吳南旭

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

0 引 言

全球物聯(lián)網(wǎng)連接預(yù)測在2025年呈指數(shù)增長至220億[1]。傳統(tǒng)無線技術(shù)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的范圍、功率和成本要求。基于傳統(tǒng)的蜂窩技術(shù)（3G、LTE）和無線局域網(wǎng)（WiFi）的系統(tǒng)成本高且耗電量大，無法從大量傳感器設(shè)備傳輸少量數(shù)據(jù)；藍牙、ZigBee、Z-Wave等其他解決方案的覆蓋范圍非常有限，盡管可以采用Mesh網(wǎng)狀拓撲來擴展其覆蓋范圍，但會增加耗電，同時還需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理。

低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network, LPWAN）克服了這些缺陷，為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供了高效、經(jīng)濟且易于部署的解決方案，非常適合負載較小的低帶寬應(yīng)用，如水電表監(jiān)測、資產(chǎn)跟蹤和環(huán)境監(jiān)測。

LPWAN中除了包括基于傳統(tǒng)蜂窩技術(shù)發(fā)展而來的ECGSM、NB-IoT、LTE-M技術(shù)外，還有基于ISM頻段的LoRa、SIGFOX、MIOTY技術(shù)?；趥鹘y(tǒng)蜂窩技術(shù)的演進技術(shù)，依然存在傳統(tǒng)蜂窩成本高、終端收聽系統(tǒng)廣播增加耗電、采用專用頻段等劣勢，而基于ISM頻段的LPWAN克服了這些缺點。對于LPWAN來講，其技術(shù)核心集中在物理層，因此本文對基于ISM頻段的LPWAN的物理層技術(shù)進行分析。

1 ISM頻段LPWAN概述

非授權(quán)頻段（Unlicense Band）的LPWAN 技術(shù)，使用ISM頻段，代表技術(shù)是LoRa、SIGFOX、MIOTY等。ISM無線電頻段在歐洲是868 MHz頻段，在美國是915 MHz，在亞洲是433 MHz?；贗SM頻段的LPWAN具有免頻率申請、全球通用部署的優(yōu)點，相對于由公網(wǎng)蜂窩技術(shù)演進來的技術(shù)，LPWAN中的NB-IoT或LTE-M等在技術(shù)上尤為簡單，例如系統(tǒng)支持僅存在上行通信的終端、終端不需要讀取系統(tǒng)廣播、終端不需要同步等，因此終端成本更低、電池壽命更長。

2 主要技術(shù)分析

2.1 SIGFOX方案

2.1.1 概述

SIGFOX公司是成立于2010年的法國全球網(wǎng)絡(luò)運營商，由SIGFOX公司開發(fā)的SIGFOX技術(shù)是一種蜂窩式、長距離、低功耗、低速率的無線通信技術(shù)。SIGFOX無線接口主要作用是在低速率情況下消耗最少的功率，使得設(shè)備可以在5～10年內(nèi)依靠電池供電運行，無需電池更換或維護。

SIGFOX采用單跳的蜂窩技術(shù)，覆蓋大范圍區(qū)域并到達地下物體[2]。截至2020年11月，SIGFOX 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全球72個國家，共580萬平方公里，覆蓋全球13億人口[3]。

SIGFOX支持單向通信或有限雙向通信。現(xiàn)有的SIGFOX通信標準下，終端每天最多支持140條上行鏈路消息，每條消息以100 b/s的速率承載12個字節(jié)的有效載荷[4]。

2.1.2 關(guān)鍵物理層技術(shù)—超窄帶

SIGFOX網(wǎng)絡(luò)采用了超窄帶（Ultra Narrow Band, UNB）技術(shù)，使用非常低的發(fā)射功率，同時保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接。為了最大限度地降低噪聲水平并優(yōu)化接收器靈敏度，超窄帶解決方案將信號帶寬縮減至100 Hz[5]。

SIGFOX早期僅支持上行通信，后來支持雙向通信。根據(jù)協(xié)議，下行通信只能在上行通信之后發(fā)生。上行：歐洲信道帶寬100 Hz，速率為100 b/s；美國信道帶寬600 Hz，速率為600 b/s；調(diào)制方式為D-BPSK，頻率效率為1 b·s-1·Hz-1。

如圖1所示，以歐洲為例，上行鏈路頻率在868.00～868.20 MHz范圍內(nèi)，共192 kHz，最大功率限制為25 mW。歐盟規(guī)定最大占空比為1%，占空比限制是為了SIGFOX與其他通信系統(tǒng)之間可以共同使用ISM頻帶。

圖1 SIGFOX在歐洲的上行頻率范圍

終端發(fā)送具有12字節(jié)有效負載的消息，加上各層的開銷和地址，變?yōu)?08 bit，以100 b/s的速率通過空中傳輸需要2.08 s。SIGFOX基站監(jiān)控整個192 kHz的頻譜并尋找UNB信號進行解調(diào)。

服務(wù)質(zhì)量通過分集技術(shù)保證。終端隨機選擇頻率發(fā)出一條消息，然后再隨機選擇頻率，重復(fù)發(fā)送2次，每個傳輸間隔45 ms。終端發(fā)出的消息由附近的多個基站聯(lián)合接收，一條消息平均被3個基站接收，使用了空間、時間、頻率分集技術(shù)。SIGFOX上行信號的時間頻率分布如圖2所示。

圖2 SIGFOX上行信號的時間頻率分布

下行：信道帶寬為1.5 kHz，數(shù)據(jù)速率為600 b/s，調(diào)制格式為GFSK，頻率利用率為0.4 b·s-1·Hz-1。

以歐洲為例，下行鏈路頻段僅限于869.40～869.65 MHz范圍內(nèi)的頻率。在下行鏈路的情況下，功率輸出被限制為最大500 mW，歐盟規(guī)定最大占空比為 10%。

2.1.3 超窄帶技術(shù)分析

由于在868 MHz附近需要使用100 Hz的超窄帶帶寬，因此不適用于多徑多普勒信道。當終端設(shè)備的高速移動，或終端靠近高速移動物體時（例如高速公路附近）容易造成存在多普勒效應(yīng)的多徑信號，信號在100 Hz頻帶內(nèi)衰減嚴重，信號接收困難。因此SIGOFX僅支持靜止節(jié)點或低速度移動的節(jié)點。

超窄帶信號發(fā)射時間長（2.08 s），容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突，再考慮到終端之間不同步，2.08 s中部分時間上發(fā)生沖突的概率更高。另外免許可頻段中，還存在其他共存系統(tǒng)的干擾，長時間的發(fā)射容易被干擾。

為了避免沖突和干擾，終端在不同頻點、不同時間，重復(fù)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)。從頻點角度來說，系統(tǒng)內(nèi)存在1 920個頻點可以偽隨機選擇，降低了不同終端選擇到相同頻點的概率，讓系統(tǒng)達到可用的狀態(tài)，但是這些措施增加了每條消息的播出時間，在時間上加劇了沖突，并且造成了功率的浪費。

2.2 LoRa技術(shù)

2.2.1 概述

LoRa屬于物理層技術(shù)，它是基于寬帶線性擴頻（Chirp Spread Spectrum, CSS）的擴頻調(diào)制技術(shù)。由法國公司 Cycleo開發(fā)[5]，后來被美國公司Semtech收購[6]。LoRaWAN定義了軟件通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。LoRaWAN協(xié)議由開放的非營利LoRa聯(lián)盟管理，Semtech是該聯(lián)盟的創(chuàng)始成員[7]。LoRa和LoRaWAN共同定義了一種低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，LoRa數(shù)據(jù)速率范圍為每通道0.3～50 kb/s，覆蓋距離城區(qū)5 km，郊區(qū)15 km，通常使用150 kHz帶寬[8-9]。

2.2.2 關(guān)鍵物理層技術(shù)—寬帶線性擴頻

寬帶線性擴頻是為雷達應(yīng)用而開發(fā)的，后來用于軍事和安全通信。2000年后，由于低功率、抗多徑、抗衰落、抗多普勒和抗帶內(nèi)干擾等特性，在許多通信場合中得到應(yīng)用。例如IEEE 802.15.4標準采用寬帶線性擴頻，用于低速率無線個域網(wǎng)（Low Rate-Wireless Personal Access Network, LRWPAN），比使用 O-QPSK的直接序列擴頻（DSSS）的覆蓋范圍更大、移動性更好。

LoRa中基于寬帶線性擴頻，通過產(chǎn)生一個寬帶線性調(diào)頻信號來實現(xiàn)頻率的不斷變化。使用寬帶線性擴頻后，收發(fā)容易同步且頻率偏移發(fā)射器和接收器是等效的，降低了接收器設(shè)計的復(fù)雜性。LoRa的關(guān)鍵調(diào)制流程如圖3所示。

圖3 LoRa的關(guān)鍵調(diào)制流程

LoRa調(diào)制的比特率（Bit Per Second, BPS）、符號率（Symbol Per Second, SPS）、碼片率（Chip Rate, CR）、帶寬（Band Width, BW）的關(guān)系如下：

其中，SF個bit轉(zhuǎn)變?yōu)?個符號。當上行帶寬為125 kHz時，根據(jù)上述公式列出表1。

表1 LoRa的上行物理層參數(shù)關(guān)系

SF越大，符號時間越長。圖4和圖5就是在帶寬為150 kHz的情況下，SF分別等于7和8時在4.096 ms內(nèi)的頻率分布。SF=7時，發(fā)送的數(shù)據(jù)比特為7×4=28個連續(xù)0；當SF=8時，發(fā)送的數(shù)據(jù)比特為8×2=16個連續(xù)的0。

圖4 SF=7時的信號時間頻率分布

圖5 SF=8時的信號時間頻率分布

在一個符號時間內(nèi)，頻率覆蓋150 kHz，在開始點的起始頻率確定了符號對應(yīng)的SF個bit序列。例如在SF=7的情況下，“000，0000”和“010，0000”的2個擴頻信號如圖6所示。

圖6 SF=7時的擴頻信號

2.2.3 寬帶線性擴頻的分析

LoRa在一定程度上克服了SIGFOX的數(shù)據(jù)速率極慢和多普勒衰落問題。在擴頻中，窄帶信號不斷改變頻率，占據(jù)更寬的信道帶寬。帶寬增加了處理增益，提高了信噪比。擴展因子代表處理增益，較高的擴展因子可在較低的數(shù)據(jù)速率下實現(xiàn)更廣的覆蓋范圍。因此LoRa可以有效地支持速度高達40 km/h的移動節(jié)點[10]。與SIGFOX信號相比，經(jīng)過擴頻，LoRa更能抵御攔截和竊聽企圖。

LoRa的缺點是對頻譜利用率低，因為需要更多的帶寬來傳輸少量的數(shù)據(jù)，這會導(dǎo)致不良的共存行為和嚴重的可擴展性問題。在有限的sub-GHz頻譜中，高寬帶數(shù)據(jù)流量與隨機發(fā)送的純ALOHA中的不協(xié)調(diào)傳輸相結(jié)合，可能導(dǎo)致消息重疊并最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)包錯誤。當使用高SF時，由于消息傳輸時間長，消息重疊更為嚴重。

使用不同的擴頻因子和帶寬組合（即正交性）以及更多的基站是能夠部分解決這個問題的常用方法。然而，將每個基站安排到不同的頻率需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理，并且需要線性擴頻的專業(yè)知識。

2.3 MIOTY技術(shù)

2.3.1 概述

MIOTY是2018年弗勞恩霍夫集成電路研究所（Fraunhofer IIS）提出的LPWAN方案。2018年6月，歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）將MIOTY寫入TS103357 V1.1.1，作為低通量網(wǎng)絡(luò)（Light Traffic Network, LTN）的電報拆分-超窄帶（Telegram Splitting-UNB, TS-UNB）技術(shù)規(guī)范[9]。

MIOTY使用ISM頻帶中的上行100 kHz、下行100 kHz信道，可實現(xiàn)遠距離通信和組網(wǎng)應(yīng)用，適用于大規(guī)模工業(yè)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署。

2.3.2 關(guān)鍵物理層技術(shù)—電報拆分

MIOTY采用電報拆分多址（Telegram Splitting Multiple Access, TSMA）技術(shù)。TSMA是一種隨機信道接入方法：終端的一個數(shù)據(jù)包利用一個無線幀進行傳輸。在一個無線幀內(nèi)，傳輸分為數(shù)個突發(fā)，一個突發(fā)承載一個數(shù)據(jù)子包。這些突發(fā)不連續(xù)地發(fā)送，突發(fā)之間有空閑間隔，且間隔的時長偽隨機分布；同時，突發(fā)使用的頻率也呈偽隨機分布。基站僅需要接收一部分突發(fā)即可對傳輸?shù)挠行лd荷進行解碼，因此該方法提供了高抗干擾能力，無論干擾是來自系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外。

偽隨機分布來源：數(shù)據(jù)包內(nèi)容確定的頻率偏移模式、時間偏移模式；終端的晶振偏差；終端不同步造成的隨機訪問信道。

任何時候終端只要有可用的傳輸數(shù)據(jù)，就發(fā)起通信，無需網(wǎng)絡(luò)同步。下行鏈路通信由上行鏈路傳輸觸發(fā)。在接收到上行鏈路傳輸之后，基站可以在一個定義的時間后發(fā)送下行鏈路傳輸。

MIOTY的調(diào)制方式為GMSK，符號傳送率為2 380.371符號/秒，信息傳送率為2 380.371 b/s，占用頻率為2 380.371 Hz，上行的最大路損為153 dB，下行的最大路損為161 dB。

以上行標準模式為例：在帶寬100 kHz的情況下，載波的間隔為2 380.371 Hz；在一個無線幀內(nèi)，載波精度為±5.0 Hz。1個有效字節(jié)為10 Byte的數(shù)據(jù)包，加上各層的幀頭、地址、CRC等開銷，在物理層擴展為576 bit，劃分為24個子包，每個子包含24 bit，在子包中間插入12 bit的導(dǎo)頻碼，這樣一個子包，包括36個比特（符號）。子包的結(jié)構(gòu)及間隔如圖7所示。

圖7 子包的結(jié)構(gòu)及間隔

1個子包的傳送時間為36/2 380=15.12 ms，這樣24個子包的總發(fā)送時間為363 ms。注意到兩個子包之間存在時間間隔，間隔的定義是連續(xù)兩個子包中間的間隔。這個間隔是根據(jù)時間偏移模式進行隨機分布，例如間隔為330或587個符號。MIOTY數(shù)據(jù)子包的時間頻率分布如圖8所示。

圖8 MIOTY數(shù)據(jù)子包的時間頻率分布

一個數(shù)據(jù)包中的子包，根據(jù)頻率偏移模式，偽隨機地分布在24個頻率上，占用的100 kHz中的60.233 kHz。即使多達50%的子數(shù)據(jù)包受到影響，前向糾錯也可確保在基站檢索到完整的消息。

2.3.3 電報拆分的分析

終端發(fā)射一個數(shù)據(jù)包，拆分成按時間、頻率偽隨機分布的24個數(shù)據(jù)子包，使用24個頻點，頻帶利用了100 kHz中的60%，發(fā)射時間僅占10%，而且前向糾錯保證在50%的數(shù)據(jù)子包受到干擾情況下可以正常接收數(shù)據(jù)包，因此電報拆分具有非常高的抗干擾性和系統(tǒng)容量。

單個基站每天能夠處理超過100萬條消息。此外，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等效場景中，電報拆分已被證明在消息傳遞性和網(wǎng)絡(luò)可靠性方面大大優(yōu)于LoRa中的寬帶線性調(diào)頻擴頻。

除了服務(wù)質(zhì)量之外，電報拆分同時提供了能耗優(yōu)勢。每個子數(shù)據(jù)包傳輸后，節(jié)點進入“睡眠模式”的無傳輸時間明顯更長。較短的發(fā)射時間（36個符號）和較長間隔時間（330個符號或以上）可最大限度地降低功耗，同時讓電池有時間恢復(fù)，從而顯著延長電池壽命。

與相干解調(diào)相結(jié)合的子數(shù)據(jù)包空中接口的時間短，進一步減小了多普勒衰落效應(yīng)。即使某些子數(shù)據(jù)包遭受深度衰減，前向糾錯也能確保受到的影響最小。Telegram Splitting系統(tǒng)可以連接以高達120 km/h速度移動的終端節(jié)點[5]，大大優(yōu)于SIGFOX和LoRa。

3 結(jié) 語

本文分析了SIGFOX、LoRa、MIOTY物理層技術(shù)的各自特點。MIOTY相較于LoRa、SIGFOX，在物理層信號方面優(yōu)點突出：降低沖突、針對電池優(yōu)化發(fā)射、抗多普勒、抗多徑等，因此MIOTY在系統(tǒng)容量、節(jié)電、速率方面代表新一代LPWAN的高水平，為工業(yè)和商業(yè)市場中的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署提供了強大、可擴展和節(jié)能的架構(gòu)。