基于LoRa的卫星物联网系...收机同步与非相干软解调方案_余忠洋.pdf

第 5 期2023 年5 月电子学报ACTA ELECTRONICA SINICAVol.51 No.5May 2023基于LoRa的卫星物联网系统接收机同步与非相干软解调方案余忠洋1，2，高继勋1，郭小波1，李博1，何栎1，黄治国1（1.河南工程学院计算机学院、河南省智慧城市多模态智能交互系统工程研究中心，河南郑州 451191；2.西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西西安 710071）摘要：LoRa（Long Range）技术是一种改进的高阶啁啾扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）调制技术，如今已经成为了地面物联网（Internet of Things，IoT）的主流调制技术之一.不同于地面物联网，卫星IoT将会实现全球范围内的无缝覆盖，但其通信距离遥远和高速移动使得接收机通常工作在极低信噪比下并面临较大时延和多普勒频移.鉴于此，本文将LoRa技术应用到卫星IoT系统中并研究相应的接收机同步与非相干软解调方案.首先给出了卫星IoT上行链路的系统模型和数据帧结构.接着根据LoRa信号的特点，设计了一种联合时延与多普勒频移估计方案.为了进一步消除相偏和其他残留项的影响以及考虑采用基于软判决译码的编码方案，又设计了一种低复杂度的非相干软解调算法.仿真结果表明基于所提同步方案和软解调算法的turbo-LoRa系统可以在极低信噪比和较小导频开销下获得接近于理想情况的误码性能，且在BER=105下优于Hamming-LoRa系统3 dB.关键词：LoRa调制；接收机同步；非相干解调；极低信噪比；卫星物联网；6G通信基金项目：河南省科技攻关计划项目（No.222102210200，No.222102320349）；河南省高等学校重点科研项目（No.22A520011）中图分类号：TN911.23文献标识码：A文章编号：0372-2112(2023)05-1291-09电子学报URL:http:/DOI:10.12263/DZXB.20220118Receiver Synchronization and Nonconherent Soft Demodulation Scheme for LoRa-Based Satellite IoT SystemsYU Zhong-yang1，2,GAO Ji-xun1，GUO Xiao-bo1,LI Bo1,HE Li1,HUANG Zhi-guo1（1.Henan Provincial Smart City Multimodal Intelligent Interactive System Engineering Research Center,School of Computer Science,Henan University of Engineering，Zhengzhou,Henan 451191,China;2.State Key Laboratory of Integrated Services Networks,Xidian University,Xi an,Shaanxi 710071,China）Abstract:LoRa(Long Range)technique is an improved high-order chirp spread spectrum(CSS)modulation technique,and becomes one of the mainstream modulation techniques for terrestrial internet of things(IoT).Different from the terrestrial IoT,satellite IoT can achieve seamless global coverage,however,the corresponding receiver often works under the extremely-low signal-to-noise ratio(SNR)and also faces large delay and Doppler shift due to long distance and high-speed movement.To this end,this paper applies the LoRa technique to satellite IoT systems and studies the relevant receiver synchronization as well as noncoherent soft demodulation scheme.First,considered system model and data frame structure of the uplink satellite IoT are given.Then,according to the feature of LoRa signals,a joint delay and Doppler shift estimation scheme is proposed.In order to further eliminate the impact of the phase offset as well as other residual terms and consider using soft-decision decoding based coding schemes,a low-complexity noncoherent soft demodulation algorithm is also designed.Simulation results show that the turbo-LoRa system based on the proposed synchronization scheme and soft demodulation algorithm can achieve near ideal error performance under extremely low SNR and small pilot overhead,and can provide 3 dB gains over the Hamming-LoRa system at a bit error rate(BER)of 105.Key words:LoRa modulation;receiver synchronization;nonconherent demodulation;extremely-low SNR;satellite 收稿日期：2022-01-25；修回日期：2022-06-16；责任编辑：覃怀银电子学报2023 年IoT；6G communicationsFoundation Item(s):Henan Key Research and Development and Promotion Projects(No.222102210200,No.222102320349);Key Scientific Research Project Plan of Henan Province Colleges and Universities(No.22A520011)1引言作为6G通信的核心愿景之一，天地一体化网络之卫星物联网（Internet of Things，IoT）通信旨在实现全球范围内的无缝覆盖与安全可靠的实时通信1，2.这是因为卫星IoT不会像地面IoT那样受到城市规划、地面地形等因素限制和天气及气候的影响3.然而，卫星IoT的通信距离相对遥远，从而导致了很大的传输链路损耗，进而会造成接收功率变得非常小.换言之，需要采用性能优异的编码方案和扩频技术，比如turbo码和大扩频因子的 直 接 序 列 扩 频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）、啁啾扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）等.相比于DSSS技术，CSS技术具有更强的抗多普勒频移能力.而由Semtech公司采用并推广的LoRa（Long Range）技术就是一种改进的高阶CSS调制技术4，5.因此，在LoRa技术的基础上，结合高效的编码方案、专有的接收机同步方案和低复杂度的非相干软解调方案来实现卫星IoT的可靠传输是非常值得研究的.关于LoRa技术的相关研究已经有很多了，包括接收机同步610、相干解调和非相干解调以及误码性能分析1113等.在文献 6 中，作者们在基于软件定义无线电的LoRa收发机中设计了载波频偏估计模块和采样时间偏差即时延估计模块.在文献 7 中，作者们给出了一种基于快速傅里叶变换的联合多普勒频移和时延估计方案.在文献 8 中，作者们提出了一种基于LoRa前导Preamble辅助的时频同步方案并通过二维搜索获得了接近于最大似然估计性能.根据Preamble中上啁啾和下啁啾的时域相关特性，文献 9 在LoRaWAN接收机中提出了一个新的同步子系统用于校正载波频偏和时延.而在文献 10 中，作者们利用Preamble中上啁啾和下啁啾的频域特性设计了一种迭代的同步方案，可以在不需要二维搜索情况下消除载波频偏和时延.然而，这些同步方案没有充分考虑LoRa信号和非相干检测的特点，因而仍然会导致一个相对复杂的估计过程.另外，这些文献所涉及到的编码方案几乎都是LoRa物理层协议中规定的Hamming码，并没有涉及到其他编码方案.由于Hamming码是一种基于硬判决译码的编码方案，相应的LoRa解调方案只需要提供硬输出结果，但这并不适用于基于软判决译码的turbo码、低密度校验（Low-Density Parity Check，LDPC）码等性能优异的编码方案.目前，关于LoRa技术软解调算法的研究工作相对较少1113.文献 11 从理论上评估了加性高斯白噪 声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信 道 下LoRa信号的相干解调与非相干解调的错误概率；文献12 在LoRa信号的非相干解调基础上引入了一种正交二分峰差判决法，并将其输出的结果作为软信息送到turbo 译码器中，仿真结果表明相较于传统 Hamming-LoRa系统确实有了一定的性能提升.另一方面，从调制信号表达式的角度看，LoRa技术类似于一种频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）技术14.因此，关于FSK技术的软输出非相干解调算法亦同样适用于LoRa技术.针对非相干FSK系统，文献 15 利用贝塞尔函数的一阶泰勒级数展开和双重最大值近似方法获得了一种适用于比特交织编码调制迭代系统的非相干解调算法.相较于文献 12，文献 15 得到的软信息是一种真正的解调软信息，但需要使用大量的对数运算且随着调制阶数的增加呈指数增长.鉴于以上问题，根据LoRa信号特点并考虑到非相干解调方式使用，提出了一种联合时延与多普勒频移估计方案.其优点在于将二维估计转化成一维估计，从而大大简化了处理过程.进一步地，为了消除相偏和其他残留项影响并更好地采用基于软判决译码的编码方案，设计了一种低复杂度的非相干软解调算法.仿真结果证明了所提同步方案和非相干软解调算法的有效性.2系统模型针对卫星 IoT 通信的上行链路，考虑 AWGN 信道下的编码非相干LoRa传输系统，对应的系统模型如图1所示.该系统模型的处理流程大致如下：在发送端，一串数据比特流经过编码和交织后与导频序列一起送到LoRa调制器中得到各自的调制信号，再将这两组调制信号通过时分复用方式组成一种类似于 LoRa物理层协议中采用的Preamble帧结构1618，如图2所示.然后再附加上多普勒频移和相偏等并通过 AWGN 信道进行传输.在接收端，接收信号经过解复用器分离成数据信号和导频信号.首先将导频信号经解啁啾操作后送到一个联合时延与多普勒频移估