基于認(rèn)知無(wú)線電的LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

張敏

摘 要：應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的各種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)中，LoRa技術(shù)具有成本低和電池壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。但是，由于LoRa網(wǎng)絡(luò)工作于非授權(quán)頻段，所以LoRa技術(shù)的可靠性相對(duì)較低。針對(duì)這一問(wèn)題，文章引入認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，分析并且設(shè)計(jì)了認(rèn)知LoRa網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，從而提高LoRa網(wǎng)絡(luò)的可靠性，緩解LoRa網(wǎng)絡(luò)頻譜資源緊張的局面。

關(guān)鍵詞：低功耗廣域網(wǎng)；LoRa；認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)

為滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)中遠(yuǎn)距離和低功耗的通信需求，低功耗廣域（Low Power Wide Area Network，LPWA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。LoRa（Long Range）和NB-Iot（Narrow Band Internet of things）作為L(zhǎng)PWA技術(shù)中最具發(fā)展前景的兩大陣營(yíng)，獲得了工業(yè)界和研究界的廣泛關(guān)注。相比NB-Iot技術(shù)，LoRa技術(shù)具有成本更低和電池壽命更長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。但是，NB-Iot網(wǎng)絡(luò)工作于授權(quán)頻段，由運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一部署并且收費(fèi)運(yùn)營(yíng)，單一系統(tǒng)專(zhuān)享頻譜資源，可靠性較高。而LoRa網(wǎng)絡(luò)工作于非授權(quán)頻段，由企業(yè)或個(gè)人免費(fèi)組網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，不同系統(tǒng)共享頻譜資源。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷增加，頻譜需求日益緊張，LoRa技術(shù)的可靠性不能得到有效保證。為提高LoRa的可靠性，本文引入認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，在一定程度上緩解LoRa網(wǎng)絡(luò)頻譜資源緊張的問(wèn)題。

1 LoRa網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

LoRa技術(shù)由美國(guó)Semtech公司提出并推廣，是目前最有發(fā)展前景的低功耗廣域通信技術(shù)之一。LoRa網(wǎng)絡(luò)工作于1GHz以下的非授權(quán)頻譜，采用長(zhǎng)距離星型體系結(jié)構(gòu)，主要由LoRa終端、基站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器4部分組成。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在LoRa網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備通過(guò)單跳LoRa通信與對(duì)應(yīng)的基站建立鏈接，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，終端通信協(xié)議結(jié)構(gòu)包括物理層、MAC（Medium Access Control）層和應(yīng)用層?；咀鳛榻K端設(shè)備和中央核心網(wǎng)絡(luò)之間的中繼，負(fù)責(zé)物理層數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，基站將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基于云的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器具有一定的智能性，在MAC層進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，主要功能包括過(guò)濾重復(fù)的數(shù)據(jù)包、安全性檢查、基站管理和選擇、向基站發(fā)送確認(rèn)消息以及向特定應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包等。應(yīng)用服務(wù)器則接收網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的應(yīng)用數(shù)據(jù)，通過(guò)分析應(yīng)用數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示并且調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)狀態(tài)。

2 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)

隨著無(wú)線通信需求日益增長(zhǎng)，頻譜資源日趨緊張，如何提高頻譜利用率已成為當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的研究報(bào)告指出，已授權(quán)的頻譜在特定的時(shí)間和空間存在不同程度的閑置，即存在頻譜空洞。而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，未授權(quán)用戶(hù)在不影響授權(quán)用戶(hù)的前提下，能伺機(jī)接入頻譜空洞，從而大幅提高頻譜利用率。當(dāng)授權(quán)用戶(hù)要求接入某個(gè)非授權(quán)用戶(hù)正在占用的信道時(shí)，非授權(quán)用戶(hù)立即讓出該信道，同時(shí)切換到其他空閑信道繼續(xù)通信，或者中斷其連接。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)這一術(shù)語(yǔ)是由Joseph Mitola博士于1999年發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文中提出的。著名學(xué)者Simon Haykin對(duì)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)做了如下定義：“認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)無(wú)線智能系統(tǒng)，能夠使用人工智能技術(shù)感知和學(xué)習(xí)周?chē)沫h(huán)境，通過(guò)實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)（比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等），使其內(nèi)部狀態(tài)能夠適應(yīng)不斷變化的射頻環(huán)境，以達(dá)到任何時(shí)間任何地點(diǎn)高度可靠通信，有效利用頻譜資源的目的。”采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的用戶(hù)通過(guò)如圖2所示的認(rèn)知循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入。認(rèn)知循環(huán)包括以下3個(gè)步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策。頻譜感知的主要功能是根據(jù)無(wú)線電的射頻信號(hào)，監(jiān)測(cè)可用頻段獲取頻譜信息，從而檢測(cè)出頻譜空洞；頻譜分析對(duì)頻譜感知獲取的頻譜空洞特性進(jìn)行分析；頻譜決策根據(jù)頻譜分析的結(jié)果和用戶(hù)的需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)，并且確定數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸模式以及傳輸帶寬等。

3 認(rèn)知LoRa網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非授權(quán)頻帶不需要授權(quán)就可以被任何無(wú)線通信系統(tǒng)使用，在這種頻帶中，無(wú)線通信系統(tǒng)在任何時(shí)間和地點(diǎn)都可以動(dòng)態(tài)地使用和釋放頻譜。由于LoRa終端工作于非授權(quán)頻譜，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增加時(shí)，容易出現(xiàn)其他同頻設(shè)備的干擾，所以，可靠性相對(duì)較低。為提高LoRa技術(shù)的可靠性，本文提出認(rèn)知LoRa網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，此技術(shù)既可以保證LoRa終端在通信受到干擾時(shí)保持通信的穩(wěn)定性，也可以提高頻譜資源的利用率。

當(dāng)工作于非授權(quán)頻帶的LoRa網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)其他通信系統(tǒng)干擾，導(dǎo)致基站和終端之間的通信質(zhì)量不佳時(shí)，LoRa基站在授權(quán)頻帶進(jìn)行頻譜感知?；咀鳛榉鞘跈?quán)用戶(hù)，通過(guò)頻譜感知獲得授權(quán)頻帶的頻譜空洞信息，并且通知終端切換至頻譜空洞，從而維持已有的通信鏈路。當(dāng)基站檢測(cè)到有授權(quán)用戶(hù)占用了此頻譜空洞時(shí)，則基站對(duì)非授權(quán)頻帶進(jìn)行感知，如果非授權(quán)頻帶信號(hào)質(zhì)量恢復(fù)，則通知終端切換回原頻帶。如果非授權(quán)頻帶信號(hào)質(zhì)量仍然不佳，則LoRa終端與基站之間的通信中斷。認(rèn)知LoRa網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

認(rèn)知LoRa網(wǎng)絡(luò)在基站處增加了頻譜接入層，此層包括頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策3個(gè)模塊。頻譜感知模塊實(shí)現(xiàn)基站對(duì)周邊無(wú)線電環(huán)境的智能感知，獲取頻譜空洞信息。常用的頻譜感知技術(shù)有能量檢測(cè)、匹配濾波器檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)等。當(dāng)基站不能正確接收終端的數(shù)據(jù)信息時(shí)，則對(duì)授權(quán)頻譜帶進(jìn)行感知，從而發(fā)現(xiàn)頻譜空洞資源。頻譜分析模塊根據(jù)頻譜空洞信息，通過(guò)頻譜資源歷史使用數(shù)據(jù)，分析頻譜空洞特性。頻譜決策模塊根據(jù)頻譜空洞特性和LoRa網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，選擇合適的頻譜空洞，并且把頻譜空洞信息發(fā)送給終端。

LoRa終端在MAC層增加了頻譜偵聽(tīng)和頻譜切換模塊。頻譜偵聽(tīng)模塊周期地偵聽(tīng)基站發(fā)送的頻譜空洞信息，若接收到頻譜空洞信息，則由頻譜切換模塊負(fù)責(zé)切換頻譜，實(shí)現(xiàn)通信的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，LoRa技術(shù)以其低成本和低能耗的特性，獲得了業(yè)界的廣泛關(guān)注。由于LoRa技術(shù)工作于非授權(quán)頻帶，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷增加，頻譜需求日益緊張，LoRa技術(shù)的可靠性不能得到有效保證。而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)通過(guò)感知授權(quán)頻帶中的頻譜空洞，能夠有效提高頻譜利用率，保證非授權(quán)用戶(hù)的通信穩(wěn)定。本文將認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)引入LoRa網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了認(rèn)知LoRa網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在基站物理層之上增加頻譜接入層，獲取有效的授權(quán)頻譜空洞信息。同時(shí)，在LoRa終端的MAC層，增加頻譜偵聽(tīng)和頻譜切換模塊，切換至相應(yīng)的頻譜空洞，維持通信鏈接，提高LoRa網(wǎng)絡(luò)的可靠性。