CC1310低功耗长距离网络设计

1万 · 2020-5-15 10:29

近年来，低功耗广域网(LPWAN)技术越来越多的用于城市智慧抄表，无
人机通信，基础民用设施监测等领域。LPWAN技术是一种非常具有吸引力的技
术，它使得低成本的设备通过几百bps一几十kbps速率与基*进行远距离通信，
满足了大规模、广覆盖、低功耗的应用场景需求。目前，基于LPWAN网络关键
技术的研究与系统设计己成为物联网的一个重要研究方向。鉴于己有的N B-I O丁、
Lo R。成本高，网络下行功耗高。本文基于商用的CC1310硬件平台，设计了一
种新颖的低功耗长距离网络OPEN-WAN o
本文的主要研究内容包括三方面，C1)面向典型的应用场景，我们设计并
实现了一种适合CC1310平台轻量级的星型网络协议栈。该协议栈通过MAC层
同步和异步的混合架构、可配置的调度等实现了更加低功耗、可靠的网络上行
和网络下行。C2)针对大规模网络部署出现的子网相互干扰问题，本文给出了
大规模网络多子网划分方法，之后通过证明的方式给出了典型场景中需要使用
的信道数理论值。C3)为了更加方便的管理网络，本文实现了OPEN-WAN网络
设备监测功能。
在真实的环境中，OPEN-WAN网络最远传输距离可达1.2Km，平均功耗低
至25uA以下。该网络上行基本能够覆盖700 X 750 mZ的校园，网络下行的覆盖
半径约为300m左右。此外，OPEN-WAN网络具有适配不同速率、可扩展网络
规模以及网络部署简单的特点。

1万 · 2020-5-15 10:30

低功耗广域网(LPWAN)是一种无线通信技术，它具有覆盖范围广、小包
传输、低速率、更长的电池寿命的特点。当前低功耗广域网技术的物理层实现
主要是两种方式，一种是窄带方式，这种方式的接收带宽很窄，从而实现很远
的传输距离。另外一种方式是扩频技术与更高的发射功率，从而实现更远的传
输距离。
LoR。是一种物理层技术，它在Sub-1GHz ISM频段上调制信号，这种调制信
号使用私有的扩频技术ll]o LoR。传输速率范围300bps到37.5 kb ps，由于基*强
大的能力，LoRaWAN基*可以并行的从16个信道接收数据。LoR。支持多种扩
频因子(在7-12之间)，负责均衡传输距离与速率之间的关系。高的扩频因子
能够传输更长的距离，然而以低速率、传输时间更长作为代价，反之亦然。LoRa
的物理层将前向纠错技术(FEC)与扩频技术相结合，从而增加传输距离。LoRa
的部署和商业化由Semtech公司负责[3]，目前LoR。网络己经在世界多地进行试
点和部署。

1万 · 2020-5-15 10:30

LoRa联盟提供LoRa网络规范一LoRaWAN, LoRaWAN[4]是一种开放的协议，
用来管理网关和终端设备之间的通信。LoRaWAN有3种设备类型:具有下行链
路后上行链路(Class A)的双向通信终端设备，具有划定接收时隙的双向通信
终端设备(Class B)和始终开启的双向通信终端设备(Class C ) o Class A类设备
使用纯粹的ALOHA协议，每次上行后带有两个接收窗口，根据LoRaWAN,默认
RX1是在上行后1秒开始，RX2是上行后2秒开始。Class A设备的应用程序决
定是否切换到Class B，设备应用请求LoRaWAN协议MAC层切换到Class B，协
议栈开始搜索网关发送的Beacon(信标帧)，如果搜索成功就切换到Class B模
式。在Class B中，为了满足下行，终端设备除了要周期性开启时槽接收同步帧，
也要周期性开启ping时槽，如果检测到前导码(GFSK调制方式5字节，LoRa
调制方式8个符号[s] }射频将一直保持开启直到下行链路帧被解析。
SigFox采用超窄带物理层通信技术，调制方式为BPSK，运行在免费频段上，
如美国915MHz，欧洲868MHz[13]o SigFox每个子载波为100Hz，每天只能够传
输140个12个字节的上行消息和4个8字节的下行消息。由于子载波带宽很
窄，SigFox在868MHz (868.180-868.220MHz)频段上可以使用400个信道[6]0
SigFox网络链路是不对称的，不支持加密。与LoRaWAN的基*类似，SigFox基
站能够同时接收多个信道的消息。SigFox不仅物理层通信技术私有，网络协议
规范也是私有的，SigFox网络的部署由SigFox公司负责。据我们所知，关于SigFox
在真实场景中的网络功能和性能指标的文献少，因此我们无法对SigFox的物理
层关键技术以及网络协议栈展开更加细致的讨论。

1万 · 2020-5-15 10:31

窄带物联网(N B-I O丁)采用收费的频段，数据上行和下行采用不同的频段，
具体使用700, 800, 900MHz的频段。联通的上行频段909}915MHz，下行
954}960MHz。移动上行890}900MHz，下行934}944MHz。电信825}840MHz,
下行870885MHzo NB-旧丁的物理层带宽是200kHz，发射功率达到20+dbm[10] o
NB-to丁下行最大的速率在2-170kbps，上行速率在6-250kbps，因此NB-to丁是一
种可变速率技术。
当前华为推出的N B-I O丁正在部署当中，有关真实场景中的评估的文献较少。
一篇来自中国电信股份有限公司广州研究院的**对N B-I O丁的特性进行了介
绍和分析，包括覆盖能力、低复杂度、低功耗、低时延、移动性等。同时也介
绍了3GPP相关标准的过程、最新状态[11]。另外一篇文献则对N B-I O丁的关键技
术进行了介绍，现阶段的N B-旧丁主要支持「。。传输模式;主要支持下行。FDMA
的接入;N B-10丁下行支持两种MIMO模式，即单天线端口传输以及双天线端口
发射分集;N B-I O丁的上行和下行的重传次数分别最大可达128次，2048次;采
用符号扩频技术提高增益【12]0
NB-10丁设计了扩展的不连续接收模式(e D RX}}}g]，用来满足下行时延有要
求的业务。eDRX有两种模式:空闲模式和连接模式。当我们不需要UE那么频
繁的到达，连接模式节省能耗。空闲模式下。RX的周期最长可以扩展到43.69
分钟，而连接模式不会超过10.24秒。空闲模式的一个页传输窗口(PTW)用于
下行数据传输，我们发现这种下行的工作方式需要精确的时间同步。目前有一
些研究工作对N B-旧丁的网络下行时间同步精度给出了评估。N B-旧丁评估工作l0]
表明N B-10丁时间同步的平均偏差在36.22ms到581.78ms之间。
总的看来，LPWAN主流的网络架构是星型网络架构，传输距离受发送功率
和速率的影响。LPWAN的物理层技术为窄带技术或者扩频技术，功耗主要受到
上行传输数据量和节点的发射功率限制。根据以上LPWAN技术的总结，LPWAN
的基*(可以频分多路复用)强大，节点可以采用不同的信道与基*进行连接，
从而实现大规模的网络容量。现有的LPWAN网络架构另外的一个特点是基*的
通信能力很强，节点的通信能力较弱。与SigFox传输距离相比，LoR。网络传输
距离近，通常只有5Km ( SigFox是20Km，然而LoRa的传输速率更高。SigFox
虽然提供更远的距离，然而传输的速率只有100bps，端到端的时延开销大。N B-
旧丁采用收费的频段和依赖运行商基*，虽然能够保证时延和收包率，然而网络
的成本较高。LoR。是单独的射频芯片，要实现LoR。的组网，需要自行选择MCU,
设计相关的电路以及低功耗的优化。