272|0

4

帖子

0

资源

一粒金砂(初级)

开启LPWAN 2.0时代的底层技术:Advanced M-FSK(二) [复制链接]

导  读

ZETA Advanced M-FSK是LPWAN领域的“5G”,5G实现了移动宽带领域的更高速率,Advanced M-FSK则实现了LPWAN领域的更广覆盖。

 

上一篇重点介绍了纵行科技研发的Advanced M-FSK调制技术的需求来源,基本原理和帧结构,得到了众网友的认可,意犹未尽,本文继续介绍Advanced M-FSK的一些重要理念。总结一句话:Advanced M-FSK是5G在LPWAN的领域延申,是LPWAN领域的“5G”。5G实现了移动宽带领域的更高速率,Advanced M-FSK则实现了LPWAN领域的更广覆盖。与LoRa技术相比,具有更好的扩展性,可以接近兆级别的速率,极大的扩展了ZETA LPWAN的应用场景。

  

注:以上表格传输宽带为120kHz

 

这里再简单的回顾Advanced M-FSK的调制技术,如下表所示:

 表1: Advanced M-FSK与LoRa关键参数对比

 

LoRa

Advanced M-FSK

备注

调制比特数

时域因子SF

频域因子K

 

信号

CSS(Chirp-Spread-Spectrum)

1/BPSK/QPSK/8PSK

Advanced M-FSK可以灵活的支持相位调制

带宽

BW

 

载波间隔

 

对应LoRa的

码片时长

 

对应Advanced M-FSK的

符号时长

 

比特速率

 

频谱效率

 

 

Advanced M-FSK调制技术参数包括:传输频域总带宽BW(不含保护带宽)、频点间隔SCS(SubCarrier space)、信道编码速率CR(Code Rate)。由频点间隔SCS和传输总带宽BW得到频域因子(根据载波频点数所能传输的比特数);为了保证频点间正交,符号时长至少为。根据频域因子、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率和比特速率,具体推导过程为:

 

频率因子:

 

比特速率:

 

频谱效率:

 

 

Advanced M-FSK中的参数SCS把Advanced M-FSK和5G联系起来了。

 

Advanced M-FSK是5G在LPWAN领域的延申,是LPWAN领域的“5G”

 

在5G 领域,随着带宽增加,时延需求提高,以及频带不断向上扩展从sub 3GHz扩展到sub 6GHz到毫米波。引入了可扩展的(Scalable)载波间隔参数,以适应各种场景。

 

 

其中支持表格如下,可以看出,SCS是随着传输速率增加而不断变大:

 

表2: 5G的SCS与速率关系

n

SCS

应用频带

约使用带宽

速率

0

15kHz

Sub 2G/Sub3G

20MHz

100Mbps

1

30kHz

Sub 3G/C band

100MHz

1Gbps

2

60kHz

Sub 6G

200MHz

2Gbps

3

120kHz

Sub 30G

400MHz

4Gbps

4

240kHz

Sub 30G

800MHz

10Gbps

 

 

LPWAN应用场景以低频触发低速率应用为主,如抄表,标签信息等,数据量少要求覆盖远为主,所以Advanced M-FSK主要考虑覆盖远的要求,频带以sub 1GHz为主。假设传输带宽以120kHz为例,随着SCS变小,速率更小,同样可以获得更远的覆盖:

 

表3: Advanced M-FSK的SCS与速率关系

n

SCS

带宽

速率

0

15kHz

120kHz

45kbps

-1

7.5kHz

120kHz

30kbps

-2

3.75kHz

120kHz

18.75kbps

-3

3.75/2kHz

120kHz

11.25kbps

-5

3.75/8kHz

120kHz

3.75kbps

 

 

如上所述,5G的SCS通过2的幂次增长,不断获得更高的速率;而Advanced M-FSK则通过2的幂次负增长,不断的获得更远的覆盖。

 

下面用一张图形象的表达Advanced M-FSK与5G在不同方向与维度的比较,可以看出为了追求极高的速率和极致的覆盖,他们是向相反的方向走的:

 

 

总结表格如下:

 

表4: Advanced M-FSK与5G关键参数对比

 

5G

Advanced M-FSK

调制方式

OFDM/SC-FDMA

M-FSK

频带

高频段/毫米波

低频段

带宽

宽带

窄带

载波间隔

频谱效率

能量效率

速率

较低

覆盖

较近

广

 

 

综上所述,5G通过SCS实现高带宽下的高速率,ZETA Advanced M-FSK则通过SCS实现窄带宽的广覆盖,因此Advanced M-FSK是5G在LPWAN领域(即低速率和广覆盖)的补充和扩展,Advanced M-FSK是LPWAN领域的5G。

 

Advanced M-FSK相比LoRa具有更高频谱效率,同等带宽下速率更高

 

Advanced M-FSK在能量效率基础上,同样可以不断的增加频谱效率,从而增加速率,提升Advanced M-FSK场景应用范围。

 

Advanced M-FSK相比LoRa频域因子K具有更大的灵活性。Advanced M-FSK与5G类似,为了提升速率,增大频点间隔SCS,即使频域因子K变小。

 

表5:Advanced M-FSK的SCS与速率关系

带宽

K

CR

SCS

速率

120kHz

2

1

30kHz

60kbps

120kHz

3

1

15kHz

45kbps

 

 

LoRa的技术也是通过改变时域SF和带宽两个参数,选择合适的速率。如果带宽一定,选择SF越小,则速率越大,理论上选择SF=1,速率最高。但实际应用中,市场上并未出现支持SF=1的产品,SF至少要大于等于6,实际上原因是CSS信号在SF=1的情况下并不容易发送,即在短时间内发送完整的CSS信号很困难。而Advanced M-FSK对频域因子没有限制,所以Advanced M-FSK具有更好的扩展性。

 

Advanced M-FSK相比LoRa具有相位调制功能。Advanced M-FSK与5G类似,可以通过增加相位调制增加频谱效率。5G是QAM调制,即在幅度和相位上同时调制信息;Advanced M-FSK为了保证能量效率,只进行相位的调制。而LoRa是无法调制相位的,即如表1所示,LoRa只能发送CSS信号,此信号并没有任何其他调制信息,所以无法额外发送比特。下图是相位调制示意图,8PSK每个符号可以额外发送3比特。

 

 

下表示意不同带宽通过增加相位调制获得速率:

 

表6:不同相位调制对速率的影响

带宽

K

CR

SCS

 

无相位速率

调制

相位调制速率

960kHz

4

1

60kHz

240kbps

32-PSK

540kbps

120kHz

1

1

60kHz

60kbps

32-PSK

360kbps

120kHz

2

1

30kHz

60kbps

32-PSK

210kbps

120kHz

2

1

30kHz

60kbps

8-PSK

150kbps

120kHz

3

1

15kHz

45kbps

BPSK

60kbps

120kHz

4

1

7.5kHz

30kbps

None

30kbps

 

 

从以上描述可以看出,Advanced M-FSK相比LoRa具有更高的频谱效率,在带宽上更容易扩展,可以在相位上调制信息。使Advanced M-FSK相比LoRa在sub 1GHz有限带宽内能满足对数据量要求更高的应用场景。如果在非授权更高频段内(比如2.4/5GHz),在保证终端的能量效率内,能满足兆级别数据的传输,因此可以应用到更广的工业场景中。

 

总结

 

本文在上一篇基础上,进一步通过5G的物理层基本重要参数SCS介绍了Advanced M-FSK技术,以及通过相位调制参数使Advanced M-FSK在有限带宽内能达到更高速率,相信大家也更进一步理解了Advanced M-FSK的精髓。LoRa技术是基于时域扩频技术发展起来的,在相对较高带宽时面临着种种限制,而Advanced M-FSK技术充分借鉴5G中创新性的基础概念SCS,打破了相对高带宽的限制,是LPWAN领域的5G。Advanced M-FSK无论在峰值速率还是覆盖范围的可扩展性方面,Advanced M-FSK都显著超过了LoRa技术,为行业提供了另外一种更低成本的LPWAN连接技术路径。

 

截止目前本系列文章仅介绍了Advanced M-FSK发送端设计理念,接收机方面设计如何?如果点赞较多,还有更详细分析。

此帖出自RF/无线论坛

回复
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

最新文章 更多>>
    关闭
    站长推荐上一条 1/4 下一条

    About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

    站点相关: 安防电子 汽车电子 手机便携 工业控制 家用电子 医疗电子 测试测量 网络通信 物联网

    北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

    电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2021 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
    快速回复 返回顶部 返回列表