導(dǎo)語(yǔ)：低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)是在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展下衍生的一種新興技術(shù)，與現(xiàn)有的藍(lán)牙、WIFI、4G等無(wú)線技術(shù)相比，其技術(shù)性能更高，功能更加全面?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)該技術(shù)的工作原理進(jìn)行分析，從通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)距離通信、功耗優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)容量以及網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制等方面入手，詳細(xì)的論述了遠(yuǎn)距離低功耗通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞：低功耗；遠(yuǎn)距離；無(wú)線通信技術(shù)

遠(yuǎn)距離低功耗通信技術(shù)具有覆蓋面積大、低成本、低功耗、遠(yuǎn)距離等特點(diǎn)，覆蓋面積大、遠(yuǎn)距離意味著該技術(shù)能夠覆蓋的面積非常大，服務(wù)的用戶范圍也隨之拓寬。而低功耗可以最大限度的將電池壽命延長(zhǎng)，使更換電池的周期變得更長(zhǎng)。對(duì)于低成本來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部收發(fā)器芯片能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)部署的成本，這些優(yōu)點(diǎn)使得該技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣泛。

1低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)的工作原理

低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)是LoRa技術(shù)。LoRa技術(shù)又被人們稱為L(zhǎng)ongRang，是一種擴(kuò)頻技術(shù)，它主要針對(duì)的是超遠(yuǎn)距離、低功耗的無(wú)線通信，在接收信息過(guò)程中，其靈敏度最高可以達(dá)到-148dBm。同業(yè)內(nèi)比較先進(jìn)的技術(shù)相比，其接收靈敏度優(yōu)化了至少20dB。同時(shí)這種調(diào)制通信技術(shù)不僅保持了調(diào)制過(guò)程中的低功耗性能，也大幅度增加了無(wú)線通信的范圍。LoRa調(diào)制對(duì)前向糾錯(cuò)擴(kuò)頻進(jìn)行集成，通過(guò)線性寬帶調(diào)頻脈沖拓展頻譜，并在一定時(shí)間內(nèi)利用調(diào)頻脈沖對(duì)其進(jìn)行編碼。LoRa技術(shù)的通信原理主要是利用線性調(diào)頻，對(duì)頻譜進(jìn)行擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻時(shí)，不需偽隨機(jī)碼，利用線性變化的頻率和恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)對(duì)接收端設(shè)置的功率放大器進(jìn)行處理，使之功耗降低。同時(shí)在線性調(diào)頻過(guò)程中對(duì)多徑衰落進(jìn)行抵抗，從而方便無(wú)線接入。線性調(diào)頻將信號(hào)發(fā)出之后，其載頻上出現(xiàn)的信息脈沖會(huì)做線性變化，而其中的瞬時(shí)頻率也會(huì)隨著時(shí)間的變化而進(jìn)行線性變化，從而將頻譜拓展，信息傳輸更加迅速。此外，拓展頻譜利用壓縮脈沖原理對(duì)匹配的濾波器進(jìn)行解擴(kuò)，在匹配濾波完畢后，隨之出現(xiàn)的是一種尖峰脈沖。當(dāng)尖峰脈沖出現(xiàn)之后，對(duì)其能量進(jìn)行捕捉，并檢測(cè)能量中的數(shù)據(jù)符號(hào)。壓縮脈沖的實(shí)現(xiàn)方法有三種，其一是聲波表面的色散壓縮；其二是數(shù)字頻域脈沖壓縮；其三是數(shù)字時(shí)域脈沖壓縮。在此過(guò)程中，單個(gè)基站或者是網(wǎng)關(guān)能夠覆蓋數(shù)百平方千米，該技術(shù)的通信距離取決于障礙物或者是周邊環(huán)境。它能夠利用鏈路預(yù)算法優(yōu)化當(dāng)前環(huán)境，促使無(wú)線通信更加順利的進(jìn)行。

2低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)

2.1通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段，很多通信技術(shù)上的網(wǎng)絡(luò)部署采用的都是網(wǎng)狀架構(gòu)，而在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，有一部分終端節(jié)點(diǎn)在工作過(guò)程中，需要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)上接收的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，以此來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)區(qū)域規(guī)模和通信距離。此種工作方式雖然將通信范圍擴(kuò)大，但是也將網(wǎng)絡(luò)容量降低，同時(shí)也使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得更加復(fù)雜，電池壽命大幅度縮減。而對(duì)于LoRa技術(shù)來(lái)說(shuō)，它的網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)為星形拓?fù)湫停趯?duì)其進(jìn)行長(zhǎng)距離連接時(shí)，可以使網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接的信息交互，大大降低了能量損耗和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，并將電池壽命延長(zhǎng)。該技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)見圖一。在圖1中，LoRa技術(shù)網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)主要分為四個(gè)模塊，其一是業(yè)務(wù)服務(wù)器；其二是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；其三是LoRa網(wǎng)關(guān)；其四是應(yīng)用終端。在應(yīng)用終端中，通過(guò)LoRa調(diào)制技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，主要涵蓋應(yīng)用層、MBC層以及物理層等。對(duì)于LoRa網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)“中繼”且是透明的，主要負(fù)責(zé)將后端服務(wù)器和前端終端設(shè)備進(jìn)行連接。網(wǎng)關(guān)在工作時(shí)，主要是將接收到的終端數(shù)據(jù)聚集到獨(dú)立的回程中，以此對(duì)數(shù)據(jù)多路并發(fā)問(wèn)題進(jìn)行解決，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和收集。在此過(guò)程中，終端設(shè)備通過(guò)單跳同網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，此時(shí)所有節(jié)點(diǎn)都是雙向通信。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器來(lái)說(shuō)，主要負(fù)責(zé)處理MAC層數(shù)據(jù)，工作內(nèi)容為：安全管理、網(wǎng)關(guān)選擇和管理、選擇數(shù)據(jù)傳輸速率、過(guò)濾數(shù)據(jù)包。對(duì)于應(yīng)用服務(wù)器來(lái)說(shuō)，主要是從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中接收應(yīng)用數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，展示應(yīng)用狀態(tài)，及時(shí)告警[1]。2.2遠(yuǎn)距離通信。在實(shí)際通信過(guò)程中，通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，有用信號(hào)必然會(huì)被淹沒(méi)在其中，致使信噪比大幅度降低。LoRa技術(shù)遠(yuǎn)距離通信過(guò)程主要從以下幾方面進(jìn)行考慮：1）擴(kuò)頻因子。LoRa技術(shù)主要是通過(guò)擴(kuò)展有效信息中的比特位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信，而發(fā)送拓頻信息的速率，需要參考相應(yīng)的符率。在此過(guò)程中，碼片速率與符率之間的比率被稱為擴(kuò)頻因子，象征著轉(zhuǎn)化每個(gè)符號(hào)的碼片數(shù)目。同時(shí)在進(jìn)行擴(kuò)頻時(shí)，收發(fā)雙方需要提前了解對(duì)方設(shè)置的擴(kuò)頻因子，由于各個(gè)擴(kuò)頻因子都是互相正交的，收發(fā)雙方要始終保持一致，這樣才能確保接收到正確的信號(hào)。2）前向糾錯(cuò)機(jī)制。在通信距離逐漸增加過(guò)程中，在傳輸期間，數(shù)據(jù)序列可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，而前向糾錯(cuò)機(jī)制的主要作用便是為了降低接收器接收信息的錯(cuò)誤率，將冗余信息作為延長(zhǎng)通信距離的條件。在對(duì)LoRa無(wú)線鏈路進(jìn)行部署過(guò)程中，盡管這項(xiàng)機(jī)制需要額外的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，但是在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)在接收端快速、準(zhǔn)確的糾正數(shù)據(jù)序列中的錯(cuò)誤碼元。此外，在應(yīng)用該項(xiàng)機(jī)制時(shí)，如果接收到的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，那么也不需要發(fā)射端對(duì)其進(jìn)行重新發(fā)送，有效降低了檢錯(cuò)重發(fā)的功耗[2]。2.3功耗優(yōu)化。LoRa技術(shù)具有低功耗特性，其功耗優(yōu)化性能主要體現(xiàn)在以下幾方面：恒定包絡(luò)。LoRa技術(shù)調(diào)制方案是恒定包絡(luò)，在對(duì)信號(hào)非恒包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制過(guò)程中，會(huì)形成起伏波形，同時(shí)在解調(diào)時(shí)，通過(guò)非線性功放之后，會(huì)造成頻譜擴(kuò)展，致使臨道信號(hào)受到旁瓣信號(hào)干擾。對(duì)于恒定包絡(luò)來(lái)說(shuō)，其信號(hào)對(duì)非線性功放不敏感，能夠不通過(guò)調(diào)制便對(duì)低功耗模塊進(jìn)行重復(fù)使用。這樣可以大幅度降低解調(diào)時(shí)非恒定包絡(luò)功耗。CAD信道監(jiān)測(cè)。在部署ISM頻段設(shè)備過(guò)程中，不僅有著嚴(yán)格的鏈路預(yù)算，而且在滿足其性能時(shí)，需要大量的能量對(duì)其進(jìn)行支持。在此過(guò)程中，依靠MAC層和物理層提供能量，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。LoRa技術(shù)擴(kuò)展芯片傳輸范圍的同時(shí)，還會(huì)利用信道監(jiān)測(cè)技術(shù)降低底噪信號(hào)功率的消耗。CAD信道監(jiān)測(cè)主要是在無(wú)線模塊接收信息過(guò)程中應(yīng)用。在應(yīng)用時(shí)，接收模塊不必時(shí)刻等待讀取FIFO或者是中斷信號(hào)接收，在空閑時(shí)間可以設(shè)置為待機(jī)模式，且信道監(jiān)測(cè)技術(shù)會(huì)對(duì)信道中的LoRa數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷[3]。2.4網(wǎng)絡(luò)容量。在實(shí)際通信過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，其網(wǎng)關(guān)需要具備非常高的性能和容量，這樣才能使各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收信息更加方便、快速。影響網(wǎng)絡(luò)容量的主要因素包含：在固定時(shí)間內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)、負(fù)載長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)速率以及并發(fā)通道數(shù)?，F(xiàn)階段，芯片支持LoRa技術(shù)的寬帶是2bit/s，其中固定寬帶信道有8個(gè)，每個(gè)信道能夠支持的擴(kuò)頻因子有6種，當(dāng)使用的擴(kuò)頻因子不同時(shí)，信道中的信號(hào)是互相正交的。而在擴(kuò)頻因子不斷變化過(guò)程中，數(shù)據(jù)的有效速率也會(huì)隨之發(fā)生變化?；緯?huì)利用此特性，在同一個(gè)信道上對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。同時(shí)網(wǎng)關(guān)和終端在選擇速率時(shí)，需要對(duì)信息發(fā)送時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度以及通信距離進(jìn)行權(quán)衡，從而使終端電池獲得最大壽命，并最大化網(wǎng)關(guān)容量。當(dāng)鏈路環(huán)境非常好時(shí)，選擇的擴(kuò)頻因子可以較低；而當(dāng)終端鏈路環(huán)境比較差且距離網(wǎng)關(guān)比較遠(yuǎn)時(shí)，需要將擴(kuò)頻因子擴(kuò)大，以此來(lái)提高靈敏度。對(duì)于固定寬帶來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)速率的選擇范圍在250bit/s-5kbit/s之間。這樣可以使LoRa技術(shù)網(wǎng)絡(luò)容量達(dá)到最高。2.5網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制主要分為兩層，分別是網(wǎng)絡(luò)層安全和應(yīng)用層安全。其中網(wǎng)絡(luò)層安全主要確保網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠性；而對(duì)于應(yīng)用層安全來(lái)說(shuō)主要是防止網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商對(duì)終端用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。在LoRa技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互前，各個(gè)終端設(shè)備需要完成網(wǎng)絡(luò)層密鑰獲取工作。在接入終端之后，要具備各類安全信息，如AES-128應(yīng)用密鑰、應(yīng)用ID、終端設(shè)備ID。其中終端設(shè)備ID的作用是對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)；應(yīng)用ID的作用是存儲(chǔ)在設(shè)備中應(yīng)用程序ID；而AES-128為應(yīng)用程序密鑰，由這個(gè)程序的所有者對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行分配。當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)中加入一個(gè)終端設(shè)備時(shí)，密鑰會(huì)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行推演，從而為其提供所需的應(yīng)用密鑰和會(huì)話密鑰。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，遠(yuǎn)距離、低功耗通信技術(shù)是無(wú)線接入的重要技術(shù)，具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)上文分析可得，該項(xiàng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)具有極強(qiáng)的優(yōu)化功能，且其網(wǎng)關(guān)具有非常高的容量，能夠有效的實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，在此過(guò)程中，對(duì)其功耗進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中，其應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層具有良好的安全性能。

參考文獻(xiàn)：

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作者:張秀功 單位:原66040部隊(duì)通信站