gr-lora_sdr - GNU Radio实现的开源LoRa软件无线电收发机

概述

这是一个功能完备的GNU Radio软件定义无线电(SDR)实现的LoRa收发器，包含了所有必要的接收组件，即使在非常低的信噪比下也能正常工作。该收发器作为GNU Radio 3.10的一个模块提供。这项工作是在EPFL的电信电路实验室进行的。

在GNU Radio实现的LoRa发射和接收链中，用户可以选择所有的传输参数，如扩频因子、编码率、带宽、同步字、是否有显式头和CRC。

该模块包含了方便的发射和接收层次块。

在发射链中，实现包含了LoRa收发器的所有主要块：头部和CRC插入块、白化块、汉明编码器块、交织器块、格雷反映射块和调制块。

发射流程

在接收端有数据包同步块，执行同步所需的所有必要任务，如必要的STO和CFO估计和校正。然后是解调块，格雷映射块，解交织块，汉明解码器块和解白化块，以及CRC验证块。

接收流程

该实现可用于在低信噪比下进行LoRa SDR接收器的完全端到端实验性能结果。
在apps/simulation文件夹中提供了一个简单的仿真框架。

功能

在USRP-USRP和USRP-商用LoRa收发器（已测试RFM95、SX1276、SX1262）之间发送和接收LoRa数据包。
可用参数：
- 扩频因子：5-12*
- 编码率：0-4
- 隐式和显式头模式
- 有效载荷长度：1-255字节
- 同步字选择（网络ID）
- 验证有效载荷CRC
- 验证显式头校验和
- 低数据率优化模式
- 使用软判决解码以提高性能

* 扩频因子5和6与SX126x不兼容。

参考文献

J. Tapparel, O. Afisiadis, P. Mayoraz, A. Balatsoukas-Stimming and A. Burg, "An Open-Source LoRa Physical Layer Prototype on GNU Radio," 2020 IEEE 21st International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), Atlanta, GA, USA, 2020, pp. 1-5.

IEEE Xplore链接, arXiv链接

如果你发现这个实现对你的项目有用，请考虑引用上述论文。

先决条件

Gnuradio 3.10
python 3
cmake
libvolk
boost
UHD
gcc > 9.3.0
gxx
pybind11

用于开发此模块的conda环境在environment.yml文件中描述。

安装

gr-lora_sdr外部树模块可以从源代码安装或直接作为conda包安装。

从源代码

克隆此存储库

git clone https://github.com/tapparelj/gr-lora_sdr.git

进入克隆的存储库
```
cd gr-lora_sdr/
```
可以使用conda安装包含所有依赖项的功能环境，或者单独安装它们并跳到下一步。你可以按照这个教程操作，或者简单地按照以下步骤：
- 首先下载最新版本的conda，例如：
```
wget https://repo.anaconda.com/miniconda/Miniconda3-py39_4.12.0-Linux-x86_64.sh
```
- 现在运行下载的Anaconda安装程序脚本
```
bash Miniconda3-py39_4.12.0-Linux-x86_64.sh
```
- 重新加载Shell
```
source ~/.bashrc
```
- 现在复制我们的环境以自动安装模块的所有依赖项。注意这将花费相当长的时间（约20分钟）。
```
conda env create -f environment.yml 
```
- 启动你刚刚创建的GNU Radio 3.10 conda环境
```
conda activate gr310
```
要构建代码，创建一个适当的文件夹并进入：
```
mkdir build
cd build
```

运行主CMakeLists.txt

cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<你的前缀> # 如果这里没有选择安装前缀，默认为usr/local、CONDA_PREFIX或PYBOMB_PREFIX

最后编译组成LoRa收发器的自定义GNU Radio块。将
替换为你想用来加速编译的核心数。
```
(sudo) make install -j<X>
```
如果你以sudo身份安装，运行
```
sudo ldconfig 
```
现在你应该能够运行一些代码了。例如，打开GNU Radio Companion用户界面，检查gr-lora_sdr的块是否在块列表中可用（例如在LoRa_TX下）。
```
gnuradio-companion &
```
可以通过执行以下脚本进行最终的收发器功能验证，每两秒传输一帧：
```
python3 examples/tx_rx_functionality_check.py 
```

使用

gr-lora_sdr/examples/中可以找到LoRa发射器和接收器的示例（包括python和grc）。
.grc文件可以用gnuradio-companion打开，以设置不同的传输参数。
由grc生成的python文件可以通过 python3 ./{文件名}.py执行

从conda安装

感谢Ryan Volz，这个OOT模块也可以直接作为Conda包安装。注意gnuradio也将安装在conda环境中。

创建或激活您想要安装此模块的conda环境。如果您不熟悉conda，请参考conda的入门指南。

使用以下命令从anaconda频道tapparelj安装模块：

conda install -c tapparelj -c conda-forge gnuradio-lora_sdr

根据您的需求，您可能还需要安装gnuradio的补充包：
```
conda install -c conda-forge gnuradio
```
gnuradio元包安装了以下所有子包：
- gnuradio-grc
- gnuradio-iio
- gnuradio-qtgui
- gnuradio-soapy
- gnuradio-uhd
- gnuradio-video-sdl
- gnuradio-zeromq
如果您不想安装所有这些包及其依赖项，可以单独安装您需要的包，例如：
```
conda install -c conda-forge gnuradio-uhd
```

使用方法

示例gnuradio-companion流程图与包一起安装，可以在以下位置找到：
- (Linux/macOS) $CONDA_PREFIX/share/gr-lora_sdr/examples
- (Windows) %CONDA_PREFIX%\Library\share\gr-lora_sdr\examples

常见问题：

从git拉取新版本后make失败
- 如果新版本中块的参数发生了变化，您需要先清理旧安装，然后再重新构建模块。
- 在构建文件夹中，运行
```
(sudo) make uninstall
make clean
make -j4
(sudo) make install
```
"ImportError: No module named lora_sdr"：
- 这个问题可能是由于缺少PYTHONPATH和LD_LIBRARY_PATH导致的
- 请参考https://wiki.gnuradio.org/index.php/ModuleNotFoundError来修改这些变量。如果您在"cmake"调用期间设置了前缀，请直接跳到C点。（验证这些路径是否存在于您的文件夹中可能会有帮助。）
OOT块未在gnuradio-companion中出现：
- 可以通过在home/{username}/.gnuradio/config.conf中添加以下行来在gnuradio-companion中加载新块（如果此文件不存在，您需要创建它）：
```
[grc]
local_blocks_path=path_to_the_downloaded_folder/gr-lora_sdr/grc
```

更新日志

添加忽略同步字检查并打印接收到的值的选项
添加可选的以十六进制值打印接收到的有效负载
添加标记流输入支持（用于帧长度定义）
修复了_fft_demod_和_deinterleaver_之间的LLR流格式
在crc验证输出流中添加了标记，指示帧开始、长度和CRC结果
为文件输入添加了分隔符选项
添加了前导长度选项
添加了帧零填充参数
添加低数据率优化支持
添加对小于7的扩频因子的支持

[...](https://github.com/tapparelj/gr-lora_sdr/blob/master/./Changelog.md

致谢

本工作受到Pieter Robyns、Peter Quax、Wim Lamotte和William Thenaers的https://github.com/rpp0/gr-lora项目的启发。该项目的架构和功能已得到改进，以更好地模拟LoRa的物理层。

许可证

根据GPL-3.0许可证分发。有关更多信息，请参见LICENSE文件。