А.В. Леушин1

1 Военный учебно-научный центр Сухопутных войск «Общевойсковая ордена Жукова академия Вооруженных Сил Российской Федерации» (Москва, Россия)

1 leo1504leo1504@gmail.com

Постановка проблемы. В последние время получили широкое распространение энергоэффективные сети дальнего радиуса действия Low power wide area network (LPWAN), основанные на физическом уровне LoRa. Несмотря на то, что большое число публикаций посвящено радиосистемам с LoRa-модуляцией, сама реализация физического уровня LoRa остается коммерческой тайной. Необходимо отметить определенную сложность алгоритма синхронизации по времени и частоте при обнаружении кадра сигнала с LoRa-модуляцией.

Цель. Рассмотреть основные этапы алгоритма синхронизации приема кадра сигнала с LoRa-модуляцией, который позволит разработчикам реализовывать собственные каналы связи на основе LoRa-модуляции в своих системах.

Результаты. Приведены описание физического уровня реализации системы синхронизации приема кадра сигнала с LoRa-модуляцией и оценка ее вероятностных показателей. Выявлены проблемные вопросы обнаружения, реализации частотной и временной синхронизации приема кадра сигнала с LoRa-модуляцией. Представлена и раскрыта основная идея реализации
алгоритма синхронизации кадров с LoRa-модуляцией. Сформулированы основные этапы алгоритма синхронизации, дано их
математическое описание и показано снижение помехоустойчивости системы в зависимости от остаточных временных и
частотных рассогласований. Представлены результаты вероятностных оценок обнаружения кадра сигнала в зависимости от длинны преамбулы, а также зависимости СКО оценок дробного сдвига частоты от числа анализируемых символов.

Практическая значимость. Представленный алгоритм синхронизации приема кадра сигнала с LoRa-модуляцией дает физическое представление об основных этапах алгоритма и позволяет разработчику самостоятельно проектировать свои системы связи на основе LoRa-модуляции.

Леушин А.В. Система синхронизации приема кадра сигнала с LoRa-модуляцией // Успехи современной радиоэлектроники. 2024. T. 78. № 4. С. 22–35. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202404-03

1. Леушин А.В. LoRa-модуляция как новый вид модуляции. Принцип работы, основные параметры, помехоустойчивость // Техника радиосвязи. 2022. Вып. 2 (53). С. 37–39.
2. Леушин А.В. Предельная помехоустойчивость командной радиолинии управления, работающей с LoRa-модуляцией // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 2. C. 34–43.
3. Степанова Е.А., Ашаева П.А., Егоров В.В., Лабазников А.П. Использование средств программного и программно-аппаратного моделирования для исследования уязвимостей LoRaWAN-сетей (часть 2) // Техника радиосвязи. 2022. Вып. 2 (53). С. 18–27.
4. Vangelista L. Frequency shift chirp modulation: The LoRa modulation // IEEE Signal Process. Lett. Dec. 2017. V. 24. № 12. P. 1818–1821.
5. Gupta C., Mumtaz T., Zaman M., Papandreou-Suppappola A. Wideband chirp modulation for FH-CDMA wireless systems: Coherent and non-coherent receiver structures // Proc. IEEE Int. Conf. Commun. (ICC). May 2003. V. 4. P. 2455–2459.
6. Huang K., Wang Z., Tao R. Study of incoherent demodulation technique in Chirp spread spectrum communication systems // Proc. 9th Int. Conf. Signal Process., Oct. 2008. P. 1926–1929.
7. Bernier C., Dehmas F., Deparis N. Low Complexity LoRa Frame Synchronization for Ultra-Low Power Software-Defined Radios // IEEE Transactions on Communications. May 2020. V. 68. № 5. P. 3140–3152.
8. Patent 12 969 998 Jpn. A frequency and timing synchronization circuit making use of a chirp signal / Tanaka H. Apr. 24. 1998.
9. Ghanaatian R., Afisiadis O., Cotting M., Burg A. Lora digital receiver analysis and implementation // Proc. IEEE Int. Conf. Acoust., Speech Signal Process. (ICASSP). May 2019. P. 1498–1502.
10. Tang X., Li H., Zhang Y., Zhao X. Performance Analysis of LoRa Modulation with Residual Frequency Offset // IEEE 4th International Conference on Computer and Communications (ICCC), Chengdu, China. 2018. P. 835–839.
11. Tapparel J., Afisiadis O., Mayoraz P., Balatsoukas-Stimming A., Burg A. An Open-Source LoRa Physical Layer Prototype on GNU Radio // IEEE 21st International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), Atlanta, GA, USA. 2020. P. 1–5.
12. Библиотека «gr-lora-sdr». URL: https://www.epfl.ch/labs/tcl/resources-and-sw/lora-phy.
13. Yang C., Wei G. A Noniterative Frequency Estimator With Rational Combination of Three Spectrum Lines // IEEE Transactions on Signal Processing. Oct. 2011. V. 59. № 10. P. 5065–5070.
14. Patent 3 264 622 Eur. Low complexity, low power and long range radio receiver / Seller O., Sornin N. Jul. 1. 2016.
15. Tapparel, Joachim et al. An Open-Source LoRa Physical Layer Prototype on GNU Radio // IEEE 21st International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC) (2020): 1–5.