一種低功耗的多模式散射通信系統(tǒng)研究

劉鑫　唐曉慶　劉勇　張帥

摘? 要：隨著社會(huì)信息化程度的提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，尤其是能夠兼容多種無(wú)線(xiàn)通信模式的物聯(lián)網(wǎng)終端。本文基于后向散射原理，提出一種低功耗的多模式散射通信系統(tǒng)，系統(tǒng)以MCU為核心處理器，兼容Wi-Fi、LoRa等多種通信模式。系統(tǒng)功耗極低，進(jìn)行一次LoRa散射通信所消耗的電量為9.2μA·s，進(jìn)行一次Wi-Fi散射通信所消耗的電量?jī)H為2.5uA·s。設(shè)置系統(tǒng)每分鐘發(fā)送2包Wi-Fi數(shù)據(jù)，1包LoRa數(shù)據(jù)，一個(gè)容量40mAh的CR1220紐扣電池可供系統(tǒng)工作4年以上，具有成本低、功耗低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);低功耗;多模式;散射通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TN926? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）22-0053-05

Abstract：With the improvement of social informatization，the development and application of internet of things technology will be more and more extensive，especially the internet of things terminals which can be compatible with various wireless communication modes. Based on backscattering principle，a low power multi-mode scattering communication system is proposed in this paper. The system uses MCU as the core processor and is compatible with Wi-Fi，LoRa and other communication modes. The power consumption of the system is very low. The power consumption of a LoRa scattering communication is 9.2μA·s，and that of a Wi-Fi scattering communication is only 2.5uA·s The system can send 2 packets of Wi-Fi data and 1 packet of LoRa data per minute. A 40mAh CR1220 button battery can work for more than four years. It has the advantages of low cost，low power consumption and wide application range.

Keywords：internet of things;low power consumption;multimodal;scattering communication

0? 引? 言

物聯(lián)網(wǎng)借助互聯(lián)網(wǎng)將各種通過(guò)信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息采集裝置采集的聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等信息傳遞出去，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別、監(jiān)控和管理，對(duì)建設(shè)智慧城市、推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、促進(jìn)工業(yè)化和信息化融合、實(shí)現(xiàn)中國(guó)智能制造起著關(guān)鍵作用。

1? 通信的發(fā)展

自2010年，我國(guó)將物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展問(wèn)題寫(xiě)入《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》和《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃的建議》以來(lái)，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)正在逐步頒布并實(shí)施，中國(guó)移動(dòng)在全國(guó)100多個(gè)城市開(kāi)始敷設(shè)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，截至目前，中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)超過(guò)了3.78億，成為全球用戶(hù)規(guī)模最大的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用網(wǎng)[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以分為三個(gè)層面：信息層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。信息層將采集到的信息以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層，一般由物聯(lián)網(wǎng)通信終端構(gòu)成。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，終端的無(wú)線(xiàn)通信方式也不同。一種是短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，如Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等，具有高速率、高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，主要應(yīng)用在智能穿戴、智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等局域網(wǎng)通信場(chǎng)景;另一種是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)[2，3]，具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強(qiáng)、大量連接的特點(diǎn)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band IOT，NB-IoT）和LoRa（Long Range）是當(dāng)前主流的LPWAN技術(shù)[4]。由于這些無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)都存在功耗大、成本高的問(wèn)題，難以進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用，因此降低物聯(lián)網(wǎng)通信終端的功耗和成本是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)，也是決定物聯(lián)網(wǎng)能否大范圍落地實(shí)施的關(guān)鍵因素。

2016年，華盛頓大學(xué)的Bryce Kellogg等人提出了無(wú)源Wi-Fi技術(shù)[5]，通過(guò)后向散射的方式把基站發(fā)出的單頻電磁波調(diào)制為符合802.11b協(xié)議的Wi-Fi信號(hào)，這樣能夠被通用Wi-Fi設(shè)備解調(diào)解碼，具有很好的兼容性。而且采用后向散射技術(shù)可以去掉頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器等耗能器件，可以大幅降低終端功耗，較傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備，功耗可降低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。

2017年，華盛頓大學(xué)的Vamsi Talla等人提出了LoRa后向散射通信系統(tǒng)方案[6]，該方案由數(shù)字基帶處理器、DAC、VCO、開(kāi)關(guān)映射、SP8T射頻開(kāi)關(guān)和8通道天線(xiàn)匹配電路組成，較傳統(tǒng)LoRa設(shè)備，系統(tǒng)功耗大幅降低，但該方案設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本較高，而且環(huán)境溫度、系統(tǒng)供電變化都會(huì)對(duì)其中模擬電路的線(xiàn)性度、精度造成影響，從而影響LoRa散射通信的可靠性和穩(wěn)定性。

2019年，武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院的唐曉慶等人提出了基于MCU的無(wú)源Wi-Fi通信系統(tǒng)[7]，該系統(tǒng)在TI公司開(kāi)發(fā)的430系列單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了無(wú)源Wi-Fi技術(shù)，系統(tǒng)平均功耗1.44mW，并利用系統(tǒng)自帶的弱光能量收集管理模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自供電，具有開(kāi)發(fā)成本低、系統(tǒng)功耗低、能量自供給的特點(diǎn)，可極大地促進(jìn)無(wú)源Wi-Fi技術(shù)的實(shí)際推廣應(yīng)用。同年，唐曉慶等人還提出了基于MCU實(shí)現(xiàn)LoRa散射通信技術(shù)的方案[8]，該方案仍采用430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)LoRa散射通信技術(shù)，系統(tǒng)平均功耗僅為0.28mW，利用CR1220紐扣電池可支持系統(tǒng)運(yùn)行5年，可應(yīng)用在對(duì)通信距離有要求的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

Wi-Fi和LoRa兩種通信方式各有優(yōu)點(diǎn)，Wi-Fi通信速率高，但通信距離近，LoRa通信距離遠(yuǎn)，但通信速率低。目前的物聯(lián)網(wǎng)通信終端僅支持一種特定的通信體制，例如Wi-Fi或LoRa，存在通信模式單一的缺陷，本文提出一種兼容Wi-Fi、LoRa等多種模式的散射通信系統(tǒng)，能夠在一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多種散射通信體制，具有成本低、功耗低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

2? 多模式散射通信原理

多模式散射通信的原理如圖1所示，首先由基站產(chǎn)生多種通信模式所覆蓋頻段的單頻信號(hào)，并通過(guò)天線(xiàn)向周?chē)臻g中輻射該單頻電磁信號(hào)。散射通信系統(tǒng)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的通信協(xié)議編碼形成基帶，并輸出數(shù)字調(diào)制波形，通過(guò)驅(qū)動(dòng)射頻開(kāi)關(guān)器件來(lái)改變自身天線(xiàn)的反射/吸收狀態(tài)，從而形成不同類(lèi)型的通信數(shù)據(jù)包，完成散射調(diào)制，最后被不同模式的通信接收器接收、解調(diào)和解碼。

2? 多模式散射通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多模式散射通信系統(tǒng)主要由數(shù)字基帶處理器、射頻開(kāi)關(guān)和通信天線(xiàn)組成，數(shù)字基帶處理器用于實(shí)現(xiàn)不同通信模式的編碼、調(diào)制等過(guò)程，生成散射調(diào)制波形，用于驅(qū)動(dòng)射頻開(kāi)關(guān)器件。射頻開(kāi)關(guān)器件與通信天線(xiàn)連接，控制通信天線(xiàn)的反射/吸收，實(shí)現(xiàn)散射通信。

不同的通信模式所用的通信頻段也不同，如Wi-Fi通信的頻段范圍是2400MHz～2497MHz，藍(lán)牙通信的頻段范圍與之相近，是2400MHz～2483.5MHz，而LoRa通信的頻段范圍是415MHz～480MHz，ZigBee的通信頻段范圍則更廣，從169.4MHz～169.475MHz到5944MHz～10234MHz，之間有多個(gè)頻段范圍均可。Wi-Fi和藍(lán)牙的通信頻段比較接近，天線(xiàn)可以共用。而LoRa、ZigBee的通信頻段與之相差很多，想要在單個(gè)天線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)所有可能的通信頻段是不現(xiàn)實(shí)的，因此本文提出了多模式散射通信系統(tǒng)的兩種實(shí)現(xiàn)方案。一種是基于多個(gè)天線(xiàn)的多模式散射通信系統(tǒng)，主要用于通信頻段差異較大的多種通信體制;一種是基于單個(gè)多頻段天線(xiàn)的多模式散射通信系統(tǒng)，主要用于通信頻段比較接近的多種通信體制。

2.1? 基于多個(gè)天線(xiàn)的多模式散射通信系統(tǒng)

基于多個(gè)天線(xiàn)的多模式散射通信系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)為每一種通信模式各配置一個(gè)通信天線(xiàn)和射頻開(kāi)關(guān)，分別連接各自調(diào)制信號(hào)的輸出端，實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立通道的多模式散射通信。

數(shù)字基帶處理器可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求從MCU、FPGA或?qū)Ｓ眉呻娐分羞x擇，MCU具有成本低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，但只能串行處理，因此不同的通信模式只能分時(shí)實(shí)現(xiàn)。FPGA成本略高，但可以實(shí)現(xiàn)多種通信模式同時(shí)通信。專(zhuān)用集成電路可根據(jù)自身需求進(jìn)行定制，缺點(diǎn)是成本高昂。

2.2? 基于多頻段天線(xiàn)的多模式散射通信系統(tǒng)

基于單個(gè)多頻段天線(xiàn)的多模式散射通信系統(tǒng)原理如圖3所示。系統(tǒng)只配置一個(gè)天線(xiàn)，該天線(xiàn)可覆蓋多種通信模式的通信頻段，圖中列舉了四種不同的通信模式，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際通信需求進(jìn)行選擇。由于不同的通信模式共用一個(gè)天線(xiàn)，所以若采用此方案，同一時(shí)間只能采用一種通信模式工作。

基于圖3所示原理框圖，本文設(shè)計(jì)了兼容Wi-Fi和LoRa兩種模式的散射通信系統(tǒng)，系統(tǒng)選用TI公司430系列單片機(jī)MSP430FR5969作為基帶處理器，設(shè)計(jì)了包含2.4GHz和415MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)的單極子天線(xiàn)。系統(tǒng)封裝好的成品照片如圖4所示，包括圓盤(pán)底座和豎直長(zhǎng)條天線(xiàn)，底部圓盤(pán)底座內(nèi)封裝了系統(tǒng)處理電路，實(shí)物圖如圖5所示，只有大拇指大小，天線(xiàn)的回波損耗如圖6所示。

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖7所示，上電后首先對(duì)MCU內(nèi)部資源進(jìn)行初始化，包括定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，然后定時(shí)讀取溫度傳感器采集的溫度和系統(tǒng)供電電池的電壓，對(duì)溫度、電壓數(shù)據(jù)分別通過(guò)LoRa和Wi-Fi兩種方式散射出去。LoRa散射通信過(guò)程包括數(shù)據(jù)幀的封裝、漢明糾錯(cuò)編碼、交織抗干擾編碼、格雷編碼、線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻編碼生成數(shù)字基帶波形、波形輸出;Wi-Fi散射通信過(guò)程包括數(shù)據(jù)幀的封裝、循環(huán)冗余校驗(yàn)、加擾、差分碼變換、直接序列擴(kuò)頻生成數(shù)字基帶波形、波形輸出。

3? 測(cè)試及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的有效性，用Wi-Fi抓包軟件對(duì)系統(tǒng)發(fā)送的Wi-Fi數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲，用目前主流的LoRa芯片SX1278實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)發(fā)送的LoRa數(shù)據(jù)，接收到的Wi-Fi數(shù)據(jù)包和LoRa數(shù)據(jù)包信息分別如圖8和圖9所示，兩種方式都能正常接收系統(tǒng)發(fā)送的溫度、電壓信息。

系統(tǒng)采用Wi-Fi和LoRa散射通信時(shí)的電流波形圖分別如圖10和圖11所示。通過(guò)對(duì)電流波形在時(shí)間上積分，可以算出進(jìn)行一次Wi-Fi散射通信所消耗的電量為2.5uA·s，一次LoRa散射通信所消耗的電量為9.2μA·s。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)待機(jī)電流為0.39uA，設(shè)置系統(tǒng)每分鐘發(fā)送2包Wi-Fi數(shù)據(jù)，1包LoRa數(shù)據(jù)，一個(gè)容量40mAh的CR1220紐扣電池可供系統(tǒng)工作4年以上。

4? 結(jié)? 論

物聯(lián)網(wǎng)作為通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，是新一代信息技術(shù)的代表，對(duì)于推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、促進(jìn)工業(yè)化和信息化融合，起著關(guān)鍵作用，其發(fā)展深受?chē)?guó)家重視。目前物聯(lián)網(wǎng)通信方式多種多樣，各有優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，而現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)通信終端僅能支持一種特定的通信體制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅雅鑫.中國(guó)移動(dòng)NB-IoT戰(zhàn)果累累? 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與應(yīng)用落地雙管齊下 [J].通信世界，2018（32）：30.

[2] SONG Y，LIN J，TANG M，et al. An Internet of Energy Things Based on Wireless LPWAN [J].Engineering，2017，3（4）：460-466.

[3] BARDYN J P，MELLY T，SELLER O，et al. IoT：The era of LPWAN is starting now [C]//Proceedings of the 42nd European Solid-State Circuits Conference，Lausanne，Switzerland，2016：25-30.

[4] SINHA R S，WEI Y， HWANG S H. A survey on LPWA technology：LoRa and NB-IoT [J].ICT Express，2017，3（1）：14-21.

[5] KELLOGG B，TALLA V，SMITH J R，et al. PASSIVE WI-FI： Bringing Low Power to Wi-Fi Transmissions [J].Getmobile Mobile Computing & Communications，2017，20（3）：38-41.

[6] TALLA V，HESSAR M，KELLOGG B，et al. LoRa Backscatter：Enabling The Vision of Ubiquitous Connectivity [J].Proceedings of the Acm on Interactive Mobile Wearable & Ubiquitous Technologies，2017，1（3）：105.

[7] TANG X，Cui Y，SHE Y，et al. Battery-free Wi-Fi：Making Wi-Fi transmission simpler and practical [C]//IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics. Vancouver，Canada，2019：1575-1582.

[8] 唐曉慶，謝桂輝，佘亞軍，等.基于直接數(shù)字頻率合成的LoRa散射通信方法 [J/OL].電子與信息學(xué)報(bào).[2019-07-04].http：//jeit.ie.ac.cn/article/doi/10.11999/JEIT190001.

作者簡(jiǎn)介：劉鑫（1989.12-），女，漢族，湖北襄陽(yáng)人，工程師，碩士，研究方向：艦船通信;唐曉慶（1987.12-），男，漢族，四川資陽(yáng)人，工程師，博士，研究方向：艦船通信;劉勇（1980.04-），男，漢族，湖北天門(mén)人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：艦船通信;張帥（1987.02-），男，漢族，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，高級(jí)工程師，博士，研究方向：艦船通信。