包含关于第一跳跃中或一个确定的跳跃中的频率的绝对值的隐式或显式的信息元素。接收网关使用这种信息来解决传输器的频率误差。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无线通信网络，包括多个无线电传输设备和至少一个接收网关，/n传输设备被布置成调制载波，并且通过根据序列在频带中的若干跳跃频率当中切换载波的频率来将调制信号处理成扩频无线电信号，并且通过无线电接口来传输所述无线电信号，/n接收网关被布置成用于接收来自所述无线电传输设备的无线电信号，用于预测检测到的调制无线电信号是否将在冲突时间间隔中在频率方面冲突，并且用于对冲突时间间隔中的信号进行消隐或加权。/n
【技术特征摘要】
20180702 EP 18181101.91.一种无线通信网络，包括多个无线电传输设备和至少一个接收网关，
传输设备被布置成调制载波，并且通过根据序列在频带中的若干跳跃频率当中切换载波的频率来将调制信号处理成扩频无线电信号，并且通过无线电接口来传输所述无线电信号，
接收网关被布置成用于接收来自所述无线电传输设备的无线电信号，用于预测检测到的调制无线电信号是否将在冲突时间间隔中在频率方面冲突，并且用于对冲突时间间隔中的信号进行消隐或加权。
2.如前一权利要求所述的无线通信网络，其中接收网关维持干扰图，所述干扰图预估作为时间和频率的函数的接收信号电平，其中接收网关被布置成检测无线电信号，测量其信号电平，确定其跳跃序列，并且利用所述信号电平来填充与未来分组的预期时间和频率相对应的干扰图的箱。
3.如前一权利要求所述的无线通信网络，其中接收网关被布置成测量不受干扰的跳跃序列中的多个分组的信号电平，并且基于所测量的瞬时信号电平来适配干扰图。
4.如权利要求2所述的无线通信网络，其中接收网关被布置成通过将接收到的信号与干扰图进行比较来确定源自其他源的干扰。
5.如权利要求1所述的无线通信网络，包括多个接收网关，所述多个接收网关操作性地被布置成用于协作地从传输节点接收相同的无线电信号。
6.如权利要求1所述的无线通信网络，其中在传输设备中的无线电接口在包括多个连续或分离的传输子频带的预定频带中操作，传输设备包括本地频率参考，并且操作性地被布置成用于：获得指示本地频率参考的频率误差的同步状态，取决于所述同步状态来适配子频带的宽度。
7.如权利要求6所述的无线通信网络，其中适配传输子频带的宽度，使得由所述同步状态指示的频率误差越高，所适配的宽度就越窄。
8.如权利要求6所述的无线通信网络，其中，基于以下各项中的一个或多个来获得所述同步状态：本地频率参考的标称误差；本地频率参考的漂移；自下行链路经过的时间和/或本地频率参考...
【专利技术属性】
技术研发人员：宁宝柱，OBA塞列尔，N索宁，
申请(专利权)人：商升特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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