非对称LoRa通信系统及其控制方法

摘要

本发明实施例提供的一种非对称LoRa通信系统及其控制方法，涉及无线传输领域，该系统包括主节点以及从节点。所述主节点包括有源晶振以及功率放大器。所述有源晶振以及所述功率放大器分别与所述主节点耦合，所述主节点与所述从节点建立无线通信连接；所述功率放大器，用于提高所述主节点的发射功率；所述有源晶振，用于增大所述主节点的时钟稳定性，提高所述主节点的接收灵敏度。与传统的LoRa通信系统而言，该系统可以提高通信距离。

权利要求

1.一种非对称LoRa通信系统，其特征在于，包括主节点以及从节点，所述主节点包括有源晶振以及功率放大器，所述主节点和/或所述从节点内预先保存上行通信模式以及下行通信模式，每种所述通信模式分别对应不同的扩频因子、带宽和发射功率，所述主节点和/或所述从节点在检测到所述系统处于不同的通信模式时，基于与所述通信模式相对应的扩频因子、工作带宽及发射功率；所述有源晶振以及所述功率放大器分别与所述主节点耦合，所述主节点与所述从节点建立无线通信连接；

所述功率放大器，用于提高所述主节点的发射功率；

所述有源晶振，用于增大所述主节点的时钟稳定性，提高所述主节点的接收灵敏度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上行通信模式所对应的所述扩频因子大于所述下行通信模式所对应的扩频因子，所述上行通信模式所对应的带宽小于所述下行通信模式所对应的带宽，所述上行通信模式所对应的发射功率小于所述下行通信模式所对应的发射功率。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述从节点的数量为多个，每个所述从节点分别与所述主节点建立无线通信连接，构成星型网络。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述有源晶振为TCXO温度补偿晶振。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述TCXO温度补偿晶振是精度为0.05ppm的32MHz温度补偿晶振。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主节点与所述从节点之间的通信频段为非授权频段。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述非授权频段的运行频段为433MHz或

868MHz或915MHz。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率放大器的型号为BLT53A。

9.一种非对称LoRa通信系统的控制方法，其特征在于，所述方法应用于非对称LoRa通信系统通信，所述系统包括主节点以及从节点，所述主节点包括有源晶振以及功率放大器；

所述有源晶振以及所述功率放大器分别与所述主节点耦合，所述主节点与所述从节点建立无线通信连接，所述主节点和/或所述从节点内预先保存上行通信模式以及下行通信模式，每种所述通信模式分别对应不同的扩频因子、带宽以及发射功率；所述方法包括：所述主节点与所述从节点建立通信连接；

若处于下行通信模式，所述功率放大器提高所述主节点的发射功率，所述非对称LoRa通信系统工作于低扩频因子、大带宽以及高发射功率；

若处于上行通信模式，所述有源晶振增大所述主节点的时钟稳定性，所述非对称LoRa通信系统工作于高扩频因子、小带宽以及低发射功率。

说明书

非对称LoRa通信系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线传输领域，具体而言，涉及一种非对称LoRa通信系统及其控制方法。

背景技术

[0002] LoRa是由美国Semtech公司提出的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，与其他无线通信技术相比，其能够明显提高网络效率、消除干扰，在水电气暖四表集抄、智能停车场管理系统、工业远程数据采集等低功耗、远距离通信领域得到了广泛的应用。

[0003] 随着科技的发展，传统的LoRa通信系统的无线通信距离开始出现瓶颈，不能满足于实际应用。因此，提高LoRa通信系统的通信距离对于LoRa通信系统而言具有重要意义。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种非对称LoRa通信系统及其控制方法，与传统的LoRa通信系统而言，提高了通信距离。

[0005] 第一方面，本发明实施例提供了一种非对称LoRa通信系统，包括主节点以及从节点，所述主节点包括有源晶振以及功率放大器。所述有源晶振以及所述功率放大器分别与所述主节点耦合，所述主节点与所述从节点建立无线通信连接；所述功率放大器，用于提高所述主节点的发射功率；所述有源晶振，用于增大所述主节点的时钟稳定性，提高所述主节点的接收灵敏度。

[0006] 在本发明较佳的实施例中，所述主节点和/或所述从节点内预先保存上行通信模式以及下行通信模式，每种所述通信模式分别对应不同的扩频因子以及带宽，所述主节点和/或所述从节点在检测到所述系统处于不同的通信模式时，基于与所述通信模式相对应的扩频因子、带宽以及发射功率工作。

[0007] 在本发明较佳的实施例中，所述上行通信模式所对应的所述扩频因子大于所述下行通信模式所对应的扩频因子，所述上行通信模式所对应的带宽小于所述下行通信模式所对应的带宽，所述上行通信模式所对应的发射功率小于所述下行通信模式所对应的发射功率。

[0008] 在本发明较佳的实施例中，所述有源晶振为TCXO温度补偿晶振。

[0009] 在本发明较佳的实施例中，所述从节点的数量为多个，每个所述从节点分别与所述主节点建立无线通信连接。

[0010] 第二方面，本发明实施例提供一种非对称LoRa通信系统的通信方法，所述方法应用非对称LoRa通信系统通信，所述系统包括主节点以及从节点，所述主节点包括有源晶振以及功率放大器；所述有源晶振以及所述功率放大器分别与所述主节点耦合，所述主节点与所述从节点建立无线通信连接，所述主节点和/或所述从节点内预先保存上行通信模式以及下行通信模式，每种所述通信模式分别对应不同的扩频因子、带宽以及发射功率；所述方法包括：当所述主节点与所述从节点建立通信连接；若处于下行通信模式，所述功率放大器提高所述主节点的发射功率，所述非对称LoRa通信系统工作于低扩频因子、大带宽以及高发射功率；若处于上行通信模式，所述有源晶振增大所述主节点的时钟稳定性，所述非对称LoRa通信系统工作于高扩频因子、小带宽以及低发射功率。

[0011] 本发明实施例的有益效果是：本发明实施例提供了一种非对称LoRa通信系统及其控制方法，该系统包括主节点以及从节点，所述主节点包括有源晶振以及功率放大器。该系统通过所述功率放大器提高了所述主节点的发射功率，通过所述有源晶振，增大了所述主节点的时钟稳定性，提高所述主节点的接收灵敏度。由于主节点一般采用市电供电，对功耗不敏感，因此，可以通过功率放大器提高主节点的发射功率，使得更远距离的从节点可以接收到主节点发射的射频信号，以增加链路预算，同时，主节点采用有源晶振，可以获得较高的接收灵敏度，使得主节点可以接收更远距离的从节点发射的微弱射频信号，提高了通信距离。

[0012] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0013] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0014] 图1是本发明第一实施例提供的一种非对称LoRa通信系统的结构框图。

[0015] 图2是本发明第一实施例提供的另一种非对称LoRa通信系统的工作示意图；

[0016] 图3是本发明第二实施例提供的一种非对称LoRa通信系统的结构框图；

[0017] 图4是本发明第三实施例提供的一种非对称LoRa通信系统的控制方法的流程图。

[0018] 图标：100－非对称LoRa通信系统；110－主节点；120－从节点；130－有源晶振；140－功率放大器。

具体实施方式

[0019] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0020] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0021] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0022] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0023] 此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

[0024] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0025] 第一实施例

[0026] 请参照图1，本实施例提供一种非对称LoRa通信系统100，所述非对称LoRa通信系统100包括主节点110以及从节点120，所述主节点110包括有源晶振130以及功率放大器140。

[0027] 所述有源晶振130以及所述功率放大器140分别与所述主节点110耦合。所述主节点110可以与所述从节点120之间建立无线通信连接。

[0028] 其中，所述主节点110与所述从节点120之间可以基于线性调频扩频调制技术建立通信连接，使得主节点110与从节点120之间的通信既保持了FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰。

[0029] 所述主节点110与所述从节点120之间的通信主要是在全球免费频段运行(即非授权频段)，包括433、868、915MHz等。

[0030] 一般而言，主节点110可以采用市电供电，从节点120采用电池进行供电。

[0031] 所述有源晶振130与所述主节点110耦合。当所述有源晶振130与所述主节点110耦合后，可以提高所述主节点110的时钟稳定性。由于主节点的时钟稳定性越高，信号带宽越小，使得接收灵敏度越高，因此，当在所述主节点110上耦合有源晶振130，且所述主节点作为数据接收方接收从节点发送的数据时，可以提高所述主节点110的接收灵敏度，从而提高所述主节点110与所述从节点120之间的通信距离。

[0032] 进一步地，所述有源晶振130可以是TCXO温度补偿晶振。于本实施例中，所述有源晶振130可以选用0.05ppm的高精度32MHZ温度补偿晶振。

[0033] 当然，从节点120上也可以耦合普通无源晶振，例如采用精度为10ppm的普通晶振。

[0034] 所述功率放大器140，可以提高主节点110的发射功率，使得主节点110的最大发射功率可以达到30dBm。其中，所述功率放大器140的型号可以为BLT53A等。

[0035] 当所述主节点110与所述从节点120之间进行通信时，所述LoRa通信系统100可以包括上行通信模式以及下行通信模式。当LoRa通信系统100处于下行通信模式时，所述主节点110处于发射状态，所述从节点120处于接收状态；当LoRa通信系统100处于上行通信模式时，所述主节点110处于接收状态，所述从节点120处于发射状态。

[0036] 当所述非对称LoRa通信系统100处于下行通信模式时，由于主节点110一般采用市电供电，对功耗不敏感，因此，可以通过功率放大器140提高主节点110的发射功率，使得更远距离的从节点120可以接收到主节点110发射的射频信号，以增加链路预算。尽管从节点120采用的是普通晶振，牺牲了接收灵敏度，但牺牲的接收灵敏度可以通过主节点110的较高地发射功率进行补偿，进而延长主节点110与从节点120之间的通信距离。

[0037] 当所述非对称LoRa通信系统100处于上行通信模式时，主节点110采用有源晶振130，主节点110获得了较高的接收灵敏度，使得主节点110可以接收更远距离的从节点120发射的微弱射频信号，尽管温度补偿晶振的功耗较无源晶振大很多，但是主节点110通常采用市电供电，对功耗不敏感，延长了主节点110与从节点120之间的通信距离。

[0038] 传统的LoRa系统在进行通信时，其上行通信模式和下行通信模式都是基于相同的扩频因子、带宽和发射功率进行通信。然而在实际情况下，LoRa系统在处于不同的通信模式时，主节点110和从节点120对功耗的要求也是不同的，扩频因子、带宽和发射功率三个可控参数的调节为增加系统传输距离、降低系统功耗提供了可能。

[0039] 作为一种实施方式，所述主节点110内可以预先保存上行通信模式以及下行通信模式，每种所述通信模式分别对应不同的扩频因子以及信号带宽，例如上行通信模式对应上行扩频因子、上行信号带宽和上行信号发射功率，下行通信模式对应下行扩频因子、下行信号带宽和下行信号发射功率。当所述非对称LoRa通信系统100处于上行通信模式时，主从节点之间采用上行扩频因子、上行信号带宽和上行发射功率进行通信，当所述非对称LoRa通信系统100处于下行通信模式时，主从节点之间采用下行扩频因子、下行信号带宽和下行发射功率进行通信。

[0040] 当然，也可以在所述从节点120内预先保存上行通信模式以及下行通信模式；还可以在所述主节点110与从节点120内均保存上行通信模式以及下行通信模式。

[0041] 进一步地，可以设定上行通信模式所对应的所述扩频因子大于所述下行通信模式所对应的扩频因子，例如将上行扩频因子SF设定为12，将下行扩频因子设定为9。其中，扩频因子越大，信号的抗多路径干扰性能越好，接收方的接收灵敏度也越高，传输距离越远；还可以设定上行信号带宽小于下行信号带宽，例如将上行信号带宽BW设定为62.5KHz，将下行信号带宽BW设定为500KHz；上行信号发射功率小于下行信号的发射功率，例如将上行信号的发射功率设置为20dBm，下行信号的发射功率设置为30dBm。

[0042] 请参看图2，在所述主节点110和/或所述从节点120内预先保存上行通信模式以及下行通信模式后，当所述非对称LoRa通信系统100进行通信时，若处于下行通信模式，主节点110以及从节点120均工作于较低的扩频因子(例如9)、较大的信号带宽(例如500KHz)和较大的发射功率(例如30dBm)。根据CAD监测时间公式(2SF+32)/BW可知，此时从节点120的CAD监测时长较短。对于周期性执行的CAD而言，较短的CAD监测时间，极大的降低了从节点120的功耗，延长了从节点120电池使用寿命。又由于主节点110采用市电供电，对功耗不敏感，提高其发射功率以增加链路预算，进而延长通信距离。

[0043] 若处于上行通信模式，收发双方均工作于较高的扩频因子(例如12)、较小的信号带宽(例如62.5KHz)和较小的发射功率(例如20dBm)。对于非对称LoRa通信系统100而言，较高的扩频因子和较小的信号带宽可以获得较高的接收灵敏度、较小的发射功率可以降低其发射功耗，再加上主节点110采用的是TCXO温度补偿晶振，提高了其接收灵敏度，有效地增加了链路预算，在不增加从节点120功耗的前提下延长了主从节点之间的通信距离。

[0044] 当主从节点不进行通信时，主节点110可以一直处于接收状态，虽然功耗较大，但是主节点110由市电供电，对功耗不敏感；从节点120处于侦听状态，即周期性的检查主节点110是否在发送信号，比如每4秒检查1ms(1ms时间由主节点的扩频因子SF和带宽BW决定)。
尽管SF越大BW越小可以传输的更远，但是从节点120所需的检测时间就越长，意味着从节点
120功耗较大，所以这里主节点110发送时采用较大的BW较小的SF，这样从节点120的检测时间可以更短，更为省电，由此带来的距离损失由主节点110大的发射功率补偿。

[0045] 本发明实施例提供的一种非对称LoRa通信系统100的工作原理是：该系统包括主节点110、从节点120、有源晶振130以及功率放大器140。该系统通过所述功率放大器140提高了所述主节点110的发射功率，通过所述有源晶振130，增大了所述主节点110的时钟稳定性，提高所述主节点110的接收灵敏度。由于主节点110一般采用市电供电，对功耗不敏感，因此，可以通过功率放大器140提高主节点110的发射功率，使得更远距离的从节点120可以接收到主节点110发射的射频信号，以增加链路预算，同时，主节点110采用有源晶振130，可以获得较高的接收灵敏度，使得主节点110可以接收更远距离的从节点120发射的射频信号，提高了通信距离。

[0046] 第二实施例

[0047] 请参看图3，本实施例提供一种非对称LoRa通信系统100，所述非对称LoRa通信系统100包括主节点110以及从节点120，所述主节点110包括有源晶振130以及功率放大器140。

[0048] 其中，本实施例与第一实施例最主要的区别技术特征在于，所述从节点120的数量可以为多个，每个所述从节点120分别与所述主节点110建立无线通信连接，构成星型网络。

[0049] 第三实施例

[0050] 请参照图4，本实施例提供一种非对称LoRa通信系统的通信方法，所述方法应用于非对称LoRa通信系统通信，所述系统包括主节点以及从节点，所述主节点包括有源晶振以及功率放大器；所述有源晶振以及所述功率放大器分别与所述主节点耦合，所述主节点与所述从节点建立无线通信连接，所述主节点和/或所述从节点内预先保存上行通信模式以及下行通信模式，每种所述通信模式分别对应不同的扩频因子、带宽以及发射功率；所述方法包括：

[0051] 步骤S110：所述主节点与所述从节点建立通信连接；

[0052] 步骤S120：若处于下行通信模式，所述功率放大器提高所述主节点的发射功率，所述非对称LoRa通信系统工作于低扩频因子、大带宽以及高发射功率；

[0053] 步骤S130：若处于上行通信模式，所述有源晶振增大所述主节点的时钟稳定性，所述非对称LoRa通信系统工作于高扩频因子、小带宽以及低发射功率。

[0054] 此外，所述从节点的数量为多个，每个所述从节点分别与所述主节点建立无线通信连接，构成星型网络。

[0055] 综上所述，本发明实施例提供的一种非对称LoRa通信系统及其控制方法，该系统包括主节点以及从节点，所述主节点包括有源晶振以及功率放大器。该系统通过所述功率放大器提高了所述主节点的发射功率，通过所述有源晶振，增大了所述主节点的时钟稳定性，提高所述主节点的接收灵敏度。由于主节点一般采用市电供电，对功耗不敏感，因此，可以通过功率放大器提高主节点的发射功率，使得更远距离的从节点可以接收到主节点发射的射频信号，以增加链路预算，同时，主节点采用有源晶振，可以获得较高的接收灵敏度，使得主节点可以接收更远距离的从节点发射的微弱射频信号，提高了通信距离。

[0056] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。