面向广域覆盖的无线传输关键技术研究与实现

何玉重

（作者单位：云南省广播电视局丽江704台）

传统无线通信技术难以满足新时期物联网提出的海量连接和低功耗等性能要求，也不能保证资源效率、接入效率、能效等。为满足物联网设备节点提出的远距离、低功耗、海量连接需求，急需应用面向广域覆盖的无线传输关键技术，而低功耗广域覆盖无线网络（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）就可切实满足物联网设计与应用需求。所以，本文着重对面向广域覆盖的无线传输关键技术进行深入研究。

1 面向广域覆盖的无线传输技术特征

LPWAN也叫LPN或LPWA，这种无线网络能够通过低比特率实现远距离通信，主要应用于物联网。在LPWAN中，各频道传输速率保持在0.3～50 kbit/s范围内。在LPWAN系统支持下，能实现私有无线感测网络的构建，也可作为由第三方提供的服务或者基础设施，设备拥有者能够对设备实现直接部署，减少闸道设备投建成本。面向广域覆盖的无线传输技术主要有以下几点特征：一是覆盖范围广，目前很多物联网应用中均体现出覆盖范围广这一特征，在广域覆盖特征支持下，可将中继节点有效去除，合理缩减能量耗损，并控制数据传输时延。所以，对于LPWAN系统来说，广域覆盖属于最基础的需求。二是低成本，在面向广域覆盖相关无线传输技术当中，低成本属于其推广的重要动力。以LPWAN系统为基础进行设备设计时，需使设备能简便安装，使成本尽量低，并选择复杂度合适的软硬件，注意避开复杂度较高的通信协议和架构。三是休眠，因为在差异化应用场景当中，不同设备有着不同的数据传输频率，为减少能耗，不需要数据传输时系统要保持休眠状态。四是安全性好，LPWAN应用中，要求设备间或者设备和用户间进行数据传输时要有绝对安全性，尤其网络传输数据需展开预处理，传输中的数据属于无实际意义的。

2 面向广域覆盖的无线传输关键技术

2.1 物理层关键技术

面向广域覆盖的无线传输网络在设计物理层过程中，为实现广域覆盖，尽量提升接收机的灵敏度，往往会应用超窄带技术与直接序列扩频技术。

2.1.1 超窄带技术

超窄带通信方式可在信道带宽极窄情况下得到较高数据速率，在此技术应用中，无须扩展频谱即可实现信息传输，并且传输能力较高，如Sigfox就是以超窄带技术为基础搭建的。超窄带技术指的是可提供60 bit/s/Hz及以上的频谱利用率，不过此技术提出之初受到很多业界人士质疑，因为按照香农公式，即：

根据公式推导，要想使频谱利用率（C/W）超过60 b/s/Hz，对1 bit信息进行传输就需要高于200 dB的信噪比。所以按照传统通信理论和香农信息论，超窄带无线通信基本是无法实现的，因为通过现代调制技术虽然可使信号空间星座点数尽量多，像多进制正交幅度调制（Multiple Quadrature Amplitude Modulation，MQAM），即便使用正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），同时各符号可对10 bit信息进行表征，最后频谱利用率极高值基本上也只能达到10 b/s/Hz，而超窄带技术有效解决了此问题。

超窄带技术有两个重要阶段，即信号调制阶段和滤波器处理阶段。下面对这两个阶段进行详细论述。

第一阶段，信号调制阶段。突变相移调制技术是超窄带技术应用中的一项主要技术，此技术主要是通过载波相位突变对比特0或者1进行表征。超窄带中可应用多类突变相移调制技术，像3PSK、VMSK、3PRK等。其中，VMSK调制技术应用比较广，该技术通过双相编码，过零时刻会紧随着数据的变化而改变，比特不同，其所占长度时隙也不同，在一个单独的比特周期当中，编码信号只进行一次反相[1]。比特编码（见图1），也就是将比特划分成M（M属于奇数）个时隙，如果比特是1，反相出现于（M-1）/2时间点，如果比特是0，反相出现于（M+1）/2时间点。因为所有比特均具备正负能量，同时反相点位基本在比特约1/2位置，因此正负能量基本上一致。若视作一长串随机数，基本上能够使正负能量全面抵消，所以频谱当中只含有少量低频。针对VMSK类超窄带调制技术，实现过程中主要是让时域信号脉宽宽度最大化，由此让频域信号成为超窄带。

图1 VMSK比特编码

第二阶段，滤波器处理阶段。滤波器是实现超窄带技术广泛应用的重要路径，实践中所用特殊滤波器要和超窄带调制技术相适宜，即零群时延滤波器。对于超窄带调制技术，其实现过程主要是在突变相移调制技术支持下产生调制信号，相应的调制信号基本上无频谱扩展，促使最终调制效果的带宽极窄。而在超窄带调制技术实现过程中，无论选择哪种实现方法，都要使突变相位信号经过带宽极窄相关滤波器。晶体具有特殊特性，反应时间快，可基于该属性制备零群时延滤波器。同时，晶体所具备的谐振频率有两个，分别是并联谐振频率和串联谐振频率。在串联谐振情况下，晶体保持零阻抗；而在并联谐振情况下，晶体会有无穷大的阻抗。一般情况下，两个谐振频率极为接近，频率特性非常陡峭，相关特点都使得晶体适合应用在超窄带滤波器中。

2.1.2 直接序列扩频

目前，直接序列扩频广泛应用于商用通信系统中，通过发送端利用码率较高的扩频序列对信号频谱进行扩展，接收端在解扩过程中，所用频谱序列和前者相同，将经过扩展处理的扩频信号进行还原处理，最终呈现原始信息。在直接序列扩频支持下，可使接收机具有更高的信号噪声功率比，所以信号最终传输距离也会比较远。直接序列扩频系统主要有以下几点特征：一是经高码率扩频序列直接调制获得频谱扩展。二是扩频序列主要应用伪随机码。三是在扩频调制过程中，主要应用的是幅调制方式，如正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）或者二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）等。同时，扩频和解扩相关调制解调器主要应用平衡调制器，平衡调制器不仅便于制作，还可有效抑制载波。四是通过频率调制实现模拟信息调制，并通过增量调制或者脉冲编码调制实现数字信息调制。五是接收端在解扩所接收信号过程中，主要应用本地伪随机码序列。六是无论是扩频还是解扩，其中所应用的伪随机码序列必须严格同步，并主要通过匹配滤波器实现码的追踪与搜捕。七是为排除干扰会选择窄带带通滤波器，有效提升抗干扰能力[2]。

2.2 网络层关键技术

2.2.1 网络拓扑结构

网络拓扑结构会对无线网络整体性能产生直接影响，如会影响到网络传输可靠性、扩展性、能量利用效率、网络负载与数据传输时延等。LPWAN系统中，因为物理层主要应用的是超窄带技术、直接序列扩频技术等，在相关技术支持下可实现广域覆盖，所以LPWAN系统在应用网络拓扑结构过程中，要更加关注如何减少能量消耗，降低成本。在LPWAN系统中，最佳网络拓扑结构是星型网络拓扑，此拓扑结构当中所有网络设备均分布于能够覆盖的区间以内，终端设备可与中心节点直接通信，从而缩减网络时延，同时，此拓扑结构中没有多余数据包和冗余路由转发，所以终端设备可更有效地控制能量消耗，实现低功耗目标[3]。此外，此拓扑结构无论是部署成本还是后续维护成本均比较低。

2.2.2 信道接入技术

对于无线信道资源共享场景，所涉及的信道接入技术主要有两种，分别是以预留为基础的信道接入技术和以竞争为基础的信道接入技术。通过对比两种技术发现，以竞争为基础的信道接入技术主要采用随机接入方法，此方法更适合应用于LPWAN系统。设备若要对所共享无线信道资源加以利用，就要经过竞争并获胜，此方法容易实现，而且灵活性好。同时，此类信道接入技术能够去除信号同步，节约能量消耗。不过此技术应用中要对其他能量消耗加以处理，像信道过载监听、信道冲突监听、信道空闲监听等。以竞争为基础的信道接入技术应用中，可通过带有冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA/CA）使信道冲突减少。另外，以随机接入（Additive Link On-Line HAwaii，ALOHA）系统为基础的信道接入技术，通过联合使用物理层关键技术，可在LPWAN系统中表现出较好的性能。比如，物理层选择直接序列扩频技术，针对不同设备节点应用差异化随机扩频序列，在设备提出数据传输要求时引入ALOHA信道接入技术，可使接收机全面检测并对每帧数据实现解码，即便相关数据有着重叠的发送时间，此时LPWAN系统具备可对多设备节点实现同步处理的功能[4]。另外，在以ALOHA为基础的信道接入技术应用中，还可有效缩减非必要负载比，比如CTS、RTS等相关控制信息，使能量具有更高利用率，切实满足面向广域覆盖的无线传输需求。

2.3 其他关键技术

在面向广域覆盖的无线传输网络当中，Sigfox、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）也属于重要的无线传输技术，且发展前景广阔，相关技术体现出功耗低、成本低、速率低、连接多以及覆盖广等优势。其中，LoRa因为对线性调频扩频调制技术加以应用，所以其既有低功耗特点，又有通信距离远的优势，在提高网络效率的同时能够消除干扰，也就是相异扩频序列相应终端在使用同样频率实现同步发送过程中无相互干扰，以此为基础进行集中器与网关的研发，可对多节点数据实现并行接收和同步处理，使系统容量明显扩展。LoRa运行于非授权频段，相关网络主要由四大部分组成，分别是网关、终端、应用服务器、网络服务器，应用数据能够实现双向传输[5]。

NB-IoT是以蜂窝为基础的窄带物联网，在万物互联网络当中属于重要分支，其主要在蜂窝网络当中构建，可直接在长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）、 通 用 移 动 通 信 系 统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）、全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications， GSM）网络当中部署，从而节约部署成本，并可平滑升级。NB-IoT所应用的是License频段，主要有3种部署方式，分别是独立载波、保护带、带内，可和原有网络共存。

Sigfox强调移动网络需要连接人而非物体，以Sigfox为基础的网络结构相比于传统无线网络结构有很大差别，只有数据传输时才能连接。此无线架构运用的是超窄带调制技术，在非授权平台工作，工耗非常低，但同时速率也非常低，所以要实现长期连接或者对大量数据传输的设备不适合接入Sigfox。

3 技术实现

3.1 发射机实现

在发射机实现中，关键功能是在传感器完成数据采集工作后进行相关数据的发送，不过实现过程中需要对LPWAN系统特征充分考量。经过综合分析，所设计发射机结构，如图2所示：

图2 发射机结构

由此可见，发射机共有3个组成部分，分别是电源管理单元、控制单元、射频单元。其中，控制单元关键功能是对即将发送的数据展开信道编码处理，涉及交织编码、卷积前向纠错编码、比特符号及符号码元间的映射，另外还包含扩频操作等。数据处理完成后，经串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）向射频单元传输。对于射频单元，其关键功能为实现高斯频移键控（Gauss frequency Shift Keying，GFSK）调制后将数据发送给接收机。以IEEE802.15.4k协议为基础，射频信号主要工作频段是非授权频段，如868 MHz、433 MHz等，所以，发射机实现中主要于433 MHz频段上工作。在电源管理单元，为使发射机体现出低功耗特征，在无数据发送需求时，电机控制单元（Motor Control Unit，MCU）要将无须运行的设备电源切断，使自身处于低功耗休眠状态，从而减少能量消耗。

发射机工作过程中，首先要进行系统配置，随后明确Flash（存储芯片之一）内部有无完成扩频码计算结果存储，若未存储，需计算扩频码，反之则从Flash中直接读取所需结果，得到应发送数据，分析相应数据和前一次发送数据差异大否，若大，需缩减standby（备用、待命）模式时间，相反，就调至正常时间，一般是10 min。在获得数据后，实现信道编码，数据经编码处理后，再经射频单元向外发送，所发送数据需同步存储，以便下次唤醒期间进行比对。结束后将传感器关闭，系统处于standby模式，在该模式出现timeout（超时、暂停）之后，再次展开系统配置。

3.2 接收机实现

接收机的主要作用是接收和处理数据。接收机的搭建主要以软件定义无线电（Software Defination Radio，SDR）平台为基础，其中有1台个人计算机（Personal Computer，PC）、1个射频前端通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP），所选USRP工作频率最低70 MHz，最高可达6 GHz，能对IEEE802.15.4k协议所支持频段实现全覆盖。USRP利用通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）实现与PC连接。通过射频前端，可将频带信号转化为基带信号，同步实现数字化处理，并由基带实现解调和信道解码任务。

在接收机工作过程中，首先在USRP支持下对频带信号进行处理，转成基带信号，而后解调，并检测前导码，进而实现信道解码，完成循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）工作，随后方可恢复获得原始发送数据。为使频率、相位相关偏差减小，主要在接收机中应用非相干解调模式，并在前导码检测环节采用并发策略，由此提升处理能力。在信道解码环节，涉及解交织、解扩还有卷积码解码。数据解出之后，还需展开CRC校验，如果校验通过，就意味着数据传输正确，相反就表示数据传输出现差错。

4 结语

面向广域覆盖的无线传输关键技术包括物理层和网络层的关键技术，此外还有应用前景广阔的Sigfox、LoRa、NB-IoT等技术。在无线传输关键技术实现中，主要设计了发射机和接收机结构，通过发射机和接收机的实现，可基本达到面向广域覆盖的无线网络要求。