導(dǎo)語：低功耗遠距離無線通信技術(shù)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，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)有的藍牙、WIFI、4G等無線技術(shù)相比，其技術(shù)性能更高，功能更加全面?；诖?，本文通過對該技術(shù)的工作原理進行分析，從通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)、遠距離通信、功耗優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)容量以及網(wǎng)絡(luò)安全機制等方面入手，詳細的論述了遠距離低功耗通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞：低功耗；遠距離；無線通信技術(shù)

遠距離低功耗通信技術(shù)具有覆蓋面積大、低成本、低功耗、遠距離等特點，覆蓋面積大、遠距離意味著該技術(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，使更換電池的周期變得更長。對于低成本來說，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)點使得該技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣泛。

1低功耗遠距離無線通信技術(shù)的工作原理

低功耗遠距離通信技術(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LongRang，是一種擴頻技術(shù)，它主要針對的是超遠距離、低功耗的無線通信，在接收信息過程中，其靈敏度最高可以達到-148dBm。同業(yè)內(nèi)比較先進的技術(shù)相比，其接收靈敏度優(yōu)化了至少20dB。同時這種調(diào)制通信技術(shù)不僅保持了調(diào)制過程中的低功耗性能，也大幅度增加了無線通信的范圍。LoRa調(diào)制對前向糾錯擴頻進行集成，通過線性寬帶調(diào)頻脈沖拓展頻譜，并在一定時間內(nèi)利用調(diào)頻脈沖對其進行編碼。LoRa技術(shù)的通信原理主要是利用線性調(diào)頻，對頻譜進行擴展。實現(xiàn)線性調(diào)頻時，不需偽隨機碼，利用線性變化的頻率和恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)對接收端設(shè)置的功率放大器進行處理，使之功耗降低。同時在線性調(diào)頻過程中對多徑衰落進行抵抗，從而方便無線接入。線性調(diào)頻將信號發(fā)出之后，其載頻上出現(xiàn)的信息脈沖會做線性變化，而其中的瞬時頻率也會隨著時間的變化而進行線性變化，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匹配的濾波器進行解擴，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，對其能量進行捕捉，并檢測能量中的數(shù)據(jù)符號。壓縮脈沖的實現(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)字時域脈沖壓縮。在此過程中，單個基站或者是網(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，促使無線通信更加順利的進行。

2低功耗遠距離無線通信技術(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)點在工作過程中，需要對其他節(jié)點上接收的信息進行轉(zhuǎn)發(fā)，以此來增加網(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大，但是也將網(wǎng)絡(luò)容量降低，同時也使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得更加復(fù)雜，電池壽命大幅度縮減。而對于LoRa技術(shù)來說，它的網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)為星形拓撲型，在對其進行長距離連接時，可以使網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點進行直接的信息交互，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。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LoRa調(diào)制技術(shù)，快速實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸，主要涵蓋應(yīng)用層、MBC層以及物理層等。對于LoRa網(wǎng)關(guān)來說，它是一個“中繼”且是透明的，主要負責(zé)將后端服務(wù)器和前端終端設(shè)備進行連接。網(wǎng)關(guān)在工作時，主要是將接收到的終端數(shù)據(jù)聚集到獨立的回程中，以此對數(shù)據(jù)多路并發(fā)問題進行解決，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和收集。在此過程中，終端設(shè)備通過單跳同網(wǎng)關(guān)進行通信，此時所有節(jié)點都是雙向通信。對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器來說，主要負責(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、過濾數(shù)據(jù)包。對于應(yīng)用服務(wù)器來說，主要是從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中接收應(yīng)用數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行處理與分析，展示應(yīng)用狀態(tài)，及時告警[1]。2.2遠距離通信。在實際通信過程中，通信距離較遠時，有用信號必然會被淹沒在其中，致使信噪比大幅度降低。LoRa技術(shù)遠距離通信過程主要從以下幾方面進行考慮：1）擴頻因子。LoRa技術(shù)主要是通過擴展有效信息中的比特位，進而實現(xiàn)通信，而發(fā)送拓頻信息的速率，需要參考相應(yīng)的符率。在此過程中，碼片速率與符率之間的比率被稱為擴頻因子，象征著轉(zhuǎn)化每個符號的碼片數(shù)目。同時在進行擴頻時，收發(fā)雙方需要提前了解對方設(shè)置的擴頻因子，由于各個擴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。2）前向糾錯機制。在通信距離逐漸增加過程中，在傳輸期間，數(shù)據(jù)序列可能會產(chǎn)生一定的誤差，而前向糾錯機制的主要作用便是為了降低接收器接收信息的錯誤率，將冗余信息作為延長通信距離的條件。在對LoRa無線鏈路進行部署過程中，盡管這項機制需要額外的對數(shù)據(jù)進行編碼，但是在數(shù)據(jù)傳輸時會在接收端快速、準(zhǔn)確的糾正數(shù)據(jù)序列中的錯誤碼元。此外，在應(yīng)用該項機制時，如果接收到的數(shù)據(jù)是錯誤的，那么也不需要發(fā)射端對其進行重新發(fā)送，有效降低了檢錯重發(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)，在對信號非恒包絡(luò)進行調(diào)制過程中，會形成起伏波形，同時在解調(diào)時，通過非線性功放之后，會造成頻譜擴展，致使臨道信號受到旁瓣信號干擾。對于恒定包絡(luò)來說，其信號對非線性功放不敏感，能夠不通過調(diào)制便對低功耗模塊進行重復(fù)使用。這樣可以大幅度降低解調(diào)時非恒定包絡(luò)功耗。CAD信道監(jiān)測。在部署ISM頻段設(shè)備過程中，不僅有著嚴格的鏈路預(yù)算，而且在滿足其性能時，需要大量的能量對其進行支持。在此過程中，依靠MAC層和物理層提供能量，需要耗費大量的時間。LoRa技術(shù)擴展芯片傳輸范圍的同時，還會利用信道監(jiān)測技術(shù)降低底噪信號功率的消耗。CAD信道監(jiān)測主要是在無線模塊接收信息過程中應(yīng)用。在應(yīng)用時，接收模塊不必時刻等待讀取FIFO或者是中斷信號接收，在空閑時間可以設(shè)置為待機模式，且信道監(jiān)測技術(shù)會對信道中的LoRa數(shù)據(jù)包進行判斷[3]。2.4網(wǎng)絡(luò)容量。在實際通信過程中，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)遠距離傳輸數(shù)據(jù)，其網(wǎng)關(guān)需要具備非常高的性能和容量，這樣才能使各個節(jié)點接收信息更加方便、快速。影響網(wǎng)絡(luò)容量的主要因素包含：在固定時間內(nèi)終端節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)、負載長度、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，每個信道能夠支持的擴頻因子有6種，當(dāng)使用的擴頻因子不同時，信道中的信號是互相正交的。而在擴頻因子不斷變化過程中，數(shù)據(jù)的有效速率也會隨之發(fā)生變化?；緯么颂匦裕谕粋€信道上對多個數(shù)據(jù)進行接收。同時網(wǎng)關(guān)和終端在選擇速率時，需要對信息發(fā)送時間、信號強度以及通信距離進行權(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，選擇的擴頻因子可以較低；而當(dāng)終端鏈路環(huán)境比較差且距離網(wǎng)關(guān)比較遠時，需要將擴頻因子擴大，以此來提高靈敏度。對于固定寬帶來說，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)容量達到最高。2.5網(wǎng)絡(luò)安全機制。LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全機制主要分為兩層，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)中各個節(jié)點的可靠性；而對于應(yīng)用層安全來說主要是防止網(wǎng)絡(luò)運營商對終端用戶數(shù)據(jù)進行訪問。在LoRa技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在進行數(shù)據(jù)交互前，各個終端設(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的作用是對終端設(shè)備進行標(biāo)識；應(yīng)用ID的作用是存儲在設(shè)備中應(yīng)用程序ID；而AES-128為應(yīng)用程序密鑰，由這個程序的所有者對終端設(shè)備進行分配。當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)中加入一個終端設(shè)備時，密鑰會對終端設(shè)備進行推演，從而為其提供所需的應(yīng)用密鑰和會話密鑰。

3結(jié)語

綜上所述，遠距離、低功耗通信技術(shù)是無線接入的重要技術(shù)，具有非常大的應(yīng)用價值。經(jīng)過上文分析可得，該項技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)具有極強的優(yōu)化功能，且其網(wǎng)關(guān)具有非常高的容量，能夠有效的實現(xiàn)超遠距離數(shù)據(jù)傳輸，在此過程中，對其功耗進行優(yōu)化。同時在遠距離傳輸過程中，其應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層具有良好的安全性能。

參考文獻：

[1]劉武元,侯建.低功耗遠距離無線通信技術(shù)及其軍事應(yīng)用措施[J].中國新通信,2018,20(18):11.

[2]劉磊,孫超山.低功耗遠距離無線通信技術(shù)及其軍事應(yīng)用分析[J].通信技術(shù),2018,51(02):331-336.

[3]彭飛飛.低功耗長距離無線收發(fā)模塊設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2016.

作者:張秀功 單位:原66040部隊通信站