基于LoRa通信的無線發(fā)射臺信號智能監(jiān)測技術(shù)研究

摘 "要： 為實現(xiàn)大面積無線發(fā)射臺信號覆蓋監(jiān)測，有效地抵御監(jiān)測過程中多徑干擾和頻率選擇性衰減等干擾因素的影響，研究基于LoRa通信的無線發(fā)射臺信號智能監(jiān)測技術(shù)。在無線發(fā)射臺發(fā)出信號后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行對比，識別出有效發(fā)射臺信號后，通過級聯(lián)型LoRa組網(wǎng)方式以及LoRa通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器中存儲，實現(xiàn)無線發(fā)射臺信號的傳輸。利用循環(huán)位移因子對基帶產(chǎn)生的Chirp信號完成調(diào)頻擴頻調(diào)制，擴展信號頻譜，增強信號抗干擾能力以及傳輸可靠性，增強信號監(jiān)測的效果。實驗結(jié)果表明：該方法能夠在距離LoRa終端設(shè)備2.5 km處依舊接收到發(fā)射臺信號，丟包率為12%，能夠準確地監(jiān)測到無線發(fā)射臺是否存在發(fā)射信號。

關(guān)鍵詞： LoRa通信； 無線信號； 發(fā)射臺； 智能監(jiān)測； 調(diào)頻擴頻； 數(shù)字信號

中圖分類號： TN972?34 " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）15?0014?05

Research on wireless transmitting station signal intelligent monitoring technology

based on LoRa communication

ZHAO Zhigang， WANG Lei， WANG Lanzhong

（Shandong University， Jinan 250100， China）

Abstract： A wireless transmitting station signal intelligent monitoring technology based on LoRa communication is studied to achieve large?area wireless transmitting station signal coverage monitoring and effectively resist interference factors such as multipath interference and frequency selective attenuation during the process of monitoring. After the wireless transmitting station sends out signals， the signals are converted into digital ones for comparison， and effective transmitting station signals are identified. By cascaded LoRa networking and LoRa communication technology， the data is sent to the server for storage， so as to achieve the transmission of wireless transmitting station signals. The Chirp signals generated by baseband is modulated by frequency modulation and spread spectrum by cyclic shift factor （CSF）， so as to expand the signal spectrum， enhance the anti?interference ability and transmission reliability of the signals and enhance the effect of signal monitoring. The experimental results show that the proposed method can be used to receive the transmitting station signals 2.5 km away from the LoRa terminal device， with a packet loss rate of 12%， and can accurately monitor whether there is transmission signals from the wireless transmitting station.

Keywords： LoRa communication; wireless signal; transmitting station; intelligent monitoring; frequency modulation and spread spectrum; digital signal

0 "引 "言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線技術(shù)應用到了生活的諸多場景中[1?2]，對于無線發(fā)射臺信號的監(jiān)測也就具有了重要的意義。通過無線監(jiān)測無線發(fā)射臺信號能夠準確地判斷出無線發(fā)射臺是否有連續(xù)的信號發(fā)出，當信號產(chǎn)生波動或者中斷便可以判斷其是否出現(xiàn)故障，并派遣維護人員進行監(jiān)測以及維修，提升信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性。同時，監(jiān)測信號的各種參數(shù)能夠保證被監(jiān)測信號的安全性，避免出現(xiàn)干擾和中斷等問題。

對于信號的監(jiān)測有許多學者作出了研究，文獻[3]提出的礦井內(nèi)部無線信號監(jiān)測技術(shù)，對于正交頻分復用（OFDM）存在的接收機誤差累積問題，利用雙路網(wǎng)絡接收機（DPNR）進行優(yōu)化，完成對無線信號的監(jiān)測。但該方法存在一定的計算復雜度，特別是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)或?qū)崟r信號時，可能會對計算資源提出較高要求，泛化能力差。文獻[4]提出一種結(jié)合單片機以及超聲傳感的無線信號監(jiān)測技術(shù)，在該技術(shù)中通過無線模塊、超聲傳感以及時鐘模塊共同形成了對無線信號的采集，對信號做相關(guān)性運算進行監(jiān)測。但該方法存在著硬件依賴，一旦該技術(shù)運用了相對較差的硬件則難以保證監(jiān)測的準確程度，在復雜情況下難以保證對于噪聲的消除效果，可能會誤導最終的監(jiān)測結(jié)果。文獻[5]提出的用于電視無線發(fā)射臺的監(jiān)測技術(shù)，主要通過D觸發(fā)器電路對發(fā)射臺信號進行監(jiān)測，通過選擇器可以控制觸發(fā)器的信號，使特定無線信號通過，完成無線信號監(jiān)測。但該方法通過選擇器控制觸發(fā)器，觸發(fā)器的狀態(tài)僅有0或1，無法適應多種情況，局限性較大。

為了解決上述問題，本文研究基于LoRa通信的無線發(fā)射臺信號智能監(jiān)測技術(shù)。采用傳感器接收無線發(fā)射臺信號，選擇級聯(lián)型組網(wǎng)方式進行無線發(fā)射臺信號的傳輸。利用循環(huán)位移因子完成調(diào)頻擴頻調(diào)制，增強信號抗干擾能力以及傳輸可靠性。

1 "無線發(fā)射臺信號智能監(jiān)測技術(shù)

使用LoRa通信技術(shù)進行無線發(fā)射臺信號監(jiān)控，通過傳感器采集無線發(fā)射臺信號后，通過級聯(lián)型LoRa組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至LoRa終端，在終端利用LoRa私有協(xié)議發(fā)送至上級終端，由終端發(fā)送至網(wǎng)關(guān)后，由網(wǎng)關(guān)傳送至服務器內(nèi)存儲，完成無線發(fā)射臺信號智能監(jiān)測。其中，LoRa通信技術(shù)傳輸信號時，對信號進行調(diào)頻擴頻，擴展信號頻譜，增強信號抗干擾能力以及傳輸可靠性。信號監(jiān)測框架如圖1所示。

LoRa是一種新開發(fā)的用于解決LPWAN物理層的方案，該技術(shù)既滿足通信功耗低，又能夠使用較低的成本保證終端的穩(wěn)定性[6?7]。LoRa的網(wǎng)絡協(xié)議如圖2所示。LoRa終端中的終端應用層、終端MAC（Medium Access Control）層以及LoRa物理層中的信息通過LoRa無線鏈路傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過主干網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)包通過底層IP數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)接脩魬脤?、用戶MAC層以及主干網(wǎng)絡中。其中，終端MAC層負責解決廣播鏈路涉及的多方競爭使用權(quán)的問題，該層定義了發(fā)射臺信號通過的路徑和設(shè)備端的物理地址。

1.1 "采集無線發(fā)射臺信號

在無線發(fā)射臺發(fā)射信號時，傳感器接收到無線信號的時間可能存在差異，因此在采集多個無線信號后，將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號判斷相似性。

使用對比窗口將1 s的數(shù)據(jù)分成10幀，這種劃分方法在信號不同步時對比結(jié)果較為不準確[8]，因此還需要采用平均振幅法，將無線發(fā)射臺信號進行平均化處理，該公式為：

[P=i=1nXin] （1）

式中：[n]為采樣數(shù)量；[Xi]為傳感器采樣數(shù)據(jù)。利用結(jié)果在對比窗口的能量序列組成的多維矢量達到無線發(fā)射臺有效信號的采集。

1.2 "傳輸無線發(fā)射臺信號

LoRa通信技術(shù)有諸多的應用場景，根據(jù)不同的應用場景選擇不同LoRa組網(wǎng)方式，本文選擇級聯(lián)型組網(wǎng)方式進行無線發(fā)射臺信號的傳輸，級聯(lián)型組網(wǎng)方式如圖3所示。

點對點組網(wǎng)中的LoRa終端兩兩之間互相收發(fā)無線發(fā)射臺信號，串口設(shè)備則是利用串口完成設(shè)備與LoRa終端的數(shù)據(jù)收發(fā)；級聯(lián)型則可以看成升級版的點對點組網(wǎng)，窗口設(shè)備依舊與終端完成無線發(fā)射臺信號的收發(fā)[9?11]，終端則是將數(shù)據(jù)上傳至上一級終端，并依次上傳直至最終網(wǎng)關(guān)，對于不同情況下應選擇合適的組網(wǎng)方式，以便達到高效的無線發(fā)射臺信號傳輸效率。

1.3 "監(jiān)測無線發(fā)射臺信號

線性調(diào)頻（LFM）信號同時也被稱為Chirp信號，LoRa通信采用線性調(diào)頻方式，線性調(diào)頻擴頻信號在發(fā)射時是一個時域恒定的無線發(fā)射臺包絡信號，通過LoRa線性調(diào)頻擴頻技術(shù)進行無線發(fā)射臺信號監(jiān)測，可以實現(xiàn)較低功耗、長距離傳輸，提供可靠的無線監(jiān)測解決方案。Chirp信號進行調(diào)頻的時域情況為：

[xt=Acos2πfct+k2t2P， " "-T2≤t≤T2] （2）

式中：[A]為Chirp信號的幅值；[k]為Chirp信號的頻率斜率； [T]為Chirp信號周期；[fc]為載波的中心頻率；[t]為時間向量。

當公式（2）中[kgt;0]時，表明正在升頻調(diào)制，反之，則是降頻調(diào)制。

在進行擴頻調(diào)制時引入循環(huán)位移因子（CSF），通過無線發(fā)射臺產(chǎn)生發(fā)射信號在基帶形成的Chirp信號循環(huán)CSF（[0≤CSF≤USF-1]）個點，將無線發(fā)射臺信號映射到CSF上。

在本文中擴頻調(diào)制通過擴頻因子與時間帶寬來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[12?14]，計算公式為：

[USF=BRs=B?T] （3）

式中：[B]為Chirp信號帶寬；[Rs]為傳輸碼率；[T=1Rs]；[USF]為擴頻因子。

Chirp信號在基帶時的波形使用的計算公式為：

[xt=expj?t， " " " -T2≤t≤T20， " " " "other] （4）

式中[?]為Chirp信號相位。

由于Chirp信號的帶寬為：

[B=kT] （5）

所以瞬時頻率表達式為：

[ft=fc+Akt=fc+ABTt] （6）

式中[A=1]為上掃頻，反之為下掃頻。

根據(jù)式（6），Chirp信號可描述為：

[xt=ej2πfc+πABTt2] （7）

發(fā)送端調(diào)制完成后的信號為：

[xrst=ej2πfc+2πABTt22-CSFBt+2πBt+ωt，-T2≤tlt;CSFBej2πfc+2πABTt22-CSFBt+ωt， " " " " " " CSFB≤t≤T2] （8）

式中[ωt]表示隨時間變化的載波頻率。在接收端對調(diào)制的Chirp信號進行解調(diào)，公式（7）與公式（8）共軛相乘后得到解調(diào)的信號為：

[xt=ej-2πCSFBt+2πBt+ωt， " " "-T2≤tlt;CSFBej-2πCSFBt+ωt， " " "CSFB≤t≤T2] （9）

令[A=1]進行上掃頻，可以得到離散信號為：

[xt=ej2πnkBTt+ωnB， " "-T2≤t≤T2] （10）

考慮到[T=USFB]，則可以進一步將公式（10）描述為：

[xt=ej2πnkUSFt+ωnB， " "-T2≤t≤T2] （11）

公式（11）為接收端最終解調(diào)后的信號，增強了信號監(jiān)測的效果。

2 "實驗分析

2.1 "實驗對象

為驗證本文方法對于無線發(fā)射臺信號的監(jiān)測情況，選擇C市進行實驗，在C市中存在多個無線信號發(fā)射臺，包括廣播信號發(fā)射臺2座、電視信號發(fā)射臺1座，在3座無線發(fā)射臺中布置傳感器以及LoRa設(shè)備。C市中某廣播信號發(fā)射臺如圖4所示。

進行無線信號監(jiān)測時，LoRa網(wǎng)關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。LoRa終端設(shè)備參數(shù)設(shè)置如表2所示。

2.2 "實驗數(shù)據(jù)

目前主流無線通信技術(shù)包含WiFi、藍牙、ZigBee、LoRa方法，上述無線通信技術(shù)參數(shù)情況如表3所示。

通過表3可以看出，LoRa通信技術(shù)在傳輸距離、安全性、成本和抗噪性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異。相比其他的無線通信技術(shù)，LoRa具有更遠的傳輸距離和更高的安全性，使其成為無線發(fā)射臺信號監(jiān)測的理想選擇。此外，LoRa技術(shù)的低成本和良好的抗噪性能也使其在各種復雜環(huán)境中表現(xiàn)出色。因此，使用LoRa進行無線發(fā)射臺信號監(jiān)測是一種非常合適的方法，能夠有效地提高監(jiān)測信號傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

為測試本文方法的穩(wěn)定性，選擇在距離電視信號發(fā)射臺由1 km逐漸增加至2.5 km處進行無線發(fā)射臺信號監(jiān)測穩(wěn)定性實驗，在接收信號的過程中，測試結(jié)果如表4所示。

通過表4可以看出，本文方法在距離2.5 km處依舊能夠較為高效地接收到信號，丟包率僅為12%，在這種情況下能夠有效降低LoRa終端設(shè)備布置的數(shù)量，有效降低LoRa設(shè)備的成本，實現(xiàn)最小的成本、最大范圍地監(jiān)控無線發(fā)射臺信號的目標。

為驗證本文方法能夠準確監(jiān)測到信號發(fā)射臺發(fā)出的信號，在一座廣播信號發(fā)射臺處布置LoRa設(shè)備，并在距離廣播信號發(fā)射臺1.8 km處進行信號監(jiān)測實驗，結(jié)果如表5所示。

由表5的實驗結(jié)果可以看出，本文方法在5次實驗中均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。每次監(jiān)測的結(jié)果準確無誤，這充分證明了該方法在監(jiān)測無線發(fā)射臺信號方面的強大能力和高可靠性。本文方法為無線發(fā)射臺信號監(jiān)測提供了新的思路和方法。

3 "結(jié) "論

為有效地抵御多種干擾因素的影響，實現(xiàn)大面積覆蓋監(jiān)測，本文研究基于LoRa通信的無線發(fā)射臺信號智能監(jiān)測技術(shù)。通過采集無線信號，將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，判斷相似性，選擇級聯(lián)型組網(wǎng)方式進行無線發(fā)射臺信號的傳輸和監(jiān)測，利用循環(huán)位移因子對基帶產(chǎn)生的Chirp信號完成調(diào)頻擴頻調(diào)制。實驗結(jié)果表明，本文方法具有出色的信號傳輸能力，能夠滿足各種實際應用場景的需求。此外，該方法還具有非常準確的判別能力。每次無線發(fā)射臺發(fā)出信號時，本文方法均能夠準確監(jiān)測，準確率達到100%，證明了該方法的高可靠性和穩(wěn)定性，具有重要的實際應用意義。

注：本文通訊作者為王蘭忠。

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作者簡介：趙志剛（1979—），男，山東濟南人，碩士，實驗師，研究方向為數(shù)字信號處理。

王 "磊（1972—），男，山東濟南人，碩士，實驗師，研究方向為數(shù)字信號處理。

王蘭忠（1973—），男，山東萊西人，博士研究生，高級實驗師，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘分析及數(shù)據(jù)可視化。