無(wú)線通信技術(shù)的低功耗處理技術(shù)解析

蘆君

摘要：低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本和覆 蓋范圍大等優(yōu)勢(shì)。覆蓋面積較大就意味著能服務(wù)更多用戶，低功耗可大大 延長(zhǎng)電池壽命，延長(zhǎng)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(guān)鍵詞：無(wú)線通信;低功耗處理;技術(shù)

前言

無(wú)線通信距離與發(fā)射功率息息相關(guān)，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(bào)，都采用定時(shí)上報(bào)方式，也就是系統(tǒng)大部分時(shí)間是工作在空閑狀態(tài)，故每次數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)都是很短時(shí)間內(nèi)完成，如果能將設(shè)備在等待時(shí)間里將無(wú)線通信部分的功耗節(jié)省下來(lái)，將大大降低智能設(shè)備的功耗。

1、現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1移動(dòng)通信技術(shù)現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展迅速，主要體現(xiàn)在全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)3G狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)4G化方面。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，依附于其平臺(tái)的應(yīng)用服務(wù)也逐步升級(jí)。表現(xiàn)為涉及范圍更廣、服務(wù)針對(duì)的項(xiàng)目更加多元化以及使用更加便捷等。其集便捷、多元的特點(diǎn)已經(jīng)使其進(jìn)入了百姓的日常生活之中。

1.2藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

藍(lán)牙通信技術(shù)多應(yīng)用于短距離信息傳輸，其是以現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)而衍生的短距離無(wú)限通信技術(shù)。在其使用過(guò)程抗之中是以語(yǔ)音以及數(shù)據(jù)傳輸為載體從而實(shí)現(xiàn)在短距離上的信息交流手段。主要服務(wù)于移動(dòng)以及固定的終端，為使用設(shè)備的用戶提供短距離的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

1.3無(wú)線寬帶發(fā)展現(xiàn)狀

微波接入技術(shù)：使用無(wú)線微博接入技術(shù)，通過(guò)蜂窩結(jié)構(gòu)式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)布局，大大減低了因距離問(wèn)題而使數(shù)據(jù)受到的損傷，與此同時(shí)，這種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效的降低了無(wú)線型號(hào)發(fā)射的功率，實(shí)現(xiàn)了近距離的圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)的雙向、低損耗的傳輸。微型直接接入技術(shù)：這種通訊技術(shù)應(yīng)用范圍較小，通常應(yīng)用于金融行業(yè)、房地產(chǎn)或者教育方面。通過(guò)該種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸，深受相關(guān)專業(yè)行業(yè)的青睞。紅外光通訊接入技術(shù)：紅外光數(shù)據(jù)傳輸速度極高可達(dá)3～65MB/s，由于紅外光的工作波段，其傳輸距離可達(dá)百米以上，并且不會(huì)影響其他通訊設(shè)備的正常工作，在無(wú)線信號(hào)的接收方面則是使用的光學(xué)設(shè)備。多點(diǎn)微博接人技術(shù)：這種技術(shù)一般應(yīng)用于多項(xiàng)低頻階段的信息傳輸，僅僅限于三種頻段的信號(hào)傳輸，所以應(yīng)用范圍極小。

1.4超寬帶技術(shù)現(xiàn)狀

此種技術(shù)以無(wú)線載波為基礎(chǔ)。利用無(wú)線通訊中單位相對(duì)較小的納米級(jí)別非正弦性窄波在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程之中運(yùn)用脈沖的方式進(jìn)行，其覆蓋頻幅波段非常廣，可實(shí)現(xiàn)低功耗的工作化境下的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用領(lǐng)域非常之廣。

2、LoRa

LoRa全稱“Long Rang”，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)。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(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)芯片。它主要面向遠(yuǎn)距離低功耗的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線應(yīng)用，接收靈敏度可達(dá)-148dBm。與業(yè)界其他先進(jìn)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(hào)電池，理論上可供終端設(shè)備工作10年以上。同時(shí)，較低的數(shù)據(jù)速率也延長(zhǎng)了電池壽命，增加了網(wǎng)絡(luò)容量。LoRa使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。這種無(wú)線調(diào)制技術(shù)既保持了移頻鍵控調(diào)制的低功耗特性，又大大增加了通信范圍[4]。這種調(diào)制技術(shù)具有高時(shí)間帶寬積和非常寬的頻帶，其中高時(shí)間帶寬積可以保證無(wú)線電信號(hào)避免遭受帶內(nèi)和帶外干擾落。LoRa調(diào)制具有六個(gè)正交擴(kuò)頻因子，不同擴(kuò)頻序列終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送信息也不會(huì)相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研制的集中器/網(wǎng)關(guān)能夠同時(shí)在同一信道上并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，提高了頻譜效率，也大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。LoRa的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)方面的長(zhǎng)距離通信能力。單個(gè)網(wǎng)關(guān)或基站可以覆蓋整個(gè)城市或數(shù)百平方公里范圍。在一個(gè)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(yù)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(gè)鏈路預(yù)算優(yōu)于其他任何標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)。在20dBm發(fā)射功率下，LoRa調(diào)制的鏈路預(yù)算可達(dá)168dB，使得LoRa技術(shù)更適合于低成本大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。

3、 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

許多現(xiàn)有部署的網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，個(gè)別終端節(jié)點(diǎn)需轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的信息，以增加網(wǎng)絡(luò)的通信距離和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域規(guī)模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復(fù)雜性，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，縮短了電池壽命。然而，LoRa網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連接時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)可直接進(jìn)行信息交互，有效減少了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和能量損耗，保護(hù)了電池壽命。，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由應(yīng)用終端（內(nèi)置LoRa模塊）、LoRa網(wǎng)關(guān)（或基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和業(yè)務(wù)服務(wù)器四部分組成。在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，終端與網(wǎng)關(guān)不相關(guān)聯(lián)。相反，一個(gè)終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常是由多個(gè)網(wǎng)關(guān)收到。每個(gè)網(wǎng)關(guān)將利用終端節(jié)點(diǎn)所接收的數(shù)據(jù)包通過(guò)回傳技術(shù)（蜂窩、以太網(wǎng)、衛(wèi)星或WiFi）轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。智能化和復(fù)雜性放到服務(wù)器上，服務(wù)器管理網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾接收的冗余數(shù)據(jù)，執(zhí)行安全檢查，通過(guò)最優(yōu)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行調(diào)度確認(rèn)，并執(zhí)行自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率等。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的或正在移動(dòng)，不需要從網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)關(guān)切換，這是LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的一個(gè)重要功能。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，各組成部分的詳細(xì)功能介紹如下。

應(yīng)用終端：使用LoRa調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，包括物理層、MAC層和應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)。

LoRa網(wǎng)關(guān)：LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明的中繼，負(fù)責(zé)連接前端終端設(shè)備和后端服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)將接收的終端上行數(shù)據(jù)聚集到一個(gè)各自單獨(dú)的回程連接，解決多路數(shù)據(jù)并發(fā)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信，且所有節(jié)點(diǎn)均為雙向通信。由于采用了擴(kuò)頻技術(shù)，終端與網(wǎng)關(guān)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(huì)相互干擾。數(shù)據(jù)速率可根據(jù)不同傳輸距離和消息時(shí)延進(jìn)行選擇。網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP連接。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)MAC層處理，重復(fù)數(shù)據(jù)包的過(guò)濾、數(shù)據(jù)傳輸速率選擇、網(wǎng)關(guān)管理和選擇、安全管理等。MAC層可遵循聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN協(xié)議，也可以遵循各廠商制定的MAC協(xié)議。

應(yīng)用服務(wù)器：從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲取應(yīng)用數(shù)據(jù)，分析并處理應(yīng)用數(shù)據(jù)，進(jìn)行應(yīng)用狀態(tài)展示、及時(shí)告警等。

4、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線通信技術(shù)代無(wú)線通信技術(shù)不但技術(shù)水平更先進(jìn)，而且應(yīng)用方式也有了飛躍式的突破與變革。依據(jù)目前現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，其未來(lái)的發(fā)展前景也十分樂(lè)觀，發(fā)展空間還很浩大。所以有必要繼續(xù)推動(dòng)現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，從而帶動(dòng)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王超.基于Zigbee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗控制方法研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2015.

[2]程威，李開(kāi)寧.休眠喚醒節(jié)能技術(shù)在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2015（18）：3-4.