面向廣域覆蓋的無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

何玉重

（作者單位：云南省廣播電視局麗江704臺）

傳統(tǒng)無線通信技術(shù)難以滿足新時(shí)期物聯(lián)網(wǎng)提出的海量連接和低功耗等性能要求，也不能保證資源效率、接入效率、能效等。為滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)提出的遠(yuǎn)距離、低功耗、海量連接需求，急需應(yīng)用面向廣域覆蓋的無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)，而低功耗廣域覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）就可切實(shí)滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求。所以，本文著重對面向廣域覆蓋的無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 面向廣域覆蓋的無線傳輸技術(shù)特征

LPWAN也叫LPN或LPWA，這種無線網(wǎng)絡(luò)能夠通過低比特率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)。在LPWAN中，各頻道傳輸速率保持在0.3～50 kbit/s范圍內(nèi)。在LPWAN系統(tǒng)支持下，能實(shí)現(xiàn)私有無線感測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，也可作為由第三方提供的服務(wù)或者基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)備擁有者能夠?qū)υO(shè)備實(shí)現(xiàn)直接部署，減少閘道設(shè)備投建成本。面向廣域覆蓋的無線傳輸技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)特征：一是覆蓋范圍廣，目前很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中均體現(xiàn)出覆蓋范圍廣這一特征，在廣域覆蓋特征支持下，可將中繼節(jié)點(diǎn)有效去除，合理縮減能量耗損，并控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。所以，對于LPWAN系統(tǒng)來說，廣域覆蓋屬于最基礎(chǔ)的需求。二是低成本，在面向廣域覆蓋相關(guān)無線傳輸技術(shù)當(dāng)中，低成本屬于其推廣的重要動力。以LPWAN系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，需使設(shè)備能簡便安裝，使成本盡量低，并選擇復(fù)雜度合適的軟硬件，注意避開復(fù)雜度較高的通信協(xié)議和架構(gòu)。三是休眠，因?yàn)樵诓町惢瘧?yīng)用場景當(dāng)中，不同設(shè)備有著不同的數(shù)據(jù)傳輸頻率，為減少能耗，不需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)系統(tǒng)要保持休眠狀態(tài)。四是安全性好，LPWAN應(yīng)用中，要求設(shè)備間或者設(shè)備和用戶間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)要有絕對安全性，尤其網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)需展開預(yù)處理，傳輸中的數(shù)據(jù)屬于無實(shí)際意義的。

2 面向廣域覆蓋的無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物理層關(guān)鍵技術(shù)

面向廣域覆蓋的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)物理層過程中，為實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋，盡量提升接收機(jī)的靈敏度，往往會應(yīng)用超窄帶技術(shù)與直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。

2.1.1 超窄帶技術(shù)

超窄帶通信方式可在信道帶寬極窄情況下得到較高數(shù)據(jù)速率，在此技術(shù)應(yīng)用中，無須擴(kuò)展頻譜即可實(shí)現(xiàn)信息傳輸，并且傳輸能力較高，如Sigfox就是以超窄帶技術(shù)為基礎(chǔ)搭建的。超窄帶技術(shù)指的是可提供60 bit/s/Hz及以上的頻譜利用率，不過此技術(shù)提出之初受到很多業(yè)界人士質(zhì)疑，因?yàn)榘凑障戕r(nóng)公式，即：

根據(jù)公式推導(dǎo)，要想使頻譜利用率（C/W）超過60 b/s/Hz，對1 bit信息進(jìn)行傳輸就需要高于200 dB的信噪比。所以按照傳統(tǒng)通信理論和香農(nóng)信息論，超窄帶無線通信基本是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橥ㄟ^現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)雖然可使信號空間星座點(diǎn)數(shù)盡量多，像多進(jìn)制正交幅度調(diào)制（Multiple Quadrature Amplitude Modulation，MQAM），即便使用正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），同時(shí)各符號可對10 bit信息進(jìn)行表征，最后頻譜利用率極高值基本上也只能達(dá)到10 b/s/Hz，而超窄帶技術(shù)有效解決了此問題。

超窄帶技術(shù)有兩個(gè)重要階段，即信號調(diào)制階段和濾波器處理階段。下面對這兩個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)論述。

第一階段，信號調(diào)制階段。突變相移調(diào)制技術(shù)是超窄帶技術(shù)應(yīng)用中的一項(xiàng)主要技術(shù)，此技術(shù)主要是通過載波相位突變對比特0或者1進(jìn)行表征。超窄帶中可應(yīng)用多類突變相移調(diào)制技術(shù)，像3PSK、VMSK、3PRK等。其中，VMSK調(diào)制技術(shù)應(yīng)用比較廣，該技術(shù)通過雙相編碼，過零時(shí)刻會緊隨著數(shù)據(jù)的變化而改變，比特不同，其所占長度時(shí)隙也不同，在一個(gè)單獨(dú)的比特周期當(dāng)中，編碼信號只進(jìn)行一次反相[1]。比特編碼（見圖1），也就是將比特劃分成M（M屬于奇數(shù)）個(gè)時(shí)隙，如果比特是1，反相出現(xiàn)于（M-1）/2時(shí)間點(diǎn)，如果比特是0，反相出現(xiàn)于（M+1）/2時(shí)間點(diǎn)。因?yàn)樗斜忍鼐邆湔?fù)能量，同時(shí)反相點(diǎn)位基本在比特約1/2位置，因此正負(fù)能量基本上一致。若視作一長串隨機(jī)數(shù)，基本上能夠使正負(fù)能量全面抵消，所以頻譜當(dāng)中只含有少量低頻。針對VMSK類超窄帶調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過程中主要是讓時(shí)域信號脈寬寬度最大化，由此讓頻域信號成為超窄帶。

圖1 VMSK比特編碼

第二階段，濾波器處理階段。濾波器是實(shí)現(xiàn)超窄帶技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要路徑，實(shí)踐中所用特殊濾波器要和超窄帶調(diào)制技術(shù)相適宜，即零群時(shí)延濾波器。對于超窄帶調(diào)制技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)過程主要是在突變相移調(diào)制技術(shù)支持下產(chǎn)生調(diào)制信號，相應(yīng)的調(diào)制信號基本上無頻譜擴(kuò)展，促使最終調(diào)制效果的帶寬極窄。而在超窄帶調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中，無論選擇哪種實(shí)現(xiàn)方法，都要使突變相位信號經(jīng)過帶寬極窄相關(guān)濾波器。晶體具有特殊特性，反應(yīng)時(shí)間快，可基于該屬性制備零群時(shí)延濾波器。同時(shí)，晶體所具備的諧振頻率有兩個(gè)，分別是并聯(lián)諧振頻率和串聯(lián)諧振頻率。在串聯(lián)諧振情況下，晶體保持零阻抗；而在并聯(lián)諧振情況下，晶體會有無窮大的阻抗。一般情況下，兩個(gè)諧振頻率極為接近，頻率特性非常陡峭，相關(guān)特點(diǎn)都使得晶體適合應(yīng)用在超窄帶濾波器中。

2.1.2 直接序列擴(kuò)頻

目前，直接序列擴(kuò)頻廣泛應(yīng)用于商用通信系統(tǒng)中，通過發(fā)送端利用碼率較高的擴(kuò)頻序列對信號頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，接收端在解擴(kuò)過程中，所用頻譜序列和前者相同，將經(jīng)過擴(kuò)展處理的擴(kuò)頻信號進(jìn)行還原處理，最終呈現(xiàn)原始信息。在直接序列擴(kuò)頻支持下，可使接收機(jī)具有更高的信號噪聲功率比，所以信號最終傳輸距離也會比較遠(yuǎn)。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)主要有以下幾點(diǎn)特征：一是經(jīng)高碼率擴(kuò)頻序列直接調(diào)制獲得頻譜擴(kuò)展。二是擴(kuò)頻序列主要應(yīng)用偽隨機(jī)碼。三是在擴(kuò)頻調(diào)制過程中，主要應(yīng)用的是幅調(diào)制方式，如正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）或者二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）等。同時(shí)，擴(kuò)頻和解擴(kuò)相關(guān)調(diào)制解調(diào)器主要應(yīng)用平衡調(diào)制器，平衡調(diào)制器不僅便于制作，還可有效抑制載波。四是通過頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)模擬信息調(diào)制，并通過增量調(diào)制或者脈沖編碼調(diào)制實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息調(diào)制。五是接收端在解擴(kuò)所接收信號過程中，主要應(yīng)用本地偽隨機(jī)碼序列。六是無論是擴(kuò)頻還是解擴(kuò)，其中所應(yīng)用的偽隨機(jī)碼序列必須嚴(yán)格同步，并主要通過匹配濾波器實(shí)現(xiàn)碼的追蹤與搜捕。七是為排除干擾會選擇窄帶帶通濾波器，有效提升抗干擾能力[2]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會對無線網(wǎng)絡(luò)整體性能產(chǎn)生直接影響，如會影響到網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性、擴(kuò)展性、能量利用效率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延等。LPWAN系統(tǒng)中，因?yàn)槲锢韺又饕獞?yīng)用的是超窄帶技術(shù)、直接序列擴(kuò)頻技術(shù)等，在相關(guān)技術(shù)支持下可實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋，所以LPWAN系統(tǒng)在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過程中，要更加關(guān)注如何減少能量消耗，降低成本。在LPWAN系統(tǒng)中，最佳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均分布于能夠覆蓋的區(qū)間以內(nèi)，終端設(shè)備可與中心節(jié)點(diǎn)直接通信，從而縮減網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，同時(shí)，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中沒有多余數(shù)據(jù)包和冗余路由轉(zhuǎn)發(fā)，所以終端設(shè)備可更有效地控制能量消耗，實(shí)現(xiàn)低功耗目標(biāo)[3]。此外，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無論是部署成本還是后續(xù)維護(hù)成本均比較低。

2.2.2 信道接入技術(shù)

對于無線信道資源共享場景，所涉及的信道接入技術(shù)主要有兩種，分別是以預(yù)留為基礎(chǔ)的信道接入技術(shù)和以競爭為基礎(chǔ)的信道接入技術(shù)。通過對比兩種技術(shù)發(fā)現(xiàn)，以競爭為基礎(chǔ)的信道接入技術(shù)主要采用隨機(jī)接入方法，此方法更適合應(yīng)用于LPWAN系統(tǒng)。設(shè)備若要對所共享無線信道資源加以利用，就要經(jīng)過競爭并獲勝，此方法容易實(shí)現(xiàn)，而且靈活性好。同時(shí)，此類信道接入技術(shù)能夠去除信號同步，節(jié)約能量消耗。不過此技術(shù)應(yīng)用中要對其他能量消耗加以處理，像信道過載監(jiān)聽、信道沖突監(jiān)聽、信道空閑監(jiān)聽等。以競爭為基礎(chǔ)的信道接入技術(shù)應(yīng)用中，可通過帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA/CA）使信道沖突減少。另外，以隨機(jī)接入（Additive Link On-Line HAwaii，ALOHA）系統(tǒng)為基礎(chǔ)的信道接入技術(shù)，通過聯(lián)合使用物理層關(guān)鍵技術(shù)，可在LPWAN系統(tǒng)中表現(xiàn)出較好的性能。比如，物理層選擇直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，針對不同設(shè)備節(jié)點(diǎn)應(yīng)用差異化隨機(jī)擴(kuò)頻序列，在設(shè)備提出數(shù)據(jù)傳輸要求時(shí)引入ALOHA信道接入技術(shù)，可使接收機(jī)全面檢測并對每幀數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)解碼，即便相關(guān)數(shù)據(jù)有著重疊的發(fā)送時(shí)間，此時(shí)LPWAN系統(tǒng)具備可對多設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步處理的功能[4]。另外，在以ALOHA為基礎(chǔ)的信道接入技術(shù)應(yīng)用中，還可有效縮減非必要負(fù)載比，比如CTS、RTS等相關(guān)控制信息，使能量具有更高利用率，切實(shí)滿足面向廣域覆蓋的無線傳輸需求。

2.3 其他關(guān)鍵技術(shù)

在面向廣域覆蓋的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，Sigfox、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）也屬于重要的無線傳輸技術(shù)，且發(fā)展前景廣闊，相關(guān)技術(shù)體現(xiàn)出功耗低、成本低、速率低、連接多以及覆蓋廣等優(yōu)勢。其中，LoRa因?yàn)閷€性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)加以應(yīng)用，所以其既有低功耗特點(diǎn)，又有通信距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，在提高網(wǎng)絡(luò)效率的同時(shí)能夠消除干擾，也就是相異擴(kuò)頻序列相應(yīng)終端在使用同樣頻率實(shí)現(xiàn)同步發(fā)送過程中無相互干擾，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行集中器與網(wǎng)關(guān)的研發(fā)，可對多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)并行接收和同步處理，使系統(tǒng)容量明顯擴(kuò)展。LoRa運(yùn)行于非授權(quán)頻段，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)主要由四大部分組成，分別是網(wǎng)關(guān)、終端、應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，應(yīng)用數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸[5]。

NB-IoT是以蜂窩為基礎(chǔ)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，在萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中屬于重要分支，其主要在蜂窩網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中構(gòu)建，可直接在長期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）、 通 用 移 動 通 信 系 統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）、全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications， GSM）網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中部署，從而節(jié)約部署成本，并可平滑升級。NB-IoT所應(yīng)用的是License頻段，主要有3種部署方式，分別是獨(dú)立載波、保護(hù)帶、帶內(nèi)，可和原有網(wǎng)絡(luò)共存。

Sigfox強(qiáng)調(diào)移動網(wǎng)絡(luò)需要連接人而非物體，以Sigfox為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有很大差別，只有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才能連接。此無線架構(gòu)運(yùn)用的是超窄帶調(diào)制技術(shù)，在非授權(quán)平臺工作，工耗非常低，但同時(shí)速率也非常低，所以要實(shí)現(xiàn)長期連接或者對大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備不適合接入Sigfox。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)

在發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)中，關(guān)鍵功能是在傳感器完成數(shù)據(jù)采集工作后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)送，不過實(shí)現(xiàn)過程中需要對LPWAN系統(tǒng)特征充分考量。經(jīng)過綜合分析，所設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

由此可見，發(fā)射機(jī)共有3個(gè)組成部分，分別是電源管理單元、控制單元、射頻單元。其中，控制單元關(guān)鍵功能是對即將發(fā)送的數(shù)據(jù)展開信道編碼處理，涉及交織編碼、卷積前向糾錯(cuò)編碼、比特符號及符號碼元間的映射，另外還包含擴(kuò)頻操作等。數(shù)據(jù)處理完成后，經(jīng)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）向射頻單元傳輸。對于射頻單元，其關(guān)鍵功能為實(shí)現(xiàn)高斯頻移鍵控（Gauss frequency Shift Keying，GFSK）調(diào)制后將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收機(jī)。以IEEE802.15.4k協(xié)議為基礎(chǔ)，射頻信號主要工作頻段是非授權(quán)頻段，如868 MHz、433 MHz等，所以，發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)中主要于433 MHz頻段上工作。在電源管理單元，為使發(fā)射機(jī)體現(xiàn)出低功耗特征，在無數(shù)據(jù)發(fā)送需求時(shí)，電機(jī)控制單元（Motor Control Unit，MCU）要將無須運(yùn)行的設(shè)備電源切斷，使自身處于低功耗休眠狀態(tài)，從而減少能量消耗。

發(fā)射機(jī)工作過程中，首先要進(jìn)行系統(tǒng)配置，隨后明確Flash（存儲芯片之一）內(nèi)部有無完成擴(kuò)頻碼計(jì)算結(jié)果存儲，若未存儲，需計(jì)算擴(kuò)頻碼，反之則從Flash中直接讀取所需結(jié)果，得到應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)，分析相應(yīng)數(shù)據(jù)和前一次發(fā)送數(shù)據(jù)差異大否，若大，需縮減standby（備用、待命）模式時(shí)間，相反，就調(diào)至正常時(shí)間，一般是10 min。在獲得數(shù)據(jù)后，實(shí)現(xiàn)信道編碼，數(shù)據(jù)經(jīng)編碼處理后，再經(jīng)射頻單元向外發(fā)送，所發(fā)送數(shù)據(jù)需同步存儲，以便下次喚醒期間進(jìn)行比對。結(jié)束后將傳感器關(guān)閉，系統(tǒng)處于standby模式，在該模式出現(xiàn)timeout（超時(shí)、暫停）之后，再次展開系統(tǒng)配置。

3.2 接收機(jī)實(shí)現(xiàn)

接收機(jī)的主要作用是接收和處理數(shù)據(jù)。接收機(jī)的搭建主要以軟件定義無線電（Software Defination Radio，SDR）平臺為基礎(chǔ)，其中有1臺個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）、1個(gè)射頻前端通用軟件無線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP），所選USRP工作頻率最低70 MHz，最高可達(dá)6 GHz，能對IEEE802.15.4k協(xié)議所支持頻段實(shí)現(xiàn)全覆蓋。USRP利用通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）實(shí)現(xiàn)與PC連接。通過射頻前端，可將頻帶信號轉(zhuǎn)化為基帶信號，同步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理，并由基帶實(shí)現(xiàn)解調(diào)和信道解碼任務(wù)。

在接收機(jī)工作過程中，首先在USRP支持下對頻帶信號進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)成基帶信號，而后解調(diào)，并檢測前導(dǎo)碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信道解碼，完成循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）工作，隨后方可恢復(fù)獲得原始發(fā)送數(shù)據(jù)。為使頻率、相位相關(guān)偏差減小，主要在接收機(jī)中應(yīng)用非相干解調(diào)模式，并在前導(dǎo)碼檢測環(huán)節(jié)采用并發(fā)策略，由此提升處理能力。在信道解碼環(huán)節(jié)，涉及解交織、解擴(kuò)還有卷積碼解碼。數(shù)據(jù)解出之后，還需展開CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)通過，就意味著數(shù)據(jù)傳輸正確，相反就表示數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)。

4 結(jié)語

面向廣域覆蓋的無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)包括物理層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)，此外還有應(yīng)用前景廣闊的Sigfox、LoRa、NB-IoT等技術(shù)。在無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)中，主要設(shè)計(jì)了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)結(jié)構(gòu)，通過發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)，可基本達(dá)到面向廣域覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)要求。