远程通信系统与协议（广域网）

### 长距离通信系统与协议（广域网） #### 1. 5G 相关技术发展 为了提升频谱效率，可采用 D2D 和 M - MIMO 技术，同时结合空中接口的改进和新型无线电技术。频谱效率的衡量单位是 bps/Hz。4G - LTE 采用 OFDM 技术，在大数据传输方面表现出色。然而，对于物联网（IoT）和大规模机器类型通信（mMTC）而言，数据包通常较小，且 OFDM 的开销会在高密度 IoT 部署中影响延迟。因此，正在考虑设计新的波形： - **非正交多址接入（NOMA）**：允许多个用户共享无线介质。 - **滤波器组多载波（FBMC）**：通过数字信号处理器（DSP）控制子载波信号的形状，以消除旁瓣。 - **稀疏码多址接入（SCMA）**：允许将数据映射到不同码本中的不同代码。 国际电信联盟（ITU）和第三代合作伙伴计划（3GPP）的目标之一是降低延迟。降低延迟对于 5G 的一些应用场景，如交互式娱乐、虚拟现实头戴设备以及工业自动化至关重要，同时也有助于降低功耗（这也是 ITU 的目标之一）。4G - LTE 在 1ms 子帧上的延迟可达 15ms，而 5G 正朝着亚 1ms 延迟的方向发展，这将通过使用小型小区进行路由而非拥塞的宏小区来实现。此外，架构还计划实现设备到设备（D2D）通信，从而将小区基础设施从用户设备（UE）之间的通信数据路径中移除。 由于 5G 的全面部署需要数年时间，4G 系统仍将继续存在，因此需要建立一个共存期。Release 15 将为整体架构添加更多定义，如信道和频率选择。从物联网架构师的角度来看，5G 是一项值得关注和规划的技术，因为物联网设备可能需要在现场运行十多年。 #### 2. LoRa 和 LoRaWAN 技术 ##### 2.1 LoRa 和 LoRaWAN 概述 低功耗广域网（LPWAN）包含一些非 3GPP 支持的专有技术，例如 LoRa 和 Sigfox。LoRa 是长距离、低功耗物联网协议的物理层，而 LoRaWAN 代表媒体访问控制（MAC）层。这些专有 LPWAN 技术和运营商的优势在于使用无需授权的频谱，这能降低数据计划成本。与传统的 3G 或 LTE 连接相比，在大规模部署（超过 100,000 个单元）中，Sigfox 和 LoRaWAN 等技术的数据速率通常低 5 到 10 倍，但随着 Cat - M1、Cat - NB 和 Cat - 5 等技术竞争的加剧，这种情况可能会改变。 LoRa 技术最初由法国的 Cycleo 公司开发，2012 年被 Semtech 公司以 500 万美元现金收购。2015 年 3 月，LoRa 联盟成立，该联盟是 LoRaWAN 规范和技术的标准制定机构，并拥有合规和认证流程，以确保互操作性和符合标准。该联盟得到了 IBM、思科等 160 多个成员的支持。LoRaWAN 在欧洲得到了广泛应用，KPN、Proximus、Orange、Bouygues、Senet、Tata 和 Swisscom 等公司都进行了网络部署，但其他地区的覆盖范围相对较窄。 与 4G - LTE 的小小区不同，单个 LoRaWAN 网关可以覆盖较大的区域。例如，面积为 30,500 平方公里的比利时只需七个 LoRaWAN 网关就能实现全面覆盖。在城市地区，典型覆盖范围为 2 到 5 公里，在郊区可达 15 公里，这大大降低了基础设施成本。此外，由于 LoRa 处于协议栈的底层，它也被应用于与 LoRaWAN 竞争的架构中，如 Link Labs 的 Symphony Link 基于 LoRa 物理层，使用八通道、低于 1GHz 的基站进行工业和市政 IoT 部署；Haystack 的 DASH7 系统也是基于 LoRa 物理层的完整网络栈。 ##### 2.2 LoRa 物理层 LoRa 作为 LoRaWAN 网络的物理层，负责管理调制、功率、接收和发射无线电以及信号调理。其架构基于工业、科学和医疗（ISM）免许可频段： - **915MHz**：在美国使用，有功率限制但无占空比限制。 - **868MHz**：在欧洲使用，占空比为 1%和 10%。 - **433MHz**：在亚洲使用。 LoRa 使用啁啾扩频（CSS）的衍生调制技术。CSS 能够在固定信道带宽内平衡数据速率和灵敏度，最早于 20 世纪 40 年代用于军事长距离通信，通过调制啁啾脉冲对数据进行编码，对干扰、多普勒效应和多径具有很强的抗性。啁啾是随时间频率增加或减少的正弦波，由于使用整个信道进行通信，因此在抗干扰方面表现出色。LoRa 的比特率是啁啾率和符号率的函数，比特率（Rb）范围为 0.3kbps 到 5kbps，计算公式与啁啾率、符号率和带宽（B）相关。 这种调制方式允许在长距离上实现低功耗通信，数据通过频率的增减进行编码，并且可以在同一频率上以不同的数据速率发送多个传输。CSS 结合前向纠错（FEC）技术，能够在低于噪声底 19.4dB 的情况下接收信号。频段被划分为多个子频段，LoRa 使用 125kHz 信道，并分配六个 125kHz 信道进行伪随机信道跳频。帧将以特定的扩频因子进行传输，扩频因子越高，传输速度越慢，但传输范围越长。LoRa 中的帧是正交的，只要每个帧使用不同的扩频因子，就可以同时发送多个帧，总共有六个不同的扩频因子（SF = 7 到 SF = 12）。 典型的 LoRa 数据包包含前导码、头部和 51 到 222 字节的有效载荷。LoRa 网络具有自适应数据速率（ADR）这一强大功能，它可以根据节点和基础设施的密度动态扩展容量。ADR 由云端的网络管理控制，靠近基站的节点由于信号质量好，可以设置为更高的数据速率，这些节点在传输数据后可以快速释放带宽并进入睡眠状态，而距离较远的节点则以较慢的速率传输。 LoRa 上下行链路特征如下表所示： | 特征 | 上行链路 | 下行链路 | | ---- | ---- | ---- | | 调制 | CSS | CSS | | 链路预算 | 156dB | 164dB | | 比特率（自适应） | 0.3 到 5kbps | 0.3 到 5kbps | | 每个有效载荷的消息大小 | 0 到 250 字节 | 0 到 250 字节 | | 消息持续时间 | 40ms 到 1.2s | 20 到 160ms | | 每条消息消耗的能量 | Etx = 1.2s * 32mA = 11uAh（全灵敏度） | Etx = 40ms * 32mA = 0.36uAh（最小灵敏度）<br>Etx = 160ms * 11mA = 0.5uAh | ##### 2.3 LoRaWAN MAC