無線通信技術的低功耗處理技術解析

蘆君

摘要：低功耗遠距離無線通信技術具有遠距離、低功耗、低成本和覆 蓋范圍大等優(yōu)勢。覆蓋面積較大就意味著能服務更多用戶，低功耗可大大 延長電池壽命，延長電池更換周期，并以低成本發(fā)送和接收芯片可以有效地降低部署成本。

關鍵詞：無線通信;低功耗處理;技術

前言

無線通信距離與發(fā)射功率息息相關，若是為了降低功耗而把發(fā)射功率降低則影響到通信距離與通信可靠性;然而在智能硬件中一般是傳感量的采集與上報，都采用定時上報方式，也就是系統(tǒng)大部分時間是工作在空閑狀態(tài)，故每次數(shù)據(jù)通信業(yè)務都是很短時間內完成，如果能將設備在等待時間里將無線通信部分的功耗節(jié)省下來，將大大降低智能設備的功耗。

1、現(xiàn)代無線通信技術的現(xiàn)狀

1.1移動通信技術現(xiàn)狀

近年來，我國移動通信技術發(fā)展迅速，主要體現(xiàn)在全球移動通信網(wǎng)絡3G狀態(tài)以及實現(xiàn)4G化方面。隨著移動網(wǎng)絡的發(fā)展，依附于其平臺的應用服務也逐步升級。表現(xiàn)為涉及范圍更廣、服務針對的項目更加多元化以及使用更加便捷等。其集便捷、多元的特點已經(jīng)使其進入了百姓的日常生活之中。

1.2藍牙技術的發(fā)展現(xiàn)狀

藍牙通信技術多應用于短距離信息傳輸，其是以現(xiàn)代無線通信技術為基礎而衍生的短距離無限通信技術。在其使用過程抗之中是以語音以及數(shù)據(jù)傳輸為載體從而實現(xiàn)在短距離上的信息交流手段。主要服務于移動以及固定的終端，為使用設備的用戶提供短距離的數(shù)據(jù)傳輸服務。

1.3無線寬帶發(fā)展現(xiàn)狀

微波接入技術：使用無線微博接入技術，通過蜂窩結構式無線網(wǎng)絡布局，大大減低了因距離問題而使數(shù)據(jù)受到的損傷，與此同時，這種無線網(wǎng)絡結構有效的降低了無線型號發(fā)射的功率，實現(xiàn)了近距離的圖像、語音、數(shù)據(jù)的雙向、低損耗的傳輸。微型直接接入技術：這種通訊技術應用范圍較小，通常應用于金融行業(yè)、房地產(chǎn)或者教育方面。通過該種技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸，深受相關專業(yè)行業(yè)的青睞。紅外光通訊接入技術：紅外光數(shù)據(jù)傳輸速度極高可達3～65MB/s，由于紅外光的工作波段，其傳輸距離可達百米以上，并且不會影響其他通訊設備的正常工作，在無線信號的接收方面則是使用的光學設備。多點微博接人技術：這種技術一般應用于多項低頻階段的信息傳輸，僅僅限于三種頻段的信號傳輸，所以應用范圍極小。

1.4超寬帶技術現(xiàn)狀

此種技術以無線載波為基礎。利用無線通訊中單位相對較小的納米級別非正弦性窄波在傳輸數(shù)據(jù)的過程之中運用脈沖的方式進行，其覆蓋頻幅波段非常廣，可實現(xiàn)低功耗的工作化境下的信號數(shù)據(jù)傳輸，應用領域非常之廣。

2、LoRa

LoRa全稱“Long Rang”，是一種基于擴頻技術的低功耗遠距離無線通信技術。2013年8月，Semtech公司向業(yè)界發(fā)布了一種新型的基于1GHz以下頻譜的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術芯片。它主要面向遠距離低功耗的物聯(lián)網(wǎng)無線應用，接收靈敏度可達-148dBm。與業(yè)界其他先進水平的Sub-GHz芯片相比，最高接收靈敏度改善了20dB以上。LoRa功耗極低，可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電。一節(jié)五號電池，理論上可供終端設備工作10年以上。同時，較低的數(shù)據(jù)速率也延長了電池壽命，增加了網(wǎng)絡容量。LoRa使用線性調頻擴頻調制技術。這種無線調制技術既保持了移頻鍵控調制的低功耗特性，又大大增加了通信范圍[4]。這種調制技術具有高時間帶寬積和非常寬的頻帶，其中高時間帶寬積可以保證無線電信號避免遭受帶內和帶外干擾落。LoRa調制具有六個正交擴頻因子，不同擴頻序列終端即使使用相同的頻率同時發(fā)送信息也不會相互干擾，因此在此基礎上研制的集中器/網(wǎng)關能夠同時在同一信道上并行接收并處理多個節(jié)點數(shù)據(jù)，提高了頻譜效率，也大大擴展了系統(tǒng)容量。LoRa的優(yōu)勢在于技術方面的長距離通信能力。單個網(wǎng)關或基站可以覆蓋整個城市或數(shù)百平方公里范圍。在一個給定的位置，通信距離在很大程度上取決于環(huán)境或障礙物。鏈路預算通常用分貝（dB為單位）表示，是在給定的環(huán)境中決定距離的主要因素。LoRa擁有一個鏈路預算優(yōu)于其他任何標準化的通信技術。在20dBm發(fā)射功率下，LoRa調制的鏈路預算可達168dB，使得LoRa技術更適合于低成本大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。

3、 LoRaWAN網(wǎng)絡架構

許多現(xiàn)有部署的網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡架構。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，個別終端節(jié)點需轉發(fā)其他節(jié)點的信息，以增加網(wǎng)絡的通信距離和網(wǎng)絡區(qū)域規(guī)模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復雜性，降低了網(wǎng)絡容量，縮短了電池壽命。然而，LoRa網(wǎng)絡采用星形拓撲的網(wǎng)絡結構。當實現(xiàn)長距離連接時，終端節(jié)點和網(wǎng)關可直接進行信息交互，有效減少了網(wǎng)絡復雜性和能量損耗，保護了電池壽命。，LoRaWAN網(wǎng)絡架構由應用終端（內置LoRa模塊）、LoRa網(wǎng)關（或基站）、網(wǎng)絡服務器和業(yè)務服務器四部分組成。在LoRaWAN網(wǎng)絡中，終端與網(wǎng)關不相關聯(lián)。相反，一個終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常是由多個網(wǎng)關收到。每個網(wǎng)關將利用終端節(jié)點所接收的數(shù)據(jù)包通過回傳技術（蜂窩、以太網(wǎng)、衛(wèi)星或WiFi）轉發(fā)到網(wǎng)絡服務器。智能化和復雜性放到服務器上，服務器管理網(wǎng)絡過濾接收的冗余數(shù)據(jù)，執(zhí)行安全檢查，通過最優(yōu)的網(wǎng)關進行調度確認，并執(zhí)行自適應數(shù)據(jù)速率等。如果一個節(jié)點是移動的或正在移動，不需要從網(wǎng)關到網(wǎng)關切換，這是LoRaWAN網(wǎng)絡架構中的一個重要功能。LoRaWAN網(wǎng)絡架構中，各組成部分的詳細功能介紹如下。

應用終端：使用LoRa調制技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離傳輸，包括物理層、MAC層和應用層的實現(xiàn)。

LoRa網(wǎng)關：LoRa網(wǎng)關是一個透明的中繼，負責連接前端終端設備和后端服務器。網(wǎng)關將接收的終端上行數(shù)據(jù)聚集到一個各自單獨的回程連接，解決多路數(shù)據(jù)并發(fā)問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和轉發(fā)。終端設備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關通信，且所有節(jié)點均為雙向通信。由于采用了擴頻技術，終端與網(wǎng)關之間的通信可以使用不同的頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率，且不會相互干擾。數(shù)據(jù)速率可根據(jù)不同傳輸距離和消息時延進行選擇。網(wǎng)關和網(wǎng)絡服務器使用標準的TCP/IP連接。

網(wǎng)絡服務器：負責數(shù)據(jù)MAC層處理，重復數(shù)據(jù)包的過濾、數(shù)據(jù)傳輸速率選擇、網(wǎng)關管理和選擇、安全管理等。MAC層可遵循聯(lián)盟標準的LoRaWAN協(xié)議，也可以遵循各廠商制定的MAC協(xié)議。

應用服務器：從網(wǎng)絡服務器獲取應用數(shù)據(jù)，分析并處理應用數(shù)據(jù)，進行應用狀態(tài)展示、及時告警等。

4、結束語

無線通信技術代無線通信技術不但技術水平更先進，而且應用方式也有了飛躍式的突破與變革。依據(jù)目前現(xiàn)代無線通信技術的發(fā)展狀況來看，其未來的發(fā)展前景也十分樂觀，發(fā)展空間還很浩大。所以有必要繼續(xù)推動現(xiàn)代無線通信技術的發(fā)展，從而帶動我國社會經(jīng)濟的整體發(fā)展。

參考文獻：

[1]王超.基于Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡能耗控制方法研究[D].長沙：湖南大學，2015.

[2]程威，李開寧.休眠喚醒節(jié)能技術在Zigbee網(wǎng)絡中的應用[J].無線互聯(lián)科技，2015（18）：3-4.