基于認知無線電的LoRa網(wǎng)絡架構設計

張敏

摘 要：應用于物聯(lián)網(wǎng)的各種低功耗廣域網(wǎng)技術中，LoRa技術具有成本低和電池壽命長的優(yōu)勢。但是，由于LoRa網(wǎng)絡工作于非授權頻段，所以LoRa技術的可靠性相對較低。針對這一問題，文章引入認知無線電技術，分析并且設計了認知LoRa網(wǎng)絡的體系結構，從而提高LoRa網(wǎng)絡的可靠性，緩解LoRa網(wǎng)絡頻譜資源緊張的局面。

關鍵詞：低功耗廣域網(wǎng)；LoRa；認知無線電技術

為滿足物聯(lián)網(wǎng)中遠距離和低功耗的通信需求，低功耗廣域（Low Power Wide Area Network，LPWA）技術應運而生。LoRa（Long Range）和NB-Iot（Narrow Band Internet of things）作為LPWA技術中最具發(fā)展前景的兩大陣營，獲得了工業(yè)界和研究界的廣泛關注。相比NB-Iot技術，LoRa技術具有成本更低和電池壽命更長的優(yōu)勢。但是，NB-Iot網(wǎng)絡工作于授權頻段，由運營商統(tǒng)一部署并且收費運營，單一系統(tǒng)專享頻譜資源，可靠性較高。而LoRa網(wǎng)絡工作于非授權頻段，由企業(yè)或個人免費組網(wǎng)運營，不同系統(tǒng)共享頻譜資源。隨著物聯(lián)網(wǎng)應用不斷增加，頻譜需求日益緊張，LoRa技術的可靠性不能得到有效保證。為提高LoRa的可靠性，本文引入認知無線電技術，在一定程度上緩解LoRa網(wǎng)絡頻譜資源緊張的問題。

1 LoRa網(wǎng)絡體系結構

LoRa技術由美國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之一。LoRa網(wǎng)絡工作于1GHz以下的非授權頻譜，采用長距離星型體系結構，主要由LoRa終端、基站、網(wǎng)絡服務器和應用服務器4部分組成。網(wǎng)絡體系結構如圖1所示。

在LoRa網(wǎng)絡中，終端設備通過單跳LoRa通信與對應的基站建立鏈接，實現(xiàn)點對點通信，終端通信協(xié)議結構包括物理層、MAC（Medium Access Control）層和應用層。基站作為終端設備和中央核心網(wǎng)絡之間的中繼，負責物理層數(shù)據(jù)的接收和轉發(fā)，基站將接收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)到基于云的網(wǎng)絡服務器。網(wǎng)絡服務器具有一定的智能性，在MAC層進行信息數(shù)據(jù)的相關處理，主要功能包括過濾重復的數(shù)據(jù)包、安全性檢查、基站管理和選擇、向基站發(fā)送確認消息以及向特定應用服務器發(fā)送數(shù)據(jù)包等。應用服務器則接收網(wǎng)絡服務器的應用數(shù)據(jù)，通過分析應用數(shù)據(jù)，實時顯示并且調整網(wǎng)絡的相關狀態(tài)。

2 認知無線電技術

隨著無線通信需求日益增長，頻譜資源日趨緊張，如何提高頻譜利用率已成為當前無線通信技術研究的熱點之一。美國聯(lián)邦通信委員會的研究報告指出，已授權的頻譜在特定的時間和空間存在不同程度的閑置，即存在頻譜空洞。而認知無線電技術，未授權用戶在不影響授權用戶的前提下，能伺機接入頻譜空洞，從而大幅提高頻譜利用率。當授權用戶要求接入某個非授權用戶正在占用的信道時，非授權用戶立即讓出該信道，同時切換到其他空閑信道繼續(xù)通信，或者中斷其連接。

認知無線電技術這一術語是由Joseph Mitola博士于1999年發(fā)表的一篇學術論文中提出的。著名學者Simon Haykin對認知無線電技術做了如下定義：“認知無線電是一個無線智能系統(tǒng)，能夠使用人工智能技術感知和學習周圍的環(huán)境，通過實時改變某些操作參數(shù)（比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等），使其內部狀態(tài)能夠適應不斷變化的射頻環(huán)境，以達到任何時間任何地點高度可靠通信，有效利用頻譜資源的目的。”采用認知無線電技術的用戶通過如圖2所示的認知循環(huán)來實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入。認知循環(huán)包括以下3個步驟：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)無線電的射頻信號，監(jiān)測可用頻段獲取頻譜信息，從而檢測出頻譜空洞；頻譜分析對頻譜感知獲取的頻譜空洞特性進行分析；頻譜決策根據(jù)頻譜分析的結果和用戶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 認知LoRa網(wǎng)絡體系結構設計

非授權頻帶不需要授權就可以被任何無線通信系統(tǒng)使用，在這種頻帶中，無線通信系統(tǒng)在任何時間和地點都可以動態(tài)地使用和釋放頻譜。由于LoRa終端工作于非授權頻譜，當物聯(lián)網(wǎng)應用增加時，容易出現(xiàn)其他同頻設備的干擾，所以，可靠性相對較低。為提高LoRa技術的可靠性，本文提出認知LoRa網(wǎng)絡技術，此技術既可以保證LoRa終端在通信受到干擾時保持通信的穩(wěn)定性，也可以提高頻譜資源的利用率。

當工作于非授權頻帶的LoRa網(wǎng)絡中出現(xiàn)其他通信系統(tǒng)干擾，導致基站和終端之間的通信質量不佳時，LoRa基站在授權頻帶進行頻譜感知。基站作為非授權用戶，通過頻譜感知獲得授權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。當基站檢測到有授權用戶占用了此頻譜空洞時，則基站對非授權頻帶進行感知，如果非授權頻帶信號質量恢復，則通知終端切換回原頻帶。如果非授權頻帶信號質量仍然不佳，則LoRa終端與基站之間的通信中斷。認知LoRa網(wǎng)絡體系結構如圖3所示。

認知LoRa網(wǎng)絡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個模塊。頻譜感知模塊實現(xiàn)基站對周邊無線電環(huán)境的智能感知，獲取頻譜空洞信息。常用的頻譜感知技術有能量檢測、匹配濾波器檢測、循環(huán)平穩(wěn)檢測等。當基站不能正確接收終端的數(shù)據(jù)信息時，則對授權頻譜帶進行感知，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)絡業(yè)務需求，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層增加了頻譜偵聽和頻譜切換模塊。頻譜偵聽模塊周期地偵聽基站發(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責切換頻譜，實現(xiàn)通信的穩(wěn)定性。

4 結語

目前，LoRa技術以其低成本和低能耗的特性，獲得了業(yè)界的廣泛關注。由于LoRa技術工作于非授權頻帶，隨著物聯(lián)網(wǎng)應用不斷增加，頻譜需求日益緊張，LoRa技術的可靠性不能得到有效保證。而認知無線電技術通過感知授權頻帶中的頻譜空洞，能夠有效提高頻譜利用率，保證非授權用戶的通信穩(wěn)定。本文將認知無線電技術引入LoRa網(wǎng)絡，設計了認知LoRa網(wǎng)絡體系結構，在基站物理層之上增加頻譜接入層，獲取有效的授權頻譜空洞信息。同時，在LoRa終端的MAC層，增加頻譜偵聽和頻譜切換模塊，切換至相應的頻譜空洞，維持通信鏈接，提高LoRa網(wǎng)絡的可靠性。