ISM頻段的LPWAN物理層技術分析

吳南旭

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

0 引 言

全球物聯網連接預測在2025年呈指數增長至220億[1]。傳統無線技術無法滿足物聯網傳感器網絡的范圍、功率和成本要求。基于傳統的蜂窩技術（3G、LTE）和無線局域網（WiFi）的系統成本高且耗電量大，無法從大量傳感器設備傳輸少量數據；藍牙、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網狀拓撲來擴展其覆蓋范圍，但會增加耗電，同時還需要復雜的網絡規劃和管理。

低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network, LPWAN）克服了這些缺陷，為大規模物聯網網絡提供了高效、經濟且易于部署的解決方案，非常適合負載較小的低帶寬應用，如水電表監測、資產跟蹤和環境監測。

LPWAN中除了包括基于傳統蜂窩技術發展而來的ECGSM、NB-IoT、LTE-M技術外，還有基于ISM頻段的LoRa、SIGFOX、MIOTY技術。基于傳統蜂窩技術的演進技術，依然存在傳統蜂窩成本高、終端收聽系統廣播增加耗電、采用專用頻段等劣勢，而基于ISM頻段的LPWAN克服了這些缺點。對于LPWAN來講，其技術核心集中在物理層，因此本文對基于ISM頻段的LPWAN的物理層技術進行分析。

1 ISM頻段LPWAN概述

非授權頻段（Unlicense Band）的LPWAN 技術，使用ISM頻段，代表技術是LoRa、SIGFOX、MIOTY等。ISM無線電頻段在歐洲是868 MHz頻段，在美國是915 MHz，在亞洲是433 MHz。基于ISM頻段的LPWAN具有免頻率申請、全球通用部署的優點，相對于由公網蜂窩技術演進來的技術，LPWAN中的NB-IoT或LTE-M等在技術上尤為簡單，例如系統支持僅存在上行通信的終端、終端不需要讀取系統廣播、終端不需要同步等，因此終端成本更低、電池壽命更長。

2 主要技術分析

2.1 SIGFOX方案

2.1.1 概述

SIGFOX公司是成立于2010年的法國全球網絡運營商，由SIGFOX公司開發的SIGFOX技術是一種蜂窩式、長距離、低功耗、低速率的無線通信技術。SIGFOX無線接口主要作用是在低速率情況下消耗最少的功率，使得設備可以在5～10年內依靠電池供電運行，無需電池更換或維護。

SIGFOX采用單跳的蜂窩技術，覆蓋大范圍區域并到達地下物體[2]。截至2020年11月，SIGFOX 物聯網網絡已覆蓋全球72個國家，共580萬平方公里，覆蓋全球13億人口[3]。

SIGFOX支持單向通信或有限雙向通信。現有的SIGFOX通信標準下，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個字節的有效載荷[4]。

2.1.2 關鍵物理層技術—超窄帶

SIGFOX網絡采用了超窄帶（Ultra Narrow Band, UNB）技術，使用非常低的發射功率，同時保持穩定的數據連接。為了最大限度地降低噪聲水平并優化接收器靈敏度，超窄帶解決方案將信號帶寬縮減至100 Hz[5]。

SIGFOX早期僅支持上行通信，后來支持雙向通信。根據協議，下行通信只能在上行通信之后發生。上行：歐洲信道帶寬100 Hz，速率為100 b/s；美國信道帶寬600 Hz，速率為600 b/s；調制方式為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，共192 kHz，最大功率限制為25 mW。歐盟規定最大占空比為1%，占空比限制是為了SIGFOX與其他通信系統之間可以共同使用ISM頻帶。

圖1 SIGFOX在歐洲的上行頻率范圍

終端發送具有12字節有效負載的消息，加上各層的開銷和地址，變為208 bit，以100 b/s的速率通過空中傳輸需要2.08 s。SIGFOX基站監控整個192 kHz的頻譜并尋找UNB信號進行解調。

服務質量通過分集技術保證。終端隨機選擇頻率發出一條消息，然后再隨機選擇頻率，重復發送2次，每個傳輸間隔45 ms。終端發出的消息由附近的多個基站聯合接收，一條消息平均被3個基站接收，使用了空間、時間、頻率分集技術。SIGFOX上行信號的時間頻率分布如圖2所示。

圖2 SIGFOX上行信號的時間頻率分布

下行：信道帶寬為1.5 kHz，數據速率為600 b/s，調制格式為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，歐盟規定最大占空比為 10%。

2.1.3 超窄帶技術分析

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。當終端設備的高速移動，或終端靠近高速移動物體時（例如高速公路附近）容易造成存在多普勒效應的多徑信號，信號在100 Hz頻帶內衰減嚴重，信號接收困難。因此SIGOFX僅支持靜止節點或低速度移動的節點。

超窄帶信號發射時間長（2.08 s），容易導致數據沖突，再考慮到終端之間不同步，2.08 s中部分時間上發生沖突的概率更高。另外免許可頻段中，還存在其他共存系統的干擾，長時間的發射容易被干擾。

為了避免沖突和干擾，終端在不同頻點、不同時間，重復發送相同的數據。從頻點角度來說，系統內存在1 920個頻點可以偽隨機選擇，降低了不同終端選擇到相同頻點的概率，讓系統達到可用的狀態，但是這些措施增加了每條消息的播出時間，在時間上加劇了沖突，并且造成了功率的浪費。

2.2 LoRa技術

2.2.1 概述

LoRa屬于物理層技術，它是基于寬帶線性擴頻（Chirp Spread Spectrum, CSS）的擴頻調制技術。由法國公司 Cycleo開發[5]，后來被美國公司Semtech收購[6]。LoRaWAN定義了軟件通信協議和系統架構。LoRaWAN協議由開放的非營利LoRa聯盟管理，Semtech是該聯盟的創始成員[7]。LoRa和LoRaWAN共同定義了一種低功耗廣域網絡協議，LoRa數據速率范圍為每通道0.3～50 kb/s，覆蓋距離城區5 km，郊區15 km，通常使用150 kHz帶寬[8-9]。

2.2.2 關鍵物理層技術—寬帶線性擴頻

寬帶線性擴頻是為雷達應用而開發的，后來用于軍事和安全通信。2000年后，由于低功率、抗多徑、抗衰落、抗多普勒和抗帶內干擾等特性，在許多通信場合中得到應用。例如IEEE 802.15.4標準采用寬帶線性擴頻，用于低速率無線個域網（Low Rate-Wireless Personal Access Network, LRWPAN），比使用 O-QPSK的直接序列擴頻（DSSS）的覆蓋范圍更大、移動性更好。

LoRa中基于寬帶線性擴頻，通過產生一個寬帶線性調頻信號來實現頻率的不斷變化。使用寬帶線性擴頻后，收發容易同步且頻率偏移發射器和接收器是等效的，降低了接收器設計的復雜性。LoRa的關鍵調制流程如圖3所示。

圖3 LoRa的關鍵調制流程

LoRa調制的比特率（Bit Per Second, BPS）、符號率（Symbol Per Second, SPS）、碼片率（Chip Rate, CR）、帶寬（Band Width, BW）的關系如下：

其中，SF個bit轉變為1個符號。當上行帶寬為125 kHz時，根據上述公式列出表1。

表1 LoRa的上行物理層參數關系

SF越大，符號時間越長。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時在4.096 ms內的頻率分布。SF=7時，發送的數據比特為7×4=28個連續0；當SF=8時，發送的數據比特為8×2=16個連續的0。

圖4 SF=7時的信號時間頻率分布

圖5 SF=8時的信號時間頻率分布

在一個符號時間內，頻率覆蓋150 kHz，在開始點的起始頻率確定了符號對應的SF個bit序列。例如在SF=7的情況下，“000，0000”和“010，0000”的2個擴頻信號如圖6所示。

圖6 SF=7時的擴頻信號

2.2.3 寬帶線性擴頻的分析

LoRa在一定程度上克服了SIGFOX的數據速率極慢和多普勒衰落問題。在擴頻中，窄帶信號不斷改變頻率，占據更寬的信道帶寬。帶寬增加了處理增益，提高了信噪比。擴展因子代表處理增益，較高的擴展因子可在較低的數據速率下實現更廣的覆蓋范圍。因此LoRa可以有效地支持速度高達40 km/h的移動節點[10]。與SIGFOX信號相比，經過擴頻，LoRa更能抵御攔截和竊聽企圖。

LoRa的缺點是對頻譜利用率低，因為需要更多的帶寬來傳輸少量的數據，這會導致不良的共存行為和嚴重的可擴展性問題。在有限的sub-GHz頻譜中，高寬帶數據流量與隨機發送的純ALOHA中的不協調傳輸相結合，可能導致消息重疊并最終導致數據包錯誤。當使用高SF時，由于消息傳輸時間長，消息重疊更為嚴重。

使用不同的擴頻因子和帶寬組合（即正交性）以及更多的基站是能夠部分解決這個問題的常用方法。然而，將每個基站安排到不同的頻率需要復雜的網絡管理，并且需要線性擴頻的專業知識。

2.3 MIOTY技術

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，歐洲電信標準協會（ETSI）將MIOTY寫入TS103357 V1.1.1，作為低通量網絡（Light Traffic Network, LTN）的電報拆分-超窄帶（Telegram Splitting-UNB, TS-UNB）技術規范[9]。

MIOTY使用ISM頻帶中的上行100 kHz、下行100 kHz信道，可實現遠距離通信和組網應用，適用于大規模工業和農業物聯網部署。

2.3.2 關鍵物理層技術—電報拆分

MIOTY采用電報拆分多址（Telegram Splitting Multiple Access, TSMA）技術。TSMA是一種隨機信道接入方法：終端的一個數據包利用一個無線幀進行傳輸。在一個無線幀內，傳輸分為數個突發，一個突發承載一個數據子包。這些突發不連續地發送，突發之間有空閑間隔，且間隔的時長偽隨機分布；同時，突發使用的頻率也呈偽隨機分布。基站僅需要接收一部分突發即可對傳輸的有效載荷進行解碼，因此該方法提供了高抗干擾能力，無論干擾是來自系統內或系統外。

偽隨機分布來源：數據包內容確定的頻率偏移模式、時間偏移模式；終端的晶振偏差；終端不同步造成的隨機訪問信道。

任何時候終端只要有可用的傳輸數據，就發起通信，無需網絡同步。下行鏈路通信由上行鏈路傳輸觸發。在接收到上行鏈路傳輸之后，基站可以在一個定義的時間后發送下行鏈路傳輸。

MIOTY的調制方式為GMSK，符號傳送率為2 380.371符號/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。

以上行標準模式為例：在帶寬100 kHz的情況下，載波的間隔為2 380.371 Hz；在一個無線幀內，載波精度為±5.0 Hz。1個有效字節為10 Byte的數據包，加上各層的幀頭、地址、CRC等開銷，在物理層擴展為576 bit，劃分為24個子包，每個子包含24 bit，在子包中間插入12 bit的導頻碼，這樣一個子包，包括36個比特（符號）。子包的結構及間隔如圖7所示。

圖7 子包的結構及間隔

1個子包的傳送時間為36/2 380=15.12 ms，這樣24個子包的總發送時間為363 ms。注意到兩個子包之間存在時間間隔，間隔的定義是連續兩個子包中間的間隔。這個間隔是根據時間偏移模式進行隨機分布，例如間隔為330或587個符號。MIOTY數據子包的時間頻率分布如圖8所示。

圖8 MIOTY數據子包的時間頻率分布

一個數據包中的子包，根據頻率偏移模式，偽隨機地分布在24個頻率上，占用的100 kHz中的60.233 kHz。即使多達50%的子數據包受到影響，前向糾錯也可確保在基站檢索到完整的消息。

2.3.3 電報拆分的分析

終端發射一個數據包，拆分成按時間、頻率偽隨機分布的24個數據子包，使用24個頻點，頻帶利用了100 kHz中的60%，發射時間僅占10%，而且前向糾錯保證在50%的數據子包受到干擾情況下可以正常接收數據包，因此電報拆分具有非常高的抗干擾性和系統容量。

單個基站每天能夠處理超過100萬條消息。此外，在工業物聯網等效場景中，電報拆分已被證明在消息傳遞性和網絡可靠性方面大大優于LoRa中的寬帶線性調頻擴頻。

除了服務質量之外，電報拆分同時提供了能耗優勢。每個子數據包傳輸后，節點進入“睡眠模式”的無傳輸時間明顯更長。較短的發射時間（36個符號）和較長間隔時間（330個符號或以上）可最大限度地降低功耗，同時讓電池有時間恢復，從而顯著延長電池壽命。

與相干解調相結合的子數據包空中接口的時間短，進一步減小了多普勒衰落效應。即使某些子數據包遭受深度衰減，前向糾錯也能確保受到的影響最小。Telegram Splitting系統可以連接以高達120 km/h速度移動的終端節點[5]，大大優于SIGFOX和LoRa。

3 結 語

本文分析了SIGFOX、LoRa、MIOTY物理層技術的各自特點。MIOTY相較于LoRa、SIGFOX，在物理層信號方面優點突出：降低沖突、針對電池優化發射、抗多普勒、抗多徑等，因此MIOTY在系統容量、節電、速率方面代表新一代LPWAN的高水平，為工業和商業市場中的大規模物聯網部署提供了強大、可擴展和節能的架構。