LoRa扩频信道干扰与扩展性分析.pdf
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1、Electronics and Information EngineeringMar.2024JOURNAL OFAPPLIEDSCIENCES2024年3 月Vol.42No.2第42 卷第2 期应用科报学学DOI:10.3969/j.issn.0255-8297.2024.02.003LoRa扩频信道干扰与扩展性分析雷芳,陈博,吕京昭重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆40 0 0 6 5摘要:为了提高LoRa通信系统节点的接入量,对LoRa通信系统的干扰及扩展性进行了详细分析。首先分析了LoRa相同扩频信道间和不同扩频信道间的干扰,得出相同扩频信道干扰严重的原因,以及不同扩频信道存在一定
2、的干扰的情况,进而发现扩频信道间的码片间距越近干扰越严重;其次提出了一种LoRa不同扩频信道间的干扰消除算法,通过仿真验证了该算法能有效消除低扩频信道干扰的可行性;最后从理论上对LoRa原有调制解调算法进行了扩展性分析,结合LoRa技术的特点及干扰仿真结果得到LoRa技术新增扩频信道与相邻扩频信道的码片数之差大于等于12 8,并仿真验证了4条典型新增扩频信道的抗噪声性能、可行性,系统节点的可接入量能增加36.9 4%。关键词:LoRa;扩频信道;干扰;码片数;扩展性中图分类号:TN925.5文章编号:0 2 55-8 2 9 7(2 0 2 4)0 2-0 2 11-11Interferenc
3、e and Scalability Analysis of LoRa SpreadSpectrum ChannelLEI Fang,CHEN Bo,LYU JingzhaoSchool of Communication and Information Engineering,Chongqing University ofPosts and Telecommunications,Chongqing 400065,ChinaAbstract:In order to improve the access capacity of LoRa communication system nodes,the
4、interference and scalability of LoRa communication system are analyzed in detail.Firstly,this paper analyzes the interference between the same spread spectrum channeland the interference between different spread spectrum channels in LoRa,and obtains thereasons for the serious interference of the sam
5、e spread spectrum channel and the certaininterference of different spread spectrum channels.It is found that the closer the chipspacing between spread spectrum channels,the more serious the interference is.Secondly,an interference cancellation algorithm between different LoRa spread spectrum channel
6、s isproposed.Simulation results show that the algorithm can effectively eliminate the interfer-ence of low spread spectrum channels and is feasible.Finally,the expansibility of LoRasoriginal modulation and demodulation algorithm is analyzed through theory.Combinedwith the characteristics of LoRa tec
7、hnology and interference simulation results,it is con-cluded that the difference between the number of chips of LoRas new spread spectrum收稿日期:2 0 2 2-0 3-19通信作者:雷芳,副教授,研究方向为嵌入式系统、移动通信。E-mail:212第42 卷应用报科学学channel and adjacent spread spectrum channel is greater than or equal to 128.The anti-noise per
8、formance and feasibility of four typical new spread spectrum channels are verifiedby simulation,and the accessible capacity of system nodes can be increased by 36.94%.Keywords:LoRa,spread spectrum channel,interference,number of chips,expansibility近年来,各种无线智能设备不断普及,为了满足各种场景对通信设备功耗、通信速率以及通信距离的需求,先后涌现出一
9、系列无线通信技术。其中,在广域网通信技术中,以NB-IoT1和LoRa为代表的低功耗广域网(lowpowerwideareanetwork,LPWA N)技术主要应用于具有低功耗、远距离特点的应用场景,如智能抄表2 、智慧农业3、智慧城市4。在相同功耗下,LoRa技术相比其他通信方式的通信距离更远5,但也存在单位时间内有效信息吞吐量较低以及LoRa扩频信道数量有限的问题。如何提高LoRa技术单位时间内有效信息吞吐量以及LoRa网关节点的接入量是目前热门的一个研究方向。在大规模节点连接的LoRa星型通信系统7 中,LoRa网关可接入的节点数是有限的8 :若扩频信道采用随机分配的方法,则相同扩频信
10、道间存在严重的包碰撞和干扰问题;其中不同扩频信道间也并非完全正交9-10 ,也存在一定的干扰。针对提升系统有效信息传输速率的方式主要有:1)降低LoRa数据包的碰撞率,提出了LoRa扩频信道资源分配方案11-12 ;2)为实现同种扩频信道多个信号的解码,提出了接收端叠加信号的解调方案13-15;3)消除LoRa不同扩频信道之间的干扰,提出了干扰消除算法;4)为提高LoRa通信系统节点的接入量,增加了LoRa扩频信道的数量。在当前LoRa技术采用调制解调算法中,可以使用的扩频因子只有6 12 的整数;文献11 针对LoRa相同扩频信道干扰提出了2 种LoRa扩频信道的资源分配算法,其中算法2 最
11、优,扩频信道的利用率最高,LoRa通信系统的传输速率以及节点的可接入量最大,由此可知LoRa通信系统节点可接入量与扩频信道数量成正相关。在实际应用中,LoRa最新发行的节点射频芯片SX1280手册以及对应的LoRa网关芯片SX1302中,扩频因子的范围由原来的6 12 扩大到5 12。本文根据文献9-10 中LoRa不同扩频信道间存在一定干扰的问题,介绍了LoRa调制解调算法,进一步分析了LoRa不同扩频信道间的干扰程度关系,通过仿真反映了低扩频信道和高扩频信道存在的干扰大小关系。因此,本文提出了一种LoRa不同扩频信道间的干扰消除算法,对该算法进行了仿真验证可行性,并说明了该算法的适用场景;
12、最后,结合不同扩频信道间的干扰程度关系,分析了LoRa扩频因子没有继续增加或者减小的原因,并通过原理分析扩频因子能够以非整数进行扩展,仿真分析了扩展信道对其他信道干扰较小的码片间隔要求,仿真验证了新增典型扩展信道的抗噪声性能及可行性。1LoRa扩频信道的干扰分析在LoRa接收端可能会同时接收到多个信号和噪声,由于对多个信号干扰分析和对两个信号干扰分析的方法是一样的,所以在后文对两个叠加信号进行分析。图1给出了实际节点LoRa接收端数据包的解码流程图,从天线可能收到多个节点的扩频信道的复合信号,经过滤波、去载频和以1/B采样率进行采样(B为LoRa调制信号的基带带宽)后,得LoRa调制的多个节点
13、的复合基带信号;对基带信号使用LoRa解调算法进行物理层解调得LoRa数据包的有效载荷信息;最后对进行加密的有效信息载荷进行解密。在大规模节点连接的LoRa通信系统中,LoRa网关一般选择以SX103x系列的多扩频信道的基带芯片为核心,能够同时处理多条扩频信道的数据以及接入大量的节点。本文将模拟图1的接收天线处进来两个节点的LoRa数据,在LoRa物理层解调处分别进行LoRa相同213第2 期雷芳,等:LoRa扩频信道干扰与扩展性分析扩频信道之间的干扰以及不同扩频信道的干扰分析;分析LoRa相同扩频信道数据包碰撞以及误码率严重的原因,分析LoRa不同扩频信道间的干扰程度关系和如何消除。混频以1
14、/B采样物理层解调(本地载波)率进行采样天线的阻同步去前导低噪声低通LoRa物理层抗匹配与解报头放大器滤波器解调算法解顿带通滤波器解信息载荷图1LoRa接收端数据包的解码流程图Figure 1 Decoding fow diagram of LoRa receiving end packets1.1LoRa相同扩频信道的干扰分析当接收端的天线同时接收节点1和2 发送过来的数据包时,这里的节点1和2 配置的基带带宽B,载波频率fc,扩频因子SF都相同,经过一系列处理后,到物理层解调输入端为两个节点调制的多个符号基带数据,对进来的基带数据进行LoRa同步检测,对这个复合数据进行同步,同步成功后对信
15、息载荷部分进行解调。文献6 提出了LoRa物理层的调制算法,可知单个节点输入物理层调制的基带信号为2Kn E 0,1,2,.,2Sr 1 K)SF22s(n)(1)22元K31n E(2Sr-K,.,2SF-1)7SF+1SSF2e22对式(1)化简得2Kns(n)=ej2元(n E(0,1,2,.,2Sm 1SF+TSF式中:SF为LoRa调制信号的扩频因子(扩频信道);K为符号携带的SF个比特的十进制数;n为采样点的索引号;s(n)为单个符号的基带调制数据。物理层解调的输入数据y(n)表达式为y(n)=VPs(n)+VP2s(n)+b(n)(2)式中:s(n)为节点1的采样数据;s(n)为
16、节点2 的采样数据。由于实际开始解调数据的起始点是未知的,为了模拟实际输入物理层解调的数据,两个节点取0,2 Sr1 的随机数分别为K1和K2;Pi 和P2分别为节点1和2 物理层解调输入数据的功率;b(n)为复加性高斯白噪声(AWGN)信号。根据文献6 中提到的LoRa基带信号解调原理,物理层解调端输入端的数据乘以相同带宽离散的Downchirp信号,经快速傅里叶变换(fastFouriertransform,FFT)后得到对应节点第p个符号频谱Y(k,p)的表达式为2SF-1Y(k,p)=(n,p)e-j2(SF+T一n=02SFVPi,k=K12SFVP2,k=K2+N(k)(3)0,其
17、他0,其他214第42 卷应用报学学科式中:y(n,p)为第p个符号输入数据y(n),Vn Ep 2 Sr,p 2 Sr+1,,(p+1)2 Sm,SFE6,7,,12 为LoRa扩频通信的扩频因子,kE0,1,2Sr1,N(k)表示高斯白噪声b(n)经FFT之后的结果。因此,在文献6,16 的基础上,通过find函数查找第p个符号频谱Y(k,p)模值的最大值所在的索引号k作为该符号的解调K(p)值,如下式所示K(p)=find(/Y(k,p)l,max(/Y(k,p)(4)根据式(3)和(4)可知,当节点1和2 的信号功率相近时,在噪声影响下,很容易把节点1的数据解调成节点2 的数据;当噪声
18、很大时,解调值将会是随机的,既不是节点2 的,也不是节点1的。若在检测前导过程中出现这种情况,就会导致包碰撞,进而导致节点1和2 数据包都会丢失;若在解调有效信息载荷时出现这种情况,就会导致有效数据的解调结果错误。这就是同扩频信道间相互干扰比较大,容易造成包碰撞和误码率较高的原因。显然,要正确解调出节点1的值,就必须调整节点1和2 信号的功率比Pr(dB)=10lg(P1/P2)。如图2 所示,在高斯信道下给出了扩频因子SF=7、带宽为50 0 kHz,不加节点2 干扰和加节点2 干扰Pr(dB)为 0,1,2,3,4,5),7 种情况下LoRa通信技术的误码率性能仿真曲线。10010-110
19、-2*无节点干扰0 dB10-3+1 dB*2 dB3dB10-44 dB5dB10-5-40-30-20-100信噪比/dB图2 相同扩频信道SF=7的干扰仿真曲线Figure 2 Interference simulation curve for the same spread spectrum channel Sr=7图2 MATLAB同扩频信道的干扰仿真曲线,与式(3)和(4)的理论分析相符。当Pr(dB)为0,1,2,3 时,对节点1解调的误符号率影响很大,会造成严重的包碰撞和误码率;只有当Pr(dB)大于等于4dB时,对节点1解调的误符号率影响很小;大于5dB基本没有影响。通过Lo
20、Ra模块点到点通信,配置相同参数设置一个接收端两个发送端,移动其中一个发送节点到接收节点的距离,使接收端接收的两个信号中的一个信号功率快速改变,模拟LoRa组网的复杂环境发现,接收端解析的数据包的丢包率和误比特率也符合仿真和理论的结果。如果要降低LoRa通信系统传输的包碰撞和误码率,则需要对扩频信道进行资源分配,网关在同一频带同一时间只能同时接收多个不同扩频信道的数据。在文献11-12 中对LoRa扩频信道资源分配有详细说明。1.2LoRa不同扩频信道的干扰分析文献16 给出了LoRa技术在高斯信道和多径衰落信道下,7 种扩频信道的性能仿真曲线图,在误码率小于0.0 0 5时,扩频因子增加1,
21、可以给当前通信信道的抗噪声性能带来约3dB的增益。根据式(3)可知,在不同扩频信道的功率相同,扩频因子增加1,经过处理后的215第2 期雷芳,等:LoRa扩频信道干扰与扩展性分析压缩窄脉冲也变为原来的2 倍,刚好等于3dB,这也说明了仿真的正确性。文献7-8 给出了解调不同扩频信道间的叠加信号的频谱图,说明不同扩频信道并非完全正交,相互间也存在一定的干扰。LoRa不同扩频信道干扰分析与1.1节LoRa相同扩频信道干扰分析的不同点在于:节点1和2 采用不同的扩频因子进行调制,在这里设置节点1为低扩频信道数据s(n)的扩频因子为SF1,节点2 为高扩频信道数据s(n)的扩频因子为SF2。在式(2)
22、中,若解调节点1的数据时,节点2 的数据为默认干扰值,从s(n)的多个符号中随机选取2 S1个连续的码片;若解调节点2 的数据时,节点1的数据为默认干扰值,从s(n)的多个符号中随机选取2 SF2个连续的码片。在图3的仿真中,基带带宽为50 0 kHz,节点1的扩频因子为7,节点2 的扩频因子为8,节点1和2 的功率比Pr(dB)为0,1,2,3,4,5)。图3(a)为解调节点1数据的LoRa扩频通信误符号率仿真图,其包含了无节点2 干扰和有节点2 干扰的仿真曲线。图3(b)为解调节点2数据的LoRa扩频通信误符号率仿真图,其包含了无节点1干扰和有节点1干扰的仿真曲线。在图4的仿真中,将图3仿
23、真参数配置中节点2 的扩频因子替换为9,图4(a)为扩频信道9对7 的干扰性能仿真曲线,图4(b)为扩频信道7 对9的干扰性能仿真曲线。10010010-110-110-21010-210-2*无节点干扰10-3*无节点干扰10-30dB10-3O dB10-3+1 dB+1 dB10-4*2dB2dB10-4一10-4-3 dB10-43 dB4dB10-5-12-84dB10-5+5dB5dB-12-810-510-5-40-3530-25-20-15-10-5-40-30-20-100信噪比/dB信噪比/dB(a)扩频信道8 对7 的干扰性能仿真图(b)扩频信道7 对8 的干扰性能仿真图
24、(a)Simulation of interference performance(b)Simulation of interference performanceof spread spectrum channel 8 to 7of spread spectrum channel 7 to 8图3扩频信道7 与8 相互干扰仿真图Figure 3 Simulation diagram of mutual interference between spread spectrumchannel 7 and 8通过图3仿真分析可得,当SF=7比SF=8的功率大于等于2 dB时,SF=8对SF=7的解
25、调性能影响非常小,SF=7对 SF=8的解调性能影响则很大;当SF=7的功率比SF=8低2 dB时,SF=8对SF=7的解调影响很小,SF=7对SF=8的干扰也很小。由图3和4的仿真分析可得,增大两个节点扩频因子SF的差距,高扩频信道对低扩频信道的干扰始终很小,低扩频信道对高扩频信道的干扰会明显变小。在解调不同扩频信道信号时,扩频因子大则抗干扰能力比较强,且大的扩频因子会比相邻小的扩频因子多3dB的增益,因此在LoRaWAN协议的自适应功率算法中,在接收端相邻扩频信道之间功率差为3dB,有效比特能耗最低。通过上述仿真发现,当功率差满足功率自适应算法后,高扩频因子对低扩频因子的信号基本没有干扰;
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