在實(shí)施例中本發(fā)明涉及旨在充當(dāng)用于“物聯(lián)網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)中的物理層的通信協(xié)議。具體地，但不排他地，作為本發(fā)明對(duì)象的協(xié)議和設(shè)備可以被包括，或者依賴現(xiàn)有蜂窩電話基礎(chǔ)設(shè)施并且占用分配到蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)的頻帶。

背景技術(shù)：

LoRa通信協(xié)議和設(shè)備基于組合了低功率和長(zhǎng)通信距離的基于啁啾(chirp)的調(diào)制。因此，它們理想地適合用于在非常小的電池操作的對(duì)象中實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)能力。

窄帶和超窄帶調(diào)制是可以用于在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立無線電無線通信的另一技術(shù)。這些調(diào)制模式所需的非常窄帶寬尤其需要發(fā)射器和接收器之間同步的精確性。

基于衛(wèi)星的系統(tǒng)向自定位設(shè)備提供了定位能力。GPS是第一個(gè)，Glonass系統(tǒng)是非常有用的補(bǔ)充，并且Galileo系統(tǒng)將跟隨有新的能力?；跓o線電信號(hào)的定時(shí)中的差異的陸地或海洋位置服務(wù)也已經(jīng)長(zhǎng)期存在，例如DECCA和LORAN。

所有這些系統(tǒng)共享相同的原理：已知位置的時(shí)間或頻率同步的站廣播無線電信號(hào)，端點(diǎn)接收所述信號(hào)并得出其位置。

如尤其在轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)人并且通過引用合并于此的專利申請(qǐng)EP2449690、US20140225762和WO2014124785中公開的，LoRa設(shè)備的位置還可能有測(cè)距或者發(fā)射端點(diǎn)的位置。

所謂的“物聯(lián)網(wǎng)”是具有用于使用有線和/或無線接口在其之間交換數(shù)據(jù)的嵌入式軟件和電子裝置的物理對(duì)象、設(shè)備和其它物體的網(wǎng)絡(luò)。有一個(gè)共識(shí)是許多未來“物聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用將涉及既不能接入有線網(wǎng)絡(luò)也不具有持久能量供應(yīng)的小型低成本便攜設(shè)備。

連接的對(duì)象的開發(fā)者的另一個(gè)關(guān)注是可用于通信的無線電頻帶必然有限，并且傳輸被嚴(yán)格調(diào)節(jié)以便使干擾最小化。在典型的IoT場(chǎng)景中，每個(gè)單獨(dú)的節(jié) 點(diǎn)產(chǎn)生適量的數(shù)據(jù)，并且不頻繁地通信，但是，由于所部署的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目非常大，網(wǎng)絡(luò)容量快速地成為限制因素。在該上下文中，存在對(duì)于能量和頻譜兩者高效的通信系統(tǒng)和方法的需要，以便最大化電池操作的對(duì)象的自治，增加通信可能所處的最大距離，并最佳地使用可用無線電空間。出于成本和能量二者考慮，還存在對(duì)于具有低計(jì)算復(fù)雜度的通信方法的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)的改進(jìn)的系統(tǒng)，并且具體的通信系統(tǒng)和通信設(shè)備，其組合了非常低功率、簡(jiǎn)單和頻譜高效的通信信道，并且允許通過用于資產(chǎn)追蹤或者需要位置信息的其它應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)靜止或快速移動(dòng)對(duì)象的精確定位。

根據(jù)本發(fā)明，借助于隨附權(quán)利要求的對(duì)象實(shí)現(xiàn)該目的。

特別地，本發(fā)明的實(shí)施例使用具有異步接入的窄帶到超窄帶上行鏈路和下行鏈路信道化，其提供了最佳頻譜效率，而同時(shí)針對(duì)上行鏈路和下行鏈路二者使用LoRa擴(kuò)頻調(diào)制來實(shí)現(xiàn)定位，其允許數(shù)據(jù)通信和從深度室內(nèi)到快速移動(dòng)的室外設(shè)備的定位。

兩個(gè)物理層可以在分離的頻譜塊同時(shí)操作。根據(jù)本發(fā)明的移動(dòng)設(shè)備優(yōu)選地是能夠進(jìn)行兩種操作模式的。物理層的選擇(窄帶或者LoRa擴(kuò)頻)是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的。產(chǎn)生大業(yè)務(wù)量的靜態(tài)終端設(shè)備可能有利于窄帶層，而具有定位需要的設(shè)備可以使用LoRa層。單個(gè)設(shè)備可以被配置為動(dòng)態(tài)地并且根據(jù)需要與必要一樣地經(jīng)常地從一個(gè)通信模式切換到另一個(gè)。

根據(jù)另一獨(dú)立方面，本發(fā)明涉及無線系統(tǒng)，其包括可以經(jīng)由相應(yīng)無線電接口與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信的多個(gè)固定基站收發(fā)信站(BTS)，無線電通信包括在無線電頻譜的有限部分中的窄帶雙向數(shù)據(jù)傳輸接口以及由BTS發(fā)射到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)頻啁啾調(diào)制信標(biāo)信號(hào)，信標(biāo)允許移動(dòng)節(jié)點(diǎn)估計(jì)和/或校正其自身時(shí)間參考的頻率/時(shí)間誤差，由此移動(dòng)節(jié)點(diǎn)獲得其用于調(diào)制和解調(diào)所述窄帶雙向傳輸?shù)木_時(shí)間和頻率參考。詞語“信標(biāo)”通過擴(kuò)展還將用于表示發(fā)射信標(biāo)信號(hào)的基站收發(fā)信站。

本發(fā)明還涉及上面詳述的系統(tǒng)以及對(duì)應(yīng)的方法，在所述系統(tǒng)中擴(kuò)頻信標(biāo)在頻率上疊加到窄帶傳輸，并且其采用頻分將窄帶傳輸劃分在(優(yōu)選地不同寬度的)多個(gè)子信道中。

在另一獨(dú)立方面中，本發(fā)明還涉及無線系統(tǒng)，其包括可以經(jīng)由相應(yīng)無線電接口與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信的多個(gè)固定基站收發(fā)信站(BTS)，所述系統(tǒng)具有用于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的被動(dòng)定位模式，由此移動(dòng)節(jié)點(diǎn)被動(dòng)地從主基站收發(fā)信站和從收發(fā)信站接收包括測(cè)距請(qǐng)求和測(cè)距響應(yīng)的多個(gè)交換，所述交換與一個(gè)收發(fā)信站的時(shí)間參考同步，以使得到距離內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差異可以被確定，優(yōu)選地，不與外部參考同步。

本發(fā)明還包括如上所述的系統(tǒng)，其中無線系統(tǒng)以以下方式被布置：使得多對(duì)主收發(fā)信站和從收發(fā)信站交換測(cè)距請(qǐng)求和響應(yīng)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收它們，所述系統(tǒng)被布置在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中、在基礎(chǔ)設(shè)施中或者在組合中，以確定信號(hào)從站對(duì)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間差異，所述站被布置在多個(gè)不同和獨(dú)立的基線的端。

本發(fā)明還包括上面概述的系統(tǒng)以及對(duì)應(yīng)方法，在所述系統(tǒng)中測(cè)距請(qǐng)求從一個(gè)主站發(fā)送到多個(gè)指定的從站，并且其中測(cè)距請(qǐng)求包括后同步信號(hào)(postamble)，所述后同步信號(hào)包括按確定的時(shí)間移位延遲的一個(gè)或多個(gè)啁啾信號(hào)。

附圖說明

在通過示例的方式給出并通過附圖說明的實(shí)施例的描述的幫助下將更好地理解本發(fā)明，在附圖中：

·圖1示意性地圖示了與本發(fā)明兼容的無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。

·圖2a繪制了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的基礎(chǔ)啁啾和經(jīng)調(diào)制的啁啾的瞬時(shí)頻率。在圖2b中表示相同信號(hào)的相位，而圖2c繪制了在時(shí)域的基礎(chǔ)啁啾的實(shí)部分量和虛部分量。

·圖3示意性地表示在本發(fā)明的測(cè)距方法期間兩個(gè)設(shè)備之間交換的數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)。

·圖4a和4b圖示了在本發(fā)明所使用的測(cè)距過程中涉及的在主設(shè)備和從設(shè)備之間的啁啾調(diào)制信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，其示出了兩種可能的定時(shí)誤差以及所涉及的未對(duì)準(zhǔn)。

·圖5繪制了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的用于估計(jì)距離的校正函數(shù)。

·圖6示意性地示出了在本發(fā)明的可能的實(shí)施例中使用的步驟。

·圖7和8示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的定位系統(tǒng)。

·圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的窄帶無線電傳輸?shù)念l率分布方案。

·圖10示出了圖9的頻率分布方案的細(xì)節(jié)。

·圖11示出了疊加到圖9的窄帶分布方案的擴(kuò)頻信號(hào)。

·圖12借助于仿真的示例圖示了本發(fā)明的窄帶網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路容量。

·圖13示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的擴(kuò)頻帶寬以及歸一化的GSM帶寬。

·圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的可能結(jié)構(gòu)并圖示了根據(jù)其的定位系統(tǒng)。

·圖15a-b和圖16示出了無線網(wǎng)絡(luò)的容量。

·圖17圖示了被動(dòng)(“偵察(spy)”)測(cè)距和定位方法。

·圖18圖示了產(chǎn)生多個(gè)分布、方向獨(dú)立的定位基線的可能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案。

·圖19圖示了基于啁啾擴(kuò)頻調(diào)制的廣播測(cè)距幀的結(jié)構(gòu)。

·圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的信標(biāo)接收和沖突的概率。

·圖21圖示了作為小區(qū)密度的函數(shù)的可以解碼信標(biāo)幀的終端節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)目。

·圖22是根據(jù)本發(fā)明的方面的具有后同步信號(hào)的測(cè)距幀。

·圖23圖示了根據(jù)本發(fā)明的方面的依賴于鏈路質(zhì)量向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配窄帶寬信道的方法。

具體實(shí)施方式

回憶LoRa調(diào)制

在本發(fā)明中所采用的啁啾調(diào)制技術(shù)的若干方面在歐洲專利申請(qǐng)EP2449690和EP2767848中被描述，其由此通過引用被合并，并且將在此處被概要地提醒。在圖1中被示意性表示的無線電收發(fā)器是本發(fā)明的可能的實(shí)施例的部分。其包括基帶部件200和射頻部件100。集中在發(fā)射器部分上，基帶調(diào)制器150基于存在于其輸入處的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)152而生成基帶信號(hào)，所述基帶信號(hào)的I和Q分量被RF部件100轉(zhuǎn)換至期望傳輸頻率、被功率放大器120放大并且被天線傳輸。在不背離本發(fā)明的框架的情況下，該架構(gòu)允許若干變形和修改，并且是非限制性示例。例如收發(fā)器可以合成極分量(振幅A和相位φ)而不是笛卡爾分量I和Q。

從基帶到所意圖的頻率的信號(hào)轉(zhuǎn)換在該示例中通過在混頻器110中將由放大器154所提供的信號(hào)與由電路190所生成并且與參考時(shí)鐘129有關(guān)聯(lián)的本地載波的同相和正交分量混頻而被完成。

一旦信號(hào)在無線電鏈路的另一端上被接收，則被圖1的收發(fā)器的接收部分 處理，所述接收部分包括隨后為降頻轉(zhuǎn)換級(jí)170的低噪聲放大器160，所述降頻轉(zhuǎn)換級(jí)170生成包括一系列啁啾的基帶信號(hào)，所述基帶信號(hào)然后由基帶解調(diào)器180所處理，所述基帶解調(diào)器180的函數(shù)是調(diào)制器150的函數(shù)的逆并且提供經(jīng)重構(gòu)的數(shù)字信號(hào)182。

如在EP2449690中所討論的，調(diào)制器150合成包括一系列啁啾的基帶信號(hào)，所述一系列啁啾的頻率沿預(yù)定時(shí)間間隔從初始瞬時(shí)值f_0改變至最終瞬時(shí)頻率f_1。為了簡(jiǎn)化描述，將假定所有啁啾具有相同的持續(xù)時(shí)間T，盡管這對(duì)于本發(fā)明不是絕對(duì)的要求。啁啾可以由其瞬時(shí)頻率的時(shí)間分布f(t)或也可以由將信號(hào)的相位定義為時(shí)間的函數(shù)的函數(shù)φ(t)描述。啁啾可以具有多個(gè)不同分布之一，每個(gè)對(duì)應(yīng)于預(yù)定調(diào)制符號(hào)集(alphabet)中的符號(hào)。

重要的是，調(diào)制器150可以生成具有特定且預(yù)定義頻率分布的基礎(chǔ)啁啾(也稱未經(jīng)調(diào)制的啁啾)，或者通過循環(huán)地對(duì)基礎(chǔ)啁啾的頻率分布進(jìn)行時(shí)間移位獲得的一組可能的經(jīng)調(diào)制的啁啾中的一個(gè)。圖2a-b圖示了基礎(chǔ)啁啾和經(jīng)調(diào)制的啁啾的可能的頻率和相位分布，而圖2c在時(shí)域示出了對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)。

在所描繪的示例中，基礎(chǔ)啁啾的頻率從t＝t_0處的初始值f_0＝-BW/2線性增加到t＝t_1處的最終值f_1＝BW/2，其中BW代表帶寬擴(kuò)展量，但是下降的啁啾或其它啁啾分布也是可能的。因而，以啁啾的形式對(duì)信息進(jìn)行編碼，所述啁啾具有相對(duì)于預(yù)定基礎(chǔ)啁啾的多個(gè)可能的循環(huán)移位中的一個(gè)，每個(gè)循環(huán)移位對(duì)應(yīng)于可能的調(diào)制符號(hào)。

優(yōu)選地，調(diào)制器也被布置以合成共軛啁啾并且在信號(hào)中插入共軛啁啾，所述共軛啁啾是基礎(chǔ)未經(jīng)調(diào)制的啁啾的復(fù)共軛?？梢詫⑦@些看作降頻啁啾(down-chirp)，其中頻率從f_0＝+(BW)/2的值下降至f_1＝-(BW)/2。

優(yōu)選地，啁啾的相位由連續(xù)函數(shù)φ(t)描述，所述連續(xù)函數(shù)φ(t)在啁啾的開始處和結(jié)束處具有相同的值：φ(t_0)＝φ(t_1)。由于如此，信號(hào)的相位跨越符號(hào)邊界是連續(xù)的，這是在下文將被稱作符號(hào)間相位連續(xù)性的特征。接收器中的解調(diào)器單元180可以將其時(shí)間參考與發(fā)射器的時(shí)間參考對(duì)準(zhǔn)，并且確定被賦予每個(gè)啁啾的循環(huán)移位量。評(píng)估所接收的啁啾相對(duì)于本地時(shí)間參考的時(shí)間移位的操作在下文可以被稱作“去啁啾(dechirp)”，并且能夠通過將所接收的啁啾與本地生成的基礎(chǔ)啁啾的復(fù)共軛相乘并且執(zhí)行FFT而被實(shí)現(xiàn)。FFT的最大值的位置指示移位并且指示調(diào)制值。去啁啾方法的其它方式是可能的。

因此，“循環(huán)移位值”在下文中可以用于指示時(shí)域上的調(diào)制，并且“調(diào)制位置”或者“峰值位置”表示頻域上的調(diào)制。我們將用N表示符號(hào)長(zhǎng)度或等價(jià)地?cái)U(kuò)頻因子，用1/BW表示奈奎斯特采樣頻率，用N/BW表示符號(hào)長(zhǎng)度。優(yōu)選地，N是2的冪。在可能的應(yīng)用中，BW可能是1MHz，并且N等于1024、512或256。載波頻率可以在2.45GHz ISM頻帶。在該特定實(shí)施例中，本發(fā)明的調(diào)制方案可以占用與收發(fā)器相同的RF頻帶，并且可能復(fù)用或共享 收發(fā)器的RF部分。

因此，經(jīng)調(diào)制的符號(hào)是在0和N-1之間的任何數(shù)目的基礎(chǔ)符號(hào)循環(huán)移位。0調(diào)制值等同于不存在調(diào)制。因?yàn)镹是二的冪，循環(huán)移位的值可以被編碼在log_2N個(gè)比特上。

優(yōu)選地，通過本發(fā)明所發(fā)射和接收的信號(hào)被組織在包括被合適編碼的前導(dǎo)(preamble)和數(shù)據(jù)段的幀中。所述前導(dǎo)和數(shù)據(jù)段包括經(jīng)調(diào)制和/或未經(jīng)調(diào)制的一系列啁啾，其允許接收器將其時(shí)間參考與發(fā)射器的時(shí)間參考時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、檢索信息、執(zhí)行動(dòng)作等等。若干種幀結(jié)構(gòu)都是可能的。

根據(jù)本發(fā)明的方面，發(fā)射器和接收器節(jié)點(diǎn)優(yōu)選地具有通信模式和/或測(cè)距模式，所述通信模式允許通過經(jīng)調(diào)制的啁啾信號(hào)交換數(shù)據(jù)，在所述測(cè)距模式中信號(hào)的測(cè)距交換在主設(shè)備和從設(shè)備之間進(jìn)行，這導(dǎo)致對(duì)它們之間距離的評(píng)估。從站被布置用于識(shí)別測(cè)距請(qǐng)求并且發(fā)射回測(cè)距響應(yīng)，所述測(cè)距響應(yīng)包含在時(shí)間和頻率上與測(cè)距請(qǐng)求中的啁啾精確對(duì)準(zhǔn)的啁啾，于是主站能夠接收測(cè)距響應(yīng)、相對(duì)于其自己的時(shí)間參考來分析被包含在其中的啁啾的時(shí)間和頻率并且估計(jì)到從站的距離。

圖3示意性地表示可以包括數(shù)據(jù)分組和/或測(cè)距請(qǐng)求的幀的可能結(jié)構(gòu)。所述幀開始于前導(dǎo)并且包括基礎(chǔ)(即，未經(jīng)調(diào)制或具有等于零的循環(huán)移位)符號(hào)的檢測(cè)序列411，所述前導(dǎo)可以具有與本發(fā)明的系統(tǒng)中被交換以用于其他目的的其它幀公共的結(jié)構(gòu)。檢測(cè)序列411被用于接收器中以檢測(cè)信號(hào)的開始并且優(yōu)選地執(zhí)行其時(shí)間參考與發(fā)射器中時(shí)間參考的第一同步。通過對(duì)經(jīng)解調(diào)的檢測(cè)序列進(jìn)行去啁啾，所述接收器確定移位量。

檢測(cè)序列的結(jié)束由一個(gè)或多個(gè)(優(yōu)選為兩個(gè))幀同步符號(hào)412標(biāo)記，所述幀同步符號(hào)412是采用預(yù)定值調(diào)制的啁啾，例如，具有調(diào)制值4的第一啁啾，采用相對(duì)的調(diào)制N-4的第二啁啾。優(yōu)選地，幀同步符號(hào)的調(diào)制在絕對(duì)移位上大 于3個(gè)單元從而最小化誤差的似然性。作為幀同步標(biāo)記的單個(gè)經(jīng)調(diào)制的符號(hào)或者針對(duì)幾個(gè)符號(hào)的相同調(diào)制值的使用也是可能的，但不是最佳的。

幀同步符號(hào)412的預(yù)定調(diào)制值還可以用作網(wǎng)絡(luò)簽名，允許幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)共存而不接收彼此的分組。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述前導(dǎo)優(yōu)選地包括頻率同步符號(hào)413，所述頻率同步符號(hào)413在于作為基礎(chǔ)未經(jīng)調(diào)制啁啾的復(fù)共軛的一個(gè)或多個(gè)(優(yōu)選地兩個(gè))啁啾。共軛符號(hào)可以由具有與基礎(chǔ)啁啾相比不同的帶寬或持續(xù)時(shí)間的啁啾所代替，因而表現(xiàn)出比基礎(chǔ)啁啾的頻率變化更快或更慢的頻率變化。該變形將需要更復(fù)雜的接收器，但是另一方面使共軛啁啾自由地用于數(shù)據(jù)傳輸。由于啁啾的時(shí)間-頻率等價(jià)屬性，調(diào)制的視在值(apparent value)將給出頻率誤差。為了讓接收器在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)，在符號(hào)413之后插入靜默(silence)420。

可選地，報(bào)頭還包括可以是未經(jīng)調(diào)制的基礎(chǔ)啁啾的精細(xì)同步符號(hào)414，例如并且給出了精細(xì)時(shí)間和頻率同步的機(jī)會(huì)并允許簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)完全一致接收器。它們準(zhǔn)許可能單獨(dú)依賴于頻率同步符號(hào)413出現(xiàn)的頻率偏移的校正。在可替代方案中，在存在較低數(shù)據(jù)速率的情況下，傳輸可以使用調(diào)制值的縮減集合。

幀的報(bào)頭部分是數(shù)據(jù)字段415，其包括例如幀意圖用于測(cè)距的幀目的的指示以及其需要測(cè)距的特定設(shè)備的標(biāo)識(shí)碼。只有具有等于在報(bào)頭中所指定的標(biāo)識(shí)碼的標(biāo)識(shí)碼的該特定設(shè)備應(yīng)當(dāng)對(duì)所述測(cè)距請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。

測(cè)距符號(hào)416是具有預(yù)定時(shí)間結(jié)構(gòu)的一連串未經(jīng)調(diào)制的啁啾。在優(yōu)選的實(shí)施例中，它們是一連串未經(jīng)調(diào)制的啁啾，即基礎(chǔ)啁啾。

圖6示意性地圖示在測(cè)距交換期間在主設(shè)備和從設(shè)備中可能的步驟序列。所述交換由主站發(fā)起，所述主站發(fā)射指明特定從設(shè)備的測(cè)距請(qǐng)求(步驟201)，并且然后等待(步驟230)適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。所述從站接收請(qǐng)求(步驟300)并且起先如同正常傳輸那樣對(duì)它進(jìn)行處理。其運(yùn)行檢測(cè)、時(shí)間和頻率同步(步驟350)和報(bào)頭解碼的通常步驟。然后其發(fā)現(xiàn)所述幀是測(cè)距請(qǐng)求并且將所述測(cè)距請(qǐng)求ID與其自己的ID比較(步驟352)。如果它們匹配，則其將繼續(xù)進(jìn)行接下來的步驟。在該第一階段期間，所述從站已經(jīng)估計(jì)在主站和其本身之間的頻率偏移。該頻率偏移被用于計(jì)算(步驟356)在其之間的定時(shí)漂移，假定定時(shí)和頻率得自相同的時(shí)間參考。然后所述從站執(zhí)行測(cè)距特定步驟：

a-測(cè)距同步(步驟357)：這是用于與由主站所發(fā)射的測(cè)距符號(hào)在時(shí)間上對(duì) 準(zhǔn)。的確，就在報(bào)頭之后可能有時(shí)間偏移，因?yàn)樗鰣?bào)頭對(duì)于小時(shí)間偏移是健壯的。

b-測(cè)距計(jì)算(步驟359)。對(duì)于每個(gè)符號(hào)，執(zhí)行經(jīng)調(diào)整的去啁啾操作。不同的本地啁啾被合成用于對(duì)每個(gè)符號(hào)進(jìn)行去啁啾，以便針對(duì)定時(shí)漂移而進(jìn)行調(diào)整：首先，所述啁啾的斜率被修改與晶體偏移對(duì)應(yīng)的非常小的部分。其次，所述啁啾的開始頻率被修改以適應(yīng)自測(cè)距同步時(shí)刻以來所累積的定時(shí)誤差，該值等于每符號(hào)的符號(hào)索引(symbol index)乘以所評(píng)估的定時(shí)漂移。此處我們使用意味著時(shí)間偏移在一些方面中等價(jià)于頻率偏移的啁啾的完全頻率-時(shí)間等價(jià)以及以下事實(shí)：這些補(bǔ)償是非常小的，典型地具有一些PPM，并且將不使信號(hào)偏離信道。在可替換方案中，接收器可以在時(shí)間上內(nèi)插，但是這將更復(fù)雜。

在FFT之后，在預(yù)期位置(頻段(bin)0，沒有調(diào)制)處的輸出的相對(duì)值與其鄰居相比較。然后內(nèi)插被執(zhí)行以找到精細(xì)定時(shí)(步驟362)。這相當(dāng)于(amount to)根據(jù)沒有被確切置于期望頻率上的FFT值的離散觀測(cè)來評(píng)估正弦曲線的頻率，并且能夠以各種方式來執(zhí)行。

對(duì)若干符號(hào)一起求平均以得到精細(xì)定時(shí)估計(jì)。這允許從站確定確切定時(shí)時(shí)刻，在所述確切定時(shí)時(shí)刻通過把從報(bào)頭所確定(步驟350)的粗糙定時(shí)移位和精細(xì)定時(shí)移位、由表達(dá)式Ranging_symbols_numbers x(symbol_duration+timing_drift_per_symbol)所給出的測(cè)距序列的持續(xù)時(shí)間和預(yù)定測(cè)距響應(yīng)偏移加在一起來發(fā)射響應(yīng)。所述從站因而等待直到定時(shí)時(shí)刻為止(步驟364)并且發(fā)射測(cè)距響應(yīng)(步驟367)。

所述測(cè)距響應(yīng)偏移是預(yù)定時(shí)間間隔，所述預(yù)定時(shí)間間隔適應(yīng)處理時(shí)間并且使用在從站的接收和發(fā)射無線電內(nèi)部的延遲。假定所述估計(jì)是正確的，則在天線處的信號(hào)的測(cè)距響應(yīng)開始時(shí)間應(yīng)當(dāng)?shù)扔谒邮照?qǐng)求的開始時(shí)間加上固定偏移(優(yōu)選地對(duì)應(yīng)于整數(shù)數(shù)目的符號(hào))。所述測(cè)距響應(yīng)偏移可以是恒定的或被自適應(yīng)地調(diào)整以便補(bǔ)償溫度改變或其它漂移源。

重要地，通過確定粗糙和精細(xì)時(shí)間移位估計(jì)和定時(shí)漂移，由于包括如以上所解釋的經(jīng)啁啾調(diào)制的信號(hào)的測(cè)距請(qǐng)求的特殊屬性，本發(fā)明的從設(shè)備能夠基于被包含在測(cè)距請(qǐng)求中的啁啾的時(shí)間和頻率來確定其自己的時(shí)間參考相對(duì)于主站的時(shí)間參考的時(shí)間和頻率移位。

所述測(cè)距響應(yīng)由若干未經(jīng)調(diào)制的啁啾構(gòu)成。優(yōu)選地，在測(cè)距計(jì)算中，與經(jīng) 調(diào)整的去啁啾步驟359期間相比，相同的補(bǔ)償被使用：斜率補(bǔ)償加上定時(shí)漂移累積補(bǔ)償。根據(jù)所估計(jì)的頻率，這附加于發(fā)射頻率的補(bǔ)償而發(fā)生。以這種方式，所述測(cè)距響應(yīng)在時(shí)間和頻率上與所述主站的時(shí)間參考精確對(duì)準(zhǔn)。

此處，重要的是注意到，所述系統(tǒng)對(duì)于頻率偏移中的小誤差是健壯的。如果小誤差出現(xiàn)，則接收頻率和發(fā)射頻率將是略微錯(cuò)誤的，然而定時(shí)漂移估計(jì)將幾乎是正確的。這是因?yàn)?，定時(shí)漂移估計(jì)是將所估計(jì)的頻率除以載波頻率。例如在868MHz處，120Hz的誤差(其是使用4096的擴(kuò)頻因子和500KHz的帶寬的全FFT頻段的不太可能的誤差)導(dǎo)致僅僅0.13ppm的誤差：這將給出僅1.5米測(cè)距誤差。其次，由于所述響應(yīng)與所述請(qǐng)求是時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的，如果在所估計(jì)的頻率中有誤差，則其將由時(shí)間同步中成比例的誤差所補(bǔ)償，使得接收信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的frequency(頻率)＝f(time(時(shí)間))的函數(shù)是對(duì)準(zhǔn)的。未同步的影響于是只是所接收能量的微小降級(jí)。

這兩個(gè)效應(yīng)在圖4a和4b中被圖示，所述圖4a和4b繪制在主站中和在從站中一系列啁啾的瞬時(shí)頻率。在主設(shè)備中所生成的啁啾由雙線表示，而關(guān)于從設(shè)備的那些由單線描繪。實(shí)線指示在主站和從站之間所傳輸?shù)男盘?hào)，而虛線代表用于去啁啾的本地信號(hào)，例如：

圖4a示出所述方案對(duì)于來自從站的小頻率估計(jì)誤差是健壯的，圖4b示出定時(shí)補(bǔ)償?shù)闹匾浴?/p>

現(xiàn)在回到圖6，在主站側(cè)上，測(cè)距響應(yīng)的接收(步驟231)不需要同步步驟。主站假定頻率和定時(shí)是完美對(duì)準(zhǔn)的。測(cè)距響應(yīng)不需要嵌入頻率估計(jì)符號(hào)。主站僅估計(jì)定時(shí)，在沒有補(bǔ)償?shù)臏y(cè)距計(jì)算中確切地執(zhí)行與從站相同的步驟(236和240)。這簡(jiǎn)化調(diào)制解調(diào)器，因?yàn)闇y(cè)距核對(duì)主站和從站這兩者是公共的。

優(yōu)選地，本發(fā)明包括分集合并(diversity combining)以改進(jìn)距離估計(jì)的可靠性和精度。通過分集，此處意圖的是在相同設(shè)備之間執(zhí)行若干測(cè)距測(cè)量。這些測(cè)量可以用不同的交換接連進(jìn)行、在相同交換期間并行進(jìn)行或這兩者。

優(yōu)選地，分集合并基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示。與低于給定閾值的RSSI對(duì)應(yīng)的測(cè)量被舍棄。然后，對(duì)剩余的測(cè)量求平均以得到初始距離估計(jì)。在線性尺度中使用RSSI作為權(quán)重來對(duì)估計(jì)求加權(quán)平均也是可能的。

在可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所應(yīng)用的閾值大約6dB：具有比測(cè)量集的最大RSSI低6dB的關(guān)聯(lián)的RSSI的測(cè)距測(cè)量被舍棄。該閾值來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

如果空間(即天線分集)和頻率分集這兩者都被使用，則優(yōu)選地針對(duì)每個(gè)天線來計(jì)算閾值。

一旦所選擇的測(cè)量的平均值是可用的，則距離估計(jì)針對(duì)多徑而被補(bǔ)償。視線情況下，與單徑相比，多徑的平均效應(yīng)是會(huì)增大所測(cè)量的飛行時(shí)間。因?yàn)榫嚯x由直接路徑的測(cè)量更好地表示，該補(bǔ)償是重要的。因?yàn)楸景l(fā)明的系統(tǒng)由于其窄帶而通常不能夠解析信道的時(shí)間結(jié)構(gòu)(即，解析單獨(dú)回聲(echo))，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償能夠相當(dāng)大地改進(jìn)距離估計(jì)的可靠性。

在設(shè)備之間的距離越長(zhǎng)，則傳播信道的延遲擴(kuò)展越大。然而，延遲擴(kuò)展的影響被限制：在比系統(tǒng)的時(shí)間分辨率更長(zhǎng)的延遲之后發(fā)生的回聲不修改距離估計(jì)。

在非常短的距離處(在幾米以下)，信道的功率分布快速衰退。我們觀測(cè)到，距離越短，多徑的影響越低。實(shí)際上對(duì)于在設(shè)備之間零距離的限制情況來說，直接路徑非常多地支配回聲，以便其影響是非常小的。

該行為已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定；圖5圖示被用于從受多徑影響的距離估計(jì)提取真實(shí)距離的可能的補(bǔ)償曲線。使用各種長(zhǎng)度的RF電纜的測(cè)量證實(shí)，空中的無線電傳播是該依賴距離的測(cè)距偏置的來源。

本發(fā)明優(yōu)選地包括自動(dòng)自適應(yīng)測(cè)量，例如速率自適應(yīng)、用于分集的自適應(yīng)跳頻和對(duì)在“找到我的物品”應(yīng)用中的一對(duì)設(shè)備的執(zhí)行自動(dòng)校準(zhǔn)的能力。

自適應(yīng)速率被用于最大化網(wǎng)絡(luò)容量或鏈路容量。本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選地能夠基于信道狀態(tài)而適配信號(hào)的頻率和/或帶寬和/或擴(kuò)頻因子。

通過進(jìn)行速率自適應(yīng)，如果信噪比足夠好，則測(cè)量速率可以被增大。與傳輸系統(tǒng)相比，利用相同的方案來完成速率自適應(yīng)：改變擴(kuò)頻因子；使用通信路徑來交換擴(kuò)頻因子的值。更短的測(cè)量能夠提供由于更平均而引起的更高的準(zhǔn)確度、追蹤更多項(xiàng)目或節(jié)省功率。

自適應(yīng)跳頻是特別是在2.4GHz ISM頻帶中非常有用的特征，因?yàn)?.4GHz ISM頻帶被許多其它應(yīng)用擠滿。因?yàn)楸景l(fā)明的系統(tǒng)是窄帶，其甚至當(dāng)大多數(shù)頻帶被使用時(shí)也可以提供測(cè)距服務(wù)。這不能通過較小靈活的較寬帶系統(tǒng)完成?？梢酝ㄟ^各種已知方法確定最佳頻率，并且使用通信路徑來傳輸關(guān)于跳頻序列的足夠的信息。

本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選地被布置以使用依賴距離的測(cè)距誤差來自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)距測(cè) 量。如在圖5中所示出的，隨著距離減小，所估計(jì)的距離對(duì)距離的斜率增大直到對(duì)于例如小于15米的非常接近的距離為5的斜率。在典型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中，以步行速度的用戶將要瞄準(zhǔn)所搜尋的人或物，因而可以假定，真實(shí)距離的改變速率或多或少是恒定的并且被限制于例如1.5m/s。一旦在未被補(bǔ)償?shù)木嚯x估計(jì)(在2中所描述的偏置補(bǔ)償之前)中有突變并且如果對(duì)應(yīng)的速度過高以致不能是行人速度，則系統(tǒng)可以推斷，到所搜索對(duì)象的真實(shí)距離小于15米。這能夠被用于修改主設(shè)備的校準(zhǔn)，以補(bǔ)償主站的、或更可能為從站(所搜索設(shè)備)的校準(zhǔn)誤差。所修改的主站校準(zhǔn)實(shí)際上改進(jìn)所述對(duì)的校準(zhǔn)。相反地，如果距離估計(jì)低于15米，但是如果同時(shí)未被補(bǔ)償?shù)木嚯x估計(jì)以行人速度變化，那么系統(tǒng)可以檢測(cè)誤差并且增大所估計(jì)的距離，因?yàn)閷?duì)于短距離來說，估計(jì)應(yīng)當(dāng)更快速地變化。該自動(dòng)校準(zhǔn)僅當(dāng)設(shè)備是接近的時(shí)發(fā)生，這正是當(dāng)它被需要的時(shí)候。具有自動(dòng)校準(zhǔn)(其中所估計(jì)距離的改變速率被用作真實(shí)距離的指示)，改進(jìn)系統(tǒng)中的置信度，其中可以讓設(shè)備長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)沒有測(cè)距活動(dòng)。

由于系統(tǒng)提供的長(zhǎng)距離，本發(fā)明能夠操作于高度阻礙的條件中。在這些情形中，測(cè)距估計(jì)將仍然是幾乎準(zhǔn)確的，因?yàn)槠涫腔陲w行時(shí)間測(cè)量的。然后，比較距離估計(jì)與平均接收信號(hào)強(qiáng)度，本發(fā)明能夠建立并顯示阻礙指示。計(jì)算該指示的一種方式是首先計(jì)算路徑損耗指數(shù)，其在視線的情況下應(yīng)當(dāng)?shù)扔?。路徑損耗指數(shù)是這樣的使得接收功率與距離乘指數(shù)冪成反比。為此，需要發(fā)射功率的知識(shí)，但是該信息不需要是高度準(zhǔn)確的，因?yàn)樽璧K效應(yīng)通常是占優(yōu)勢(shì)的。可能的阻礙指示通過從路徑損耗指數(shù)減2而得到并且將該數(shù)目報(bào)告給用戶。

對(duì)于其中用戶具有手持設(shè)備的應(yīng)用，阻礙指示可以是隨著阻礙增加而在大小上增長(zhǎng)和/或改變顏色的條(bar)。這樣，手持設(shè)備能夠同時(shí)報(bào)告所估計(jì)的距離和所估計(jì)的阻礙。阻礙級(jí)別可以被用作方向提示：室外，當(dāng)阻礙高時(shí)，其經(jīng)常指示用戶的身體正阻礙信號(hào)，并且面向不同方向能夠確認(rèn)這點(diǎn)。室內(nèi)，高阻礙級(jí)別指示用戶正瞄準(zhǔn)的物體不在相同房間/樓層中。這對(duì)于該應(yīng)用是非常方便的信息，如由若干測(cè)試所證明的。

圖7表示根據(jù)本發(fā)明的方面的定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)允許確定移動(dòng)設(shè)備510的位置。設(shè)備510能夠通過包括如以上所解釋的一系列啁啾的無線電信號(hào)來與多個(gè)定位設(shè)備521-524進(jìn)行通信。

定位設(shè)備521-524充當(dāng)信標(biāo)并且能夠通過適合的數(shù)據(jù)鏈路540進(jìn)行通信。數(shù) 據(jù)鏈路540可以是例如也基于啁啾調(diào)制無線電信號(hào)或基于任何適合的通信標(biāo)準(zhǔn)的無線無線電鏈路，或基于電纜、電纖維或任何其它適當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸裝置的有線鏈路。重要地，數(shù)據(jù)鏈路540允許使設(shè)備521-524的相應(yīng)時(shí)間參考同步，如在本領(lǐng)域中所已知的。所述圖表示其間互連并且互相同步其時(shí)鐘的定位設(shè)備521-524，但是在未表示的變形中，它們可以代替地將其時(shí)間參考與公共主參考同步。

定位設(shè)備521-524優(yōu)選地是固定的或至少緩慢移動(dòng)，并且其位置或至少其相對(duì)于彼此的相對(duì)位置是精確已知的。

定位系統(tǒng)也包括至少一個(gè)解算器(solver)設(shè)備560，所述解算器設(shè)備560知道定位設(shè)備521-524的位置并且能夠與其交換數(shù)據(jù)，以便計(jì)算移動(dòng)設(shè)備510的位置，如將被進(jìn)一步解釋的。即使概括地講，解算器設(shè)備560在此處被表示為與定位設(shè)備521-524是物理上不同的，但這并不是本發(fā)明的限制特征，并且事實(shí)上每個(gè)定位設(shè)備521-524或同時(shí)它們所有可以充當(dāng)解算器，在這種情況下，鏈路540可以被用于時(shí)鐘同步和數(shù)據(jù)交換這兩者。

優(yōu)選地，移動(dòng)設(shè)備向所有定位設(shè)備發(fā)射測(cè)距請(qǐng)求535，例如如在圖3中所格式化的。每個(gè)定位設(shè)備接收測(cè)距請(qǐng)求535并且以相同方式(應(yīng)用圖6的步驟350-362)來對(duì)所述測(cè)距請(qǐng)求535進(jìn)行解碼，但是每個(gè)定位設(shè)備將確定不同的測(cè)距響應(yīng)偏移，因?yàn)槊總€(gè)離移動(dòng)設(shè)備510都具有不同的距離。

在該點(diǎn)處，所述定位方法偏離先前的示例，在于代替生成測(cè)距響應(yīng)，偏移被傳輸?shù)浇馑闫髟O(shè)備560，所述解算器設(shè)備560計(jì)算移動(dòng)設(shè)備560相對(duì)于定位設(shè)備521-524的位置。為此，需要的是，足夠數(shù)目的定位設(shè)備確定偏移。在通常情況下，解算器將必須求解包括四個(gè)未知量的系統(tǒng)：移動(dòng)設(shè)備510的坐標(biāo)x，y，z和其時(shí)鐘的偏移Δt，因此來自四個(gè)獨(dú)立定位設(shè)備的至少四個(gè)偏移需要被確定。求解這種系統(tǒng)的方法在本領(lǐng)域中是已知的。

根據(jù)在圖8中所表示的示例，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置可以在節(jié)點(diǎn)自身中被確定。在這種情況下，多個(gè)固定的定位信標(biāo)521-524如以上所提及的使其時(shí)間參考由鏈路540同步并且同時(shí)或以預(yù)定時(shí)間間隔發(fā)出包括例如如在圖3中的啁啾的測(cè)距序列。如參考圖6所解釋的，移動(dòng)設(shè)備510能夠估計(jì)相對(duì)時(shí)間偏移。因?yàn)槎ㄎ还?jié)點(diǎn)的時(shí)間參考是同步的，假如移動(dòng)設(shè)備510至少確定來自四個(gè)獨(dú)立定位設(shè)備的延遲并且知道其位置，則所述移動(dòng)設(shè)備510能夠確定其自己的坐標(biāo)x，y，z和其 時(shí)鐘的偏移Δt。

重要地，在最后兩個(gè)示例中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)510的位置從未被傳輸并且其僅被解算器560或在后者中被移動(dòng)設(shè)備510已知。

窄帶接入關(guān)鍵特征

本發(fā)明的通信設(shè)備包括窄帶雙向數(shù)據(jù)傳輸接口，其物理層被組織為適合無線電頻譜的受限部分。本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)選地采用頻分方案(FDD)，以使得窄帶通信的物理層例如適合于200kHz上行鏈路頻帶和200kHz下行鏈路頻帶，每個(gè)頻帶被劃分成適當(dāng)數(shù)目的子信道。然而，其它帶寬是可能的。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選地涉及可以經(jīng)由相應(yīng)無線電接口與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信并且在其之間通過有線或無線數(shù)據(jù)鏈路通信的多個(gè)固定基站收發(fā)信站(BTS)。

在典型的IoT場(chǎng)景中，所部署的設(shè)備是非常低復(fù)雜度的超低功率移動(dòng)設(shè)備(MS)。優(yōu)選地，不同小區(qū)之間的頻率復(fù)用因子是1，以完全移除針對(duì)最簡(jiǎn)單設(shè)備的切換開銷。所有基站收發(fā)信站(BTS)可以被配置為解調(diào)完整集合的子信道。因此，當(dāng)改變小區(qū)時(shí)，移動(dòng)設(shè)備并不必管理切換?？紤]到要處理的信號(hào)的非常窄的帶寬，小區(qū)間協(xié)作解調(diào)也是一種可能的改進(jìn)。

在本發(fā)明的可能實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)固定基礎(chǔ)設(shè)施可以由電話運(yùn)營(yíng)商提供并可以與現(xiàn)有的電話基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合。窄帶通信可以是運(yùn)營(yíng)商所有的許可頻帶中已停用的GSM信道或者任何當(dāng)前未占用頻譜。操作的優(yōu)選頻帶是700到950MHz頻帶，由于其同時(shí)表現(xiàn)出良好的室內(nèi)穿透性、極其良好的傳播性，并且具有小型天線，適用于尺寸受限對(duì)象。

與僅使用以122比特/秒的來自MS的17dBm(50mW)RF輸出功率的GSM相比，仿真和測(cè)試已經(jīng)示出所提出的窄帶方式在鏈路預(yù)算中實(shí)現(xiàn)了20dB的改進(jìn)。當(dāng)路徑損耗允許它時(shí)，MS數(shù)據(jù)速率可以增加直到7.8千比特/秒。

窄帶上行鏈路和下行鏈路信道被布置為將到相鄰蜂窩信道的頻譜泄露最小化。

優(yōu)選地，擴(kuò)頻(啁啾調(diào)制)信標(biāo)信號(hào)在窄帶下行鏈路信道的相同頻譜塊上持續(xù)廣播。所采用的不同調(diào)制方案準(zhǔn)許在特定條件下，在相同頻帶上擴(kuò)頻和窄帶信號(hào)共存，如將在后面解釋。擴(kuò)頻允許MS的非?？焖俚慕杨l率獲取以及對(duì)準(zhǔn)。

低RF輸出功率允許在MS中使用完全集成的收發(fā)器(包括功率放大器和天 線切換器)。這還允許僅能處理非常低峰值電流的小型且低成本電池的使用。

窄帶上行鏈路

優(yōu)選的，無線電頻譜的上行鏈路頻帶被組織成適當(dāng)數(shù)目的子信道。在示例中，200kHz上行鏈路窄帶FDMA系統(tǒng)可以被組織成具有不同寬度和符號(hào)速率的72個(gè)上行鏈路子信道，如下：

基于M2M部署中擴(kuò)展的典型上行鏈路裕度的仿真和體驗(yàn)選擇上述布置。只要總頻譜使用保持在所分配的帶寬內(nèi)，就可以自由改變?cè)俜指?。?yōu)選地，最寬信道保持在中央以最小化頻譜泄露。在每一側(cè)允許保護(hù)頻帶以保證相鄰蜂窩上行鏈路的共存。

圖9圖示了該示例性分布：頻帶的中央被較寬的、高容量信道921占用，而越來越窄的信道922、923、924、925、926連續(xù)地位于側(cè)面。

最窄信道在每一側(cè)并且信道位于中央的該配置使頻譜泄露最小化。為了更好地說明，圖9示出了之前繪圖的頻譜的一部分，其中最左側(cè)的16個(gè)400Hz信道之后是首先的2個(gè)800Hz信道。

可以在本發(fā)明的框架下提出并實(shí)現(xiàn)若干調(diào)制方案。在優(yōu)選實(shí)施例中，所有上行鏈路信道是采用如GSM的0.3的BT積調(diào)制的GMSK。每個(gè)信道的符號(hào)速率等于信道帶寬乘以0.61。相鄰信道之間的抑制好于80dB，并且，因此實(shí)時(shí)功率控制環(huán)并非必須的。有利地，所有所需的時(shí)鐘可以從32MHz XTAL得出。

MS的慢速數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)和/或功率控制系統(tǒng)可以被包括在在本發(fā)明中，并且對(duì)于整體網(wǎng)絡(luò)容量將是有益的。

除了自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率和功率控制之外，移動(dòng)站還被設(shè)定為優(yōu)選地取決于其鏈路質(zhì)量使用某些信道。具有良好鏈路質(zhì)量的MS被分組在一起；具有較低鏈路質(zhì)量的MS也被分組在一起。所述分組針對(duì)給定帶寬來執(zhí)行，并且是沿著頻 率集逐步的。例如，較低頻率信道獲得具有最低鏈路質(zhì)量的MS，即最低鏈路裕度或者最低數(shù)目的接收基站，然后頻率越高，MS鏈路質(zhì)量越好：較高鏈路裕度或較高數(shù)目的接收基站。該分配可以由網(wǎng)絡(luò)，或者由MS基于信標(biāo)級(jí)別和接收的信標(biāo)數(shù)目自動(dòng)進(jìn)行。在該變形中，端點(diǎn)選擇取決于鏈路質(zhì)量測(cè)量的用于窄帶傳輸?shù)闹行念l率。

基于鏈路質(zhì)量的該MS分組的優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)以較低信號(hào)接收的“弱設(shè)備”不受以較高鏈路裕度逼近MS的“強(qiáng)設(shè)備”信號(hào)影響。這樣，由于接入是ALOHA，強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)趨向于一起沖突。如果強(qiáng)MS信號(hào)和弱MS信號(hào)沖突，則存在弱MS一直不被接收的高概率，甚至在由復(fù)用因子為1產(chǎn)生的宏分集的情況下。當(dāng)在兩個(gè)強(qiáng)MS之間發(fā)生沖突時(shí)，存在較大的概率的是：一個(gè)MS信號(hào)將在一個(gè)基站上被正確接收，而另一個(gè)在另一網(wǎng)關(guān)上被正確接收。

與固定位置的設(shè)備相比，該技術(shù)可以擴(kuò)展到真正的移動(dòng)MS：對(duì)于這些節(jié)點(diǎn)，功率控制將不太高效，因此最好是將其移動(dòng)遠(yuǎn)離邊緣MS信道。

在基于沖突的介質(zhì)接入中，保護(hù)具有最低成功概率的MS是非常重要的，因?yàn)闃I(yè)務(wù)質(zhì)量水平由最差執(zhí)行的MS驅(qū)動(dòng)。注意，這里所詳述的機(jī)制并非最大化吞吐量：為此隨機(jī)信道選擇將是較好的，但是這將阻止最弱MS可靠地通信。

可以在本發(fā)明的框架內(nèi)采用任何可用糾錯(cuò)碼。在有利的變形中，所使用的糾錯(cuò)碼是具有1、3/4、或1/2碼率的卷積碼。3/4碼率通過對(duì)1/2碼率打孔獲得。

申請(qǐng)人已經(jīng)開發(fā)了一種解調(diào)過程，其可以實(shí)現(xiàn)在BTS中，其提供在幀期間抗頻率漂移的健壯性，并且不需要導(dǎo)頻符號(hào)。除了上行鏈路幀的前導(dǎo)部分之外，所有符號(hào)攜帶數(shù)據(jù)，沒有導(dǎo)頻符號(hào)。與發(fā)射模式的低電流消耗以及降低的熱效應(yīng)相關(guān)聯(lián)，這應(yīng)允許使用正常XTAL。

窄帶下行鏈路

在優(yōu)選示例中，除了所使用的最窄信道帶寬是3200Hz以及窄信道被布置在頻帶中心之外，下行鏈路200kHz塊與上行鏈路類似地被組織。

優(yōu)選地，下行鏈路還特征在于用于快速M(fèi)S頻率和定時(shí)獲取的交疊擴(kuò)頻信標(biāo)，并且相同的調(diào)制和編碼方案用于上行鏈路和下行鏈路窄帶子信道。

信標(biāo)的3dB帶寬優(yōu)選地被包括在窄帶下行鏈路頻譜中。在優(yōu)選示例中，其是125kHz寬，并且以200kHz下行鏈路塊的中央為中心，如圖11所示。

通過合適的裕度，例如7dB，該信標(biāo)的發(fā)射功率被設(shè)定為低于使用相同頻譜的交疊子信道的最大聚合下行鏈路功率。測(cè)試和仿真已經(jīng)示出在這些條件中，對(duì)于-9.5dB的SINR，信標(biāo)信號(hào)可以由MS以BLER＜1％解調(diào)，因此，在所有交疊下行鏈路子信道被同時(shí)發(fā)射的情況下具有2.5dB的裕度。

擴(kuò)頻信標(biāo)信號(hào)的發(fā)射功率也使得較寬的窄帶下行鏈路信道體驗(yàn)足夠好的信噪比。接收窄帶GMSK調(diào)制的良好SIR值是10dB。端點(diǎn)所見的干擾對(duì)應(yīng)于GMSK帶寬，其低于總CSS干擾。此處，為了正確接收，GMSK帶寬應(yīng)當(dāng)小于3.5KHz。優(yōu)選地，當(dāng)必要時(shí)，信標(biāo)信號(hào)可以被選擇性地去激活。例如，當(dāng)任何6.4kHz下行鏈路信道932被使用時(shí)，或者當(dāng)最中心的12.8KHz信道931被使用時(shí)，可以停止信標(biāo)傳輸。當(dāng)一個(gè)或若干個(gè)3.2KHz信道933被使用時(shí)，可以同時(shí)發(fā)射信標(biāo)信號(hào)，在這種情況中，可以由端點(diǎn)解調(diào)信標(biāo)和GMSK信道二者。

對(duì)于下行鏈路，最寬信道位于每一側(cè)，由于其表現(xiàn)出最低功率譜密度以及支配的頻譜外泄露機(jī)制，其預(yù)期為非線性BTS功率放大器。

信標(biāo)

使用LoRA調(diào)制發(fā)射信標(biāo)下行鏈路信號(hào)。擴(kuò)頻因子應(yīng)當(dāng)被選擇成在下行鏈路信標(biāo)最大耦合損耗和信標(biāo)獲取時(shí)間(因此終端設(shè)備的能量消耗)之間達(dá)成平衡。在優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)中，擴(kuò)頻因子是128(SF7)或者512(SF9)并且?guī)捠?25kHz。下表給出了下行鏈路信標(biāo)最大耦合損耗和相關(guān)聯(lián)的周期的概覽。適當(dāng)超過GSM20dB的耦合損耗是可實(shí)現(xiàn)的。有利地，這允許不能實(shí)現(xiàn)天線分集和可能在下行鏈路頻譜塊中體驗(yàn)深度衰減的小型終端設(shè)備。

信標(biāo)允許MS在200毫秒內(nèi)在載波頻率以+/-122Hz的準(zhǔn)確度估計(jì)其頻率誤差(例如在900Mhz的id 0.13ppm)，對(duì)即刻獲得信標(biāo)的設(shè)備XTAL容差是+/-30ppm，其是通過所有批量生產(chǎn)的XTAL實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性，包括產(chǎn)品變化、溫度和老化。擴(kuò)頻信標(biāo)還允許具有+/-200ppm容差的基于超低成本MEM的時(shí)間參考，假設(shè)首先執(zhí)行序列搜索。隨后的老化和溫度漂移落在+/-30ppm范圍內(nèi)并且被信標(biāo)解調(diào)所容忍。

信標(biāo)的該使用允許高效的上行鏈路FDMA接入，甚至在超窄帶子信道的情況下。

信標(biāo)還可以攜帶定時(shí)信息使得MS能夠同步下行鏈路接收或下行鏈路多播。信標(biāo)由參與網(wǎng)絡(luò)的所有BTS同步發(fā)送，在BTS之間所需的定時(shí)對(duì)準(zhǔn)是+/-4微秒。

鏈路預(yù)算分析：窄帶模式

下表給出了對(duì)于最小比特率100比特/秒的最大耦合損耗的計(jì)算。

使用下述參數(shù)：

·200符號(hào)/秒GMSK，BT＝0.3具有1/2維特比編碼

·22符號(hào)前導(dǎo)

·20字節(jié)凈荷

·對(duì)于下行鏈路1T1R，對(duì)于上行鏈路1T1R

·分組錯(cuò)誤率：10％

·傳輸期間0.1ppm頻率漂移。

該表還給出了假設(shè)SF7(最快可用信標(biāo)速率)的下行鏈路信標(biāo)最大耦合損耗。

(*)如果實(shí)現(xiàn)1T2R在上行鏈路耦合損耗上預(yù)期2dB的改進(jìn)。

每當(dāng)數(shù)據(jù)速率加倍時(shí)，其導(dǎo)致最大耦合損耗的3dB的降級(jí)。

窄帶物理層容量

已經(jīng)對(duì)如上述示例中配置的200kHz頻譜塊的上行鏈路容量進(jìn)行了仿真。引入下述假設(shè)：

·100字節(jié)上行鏈路+13字節(jié)協(xié)議開銷(典型圖形成用于小型MS的協(xié)議)

·在每個(gè)子信道中的ALOHA接入，上行鏈路是隨機(jī)的并且沒有被調(diào)度

·BTS天線具有+14dB的前增益，-30dB的后隔離

·每個(gè)BTS具有3扇區(qū)天線

·向下傾斜使得BTS天線表現(xiàn)出在站點(diǎn)間距離的兩倍處具有10db前增益降低

·終端設(shè)備是靜態(tài)的，慢速功率控制環(huán)可以使終端設(shè)備輸出功率衰減調(diào)節(jié)20dB，保持至少10dB的解調(diào)裕度。

·路徑損耗是120.9+37.6log10(距離)+8dB log正態(tài)隨機(jī)

·在該路徑損耗之上，添加均勻分布0到40dB附加穿透損耗，因此，仿真對(duì)應(yīng)于均勻擴(kuò)展的室外到深度室內(nèi)設(shè)備的混合。

·終端設(shè)備地理分布是均勻的。

·頻率復(fù)用為1，沒有小區(qū)頻率規(guī)劃。

·對(duì)于每一次傳輸，終端設(shè)備執(zhí)行隨機(jī)跳頻

·終端設(shè)備最大輸出是+20dBm或者+14dBm，具有-4dB全球天線效率(緊湊900MHz天線)

·1T1R天線配置，BTS側(cè)的極化分集沒有被仿真。

對(duì)于每個(gè)站點(diǎn)間距離，每小時(shí)上行鏈路的數(shù)目逐步增加直到10％最弱的終端設(shè)備表現(xiàn)出20％分組錯(cuò)誤率。在圖12中概括了該結(jié)果。數(shù)據(jù)系列914對(duì)應(yīng)于+14dBm的輸出功率，920數(shù)據(jù)系列相對(duì)于+20dBm的輸出功率。

擴(kuò)頻上行鏈路和下行鏈路

優(yōu)選地，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(在蜂窩通信領(lǐng)域也指示為移動(dòng)站或MS)和BTS還被配置為在單獨(dú)的200kHz FDD頻譜塊發(fā)射接收擴(kuò)頻啁啾調(diào)制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)與快速移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信和靜態(tài)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位。

優(yōu)選地，在上行鏈路和下行鏈路二者上都使用啁啾擴(kuò)頻。對(duì)于此選擇的原因是：

·BTS側(cè)具有單個(gè)接收和單個(gè)發(fā)射的情況下靈敏度為-142dBm，MS側(cè)靈敏度為-138dBm。對(duì)于短分組，LoRa調(diào)制具有非常好的Eb/No效率。

·在發(fā)射側(cè)恒定包絡(luò)還用于低功率。

·MS接收器的低復(fù)雜度和功率消耗，尤其針對(duì)頻率同步。完整的調(diào)制器/ 解調(diào)器硬件實(shí)現(xiàn)表示低于15萬個(gè)門。

·在高速移動(dòng)信道方面的非常好的性能，由于接收在符號(hào)級(jí)相干，但是在幀持續(xù)時(shí)間上并不相干。

·定位能力：如果它們可以被多個(gè)BTS接收，則通過到達(dá)時(shí)間差異(TDOA)原理，所有上行鏈路傳輸可以被定位。所測(cè)量的準(zhǔn)確性在10到100米之間，取決于傳播條件和接收空間分集。

網(wǎng)絡(luò)部署使用頻率復(fù)用1。所有上行鏈路(相應(yīng)地下行鏈路)傳輸使用相同的上行鏈路(相應(yīng)地下行鏈路)200kHz塊。如果若干200kHz信道可用，則不同的速率被分配到不同信道以最大化整體容量。

LoRa調(diào)制信道的功率譜密度可以適合于GSM頻譜屏蔽中的舒適裕度，如圖13所示。虛線區(qū)域952對(duì)應(yīng)于LoRa調(diào)制信道的功率密度，曲線953是GSM屏蔽。

假設(shè)滿足所需的SNIR條件，則可以由BTS同時(shí)解調(diào)使用不同擴(kuò)頻因子的同時(shí)上行鏈路。不同的擴(kuò)頻因子是相互噪聲相似的。在MS上行鏈路之間并不需要任何同步。

擴(kuò)頻調(diào)制細(xì)節(jié)

如已經(jīng)討論的，LoRa調(diào)制可以使用不同的同時(shí)擴(kuò)頻因子(SF)。在優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式中，定義了從32到4096的因子，但是這并不是本發(fā)明的必要特征。芯片速率例如是125Ksps。對(duì)于每個(gè)擴(kuò)頻因子，定義了兩個(gè)擴(kuò)頻碼，升頻啁啾(up chirp)和降頻啁啾。

調(diào)制依賴于基礎(chǔ)啁啾的循環(huán)移位，其可以編碼SF比特。該符號(hào)的相位并不攜帶信息。該調(diào)制方案可以看做是正交序列調(diào)制：在2^SF種可能之中的一個(gè)序列被選擇并發(fā)射。

在FEC之前符號(hào)持續(xù)時(shí)間以及原始數(shù)據(jù)速率如下所示：

所使用的幀結(jié)構(gòu)在圖3中表示，其中每個(gè)矩形表示一個(gè)符號(hào)。

前向糾錯(cuò)

若干糾錯(cuò)方案是可能的。優(yōu)選地，使用非常簡(jiǎn)單的方案以允許非常簡(jiǎn)單的接收器實(shí)現(xiàn)方式。在可能的示例中，在報(bào)頭中，使用具有奇偶校驗(yàn)比特的(8，4)漢明碼，連同在8個(gè)編碼符號(hào)上的對(duì)角交織。對(duì)于凈荷，可以使用相同的方案，但是更高速率是優(yōu)選的，例如，(5，4)奇偶校驗(yàn)碼。下面給出整體方案的SNR性能，對(duì)于以10％PER的20字節(jié)數(shù)據(jù)幀。假設(shè)5dB的噪聲因數(shù)，還示出了單個(gè)接收天線的靈敏度。

具有與解調(diào)器中所編程的不同的擴(kuò)頻因子的發(fā)射看上去像噪聲一樣而沒有任何定時(shí)同步。

定位原理

圖14表示根據(jù)本發(fā)明的方面的被布置用于定位移動(dòng)節(jié)點(diǎn)510的可能的基礎(chǔ)設(shè)施。在該示例中，定位依賴于移動(dòng)站的精確同步，并且不需要任何下行鏈路。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)510發(fā)射啁啾調(diào)制LoRa測(cè)距信號(hào)，其被多個(gè)接收站521-524接收。在可能的定位模式中，接收站具有公共時(shí)間參考，例如GPS同步時(shí)鐘576。接收站從移動(dòng)站510接收信號(hào)并記錄接收的絕對(duì)值。僅在幀的前導(dǎo)部分上(例如圖3中結(jié)構(gòu)化的幀的符號(hào)411、412、413和414上)執(zhí)行該加時(shí)間戳。

如上所解釋的，啁啾調(diào)制信號(hào)的頻譜屬性允許頻率移位的非常精細(xì)的估計(jì)，這足以估計(jì)多普勒速率?？梢越M合來自若干站的頻率移位估計(jì)以確定或估計(jì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備510的速率和航向。TDOA解算器560通過合適的有線或無線連接(例如IP連接)被連接到接收站，并且作為針對(duì)每個(gè)接收天線(以及每個(gè)極化)的輸入而接收：精確到達(dá)時(shí)間、RSSI、估計(jì)的頻率誤差以及扇區(qū)信息。準(zhǔn)確性主要受限于多徑并且在10m到100m之間。室外準(zhǔn)確性優(yōu)于室內(nèi)。只要信號(hào)水平高于解調(diào)閾值10dB，則通過多徑損害和GPS定時(shí)參考準(zhǔn)確性驅(qū)動(dòng)時(shí)間戳準(zhǔn)確性。在直接視線中，對(duì)于單個(gè)測(cè)量，所測(cè)量的時(shí)間戳準(zhǔn)確性大約35ns RMA，其轉(zhuǎn)換為3米的RMS定位準(zhǔn)確性。在若干傳輸上做平均可以進(jìn)一步降低不確定性。 通過引起信道分集，若干200kHz信道之間的跳頻還改進(jìn)了性能。

擴(kuò)頻數(shù)據(jù)和定位能力評(píng)估

上行鏈路

假設(shè)單個(gè)上行鏈路200kHz信道，已經(jīng)仿真了LoRa調(diào)制上行鏈路信道(從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到基站)的上行鏈路性能，其中所有基站被調(diào)諧到相同頻率(頻率復(fù)用為1)，沒有功率控制，或自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率。每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇擴(kuò)頻因子5、6或7，其中SF7兩倍于SF6，繼而兩倍于SF5。發(fā)生沖突，并且仿真增加負(fù)載直到?jīng)_突率達(dá)到10％。幀凈荷是20字節(jié)。該使用情形表示室外以及適度的室內(nèi)追蹤。在目標(biāo)負(fù)載，80％沖突位于相同擴(kuò)頻碼內(nèi)，并且20％由其他碼干擾引起。

通過使用擴(kuò)頻因子10、11、12代替5、6、7可能將鏈路裕度增加大約12.5dB，這將賦予更好的穿透性以到達(dá)深度室內(nèi)節(jié)點(diǎn)，代價(jià)是32倍降低的網(wǎng)絡(luò)容量。優(yōu)選地，該模式應(yīng)被保留用于預(yù)定的業(yè)務(wù)，例如以按需定位丟失的、深度室內(nèi)物品。

圖15a-b繪制出以站點(diǎn)間距離為函數(shù)的所服務(wù)的用戶數(shù)目以及接收BTS的平均數(shù)目。該數(shù)目很快大于5，這意味著TDOA解算在超定(over-determined)系統(tǒng)上操作。

下行鏈路

在相同的場(chǎng)景中，下行鏈路容量。在相同時(shí)間發(fā)射SF5、SF6、SF7是可能的，假設(shè)SF6幀具有-2.1dB的功率偏移，并且SF7具有-4.0dB的功率偏移。這樣，可以以3.4dB的SIR裕度接收所有的3個(gè)速率。假設(shè)下行鏈路被網(wǎng)絡(luò)集中調(diào)度，以使得站的四分之一在給定時(shí)間發(fā)射，上述場(chǎng)景的下行鏈路容量是每個(gè)基站每小時(shí)100000服務(wù)用戶(20字節(jié)幀)。

鏈路預(yù)算分析：LoRa擴(kuò)頻模式

下表給出了用于290比特/秒的LoRa最小比特率的最大耦合損耗的計(jì)算。使用了下述參數(shù)。

·125kHz BW LoRa調(diào)制

·20字節(jié)凈荷

·1T1R用于下行鏈路，1T1R用于上行鏈路

·分組錯(cuò)誤率：10％

·在傳輸期間0.5ppm頻率漂移

·BTS同時(shí)發(fā)射直到4個(gè)不同擴(kuò)頻因子

(*)如果實(shí)現(xiàn)1T2R，則在上行鏈路耦合損耗上預(yù)期2dB的改進(jìn)。

(**)對(duì)稱數(shù)據(jù)速率考慮用于上行鏈路和下行鏈路以最小化BTS所需的發(fā)射功率。當(dāng)然如果輸出，在下行鏈路上使用更高的數(shù)據(jù)速率是可能的。

終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)方式

如果UE設(shè)備的最大輸出功率＜＝20dBm，則該方案可以完全集成在包括協(xié)議棧和單個(gè)用戶應(yīng)用的單個(gè)芯片中。

UE然后包括SOC、低成本XTAL、用于時(shí)間保持的32kHz鐘表晶體、接收器路徑上的可選SAW濾波器、可選天線切換器(僅在設(shè)計(jì)包括SAW濾波器的情況下需要)。

現(xiàn)有的無線電收發(fā)器集成了在本提議中呈現(xiàn)的整個(gè)物理層(對(duì)于上行鏈路和下行鏈路二者的LoRa擴(kuò)頻和窄帶GMSK二者)并且使用90nm CMOS技術(shù)中的5mm2。該設(shè)備的成本小于1美元。

在下表中概括了UE關(guān)鍵特征。電流消耗獨(dú)立于調(diào)制(LoRa或者窄帶 GMSK)。

(*)天線匹配是頻帶特定的

電池壽命

所有場(chǎng)景包括恒定的1.5uA平臺(tái)泄露。對(duì)于每小時(shí)100字節(jié)的上行鏈路和10年的操作壽命，需要下述電池容量。

表：每小時(shí)100字節(jié)上行鏈路+確認(rèn)

(*)利用特定低自放電電池化學(xué)可以獲得10年的操作，然而，該電池化學(xué)并不與+20dB傳輸所需的電流脈沖兼容。對(duì)于該操作模式，可以增加與電池并聯(lián)的超級(jí)電容(super-cap)或者HLC電池。在+14dBm的操作是可能的，而沒有并聯(lián)元件，并且使得能夠?qū)崿F(xiàn)用于UE的較低成本。

(**)對(duì)于該場(chǎng)景，平臺(tái)RTC電流以及泄露開始顯著地起作用。假設(shè)完全異步接入的沒有RTC的相同場(chǎng)景也給出以得到信息。

下表給出了用于定位操作的所需的電池容量。在該情形中，被發(fā)送的凈荷假設(shè)為10字節(jié)，因?yàn)樗A(yù)期的主要信息是設(shè)備的位置。設(shè)備操作于+14dBm，由于5％最困難的深度室內(nèi)情形中的定位不表示應(yīng)用的主要情形。

表1：每小時(shí)10字節(jié)上行鏈路+定位+確認(rèn)

(*)對(duì)于該模式，1.5uA的平臺(tái)泄露成主導(dǎo)。移除32kHz RTC將該電流降低了1uA并且電流消耗幾乎折半。當(dāng)然，這僅在平臺(tái)微控制器和關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器泄露保持為最小的情況下是相關(guān)的。這里假設(shè)ARM M0內(nèi)核具有128千字節(jié)閃存。

確定電池壽命的主要貢獻(xiàn)者將是信道接入?yún)f(xié)議的復(fù)雜度，并且尤其是設(shè)備是否能夠執(zhí)行異步隨機(jī)上行鏈路或者所有事務(wù)是否都必須被調(diào)度。這里給出的數(shù)目假設(shè)短信標(biāo)獲取以在非調(diào)度上行鏈路和確認(rèn)接收之后執(zhí)行頻率對(duì)準(zhǔn)。

調(diào)制性能

在該物理層提議中所使用的兩種調(diào)制具有非常相當(dāng)?shù)男阅?。圖16繪制了具有1/2維特比編碼的窄帶GMSK到LoRa擴(kuò)頻調(diào)制的分組錯(cuò)誤率相對(duì)于每比特能量的性能。獨(dú)立于所使用的調(diào)制，最大鏈路預(yù)算僅是所使用的數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。

本發(fā)明允許：

·具有大于160dB耦合損耗的頻譜高效的窄帶超低功率通信信道。

·具有大于160dB耦合損耗的擴(kuò)頻、抗快速衰落的移動(dòng)終端設(shè)備定位。

·由小于500mA/h的電池供電的極低功率對(duì)象的連接。

這通過均操作于GSM類200kHz FDD頻譜塊的兩個(gè)不同物理層來實(shí)現(xiàn)。多個(gè)塊可以用于增加的容量。

在GSM類覆蓋的情況下，使用來自鋰原電池的小于200mA/h，設(shè)備可以在10年期間每小時(shí)報(bào)告100字節(jié)。這僅在假設(shè)允許并不需要復(fù)雜調(diào)度的非常簡(jiǎn)單 的異步接入?yún)f(xié)議下是可能的。

定位是物聯(lián)網(wǎng)IoT的一個(gè)關(guān)鍵使能器。低吞吐量網(wǎng)絡(luò)(諸如LoRa)非常良好地適合于解決IoT的低功率、長(zhǎng)電池壽命、長(zhǎng)距離以及低成本部分。

為了實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)的低復(fù)雜度(以及成本)，要做的最簡(jiǎn)單事情是增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)以使得其可以定位數(shù)據(jù)傳輸。這允許從網(wǎng)絡(luò)定位僅發(fā)射節(jié)點(diǎn)：對(duì)于安全應(yīng)用，這是非常好的，由于僅發(fā)射設(shè)備是在所有接收站上阻塞的困難！

基于測(cè)距偵察的自定位LoRa網(wǎng)絡(luò)

功率損耗和容量這二者都激發(fā)了具有僅偵聽節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

·在功率消耗側(cè)，在發(fā)射功率和接收功率之間存在巨大差異。該消耗比率可以達(dá)到20或者更多，當(dāng)需要20dBm或者更多發(fā)射功率時(shí)。

·在容量側(cè)，清楚的是，其中基站廣播定位使能的幀的系統(tǒng)最大化自定位容量。如果端點(diǎn)并不需要報(bào)告回其位置，則該容量實(shí)際上是沒有限制的。

·然而，自定位端點(diǎn)將具有比僅有數(shù)據(jù)能力的端點(diǎn)更高的復(fù)雜度。

原理是使節(jié)點(diǎn)處于“測(cè)距偵察模式”，偵聽基站之間的規(guī)律的測(cè)距交換。圖17圖示了測(cè)距模式的原理：“A”和“B”是兩個(gè)基站，其位置是已知的，在兩者之間交換LoRa測(cè)距分組。具體地，“A”用作測(cè)距主站并向“B”發(fā)送LoRa調(diào)制測(cè)距請(qǐng)求消息543，“B”用LoRa調(diào)制回復(fù)545進(jìn)行回復(fù)。由于在基站之間的交換，距離d1是已知的，并且測(cè)距主站和從站位置也是已知的。測(cè)距交換的結(jié)果，即，飛行時(shí)間測(cè)量，也可以被廣播，這是比知道d1更直接的補(bǔ)償站之間傳播的方式。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)“E”也接收測(cè)距請(qǐng)求(箭頭548)和回復(fù)(箭頭549)并使用LoRa調(diào)制的定時(shí)屬性確定傳播時(shí)間差異d3-d2。重要地，如在EP2449690中所解釋的，由節(jié)點(diǎn)E計(jì)算的時(shí)間差異并不受其內(nèi)部時(shí)間參考的漂移和誤差影響，而是具有與主節(jié)點(diǎn)“A”的時(shí)間參考相同的精確性。每個(gè)測(cè)距偵察時(shí)間差異可以將節(jié)點(diǎn)定位在d3-d2＝恒定曲線上。該曲線是半雙曲線?？梢酝ㄟ^到達(dá)時(shí)間差異技術(shù)或者其它已知算法執(zhí)行針對(duì)定位的求解。

在該布置中獨(dú)特的是其并不需要基站同步。因此，可以在GPS對(duì)基站不可用的位置有利地使用，或者可以用于提供并不依賴于GPS可用性的系統(tǒng)。

我們的測(cè)試示出，合理量的分集可以相當(dāng)大地改進(jìn)定位性能。分集可以是天線分集，或者頻率分集。重要的是，我們的測(cè)試已經(jīng)示出發(fā)射側(cè)獨(dú)自的天線分集已經(jīng)提供了精確性方面的非常改進(jìn)，而端點(diǎn)處的多個(gè)天線(圖17中的“E” 節(jié)點(diǎn))并不是絕對(duì)必要的。在主站(A)或從站(B)端選擇不同的天線和頻率，端點(diǎn)在不同傳播條件下接收消息548、549。優(yōu)選地，主-從A、B對(duì)提供分集，即在時(shí)間上、在不同天線和/或頻率上重復(fù)交換。使用相同參數(shù)的之前測(cè)距交換的結(jié)果可以被嵌入在測(cè)距請(qǐng)求幀的報(bào)頭中，可替代地，可以嵌入之前結(jié)果的平均。在單個(gè)從站進(jìn)行響應(yīng)的情況下，這是廣播測(cè)距結(jié)果的方便的方式。

因此，根據(jù)本發(fā)明的該方面，網(wǎng)絡(luò)被這樣組織，使得基站在其之間交換測(cè)距請(qǐng)求和響應(yīng)，并且移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過被動(dòng)地偵聽測(cè)距請(qǐng)求和響應(yīng)、可能還基于基站的位置的知識(shí)確定其位置，由此位置可以被移動(dòng)站提前知道、在數(shù)據(jù)庫中可用、或者由基站廣播。

測(cè)距請(qǐng)求和回復(fù)的交換可以是隨機(jī)的，或者根據(jù)規(guī)劃。優(yōu)選地，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃使得接近的基站不在相同時(shí)間在相同頻率上執(zhí)行測(cè)距交換以避免沖突。而且，交換中的基站不應(yīng)太接近，由于除了別的之外，“E”節(jié)點(diǎn)的定位方面的精確性尤其由A-B基線的長(zhǎng)度確定。特別地，位于同處(co-location)被禁止。如果根據(jù)規(guī)律的網(wǎng)格疊加網(wǎng)絡(luò)小區(qū)，或者如果小區(qū)間距離分布于定義的平均網(wǎng)格尺寸周圍，則已經(jīng)發(fā)現(xiàn)優(yōu)選的是交換在間距為平均網(wǎng)格尺寸兩倍的基站之間。

優(yōu)選地，不同基站對(duì)之間的本地測(cè)距交換不應(yīng)同時(shí)發(fā)生，以允許端點(diǎn)偵聽所有交換。通過網(wǎng)絡(luò)控制的廣播，測(cè)距交換在每個(gè)時(shí)間單元具有高得多的容量，由于可以避免沖突。當(dāng)然，我們需要考慮工作循環(huán)限制，當(dāng)它們適用時(shí)。

尤其期望測(cè)距對(duì)的布置應(yīng)使得在每個(gè)位置，在至少兩個(gè)方向(例如北南和東西)上存在測(cè)距對(duì)。這將使得雙曲線交叉更可靠。圖18圖示了對(duì)被動(dòng)定位有利的可能的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。這里，基站或者網(wǎng)關(guān)523(不是所有的網(wǎng)關(guān)都被標(biāo)記)被布置在規(guī)律的網(wǎng)格中，但是即使它們是更隨機(jī)或不太隨機(jī)分布的，該布置也是成功的。網(wǎng)關(guān)以它們?cè)诘谝环较?例如南北方向)(三角形)或者在另一獨(dú)立方向(例如東西方向)(圓形)與伙伴進(jìn)行測(cè)距交換804(不是所有交換都被標(biāo)記)的方式配對(duì)。所交換的定位以使得它們并不同時(shí)發(fā)生、或者至少它們不在如此接近以至于可被終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收的對(duì)之間同時(shí)發(fā)生的方式來規(guī)劃。

移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)510(十字形)可以從沿著不同定向的多個(gè)基線布置的若干不同站被動(dòng)地接收測(cè)距交換806(并非所有接收線都被標(biāo)記)。在圖18的示例中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以從在至少4個(gè)不同基線(兩條水平，兩條垂直)的末端發(fā)射的信號(hào)計(jì)算到達(dá)時(shí)間差異，并且以此方式確定其位置。從基線的相對(duì)端接收的每一 對(duì)測(cè)距信號(hào)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位為在通常是雙曲線分支的位置線810上。該變形的部署確保通過合適數(shù)目的雙曲線的交叉來定位移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。由于基線沿著不同方向定向，例如接近直角，對(duì)應(yīng)位置線同樣相交，例如也接近直角。這改進(jìn)了定位的精確性。

本發(fā)明并不需要所有網(wǎng)關(guān)是測(cè)距對(duì)的部分。事實(shí)上，這在位置數(shù)據(jù)庫簡(jiǎn)化以及數(shù)據(jù)傳輸減少方面是有利的，如果僅僅網(wǎng)關(guān)的子集參與測(cè)距交換的話。

測(cè)距請(qǐng)求幀包括測(cè)距從站ID，以及測(cè)距主站ID二者。這是與標(biāo)準(zhǔn)LoRa測(cè)距幀的差異，然而，對(duì)于某些擴(kuò)頻因子，存在對(duì)于主站ID可用的比特。

本發(fā)明也并不需要端點(diǎn)完全獨(dú)自計(jì)算其位置，盡管如果它們具有基站位置的知識(shí)可以這樣做。然而，在本發(fā)明的變形中，需要定位的端點(diǎn)將向網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)射時(shí)間差異連同RSSI，并且將為其計(jì)算其位置。優(yōu)選地，在終端節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行濾波的第一步驟，這僅僅需要報(bào)告一個(gè)時(shí)間差異值、平均RSSI以及針對(duì)每個(gè)測(cè)距對(duì)的ID。

在帶寬使用方面，使若干網(wǎng)關(guān)響應(yīng)相同的測(cè)距請(qǐng)求也是可能以及有利的。響應(yīng)同時(shí)發(fā)生，但是其并不在啁啾空間交疊，這是由于它們按在從節(jié)點(diǎn)(B)中生成的延遲在時(shí)間上故意移位。該移位可以是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的部分。例如，對(duì)于向北網(wǎng)關(guān)移位0，對(duì)于向東網(wǎng)關(guān)移位T/4，對(duì)于向南網(wǎng)關(guān)移位T/2，以及對(duì)于向西網(wǎng)關(guān)移位3*T/4。在SF7，125kHz帶寬，T/4對(duì)應(yīng)于32個(gè)采樣，也就是在光速下76km。網(wǎng)關(guān)間距將比這更小，因此沒有端點(diǎn)可以發(fā)生混淆：北邊響應(yīng)將一直在東邊響應(yīng)之前接收到，等等。這意味著甚至不需要明確標(biāo)識(shí)哪個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行響應(yīng)。可以在本發(fā)明的框架中設(shè)想其它移位方案，應(yīng)理解的是移位針對(duì)每個(gè)測(cè)距交換而被預(yù)先確定或者是可算法導(dǎo)出的，以使得可以確定終端節(jié)點(diǎn)(E)處的到達(dá)時(shí)間差異。

下面示出了測(cè)距幀結(jié)構(gòu)。該格式并不特定于測(cè)距偵察使用。該消息包括與圖3所示啁啾幀的前導(dǎo)類似并且其信號(hào)具有相同功能的前導(dǎo)。第一部分411包含服務(wù)于信號(hào)檢測(cè)的一連串未經(jīng)調(diào)制的啁啾：當(dāng)接收到該連續(xù)的相同未調(diào)制(即，未移位)啁啾時(shí)，接收單元將使其自身準(zhǔn)備喚醒可能處于低功率狀態(tài)的必要的硬件資源。檢測(cè)序列411還允許端點(diǎn)時(shí)間參考的第一同步。優(yōu)選地，檢測(cè)序列之后是幀同步符號(hào)412、頻率同步符號(hào)413、靜默暫停42以及頻率同步符號(hào)414，為了參考圖3解釋的目的。

報(bào)頭415、419包含消息是測(cè)距請(qǐng)求的指示，以及允許標(biāo)識(shí)主節(jié)點(diǎn)以及可選的其響應(yīng)被請(qǐng)求的一個(gè)或多個(gè)從站的代碼(ID)。測(cè)距凈荷416可以包括一系列未經(jīng)調(diào)制的啁啾，如在EP2449690中所詳述的其用于在目標(biāo)從網(wǎng)關(guān)中生成同步的測(cè)距響應(yīng)。

來自目標(biāo)網(wǎng)關(guān)S1-S4的響應(yīng)454是重疊的，但是彼此移位由傳播以及已知或者可以確定的內(nèi)部延遲產(chǎn)生的量。因此，它們?cè)谶笨臻g上并不交疊并且可以獨(dú)立地被解調(diào)。主網(wǎng)關(guān)可以確定到目標(biāo)從站的距離，并且被動(dòng)“偵察”終端節(jié)點(diǎn)也可以通過偵聽主站發(fā)射的數(shù)據(jù)以及由從站給出的響應(yīng)來確定其位置。

基于信標(biāo)的自定位LoRa網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)本發(fā)明的另一可能方面，此處也被稱為“信標(biāo)”的幀被修改以使得端點(diǎn)能夠自定位。修改包括在幀的末尾添加給定數(shù)目的附加符號(hào)，例如8個(gè)。來自節(jié)點(diǎn)的定位允許多得多的容量，但是要求新的芯片。

附加符號(hào)還由接收器用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)關(guān)。在信標(biāo)同時(shí)發(fā)生的LoRa網(wǎng)絡(luò)中，50％的節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷2個(gè)或者更多個(gè)信標(biāo)之間的沖突，而沒有一個(gè)信標(biāo)比其他顯著強(qiáng)壯。平均來說，節(jié)點(diǎn)接收許多信標(biāo)，并且在信標(biāo)幾乎相同并且同步的情況下，這不是問題。然而，對(duì)于小區(qū)ID部分，沖突阻止了良好地解碼，除非一個(gè)信標(biāo)比所有其它信標(biāo)顯著強(qiáng)壯(8dB是典型閾值)。圖20圖示了該情形：高于接收閾值的信標(biāo)的平均數(shù)目(虛線)隨著網(wǎng)關(guān)密度規(guī)律地增加。并且，同時(shí)，完全解碼一個(gè)信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)比例穩(wěn)定在大約50％(實(shí)線)。

假設(shè)用于信標(biāo)的擴(kuò)頻因子是512(SF9)，在典型部署中可以接收若干信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)比例較高：在作為全覆蓋最小值的1km間距的情況下，55％的節(jié)點(diǎn)可以接收3個(gè)基站或者更多，而在500米間距的情況下，這增加到75％。圖21圖示了仿真結(jié)果，并示出作為網(wǎng)關(guān)密度的函數(shù)的平均接收沒有、一個(gè)或兩個(gè)、在三個(gè)和九個(gè)之間、十個(gè)或者更多基站的終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。

這里是現(xiàn)在將參考圖22詳述的信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)：后同步信號(hào)489包括附加符號(hào)，所述附加符號(hào)優(yōu)選地未被調(diào)制并且使用與信標(biāo)相同的擴(kuò)頻因子。其可以是正斜率啁啾、負(fù)斜率啁啾或者兩者的混合。正斜率和負(fù)斜率的混合允許節(jié)點(diǎn)處的精細(xì)頻率誤差估計(jì)，由于信標(biāo)的這部分上，可以沒有模糊性地區(qū)分來自若干基站的單獨(dú)貢獻(xiàn)。

如果高于9的擴(kuò)頻因子用于信標(biāo)，則更少的符號(hào)是可能的。事實(shí)上，在SF9 的8個(gè)符號(hào)與SF12的一個(gè)符號(hào)占用相同存儲(chǔ)器量。由于端點(diǎn)至少具有兩個(gè)SF12符號(hào)的存儲(chǔ)器，SF9的8個(gè)符號(hào)并不增加端點(diǎn)存儲(chǔ)器需求。

對(duì)于給定網(wǎng)關(guān)，所有符號(hào)按4*Ni采樣的給定延遲486被時(shí)間移位。優(yōu)選地，Ni是網(wǎng)關(guān)之中網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的結(jié)果。在本地，單個(gè)延遲與單個(gè)網(wǎng)關(guān)相關(guān)聯(lián)。關(guān)于SF9，對(duì)于Ni而言多達(dá)128個(gè)值是可能的，這使得上述內(nèi)容非常容易(在2D中，用3個(gè)元件執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃)。

對(duì)于純自定位，節(jié)點(diǎn)需要知道本地網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及相關(guān)網(wǎng)關(guān)的延遲值Ni。這可以通過本地廣播獲得。另一方案是對(duì)于節(jié)點(diǎn)僅報(bào)告針對(duì)它們能夠接收的每個(gè)時(shí)間移位的時(shí)間戳。

現(xiàn)在詳述關(guān)于通過終端節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)接收：

·接收的開始是正常的

·在例如沖突的情況下，小區(qū)ID484不可以被正確接收

·后同步符號(hào)489被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。由于這在存儲(chǔ)器空間上等價(jià)于一個(gè)SF12符號(hào)，該操作并不需要終端節(jié)點(diǎn)中的附加存儲(chǔ)器資源。

·通過FFT去啁啾和處理后同步符號(hào)。高FFT輸出頻段標(biāo)識(shí)了后同步信號(hào)的延遲值并且允許在距離內(nèi)的小區(qū)的確定。

·若干方法可用于實(shí)現(xiàn)所需時(shí)間精確性。例如，對(duì)于每個(gè)檢測(cè)的小區(qū)，計(jì)算去啁啾，然后在3/5頻段上執(zhí)行DFT、對(duì)7或8個(gè)符號(hào)進(jìn)行平均，將符號(hào)首先對(duì)準(zhǔn)到檢測(cè)的時(shí)間偏移并且應(yīng)用定時(shí)漂移補(bǔ)償。可以有用地應(yīng)用若干傅里葉變換內(nèi)插。

·時(shí)間戳對(duì)應(yīng)于在相同時(shí)間接收的傳輸，具有相同的殘余頻率誤差。這意味著并不需要精細(xì)頻率誤差補(bǔ)償，并且比用于網(wǎng)關(guān)時(shí)間戳(A部分)更簡(jiǎn)單的算法同樣準(zhǔn)確。

根據(jù)本發(fā)明的重要方面，通過一個(gè)或多個(gè)信標(biāo)發(fā)射的LoRa啁啾擴(kuò)頻信號(hào)在沒有前同步的情況下可以被終端節(jié)點(diǎn)迅速檢測(cè)和解調(diào)。相對(duì)地，終端節(jié)點(diǎn)可以偵聽來自附近信標(biāo)的CSS廣播傳輸，并且將其自身在時(shí)間和頻率二者上與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間參考同步。這帶來若干重要的優(yōu)點(diǎn)：

·在IoT應(yīng)用中使用的低成本節(jié)點(diǎn)通常不能提供高質(zhì)量溫度振蕩器。通過上面概述的方法，節(jié)點(diǎn)可以按需快速且低成本地將其自身與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

·由于節(jié)點(diǎn)在頻率上同步，窄帶或超窄帶下行鏈路消息可以容易并迅速地 被解調(diào)，而沒有或很少有頻帶上的搜索。這在網(wǎng)絡(luò)容量和電池使用兩方面都是有利的。

·在上行鏈路側(cè)，一旦節(jié)點(diǎn)已經(jīng)通過偵聽CSS定時(shí)消息獲得頻率同步，節(jié)點(diǎn)可以在所需的頻率迅速發(fā)射窄帶或超窄帶消息而不與相鄰信道干擾。

·如已經(jīng)解釋的，時(shí)間同步可以有用地用于確定終端節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)之間的距離以及節(jié)點(diǎn)的位置，而且還可以改進(jìn)窄帶和超窄帶信號(hào)的接收和發(fā)射，當(dāng)這些被限制于特定時(shí)間間隔時(shí)。