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ISM频段的LPWAN物理层技术分析

来源:专题范文 时间:2024-01-15 12:57:02

吴南旭

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东 湛江 524057)

全球物联网连接预测在2025年呈指数增长至220亿[1]。传统无线技术无法满足物联网传感器网络的范围、功率和成本要求。基于传统的蜂窝技术(3G、LTE)和无线局域网(WiFi)的系统成本高且耗电量大,无法从大量传感器设备传输少量数据;
蓝牙、ZigBee、Z-Wave等其他解决方案的覆盖范围非常有限,尽管可以采用Mesh网状拓扑来扩展其覆盖范围,但会增加耗电,同时还需要复杂的网络规划和管理。

低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)克服了这些缺陷,为大规模物联网网络提供了高效、经济且易于部署的解决方案,非常适合负载较小的低带宽应用,如水电表监测、资产跟踪和环境监测。

LPWAN中除了包括基于传统蜂窝技术发展而来的ECGSM、NB-IoT、LTE-M技术外,还有基于ISM频段的LoRa、SIGFOX、MIOTY技术。基于传统蜂窝技术的演进技术,依然存在传统蜂窝成本高、终端收听系统广播增加耗电、采用专用频段等劣势,而基于ISM频段的LPWAN克服了这些缺点。对于LPWAN来讲,其技术核心集中在物理层,因此本文对基于ISM频段的LPWAN的物理层技术进行分析。

非授权频段(Unlicense Band)的LPWAN 技术,使用ISM频段,代表技术是LoRa、SIGFOX、MIOTY等。ISM无线电频段在欧洲是868 MHz频段,在美国是915 MHz,在亚洲是433 MHz。基于ISM频段的LPWAN具有免频率申请、全球通用部署的优点,相对于由公网蜂窝技术演进来的技术,LPWAN中的NB-IoT或LTE-M等在技术上尤为简单,例如系统支持仅存在上行通信的终端、终端不需要读取系统广播、终端不需要同步等,因此终端成本更低、电池寿命更长。

2.1 SIGFOX方案

2.1.1 概述

SIGFOX公司是成立于2010年的法国全球网络运营商,由SIGFOX公司开发的SIGFOX技术是一种蜂窝式、长距离、低功耗、低速率的无线通信技术。SIGFOX无线接口主要作用是在低速率情况下消耗最少的功率,使得设备可以在5~10年内依靠电池供电运行,无需电池更换或维护。

SIGFOX采用单跳的蜂窝技术,覆盖大范围区域并到达地下物体[2]。截至2020年11月,SIGFOX 物联网网络已覆盖全球72个国家,共580万平方公里,覆盖全球13亿人口[3]。

SIGFOX支持单向通信或有限双向通信。现有的SIGFOX通信标准下,终端每天最多支持140条上行链路消息,每条消息以100 b/s的速率承载12个字节的有效载荷[4]。

2.1.2 关键物理层技术—超窄带

SIGFOX网络采用了超窄带(Ultra Narrow Band, UNB)技术,使用非常低的发射功率,同时保持稳定的数据连接。为了最大限度地降低噪声水平并优化接收器灵敏度,超窄带解决方案将信号带宽缩减至100 Hz[5]。

SIGFOX早期仅支持上行通信,后来支持双向通信。根据协议,下行通信只能在上行通信之后发生。上行:欧洲信道带宽100 Hz,速率为100 b/s;
美国信道带宽600 Hz,速率为600 b/s;
调制方式为D-BPSK,频率效率为1 b·s-1·Hz-1。

如图1所示,以欧洲为例,上行链路频率在868.00~868.20 MHz范围内,共192 kHz,最大功率限制为25 mW。欧盟规定最大占空比为1%,占空比限制是为了SIGFOX与其他通信系统之间可以共同使用ISM频带。

图1 SIGFOX在欧洲的上行频率范围

终端发送具有12字节有效负载的消息,加上各层的开销和地址,变为208 bit,以100 b/s的速率通过空中传输需要2.08 s。SIGFOX基站监控整个192 kHz的频谱并寻找UNB信号进行解调。

服务质量通过分集技术保证。终端随机选择频率发出一条消息,然后再随机选择频率,重复发送2次,每个传输间隔45 ms。终端发出的消息由附近的多个基站联合接收,一条消息平均被3个基站接收,使用了空间、时间、频率分集技术。SIGFOX上行信号的时间频率分布如图2所示。

图2 SIGFOX上行信号的时间频率分布

下行:信道带宽为1.5 kHz,数据速率为600 b/s,调制格式为GFSK,频率利用率为0.4 b·s-1·Hz-1。

以欧洲为例,下行链路频段仅限于869.40~869.65 MHz范围内的频率。在下行链路的情况下,功率输出被限制为最大500 mW,欧盟规定最大占空比为 10%。

2.1.3 超窄带技术分析

由于在868 MHz附近需要使用100 Hz的超窄带带宽,因此不适用于多径多普勒信道。当终端设备的高速移动,或终端靠近高速移动物体时(例如高速公路附近)容易造成存在多普勒效应的多径信号,信号在100 Hz频带内衰减严重,信号接收困难。因此SIGOFX仅支持静止节点或低速度移动的节点。

超窄带信号发射时间长(2.08 s),容易导致数据冲突,再考虑到终端之间不同步,2.08 s中部分时间上发生冲突的概率更高。另外免许可频段中,还存在其他共存系统的干扰,长时间的发射容易被干扰。

为了避免冲突和干扰,终端在不同频点、不同时间,重复发送相同的数据。从频点角度来说,系统内存在1 920个频点可以伪随机选择,降低了不同终端选择到相同频点的概率,让系统达到可用的状态,但是这些措施增加了每条消息的播出时间,在时间上加剧了冲突,并且造成了功率的浪费。

2.2 LoRa技术

2.2.1 概述

LoRa属于物理层技术,它是基于宽带线性扩频(Chirp Spread Spectrum, CSS)的扩频调制技术。由法国公司 Cycleo开发[5],后来被美国公司Semtech收购[6]。LoRaWAN定义了软件通信协议和系统架构。LoRaWAN协议由开放的非营利LoRa联盟管理,Semtech是该联盟的创始成员[7]。LoRa和LoRaWAN共同定义了一种低功耗广域网络协议,LoRa数据速率范围为每通道0.3~50 kb/s,覆盖距离城区5 km,郊区15 km,通常使用150 kHz带宽[8-9]。

2.2.2 关键物理层技术—宽带线性扩频

宽带线性扩频是为雷达应用而开发的,后来用于军事和安全通信。2000年后,由于低功率、抗多径、抗衰落、抗多普勒和抗带内干扰等特性,在许多通信场合中得到应用。例如IEEE 802.15.4标准采用宽带线性扩频,用于低速率无线个域网(Low Rate-Wireless Personal Access Network, LRWPAN),比使用 O-QPSK的直接序列扩频(DSSS)的覆盖范围更大、移动性更好。

LoRa中基于宽带线性扩频,通过产生一个宽带线性调频信号来实现频率的不断变化。使用宽带线性扩频后,收发容易同步且频率偏移发射器和接收器是等效的,降低了接收器设计的复杂性。LoRa的关键调制流程如图3所示。

图3 LoRa的关键调制流程

LoRa调制的比特率(Bit Per Second, BPS)、符号率(Symbol Per Second, SPS)、码片率(Chip Rate, CR)、带宽(Band Width, BW)的关系如下:

其中,SF个bit转变为1个符号。当上行带宽为125 kHz时,根据上述公式列出表1。

表1 LoRa的上行物理层参数关系

SF越大,符号时间越长。图4和图5就是在带宽为150 kHz的情况下,SF分别等于7和8时在4.096 ms内的频率分布。SF=7时,发送的数据比特为7×4=28个连续0;
当SF=8时,发送的数据比特为8×2=16个连续的0。

图4 SF=7时的信号时间频率分布

图5 SF=8时的信号时间频率分布

在一个符号时间内,频率覆盖150 kHz,在开始点的起始频率确定了符号对应的SF个bit序列。例如在SF=7的情况下,“000,0000”和“010,0000”的2个扩频信号如图6所示。

图6 SF=7时的扩频信号

2.2.3 宽带线性扩频的分析

LoRa在一定程度上克服了SIGFOX的数据速率极慢和多普勒衰落问题。在扩频中,窄带信号不断改变频率,占据更宽的信道带宽。带宽增加了处理增益,提高了信噪比。扩展因子代表处理增益,较高的扩展因子可在较低的数据速率下实现更广的覆盖范围。因此LoRa可以有效地支持速度高达40 km/h的移动节点[10]。与SIGFOX信号相比,经过扩频,LoRa更能抵御拦截和窃听企图。

LoRa的缺点是对频谱利用率低,因为需要更多的带宽来传输少量的数据,这会导致不良的共存行为和严重的可扩展性问题。在有限的sub-GHz频谱中,高宽带数据流量与随机发送的纯ALOHA中的不协调传输相结合,可能导致消息重叠并最终导致数据包错误。当使用高SF时,由于消息传输时间长,消息重叠更为严重。

使用不同的扩频因子和带宽组合(即正交性)以及更多的基站是能够部分解决这个问题的常用方法。然而,将每个基站安排到不同的频率需要复杂的网络管理,并且需要线性扩频的专业知识。

2.3 MIOTY技术

2.3.1 概述

MIOTY是2018年弗劳恩霍夫集成电路研究所(Fraunhofer IIS)提出的LPWAN方案。2018年6月,欧洲电信标准协会(ETSI)将MIOTY写入TS103357 V1.1.1,作为低通量网络(Light Traffic Network, LTN)的电报拆分-超窄带(Telegram Splitting-UNB, TS-UNB)技术规范[9]。

MIOTY使用ISM频带中的上行100 kHz、下行100 kHz信道,可实现远距离通信和组网应用,适用于大规模工业和农业物联网部署。

2.3.2 关键物理层技术—电报拆分

MIOTY采用电报拆分多址(Telegram Splitting Multiple Access, TSMA)技术。TSMA是一种随机信道接入方法:终端的一个数据包利用一个无线帧进行传输。在一个无线帧内,传输分为数个突发,一个突发承载一个数据子包。这些突发不连续地发送,突发之间有空闲间隔,且间隔的时长伪随机分布;
同时,突发使用的频率也呈伪随机分布。基站仅需要接收一部分突发即可对传输的有效载荷进行解码,因此该方法提供了高抗干扰能力,无论干扰是来自系统内或系统外。

伪随机分布来源:数据包内容确定的频率偏移模式、时间偏移模式;
终端的晶振偏差;
终端不同步造成的随机访问信道。

任何时候终端只要有可用的传输数据,就发起通信,无需网络同步。下行链路通信由上行链路传输触发。在接收到上行链路传输之后,基站可以在一个定义的时间后发送下行链路传输。

MIOTY的调制方式为GMSK,符号传送率为2 380.371符号/秒,信息传送率为2 380.371 b/s,占用频率为2 380.371 Hz,上行的最大路损为153 dB,下行的最大路损为161 dB。

以上行标准模式为例:在带宽100 kHz的情况下,载波的间隔为2 380.371 Hz;
在一个无线帧内,载波精度为±5.0 Hz。1个有效字节为10 Byte的数据包,加上各层的帧头、地址、CRC等开销,在物理层扩展为576 bit,划分为24个子包,每个子包含24 bit,在子包中间插入12 bit的导频码,这样一个子包,包括36个比特(符号)。子包的结构及间隔如图7所示。

图7 子包的结构及间隔

1个子包的传送时间为36/2 380=15.12 ms,这样24个子包的总发送时间为363 ms。注意到两个子包之间存在时间间隔,间隔的定义是连续两个子包中间的间隔。这个间隔是根据时间偏移模式进行随机分布,例如间隔为330或587个符号。MIOTY数据子包的时间频率分布如图8所示。

图8 MIOTY数据子包的时间频率分布

一个数据包中的子包,根据频率偏移模式,伪随机地分布在24个频率上,占用的100 kHz中的60.233 kHz。即使多达50%的子数据包受到影响,前向纠错也可确保在基站检索到完整的消息。

2.3.3 电报拆分的分析

终端发射一个数据包,拆分成按时间、频率伪随机分布的24个数据子包,使用24个频点,频带利用了100 kHz中的60%,发射时间仅占10%,而且前向纠错保证在50%的数据子包受到干扰情况下可以正常接收数据包,因此电报拆分具有非常高的抗干扰性和系统容量。

单个基站每天能够处理超过100万条消息。此外,在工业物联网等效场景中,电报拆分已被证明在消息传递性和网络可靠性方面大大优于LoRa中的宽带线性调频扩频。

除了服务质量之外,电报拆分同时提供了能耗优势。每个子数据包传输后,节点进入“睡眠模式”的无传输时间明显更长。较短的发射时间(36个符号)和较长间隔时间(330个符号或以上)可最大限度地降低功耗,同时让电池有时间恢复,从而显著延长电池寿命。

与相干解调相结合的子数据包空中接口的时间短,进一步减小了多普勒衰落效应。即使某些子数据包遭受深度衰减,前向纠错也能确保受到的影响最小。Telegram Splitting系统可以连接以高达120 km/h速度移动的终端节点[5],大大优于SIGFOX和LoRa。

本文分析了SIGFOX、LoRa、MIOTY物理层技术的各自特点。MIOTY相较于LoRa、SIGFOX,在物理层信号方面优点突出:降低冲突、针对电池优化发射、抗多普勒、抗多径等,因此MIOTY在系统容量、节电、速率方面代表新一代LPWAN的高水平,为工业和商业市场中的大规模物联网部署提供了强大、可扩展和节能的架构。

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