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摘要：低功耗遠距離通信技術是在物聯網飛速發展下衍生的一種新興技術，與現有的藍牙、WIFI、4G等無線技術相比，其技術性能更高，功能更加全面。基于此，本文通過對該技術的工作原理進行分析，從通信技術網絡整體結構、遠距離通信、功耗優化、網絡容量以及網絡安全機制等方面入手，詳細的論述了遠距離低功耗通信技術。

關鍵詞：低功耗；遠距離；無線通信技術

遠距離低功耗通信技術具有覆蓋面積大、低成本、低功耗、遠距離等特點，覆蓋面積大、遠距離意味著該技術能夠覆蓋的面積非常大，服務的用戶范圍也隨之拓寬。而低功耗可以最大限度的將電池壽命延長，使更換電池的周期變得更長。對于低成本來說，其內部收發器芯片能夠有效減少網絡部署的成本，這些優點使得該技術應用范圍更加廣泛。

1低功耗遠距離無線通信技術的工作原理

低功耗遠距離通信技術中最關鍵的技術是LoRa技術。LoRa技術又被人們稱為LongRang，是一種擴頻技術，它主要針對的是超遠距離、低功耗的無線通信，在接收信息過程中，其靈敏度最高可以達到-148dBm。同業內比較先進的技術相比，其接收靈敏度優化了至少20dB。同時這種調制通信技術不僅保持了調制過程中的低功耗性能，也大幅度增加了無線通信的范圍。LoRa調制對前向糾錯擴頻進行集成，通過線性寬帶調頻脈沖拓展頻譜，并在一定時間內利用調頻脈沖對其進行編碼。LoRa技術的通信原理主要是利用線性調頻，對頻譜進行擴展。實現線性調頻時，不需偽隨機碼，利用線性變化的頻率和恒定包絡調制技術對接收端設置的功率放大器進行處理，使之功耗降低。同時在線性調頻過程中對多徑衰落進行抵抗，從而方便無線接入。線性調頻將信號發出之后，其載頻上出現的信息脈沖會做線性變化，而其中的瞬時頻率也會隨著時間的變化而進行線性變化，從而將頻譜拓展，信息傳輸更加迅速。此外，拓展頻譜利用壓縮脈沖原理對匹配的濾波器進行解擴，在匹配濾波完畢后，隨之出現的是一種尖峰脈沖。當尖峰脈沖出現之后，對其能量進行捕捉，并檢測能量中的數據符號。壓縮脈沖的實現方法有三種，其一是聲波表面的色散壓縮；其二是數字頻域脈沖壓縮；其三是數字時域脈沖壓縮。在此過程中，單個基站或者是網關能夠覆蓋數百平方千米，該技術的通信距離取決于障礙物或者是周邊環境。它能夠利用鏈路預算法優化當前環境，促使無線通信更加順利的進行。

2低功耗遠距離無線通信技術

2.1通信技術網絡整體結構。現階段，很多通信技術上的網絡部署采用的都是網狀架構，而在網狀網絡內部，有一部分終端節點在工作過程中，需要對其他節點上接收的信息進行轉發，以此來增加網絡區域規模和通信距離。此種工作方式雖然將通信范圍擴大，但是也將網絡容量降低，同時也使網絡架構變得更加復雜，電池壽命大幅度縮減。而對于LoRa技術來說，它的網絡整體架構為星形拓撲型，在對其進行長距離連接時，可以使網關和終端節點進行直接的信息交互，大大降低了能量損耗和網絡復雜性，并將電池壽命延長。該技術的整體結構見圖一。在圖1中，LoRa技術網絡整體架構主要分為四個模塊，其一是業務服務器；其二是網絡服務器；其三是LoRa網關；其四是應用終端。在應用終端中，通過LoRa調制技術，快速實現遠距離數據傳輸，主要涵蓋應用層、MBC層以及物理層等。對于LoRa網關來說，它是一個“中繼”且是透明的，主要負責將后端服務器和前端終端設備進行連接。網關在工作時，主要是將接收到的終端數據聚集到獨立的回程中，以此對數據多路并發問題進行解決，從而實現數據的轉發和收集。在此過程中，終端設備通過單跳同網關進行通信，此時所有節點都是雙向通信。對于網絡服務器來說，主要負責處理MAC層數據，工作內容為：安全管理、網關選擇和管理、選擇數據傳輸速率、過濾數據包。對于應用服務器來說，主要是從網絡服務器中接收應用數據，并對這些數據進行處理與分析，展示應用狀態，及時告警[1]。2.2遠距離通信。在實際通信過程中，通信距離較遠時，有用信號必然會被淹沒在其中，致使信噪比大幅度降低。LoRa技術遠距離通信過程主要從以下幾方面進行考慮：1）擴頻因子。LoRa技術主要是通過擴展有效信息中的比特位，進而實現通信，而發送拓頻信息的速率，需要參考相應的符率。在此過程中，碼片速率與符率之間的比率被稱為擴頻因子，象征著轉化每個符號的碼片數目。同時在進行擴頻時，收發雙方需要提前了解對方設置的擴頻因子，由于各個擴頻因子都是互相正交的，收發雙方要始終保持一致，這樣才能確保接收到正確的信號。2）前向糾錯機制。在通信距離逐漸增加過程中，在傳輸期間，數據序列可能會產生一定的誤差，而前向糾錯機制的主要作用便是為了降低接收器接收信息的錯誤率，將冗余信息作為延長通信距離的條件。在對LoRa無線鏈路進行部署過程中，盡管這項機制需要額外的對數據進行編碼，但是在數據傳輸時會在接收端快速、準確的糾正數據序列中的錯誤碼元。此外，在應用該項機制時，如果接收到的數據是錯誤的，那么也不需要發射端對其進行重新發送，有效降低了檢錯重發的功耗[2]。2.3功耗優化。LoRa技術具有低功耗特性，其功耗優化性能主要體現在以下幾方面：恒定包絡。LoRa技術調制方案是恒定包絡，在對信號非恒包絡進行調制過程中，會形成起伏波形，同時在解調時，通過非線性功放之后，會造成頻譜擴展，致使臨道信號受到旁瓣信號干擾。對于恒定包絡來說，其信號對非線性功放不敏感，能夠不通過調制便對低功耗模塊進行重復使用。這樣可以大幅度降低解調時非恒定包絡功耗。CAD信道監測。在部署ISM頻段設備過程中，不僅有著嚴格的鏈路預算，而且在滿足其性能時，需要大量的能量對其進行支持。在此過程中，依靠MAC層和物理層提供能量，需要耗費大量的時間。LoRa技術擴展芯片傳輸范圍的同時，還會利用信道監測技術降低底噪信號功率的消耗。CAD信道監測主要是在無線模塊接收信息過程中應用。在應用時，接收模塊不必時刻等待讀取FIFO或者是中斷信號接收，在空閑時間可以設置為待機模式，且信道監測技術會對信道中的LoRa數據包進行判斷[3]。2.4網絡容量。在實際通信過程中，為了實現網絡架構遠距離傳輸數據，其網關需要具備非常高的性能和容量，這樣才能使各個節點接收信息更加方便、快速。影響網絡容量的主要因素包含：在固定時間內終端節點數據發送的次數、負載長度、數據速率以及并發通道數。現階段，芯片支持LoRa技術的寬帶是2bit/s，其中固定寬帶信道有8個，每個信道能夠支持的擴頻因子有6種，當使用的擴頻因子不同時，信道中的信號是互相正交的。而在擴頻因子不斷變化過程中，數據的有效速率也會隨之發生變化。基站會利用此特性，在同一個信道上對多個數據進行接收。同時網關和終端在選擇速率時，需要對信息發送時間、信號強度以及通信距離進行權衡，從而使終端電池獲得最大壽命，并最大化網關容量。當鏈路環境非常好時，選擇的擴頻因子可以較低；而當終端鏈路環境比較差且距離網關比較遠時，需要將擴頻因子擴大，以此來提高靈敏度。對于固定寬帶來說，其數據速率的選擇范圍在250bit/s-5kbit/s之間。這樣可以使LoRa技術網絡容量達到最高。2.5網絡安全機制。LoRa技術的網絡安全機制主要分為兩層，分別是網絡層安全和應用層安全。其中網絡層安全主要確保網絡架構中各個節點的可靠性；而對于應用層安全來說主要是防止網絡運營商對終端用戶數據進行訪問。在LoRa技術中，網絡服務器在進行數據交互前，各個終端設備需要完成網絡層密鑰獲取工作。在接入終端之后，要具備各類安全信息，如AES-128應用密鑰、應用ID、終端設備ID。其中終端設備ID的作用是對終端設備進行標識；應用ID的作用是存儲在設備中應用程序ID；而AES-128為應用程序密鑰，由這個程序的所有者對終端設備進行分配。當在網絡中加入一個終端設備時，密鑰會對終端設備進行推演，從而為其提供所需的應用密鑰和會話密鑰。

3結語

綜上所述，遠距離、低功耗通信技術是無線接入的重要技術，具有非常大的應用價值。經過上文分析可得，該項技術網絡的整體架構具有極強的優化功能，且其網關具有非常高的容量，能夠有效的實現超遠距離數據傳輸，在此過程中，對其功耗進行優化。同時在遠距離傳輸過程中，其應用層和網絡層具有良好的安全性能。

參考文獻：

[1]劉武元,侯建.低功耗遠距離無線通信技術及其軍事應用措施[J].中國新通信,2018,20(18):11.

[2]劉磊,孫超山.低功耗遠距離無線通信技術及其軍事應用分析[J].通信技術,2018,51(02):331-336.

[3]彭飛飛.低功耗長距離無線收發模塊設計與實現[D].電子科技大學,2016.

作者:張秀功 單位:原66040部隊通信站