一种低功耗的多模式散射通信系统研究

刘鑫　唐晓庆　刘勇　张帅

摘  要：随着社会信息化程度的提高，物联网技术的发展和应用将会越来越广泛，尤其是能够兼容多种无线通信模式的物联网终端。本文基于后向散射原理，提出一种低功耗的多模式散射通信系统，系统以MCU为核心处理器，兼容Wi-Fi、LoRa等多种通信模式。系统功耗极低，进行一次LoRa散射通信所消耗的电量为9.2μA·s，进行一次Wi-Fi散射通信所消耗的电量仅为2.5uA·s。设置系统每分钟发送2包Wi-Fi數据，1包LoRa数据，一个容量40mAh的CR1220纽扣电池可供系统工作4年以上，具有成本低、功耗低、应用范围广等优点。

关键词：物联网;低功耗;多模式;散射通信

中图分类号：TN926      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）22-0053-05

Abstract：With the improvement of social informatization，the development and application of internet of things technology will be more and more extensive，especially the internet of things terminals which can be compatible with various wireless communication modes. Based on backscattering principle，a low power multi-mode scattering communication system is proposed in this paper. The system uses MCU as the core processor and is compatible with Wi-Fi，LoRa and other communication modes. The power consumption of the system is very low. The power consumption of a LoRa scattering communication is 9.2μA·s，and that of a Wi-Fi scattering communication is only 2.5uA·s The system can send 2 packets of Wi-Fi data and 1 packet of LoRa data per minute. A 40mAh CR1220 button battery can work for more than four years. It has the advantages of low cost，low power consumption and wide application range.

Keywords：internet of things;low power consumption;multimodal;scattering communication

0  引  言

物联网借助互联网将各种通过信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等信息采集装置采集的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等信息传递出去，实现对物品和过程的智能化感知、识别、监控和管理，对建设智慧城市、推动传统产业转型、促进工业化和信息化融合、实现中国智能制造起着关键作用。

1  通信的发展

自2010年，我国将物联网发展问题写入《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》和《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》以来，我国物联网行业取得了长足发展。物联网标准正在逐步颁布并实施，中国移动在全国100多个城市开始敷设移动物联网，截至目前，中国移动物联网用户超过了3.78亿，成为全球用户规模最大的物联网专用网[1]。

物联网技术可以分为三个层面：信息层、网络层和应用层。信息层将采集到的信息以无线的方式发送给网络层，一般由物联网通信终端构成。根据应用场景的不同，终端的无线通信方式也不同。一种是短距离无线通信技术，如Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等，具有高速率、高实时性的特点，主要应用在智能穿戴、智能家居、工业数据采集等局域网通信场景;另一种是低功耗广域网通信技术[2，3]，具有功耗低、覆盖范围广、穿透性强、大量连接的特点，窄带物联网（Narrow Band IOT，NB-IoT）和LoRa（Long Range）是当前主流的LPWAN技术[4]。由于这些无线通信技术都存在功耗大、成本高的问题，难以进行大面积推广应用，因此降低物联网通信终端的功耗和成本是物联网领域研究的一个难点和热点，也是决定物联网能否大范围落地实施的关键因素。

2016年，华盛顿大学的Bryce Kellogg等人提出了无源Wi-Fi技术[5]，通过后向散射的方式把基站发出的单频电磁波调制为符合802.11b协议的Wi-Fi信号，这样能够被通用Wi-Fi设备解调解码，具有很好的兼容性。而且采用后向散射技术可以去掉频率合成器、晶体振荡器、功率放大器等耗能器件，可以大幅降低终端功耗，较传统Wi-Fi设备，功耗可降低3～4个数量级。

2017年，华盛顿大学的Vamsi Talla等人提出了LoRa后向散射通信系统方案[6]，该方案由数字基带处理器、DAC、VCO、开关映射、SP8T射频开关和8通道天线匹配电路组成，较传统LoRa设备，系统功耗大幅降低，但该方案设计复杂、成本较高，而且环境温度、系统供电变化都会对其中模拟电路的线性度、精度造成影响，从而影响LoRa散射通信的可靠性和稳定性。

2019年，武汉第二船舶设计研究院的唐晓庆等人提出了基于MCU的无源Wi-Fi通信系统[7]，该系统在TI公司开发的430系列单片机上实现了无源Wi-Fi技术，系统平均功耗1.44mW，并利用系统自带的弱光能量收集管理模块实现了系统的自供电，具有开发成本低、系统功耗低、能量自供给的特点，可极大地促进无源Wi-Fi技术的实际推广应用。同年，唐晓庆等人还提出了基于MCU实现LoRa散射通信技术的方案[8]，该方案仍采用430单片机实现LoRa散射通信技术，系统平均功耗仅为0.28mW，利用CR1220纽扣电池可支持系统运行5年，可应用在对通信距离有要求的物联网领域。

Wi-Fi和LoRa两种通信方式各有优点，Wi-Fi通信速率高，但通信距离近，LoRa通信距离远，但通信速率低。目前的物联网通信终端仅支持一种特定的通信体制，例如Wi-Fi或LoRa，存在通信模式单一的缺陷，本文提出一种兼容Wi-Fi、LoRa等多种模式的散射通信系统，能够在一个数字系统上实现多种散射通信体制，具有成本低、功耗低、应用范围广等优点。

2  多模式散射通信原理

多模式散射通信的原理如图1所示，首先由基站产生多种通信模式所覆盖频段的单频信号，并通过天线向周围空间中辐射该单频电磁信号。散射通信系统将待发送的数据按照相应的通信协议编码形成基带，并输出数字调制波形，通过驱动射频开关器件来改变自身天线的反射/吸收状态，从而形成不同类型的通信数据包，完成散射调制，最后被不同模式的通信接收器接收、解调和解码。

2  多模式散射通信系统设计

多模式散射通信系统主要由数字基带处理器、射频开关和通信天线组成，数字基带处理器用于实现不同通信模式的编码、调制等过程，生成散射调制波形，用于驱动射频开关器件。射频开关器件与通信天线连接，控制通信天线的反射/吸收，实现散射通信。

不同的通信模式所用的通信频段也不同，如Wi-Fi通信的频段范围是2400MHz～2497MHz，蓝牙通信的频段范围与之相近，是2400MHz～2483.5MHz，而LoRa通信的频段范围是415MHz～480MHz，ZigBee的通信频段范围则更广，从169.4MHz～169.475MHz到5944MHz～10234MHz，之间有多个频段范围均可。Wi-Fi和蓝牙的通信频段比较接近，天线可以共用。而LoRa、ZigBee的通信频段与之相差很多，想要在单个天线上实现所有可能的通信频段是不现实的，因此本文提出了多模式散射通信系统的两种实现方案。一种是基于多个天线的多模式散射通信系统，主要用于通信頻段差异较大的多种通信体制;一种是基于单个多频段天线的多模式散射通信系统，主要用于通信频段比较接近的多种通信体制。

2.1  基于多个天线的多模式散射通信系统

基于多个天线的多模式散射通信系统原理如图2所示。系统为每一种通信模式各配置一个通信天线和射频开关，分别连接各自调制信号的输出端，实现相互独立通道的多模式散射通信。

数字基带处理器可以根据实际应用需求从MCU、FPGA或专用集成电路中选择，MCU具有成本低、功耗低的优点，但只能串行处理，因此不同的通信模式只能分时实现。FPGA成本略高，但可以实现多种通信模式同时通信。专用集成电路可根据自身需求进行定制，缺点是成本高昂。

2.2  基于多频段天线的多模式散射通信系统

基于单个多频段天线的多模式散射通信系统原理如图3所示。系统只配置一个天线，该天线可覆盖多种通信模式的通信频段，图中列举了四种不同的通信模式，实际应用中可根据实际通信需求进行选择。由于不同的通信模式共用一个天线，所以若采用此方案，同一时间只能采用一种通信模式工作。

基于图3所示原理框图，本文设计了兼容Wi-Fi和LoRa两种模式的散射通信系统，系统选用TI公司430系列单片机MSP430FR5969作为基带处理器，设计了包含2.4GHz和415MHz两个频率点的单极子天线。系统封装好的成品照片如图4所示，包括圆盘底座和竖直长条天线，底部圆盘底座内封装了系统处理电路，实物图如图5所示，只有大拇指大小，天线的回波损耗如图6所示。

系统运行流程如图7所示，上电后首先对MCU内部资源进行初始化，包括定时器、模数转换器等，然后定时读取温度传感器采集的温度和系统供电电池的电压，对温度、电压数据分别通过LoRa和Wi-Fi两种方式散射出去。LoRa散射通信过程包括数据帧的封装、汉明纠错编码、交织抗干扰编码、格雷编码、线性调频扩频编码生成数字基带波形、波形输出;Wi-Fi散射通信过程包括数据帧的封装、循环冗余校验、加扰、差分码变换、直接序列扩频生成数字基带波形、波形输出。

3  测试及结果分析

为了验证系统运行的有效性，用Wi-Fi抓包软件对系统发送的Wi-Fi数据包进行实时捕获，用目前主流的LoRa芯片SX1278实时接收系统发送的LoRa数据，接收到的Wi-Fi数据包和LoRa数据包信息分别如图8和图9所示，两种方式都能正常接收系统发送的温度、电压信息。

系统采用Wi-Fi和LoRa散射通信时的电流波形图分别如图10和图11所示。通过对电流波形在时间上积分，可以算出进行一次Wi-Fi散射通信所消耗的电量为2.5uA·s，一次LoRa散射通信所消耗的电量为9.2μA·s。经测试系统待机电流为0.39uA，设置系统每分钟发送2包Wi-Fi数据，1包LoRa数据，一个容量40mAh的CR1220纽扣电池可供系统工作4年以上。

4  结  论

物联网作为通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，是新一代信息技术的代表，对于推动传统产业转型、促进工业化和信息化融合，起着关键作用，其发展深受国家重视。目前物联网通信方式多种多样，各有优势和特点，而现有的物联网通信终端仅能支持一种特定的通信体制。

参考文献：

[1] 梅雅鑫.中国移动NB-IoT战果累累  网络建设与应用落地双管齐下 [J].通信世界，2018（32）：30.

[2] SONG Y，LIN J，TANG M，et al. An Internet of Energy Things Based on Wireless LPWAN [J].Engineering，2017，3（4）：460-466.

[3] BARDYN J P，MELLY T，SELLER O，et al. IoT：The era of LPWAN is starting now [C]//Proceedings of the 42nd European Solid-State Circuits Conference，Lausanne，Switzerland，2016：25-30.

[4] SINHA R S，WEI Y， HWANG S H. A survey on LPWA technology：LoRa and NB-IoT [J].ICT Express，2017，3（1）：14-21.

[5] KELLOGG B，TALLA V，SMITH J R，et al. PASSIVE WI-FI： Bringing Low Power to Wi-Fi Transmissions [J].Getmobile Mobile Computing & Communications，2017，20（3）：38-41.

[6] TALLA V，HESSAR M，KELLOGG B，et al. LoRa Backscatter：Enabling The Vision of Ubiquitous Connectivity [J].Proceedings of the Acm on Interactive Mobile Wearable & Ubiquitous Technologies，2017，1（3）：105.

[7] TANG X，Cui Y，SHE Y，et al. Battery-free Wi-Fi：Making Wi-Fi transmission simpler and practical [C]//IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics. Vancouver，Canada，2019：1575-1582.

[8] 唐晓庆，谢桂辉，佘亚军，等.基于直接数字頻率合成的LoRa散射通信方法 [J/OL].电子与信息学报.[2019-07-04].http：//jeit.ie.ac.cn/article/doi/10.11999/JEIT190001.

作者简介：刘鑫（1989.12-），女，汉族，湖北襄阳人，工程师，硕士，研究方向：舰船通信;唐晓庆（1987.12-），男，汉族，四川资阳人，工程师，博士，研究方向：舰船通信;刘勇（1980.04-），男，汉族，湖北天门人，高级工程师，硕士，研究方向：舰船通信;张帅（1987.02-），男，汉族，内蒙古巴彦淖尔人，高级工程师，博士，研究方向：舰船通信。