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低功耗远距离无线通信技术研究

摘要:低功耗远距离通信技术是在物联网飞速发展下衍生的一种新兴技术,与现有的蓝牙、WIFI、4G等无线技术相比,其技术性能更高,功能更加全面。基于此,本文通过对该技术的工作原理进行分析,从通信技术网络整体结构、远距离通信、功耗优化、网络容量以及网络安全机制等方面入手,详细的论述了远距离低功耗通信技术。

关键词:低功耗;远距离;无线通信技术

远距离低功耗通信技术具有覆盖面积大、低成本、低功耗、远距离等特点,覆盖面积大、远距离意味着该技术能够覆盖的面积非常大,服务的用户范围也随之拓宽。而低功耗可以最大限度的将电池寿命延长,使更换电池的周期变得更长。对于低成本来说,其内部收发器芯片能够有效减少网络部署的成本,这些优点使得该技术应用范围更加广泛。

1低功耗远距离无线通信技术的工作原理

低功耗远距离通信技术中最关键的技术是LoRa技术。LoRa技术又被人们称为LongRang,是一种扩频技术,它主要针对的是超远距离、低功耗的无线通信,在接收信息过程中,其灵敏度最高可以达到-148dBm。同业内比较先进的技术相比,其接收灵敏度优化了至少20dB。同时这种调制通信技术不仅保持了调制过程中的低功耗性能,也大幅度增加了无线通信的范围。LoRa调制对前向纠错扩频进行集成,通过线性宽带调频脉冲拓展频谱,并在一定时间内利用调频脉冲对其进行编码。LoRa技术的通信原理主要是利用线性调频,对频谱进行扩展。实现线性调频时,不需伪随机码,利用线性变化的频率和恒定包络调制技术对接收端设置的功率放大器进行处理,使之功耗降低。同时在线性调频过程中对多径衰落进行抵抗,从而方便无线接入。线性调频将信号发出之后,其载频上出现的信息脉冲会做线性变化,而其中的瞬时频率也会随着时间的变化而进行线性变化,从而将频谱拓展,信息传输更加迅速。此外,拓展频谱利用压缩脉冲原理对匹配的滤波器进行解扩,在匹配滤波完毕后,随之出现的是一种尖峰脉冲。当尖峰脉冲出现之后,对其能量进行捕捉,并检测能量中的数据符号。压缩脉冲的实现方法有三种,其一是声波表面的色散压缩;其二是数字频域脉冲压缩;其三是数字时域脉冲压缩。在此过程中,单个基站或者是网关能够覆盖数百平方千米,该技术的通信距离取决于障碍物或者是周边环境。它能够利用链路预算法优化当前环境,促使无线通信更加顺利的进行。

2低功耗远距离无线通信技术

2.1通信技术网络整体结构。现阶段,很多通信技术上的网络部署采用的都是网状架构,而在网状网络内部,有一部分终端节点在工作过程中,需要对其他节点上接收的信息进行转发,以此来增加网络区域规模和通信距离。此种工作方式虽然将通信范围扩大,但是也将网络容量降低,同时也使网络架构变得更加复杂,电池寿命大幅度缩减。而对于LoRa技术来说,它的网络整体架构为星形拓扑型,在对其进行长距离连接时,可以使网关和终端节点进行直接的信息交互,大大降低了能量损耗和网络复杂性,并将电池寿命延长。该技术的整体结构见图一。在图1中,LoRa技术网络整体架构主要分为四个模块,其一是业务服务器;其二是网络服务器;其三是LoRa网关;其四是应用终端。在应用终端中,通过LoRa调制技术,快速实现远距离数据传输,主要涵盖应用层、MBC层以及物理层等。对于LoRa网关来说,它是一个“中继”且是透明的,主要负责将后端服务器和前端终端设备进行连接。网关在工作时,主要是将接收到的终端数据聚集到独立的回程中,以此对数据多路并发问题进行解决,从而实现数据的转发和收集。在此过程中,终端设备通过单跳同网关进行通信,此时所有节点都是双向通信。对于网络服务器来说,主要负责处理MAC层数据,工作内容为:安全管理、网关选择和管理、选择数据传输速率、过滤数据包。对于应用服务器来说,主要是从网络服务器中接收应用数据,并对这些数据进行处理与分析,展示应用状态,及时告警[1]。2.2远距离通信。在实际通信过程中,通信距离较远时,有用信号必然会被淹没在其中,致使信噪比大幅度降低。LoRa技术远距离通信过程主要从以下几方面进行考虑:1)扩频因子。LoRa技术主要是通过扩展有效信息中的比特位,进而实现通信,而发送拓频信息的速率,需要参考相应的符率。在此过程中,码片速率与符率之间的比率被称为扩频因子,象征着转化每个符号的码片数目。同时在进行扩频时,收发双方需要提前了解对方设置的扩频因子,由于各个扩频因子都是互相正交的,收发双方要始终保持一致,这样才能确保接收到正确的信号。2)前向纠错机制。在通信距离逐渐增加过程中,在传输期间,数据序列可能会产生一定的误差,而前向纠错机制的主要作用便是为了降低接收器接收信息的错误率,将冗余信息作为延长通信距离的条件。在对LoRa无线链路进行部署过程中,尽管这项机制需要额外的对数据进行编码,但是在数据传输时会在接收端快速、准确的纠正数据序列中的错误码元。此外,在应用该项机制时,如果接收到的数据是错误的,那么也不需要发射端对其进行重新发送,有效降低了检错重发的功耗[2]。2.3功耗优化。LoRa技术具有低功耗特性,其功耗优化性能主要体现在以下几方面:恒定包络。LoRa技术调制方案是恒定包络,在对信号非恒包络进行调制过程中,会形成起伏波形,同时在解调时,通过非线性功放之后,会造成频谱扩展,致使临道信号受到旁瓣信号干扰。对于恒定包络来说,其信号对非线性功放不敏感,能够不通过调制便对低功耗模块进行重复使用。这样可以大幅度降低解调时非恒定包络功耗。CAD信道监测。在部署ISM频段设备过程中,不仅有着严格的链路预算,而且在满足其性能时,需要大量的能量对其进行支持。在此过程中,依靠MAC层和物理层提供能量,需要耗费大量的时间。LoRa技术扩展芯片传输范围的同时,还会利用信道监测技术降低底噪信号功率的消耗。CAD信道监测主要是在无线模块接收信息过程中应用。在应用时,接收模块不必时刻等待读取FIFO或者是中断信号接收,在空闲时间可以设置为待机模式,且信道监测技术会对信道中的LoRa数据包进行判断[3]。2.4网络容量。在实际通信过程中,为了实现网络架构远距离传输数据,其网关需要具备非常高的性能和容量,这样才能使各个节点接收信息更加方便、快速。影响网络容量的主要因素包含:在固定时间内终端节点数据发送的次数、负载长度、数据速率以及并发通道数。现阶段,芯片支持LoRa技术的宽带是2bit/s,其中固定宽带信道有8个,每个信道能够支持的扩频因子有6种,当使用的扩频因子不同时,信道中的信号是互相正交的。而在扩频因子不断变化过程中,数据的有效速率也会随之发生变化。基站会利用此特性,在同一个信道上对多个数据进行接收。同时网关和终端在选择速率时,需要对信息发送时间、信号强度以及通信距离进行权衡,从而使终端电池获得最大寿命,并最大化网关容量。当链路环境非常好时,选择的扩频因子可以较低;而当终端链路环境比较差且距离网关比较远时,需要将扩频因子扩大,以此来提高灵敏度。对于固定宽带来说,其数据速率的选择范围在250bit/s-5kbit/s之间。这样可以使LoRa技术网络容量达到最高。2.5网络安全机制。LoRa技术的网络安全机制主要分为两层,分别是网络层安全和应用层安全。其中网络层安全主要确保网络架构中各个节点的可靠性;而对于应用层安全来说主要是防止网络运营商对终端用户数据进行访问。在LoRa技术中,网络服务器在进行数据交互前,各个终端设备需要完成网络层密钥获取工作。在接入终端之后,要具备各类安全信息,如AES-128应用密钥、应用ID、终端设备ID。其中终端设备ID的作用是对终端设备进行标识;应用ID的作用是存储在设备中应用程序ID;而AES-128为应用程序密钥,由这个程序的所有者对终端设备进行分配。当在网络中加入一个终端设备时,密钥会对终端设备进行推演,从而为其提供所需的应用密钥和会话密钥。

3结语

综上所述,远距离、低功耗通信技术是无线接入的重要技术,具有非常大的应用价值。经过上文分析可得,该项技术网络的整体架构具有极强的优化功能,且其网关具有非常高的容量,能够有效的实现超远距离数据传输,在此过程中,对其功耗进行优化。同时在远距离传输过程中,其应用层和网络层具有良好的安全性能。

参考文献:

[1]刘武元,侯建.低功耗远距离无线通信技术及其军事应用措施[J].中国新通信,2018,20(18):11.

[2]刘磊,孙超山.低功耗远距离无线通信技术及其军事应用分析[J].通信技术,2018,51(02):331-336.

[3]彭飞飞.低功耗长距离无线收发模块设计与实现[D].电子科技大学,2016.

作者:张秀功 单位:原66040部队通信站

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