ISM頻段的LPWAN物理層技術(shù)分析

吳南旭

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

0 引 言

全球物聯(lián)網(wǎng)連接預(yù)測(cè)在2025年呈指數(shù)增長(zhǎng)至220億[1]。傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)無(wú)法滿足物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的范圍、功率和成本要求。基于傳統(tǒng)的蜂窩技術(shù)（3G、LTE）和無(wú)線局域網(wǎng)（WiFi）的系統(tǒng)成本高且耗電量大，無(wú)法從大量傳感器設(shè)備傳輸少量數(shù)據(jù)；藍(lán)牙、ZigBee、Z-Wave等其他解決方案的覆蓋范圍非常有限，盡管可以采用Mesh網(wǎng)狀拓?fù)鋪?lái)擴(kuò)展其覆蓋范圍，但會(huì)增加耗電，同時(shí)還需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理。

低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network, LPWAN）克服了這些缺陷，為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供了高效、經(jīng)濟(jì)且易于部署的解決方案，非常適合負(fù)載較小的低帶寬應(yīng)用，如水電表監(jiān)測(cè)、資產(chǎn)跟蹤和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

LPWAN中除了包括基于傳統(tǒng)蜂窩技術(shù)發(fā)展而來(lái)的ECGSM、NB-IoT、LTE-M技術(shù)外，還有基于ISM頻段的LoRa、SIGFOX、MIOTY技術(shù)?；趥鹘y(tǒng)蜂窩技術(shù)的演進(jìn)技術(shù)，依然存在傳統(tǒng)蜂窩成本高、終端收聽(tīng)系統(tǒng)廣播增加耗電、采用專用頻段等劣勢(shì)，而基于ISM頻段的LPWAN克服了這些缺點(diǎn)。對(duì)于LPWAN來(lái)講，其技術(shù)核心集中在物理層，因此本文對(duì)基于ISM頻段的LPWAN的物理層技術(shù)進(jìn)行分析。

1 ISM頻段LPWAN概述

非授權(quán)頻段（Unlicense Band）的LPWAN 技術(shù)，使用ISM頻段，代表技術(shù)是LoRa、SIGFOX、MIOTY等。ISM無(wú)線電頻段在歐洲是868 MHz頻段，在美國(guó)是915 MHz，在亞洲是433 MHz?；贗SM頻段的LPWAN具有免頻率申請(qǐng)、全球通用部署的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于由公網(wǎng)蜂窩技術(shù)演進(jìn)來(lái)的技術(shù)，LPWAN中的NB-IoT或LTE-M等在技術(shù)上尤為簡(jiǎn)單，例如系統(tǒng)支持僅存在上行通信的終端、終端不需要讀取系統(tǒng)廣播、終端不需要同步等，因此終端成本更低、電池壽命更長(zhǎng)。

2 主要技術(shù)分析

2.1 SIGFOX方案

2.1.1 概述

SIGFOX公司是成立于2010年的法國(guó)全球網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，由SIGFOX公司開(kāi)發(fā)的SIGFOX技術(shù)是一種蜂窩式、長(zhǎng)距離、低功耗、低速率的無(wú)線通信技術(shù)。SIGFOX無(wú)線接口主要作用是在低速率情況下消耗最少的功率，使得設(shè)備可以在5～10年內(nèi)依靠電池供電運(yùn)行，無(wú)需電池更換或維護(hù)。

SIGFOX采用單跳的蜂窩技術(shù)，覆蓋大范圍區(qū)域并到達(dá)地下物體[2]。截至2020年11月，SIGFOX 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全球72個(gè)國(guó)家，共580萬(wàn)平方公里，覆蓋全球13億人口[3]。

SIGFOX支持單向通信或有限雙向通信?，F(xiàn)有的SIGFOX通信標(biāo)準(zhǔn)下，終端每天最多支持140條上行鏈路消息，每條消息以100 b/s的速率承載12個(gè)字節(jié)的有效載荷[4]。

2.1.2 關(guān)鍵物理層技術(shù)—超窄帶

SIGFOX網(wǎng)絡(luò)采用了超窄帶（Ultra Narrow Band, UNB）技術(shù)，使用非常低的發(fā)射功率，同時(shí)保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接。為了最大限度地降低噪聲水平并優(yōu)化接收器靈敏度，超窄帶解決方案將信號(hào)帶寬縮減至100 Hz[5]。

SIGFOX早期僅支持上行通信，后來(lái)支持雙向通信。根據(jù)協(xié)議，下行通信只能在上行通信之后發(fā)生。上行：歐洲信道帶寬100 Hz，速率為100 b/s；美國(guó)信道帶寬600 Hz，速率為600 b/s；調(diào)制方式為D-BPSK，頻率效率為1 b·s-1·Hz-1。

如圖1所示，以歐洲為例，上行鏈路頻率在868.00～868.20 MHz范圍內(nèi)，共192 kHz，最大功率限制為25 mW。歐盟規(guī)定最大占空比為1%，占空比限制是為了SIGFOX與其他通信系統(tǒng)之間可以共同使用ISM頻帶。

圖1 SIGFOX在歐洲的上行頻率范圍

終端發(fā)送具有12字節(jié)有效負(fù)載的消息，加上各層的開(kāi)銷和地址，變?yōu)?08 bit，以100 b/s的速率通過(guò)空中傳輸需要2.08 s。SIGFOX基站監(jiān)控整個(gè)192 kHz的頻譜并尋找UNB信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

服務(wù)質(zhì)量通過(guò)分集技術(shù)保證。終端隨機(jī)選擇頻率發(fā)出一條消息，然后再隨機(jī)選擇頻率，重復(fù)發(fā)送2次，每個(gè)傳輸間隔45 ms。終端發(fā)出的消息由附近的多個(gè)基站聯(lián)合接收，一條消息平均被3個(gè)基站接收，使用了空間、時(shí)間、頻率分集技術(shù)。SIGFOX上行信號(hào)的時(shí)間頻率分布如圖2所示。

圖2 SIGFOX上行信號(hào)的時(shí)間頻率分布

下行：信道帶寬為1.5 kHz，數(shù)據(jù)速率為600 b/s，調(diào)制格式為GFSK，頻率利用率為0.4 b·s-1·Hz-1。

以歐洲為例，下行鏈路頻段僅限于869.40～869.65 MHz范圍內(nèi)的頻率。在下行鏈路的情況下，功率輸出被限制為最大500 mW，歐盟規(guī)定最大占空比為 10%。

2.1.3 超窄帶技術(shù)分析

由于在868 MHz附近需要使用100 Hz的超窄帶帶寬，因此不適用于多徑多普勒信道。當(dāng)終端設(shè)備的高速移動(dòng)，或終端靠近高速移動(dòng)物體時(shí)（例如高速公路附近）容易造成存在多普勒效應(yīng)的多徑信號(hào)，信號(hào)在100 Hz頻帶內(nèi)衰減嚴(yán)重，信號(hào)接收困難。因此SIGOFX僅支持靜止節(jié)點(diǎn)或低速度移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。

超窄帶信號(hào)發(fā)射時(shí)間長(zhǎng)（2.08 s），容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突，再考慮到終端之間不同步，2.08 s中部分時(shí)間上發(fā)生沖突的概率更高。另外免許可頻段中，還存在其他共存系統(tǒng)的干擾，長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)射容易被干擾。

為了避免沖突和干擾，終端在不同頻點(diǎn)、不同時(shí)間，重復(fù)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)。從頻點(diǎn)角度來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)內(nèi)存在1 920個(gè)頻點(diǎn)可以偽隨機(jī)選擇，降低了不同終端選擇到相同頻點(diǎn)的概率，讓系統(tǒng)達(dá)到可用的狀態(tài)，但是這些措施增加了每條消息的播出時(shí)間，在時(shí)間上加劇了沖突，并且造成了功率的浪費(fèi)。

2.2 LoRa技術(shù)

2.2.1 概述

LoRa屬于物理層技術(shù)，它是基于寬帶線性擴(kuò)頻（Chirp Spread Spectrum, CSS）的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。由法國(guó)公司 Cycleo開(kāi)發(fā)[5]，后來(lái)被美國(guó)公司Semtech收購(gòu)[6]。LoRaWAN定義了軟件通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。LoRaWAN協(xié)議由開(kāi)放的非營(yíng)利LoRa聯(lián)盟管理，Semtech是該聯(lián)盟的創(chuàng)始成員[7]。LoRa和LoRaWAN共同定義了一種低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，LoRa數(shù)據(jù)速率范圍為每通道0.3～50 kb/s，覆蓋距離城區(qū)5 km，郊區(qū)15 km，通常使用150 kHz帶寬[8-9]。

2.2.2 關(guān)鍵物理層技術(shù)—寬帶線性擴(kuò)頻

寬帶線性擴(kuò)頻是為雷達(dá)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，后來(lái)用于軍事和安全通信。2000年后，由于低功率、抗多徑、抗衰落、抗多普勒和抗帶內(nèi)干擾等特性，在許多通信場(chǎng)合中得到應(yīng)用。例如IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用寬帶線性擴(kuò)頻，用于低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Low Rate-Wireless Personal Access Network, LRWPAN），比使用 O-QPSK的直接序列擴(kuò)頻（DSSS）的覆蓋范圍更大、移動(dòng)性更好。

LoRa中基于寬帶線性擴(kuò)頻，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的不斷變化。使用寬帶線性擴(kuò)頻后，收發(fā)容易同步且頻率偏移發(fā)射器和接收器是等效的，降低了接收器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。LoRa的關(guān)鍵調(diào)制流程如圖3所示。

圖3 LoRa的關(guān)鍵調(diào)制流程

LoRa調(diào)制的比特率（Bit Per Second, BPS）、符號(hào)率（Symbol Per Second, SPS）、碼片率（Chip Rate, CR）、帶寬（Band Width, BW）的關(guān)系如下：

其中，SF個(gè)bit轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)符號(hào)。當(dāng)上行帶寬為125 kHz時(shí)，根據(jù)上述公式列出表1。

表1 LoRa的上行物理層參數(shù)關(guān)系

SF越大，符號(hào)時(shí)間越長(zhǎng)。圖4和圖5就是在帶寬為150 kHz的情況下，SF分別等于7和8時(shí)在4.096 ms內(nèi)的頻率分布。SF=7時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)比特為7×4=28個(gè)連續(xù)0；當(dāng)SF=8時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)比特為8×2=16個(gè)連續(xù)的0。

圖4 SF=7時(shí)的信號(hào)時(shí)間頻率分布

圖5 SF=8時(shí)的信號(hào)時(shí)間頻率分布

在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)，頻率覆蓋150 kHz，在開(kāi)始點(diǎn)的起始頻率確定了符號(hào)對(duì)應(yīng)的SF個(gè)bit序列。例如在SF=7的情況下，“000，0000”和“010，0000”的2個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)如圖6所示。

圖6 SF=7時(shí)的擴(kuò)頻信號(hào)

2.2.3 寬帶線性擴(kuò)頻的分析

LoRa在一定程度上克服了SIGFOX的數(shù)據(jù)速率極慢和多普勒衰落問(wèn)題。在擴(kuò)頻中，窄帶信號(hào)不斷改變頻率，占據(jù)更寬的信道帶寬。帶寬增加了處理增益，提高了信噪比。擴(kuò)展因子代表處理增益，較高的擴(kuò)展因子可在較低的數(shù)據(jù)速率下實(shí)現(xiàn)更廣的覆蓋范圍。因此LoRa可以有效地支持速度高達(dá)40 km/h的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)[10]。與SIGFOX信號(hào)相比，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻，LoRa更能抵御攔截和竊聽(tīng)企圖。

LoRa的缺點(diǎn)是對(duì)頻譜利用率低，因?yàn)樾枰嗟膸拋?lái)傳輸少量的數(shù)據(jù)，這會(huì)導(dǎo)致不良的共存行為和嚴(yán)重的可擴(kuò)展性問(wèn)題。在有限的sub-GHz頻譜中，高寬帶數(shù)據(jù)流量與隨機(jī)發(fā)送的純ALOHA中的不協(xié)調(diào)傳輸相結(jié)合，可能導(dǎo)致消息重疊并最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤。當(dāng)使用高SF時(shí)，由于消息傳輸時(shí)間長(zhǎng)，消息重疊更為嚴(yán)重。

使用不同的擴(kuò)頻因子和帶寬組合（即正交性）以及更多的基站是能夠部分解決這個(gè)問(wèn)題的常用方法。然而，將每個(gè)基站安排到不同的頻率需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理，并且需要線性擴(kuò)頻的專業(yè)知識(shí)。

2.3 MIOTY技術(shù)

2.3.1 概述

MIOTY是2018年弗勞恩霍夫集成電路研究所（Fraunhofer IIS）提出的LPWAN方案。2018年6月，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）將MIOTY寫(xiě)入TS103357 V1.1.1，作為低通量網(wǎng)絡(luò)（Light Traffic Network, LTN）的電報(bào)拆分-超窄帶（Telegram Splitting-UNB, TS-UNB）技術(shù)規(guī)范[9]。

MIOTY使用ISM頻帶中的上行100 kHz、下行100 kHz信道，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信和組網(wǎng)應(yīng)用，適用于大規(guī)模工業(yè)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署。

2.3.2 關(guān)鍵物理層技術(shù)—電報(bào)拆分

MIOTY采用電報(bào)拆分多址（Telegram Splitting Multiple Access, TSMA）技術(shù)。TSMA是一種隨機(jī)信道接入方法：終端的一個(gè)數(shù)據(jù)包利用一個(gè)無(wú)線幀進(jìn)行傳輸。在一個(gè)無(wú)線幀內(nèi)，傳輸分為數(shù)個(gè)突發(fā)，一個(gè)突發(fā)承載一個(gè)數(shù)據(jù)子包。這些突發(fā)不連續(xù)地發(fā)送，突發(fā)之間有空閑間隔，且間隔的時(shí)長(zhǎng)偽隨機(jī)分布；同時(shí)，突發(fā)使用的頻率也呈偽隨機(jī)分布?；緝H需要接收一部分突發(fā)即可對(duì)傳輸?shù)挠行лd荷進(jìn)行解碼，因此該方法提供了高抗干擾能力，無(wú)論干擾是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外。

偽隨機(jī)分布來(lái)源：數(shù)據(jù)包內(nèi)容確定的頻率偏移模式、時(shí)間偏移模式；終端的晶振偏差；終端不同步造成的隨機(jī)訪問(wèn)信道。

任何時(shí)候終端只要有可用的傳輸數(shù)據(jù)，就發(fā)起通信，無(wú)需網(wǎng)絡(luò)同步。下行鏈路通信由上行鏈路傳輸觸發(fā)。在接收到上行鏈路傳輸之后，基站可以在一個(gè)定義的時(shí)間后發(fā)送下行鏈路傳輸。

MIOTY的調(diào)制方式為GMSK，符號(hào)傳送率為2 380.371符號(hào)/秒，信息傳送率為2 380.371 b/s，占用頻率為2 380.371 Hz，上行的最大路損為153 dB，下行的最大路損為161 dB。

以上行標(biāo)準(zhǔn)模式為例：在帶寬100 kHz的情況下，載波的間隔為2 380.371 Hz；在一個(gè)無(wú)線幀內(nèi)，載波精度為±5.0 Hz。1個(gè)有效字節(jié)為10 Byte的數(shù)據(jù)包，加上各層的幀頭、地址、CRC等開(kāi)銷，在物理層擴(kuò)展為576 bit，劃分為24個(gè)子包，每個(gè)子包含24 bit，在子包中間插入12 bit的導(dǎo)頻碼，這樣一個(gè)子包，包括36個(gè)比特（符號(hào)）。子包的結(jié)構(gòu)及間隔如圖7所示。

圖7 子包的結(jié)構(gòu)及間隔

1個(gè)子包的傳送時(shí)間為36/2 380=15.12 ms，這樣24個(gè)子包的總發(fā)送時(shí)間為363 ms。注意到兩個(gè)子包之間存在時(shí)間間隔，間隔的定義是連續(xù)兩個(gè)子包中間的間隔。這個(gè)間隔是根據(jù)時(shí)間偏移模式進(jìn)行隨機(jī)分布，例如間隔為330或587個(gè)符號(hào)。MIOTY數(shù)據(jù)子包的時(shí)間頻率分布如圖8所示。

圖8 MIOTY數(shù)據(jù)子包的時(shí)間頻率分布

一個(gè)數(shù)據(jù)包中的子包，根據(jù)頻率偏移模式，偽隨機(jī)地分布在24個(gè)頻率上，占用的100 kHz中的60.233 kHz。即使多達(dá)50%的子數(shù)據(jù)包受到影響，前向糾錯(cuò)也可確保在基站檢索到完整的消息。

2.3.3 電報(bào)拆分的分析

終端發(fā)射一個(gè)數(shù)據(jù)包，拆分成按時(shí)間、頻率偽隨機(jī)分布的24個(gè)數(shù)據(jù)子包，使用24個(gè)頻點(diǎn)，頻帶利用了100 kHz中的60%，發(fā)射時(shí)間僅占10%，而且前向糾錯(cuò)保證在50%的數(shù)據(jù)子包受到干擾情況下可以正常接收數(shù)據(jù)包，因此電報(bào)拆分具有非常高的抗干擾性和系統(tǒng)容量。

單個(gè)基站每天能夠處理超過(guò)100萬(wàn)條消息。此外，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等效場(chǎng)景中，電報(bào)拆分已被證明在消息傳遞性和網(wǎng)絡(luò)可靠性方面大大優(yōu)于LoRa中的寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻。

除了服務(wù)質(zhì)量之外，電報(bào)拆分同時(shí)提供了能耗優(yōu)勢(shì)。每個(gè)子數(shù)據(jù)包傳輸后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“睡眠模式”的無(wú)傳輸時(shí)間明顯更長(zhǎng)。較短的發(fā)射時(shí)間（36個(gè)符號(hào)）和較長(zhǎng)間隔時(shí)間（330個(gè)符號(hào)或以上）可最大限度地降低功耗，同時(shí)讓電池有時(shí)間恢復(fù)，從而顯著延長(zhǎng)電池壽命。

與相干解調(diào)相結(jié)合的子數(shù)據(jù)包空中接口的時(shí)間短，進(jìn)一步減小了多普勒衰落效應(yīng)。即使某些子數(shù)據(jù)包遭受深度衰減，前向糾錯(cuò)也能確保受到的影響最小。Telegram Splitting系統(tǒng)可以連接以高達(dá)120 km/h速度移動(dòng)的終端節(jié)點(diǎn)[5]，大大優(yōu)于SIGFOX和LoRa。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了SIGFOX、LoRa、MIOTY物理層技術(shù)的各自特點(diǎn)。MIOTY相較于LoRa、SIGFOX，在物理層信號(hào)方面優(yōu)點(diǎn)突出：降低沖突、針對(duì)電池優(yōu)化發(fā)射、抗多普勒、抗多徑等，因此MIOTY在系統(tǒng)容量、節(jié)電、速率方面代表新一代LPWAN的高水平，為工業(yè)和商業(yè)市場(chǎng)中的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署提供了強(qiáng)大、可擴(kuò)展和節(jié)能的架構(gòu)。