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一粒金砂(初级)

开启LPWAN 2.0时代的底层技术:Advanced M-FSK [复制链接]

“ 导  读    

针对LPWAN通信速率低、难以覆盖及监测移动物体等问题,ZETA LPWAN最新研发了Advanced M-FSK的调制方法,它对ZETA的无线通信的调制/解调处理的物理层进行了提升优化,使ZETA能根据各种应用场景的不同速率要求进行自适应,同时能充分借鉴5G的先进接收机技术从而提升灵敏度,突破现有LPWAN技术接收灵敏度上限,由此为新一代的LPWAN2.0技术的演进提供了新的思路。

 

有一种新的技术能解决LPWAN通信速率低、难以覆盖及监测移动物体等问题,相比目前市场上的LPWAN技术,在典型应用场景下,其传输速率提高了3倍以上,灵敏度提高了5dB以上,最高接收灵敏度能达到-150dbm。

该技术是ZETA LPWAN最新提出的Advanced M-FSK的调制方法,它对ZETA的无线通信的调制/解调处理的物理层进行了提升优化,使ZETA能根据各种应用场景的不同速率要求进行自适应,同时能充分借鉴5G的先进接收机技术从而提升灵敏度,由此为新一代的LPWAN2.0技术的演进提供了新的思路。

 

一.LPWAN技术需寻找低功耗、长距离、适应各种不同场景的最佳方案

根据香农定理,

 

 

C为传输速率,B为传输带宽,η=C/B,为频谱效率,

下图红线即为香农定理的线,通过编码调制不断接近这个线,但永远无法越过这个线。

 

5G等eMBB技术重点在频谱效率区,关注的是有限带宽内的传输速率。LPWAN技术因对电池寿命要求时间长(3-5年),因此重点是在能量效率区,即每bit需要传输能量尽可能的少。即LPWAN在追求极致的能量效率的过程中,是可以牺牲一定频谱效率的。

 

 

信号传输距离:

其中Pt为发射功率,Pr为接收灵敏度,Gt为发射天线增益,Gr为接收天线增益,与方向图相关。在LPWAN中,常常使用单天线收发,发送功率受限。

 

所以有效利用发射功率和提高接收机的灵敏度,成为制定LPWAN物理层技术的主要目标。

 

1、最大化利用发射功率,保证LPWAN通信不出现瞬时高功率的同时,使功耗能量效率最大化(即PAPR)。在功率放大器设计中,线性是非常重要的指标。由于信号存在瞬时的高功率,为了保证该瞬时高功率点处的线性指标,通常采用功率回退技术来保证线性,使得信号通过功放后不失真,功率回退技术降低了功耗的效率,因此需要寻找降低平均功率比(PAPR—Peak to Average Power Ratio)。

 

2、提升接收机的灵敏度,增强覆盖距离。如果提升接收机6dB灵敏度即4倍,覆盖距离可以增强一倍。

 

3、满足不同行业的特定数据监测需求。比如,随着物流行业的蓬勃发展,物联网技术不仅仅要支撑大量的静态传感器接入,同时也需要大量支持移动包裹的接入,即支持多普勒和多径无线复杂环境的物体接入。

 

二、实现路径:提出自适应的Advanced M-FSK技术

为了解决“低功耗、长距离、多样化的场景需要截然不同的性能指标”(比如物流需要支持移动性,工业场景需在满足一定覆盖距离的基础上更重视通信速率和延时) 三大痛点,ZETA 对传统的LPWAN技术进行了革新,提出了最新的Advanced M-FSK调制技术,使得ZETA LPWAN的物理底层技术更优:1、PAPR为零;2、利用更多的带宽,可以传输更多的比特信息,从而降低每比特传输的能量;3、更优的接收灵敏度。

 

一)关键参数设计能自适应使得能量效率最大化

 

一般M-FSK调制是在时域为1的信号在频域上M个正交频点上选择一个频点调制发送。如下图所示,M=8,每个频点每个符号可以调制3个比特信息。频点间隔为2kHz。

 

据上图所示,一般的M-FSK调制技术有以下特点:1、调制信息只在相位上改变,在幅度不变的情况下PAPR为零,从而保持低功耗特性;2、在发送功率不变的情况下带宽增加,调制比特增多(log2(M))。3、为了减少频谱泄露,需保持符号间相位连续。

 

由ZETA 提出的Advanced M-FSK进行了深度挖掘设计。最重要的参数如下:

 

频点数:

其中K为这个符号所能调制的信息比特数。频点间隔(SubCarrier space), 以及编码速率(code rate)。

 

则总带宽/速率等可以根据这几个参数可以计算得到:

符号时长为:

 

比特速率为:

 

在一定带宽下M越多,则SCS越小,即:

以LoRa为例,Advanced M-FSK和其几个参数的对比情况如下:

 

 

 

从上面表格可以看出,相比LoRa技术,Advanced M-FSK技术发送信号更简单,而且是基于主流的4G/5G调制技术即在频域调制,可以充分借鉴5G的先进接收机技术,使Advanced M-FSK的接收机技术更简单,性能更优。

 

二)Advanced M-FSK帧结构能满足LPWAN的各种应用场景

 

Advanced M-FSK对帧结构设计进行了优化,即考虑国家法规要求,又可以适应各种应用场景的速率要求(0.02-20kbps)。

 

根据无委相关规定要求,在非授权频谱上,终端每次发送信号,带宽不能超过200KHz,持续时长不超过1秒。帧结构设计也必须满足这些要求。

 

 

Advanced M-FSK 帧结构有三部分组成,一个是前导帧,一个是SYNC帧,一个是数据发送主体。

 

前导帧主要作用用于接收机的检测和接收机的时频同步(即信道估计),让接收灵敏度更低。在低信号时,数据解调对时频估计的精度特别敏感,所以导频设计也考虑到这一点,以窄带设计为主,在接收端通过低通滤波器,提升基于preamble导频的时频估计精度。另外使用2FSK技术也同时做到了可以兼容现有2FSK芯片。每个burst最长发送时间限制在1秒之内,导频和数据帧占用时间分配也要做到一种平衡,在设计时满足时频估计性能下,尽量使前导少占用时间,提升数据发送时长。

 

SYNC帧承载着数据调制格式信息传送,AdvancedM-FSK设计时考虑满足多种应用场景,比如速率要求高的好信号场景,覆盖为主的极低信号场景,另外兼容现有2FSK产品(比如Silicon Labs SI4463, STMicro stm32WL)。不同场景必然会导致数据帧具有不同的格式。SYNC帧通过特殊编码方式,完成数据调制格式信息传输,同时在兼容现有2FSK产品,SYNC帧保留原有格式与信息。

 

数据帧即传输MAC层传给物理层的有效信息,Advanced M-FSK可支持各种速率的数据发送。整个发射过程如下,即数据编码,白化,交织,最后是映射发送。这个过程的几个关键信息:编码速率,重复次数,发送频点数,决定了数据和相应接收机灵敏度。这些关键信息通过SYNC帧发送。

 

 

三)Advanced M-FSK 通过先进接收机技术提升灵敏度

 

Advanced M-FSK在设计好发射端技术同时,同时通过接收端先进接收机技术,使Advanced M-FSK技术在极低信号具有更好的灵敏度,与其他LPWAN技术相比:相同的速率下,具有更低的灵敏度。在同样灵敏度下,具有更高的速率。通过内外场测试,100bps的数据速率,灵敏度可以到-144.7dBm。30bps的速率,灵敏度可以到-149.2dBm灵敏度。

 

 

接收机的三项关键技术:时频同步,数据解调,终端移动速度支持。比如,极低信噪下时频同步性能:比较终端频偏较大和频偏较小两种场景。在频偏较小场景时,假设频偏残留误差在200Hz内为标准,灵敏度可以到-150dBm。如果一些低成本的终端,即存在较大频偏时,灵敏度也可以到-145dBm。

 

 

更多关键技术介绍,欲知详情,请听下期分解。

 

END

ZETA联盟

ZETA ALLIANCE

 

共创物联、共赢商机

此帖出自RF/无线论坛

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