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提升低功耗广域网(LPWAN)抗干扰能力的四种方法
2021-09-18 10:33:07 阅读: 发布人:纵横智控

对于在免许可频谱中运行的低功耗广域网(LPWAN)来说,一个主要优势是网络成本低。然而,鉴于物联网设备呈指数级增长,共享的有限无线电资源变得越来越拥挤。为了提高服务质量(QoS)和网络可扩展性,确保LPWAN中的抗干扰能力是一项重大任务。

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了解免许可频谱中的干扰

干扰是指两个无线电信号在同一频率发生不必要的冲突,导致数据丢失。对免许可LPWAN的干扰分为两大类:

1.系统内干扰,或自干扰,是指由在同一网络内运行的设备引起的干扰,例如在MIOTY网络内或在LoRa网络内。自干扰主要归因于在许多LPWAN系统中使用ALOHA方案的异步通信。虽然大大降低了功耗,但由于终端设备之间不协调的随机数据传输,纯基于ALOHA的网络会产生显著的自干扰。

2.系统间干扰,指由来自其他系统的无线电信号引起的干扰。由于每个人都可以使用免许可证频谱,因此多种技术共存并访问相同的频率资源。例如,包括MIOTY、LoRa和Sigfox在内的大多数LPWAN技术通常使用亚千兆赫兹的工业、科学和医疗(ISM)无线电频段。类似地,另一个LPWAN玩家Ingenu与Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等共享拥挤的2.4GHz频段。

系统内和系统间干扰可能会降低网络性能并阻碍可扩展性。

LPWAN抗干扰的技术方法

在这些挑战中,强大的系统设计是确保LPWAN高抗干扰性的关键。下面我们将介绍控制和减轻系统内和系统间干扰的四种技术方法。

1.利用(超)窄带宽

与基于扩频的宽带方法相比,(超)窄带技术减轻了系统内干扰问题。每个窄带消息使用非常小的带宽,从而实现高频谱效率。因此,更多消息可以放入指定的频段而不会相互重叠,从而使更多设备能够同时有效运行而不会相互干扰。这提高了整体网络容量和系统可扩展性。最小的带宽使用还降低了每个信号的噪声水平。

将窄带消息视为摩托车,将宽带消息视为卡车。在高速公路上,我们可以承载比卡车多得多的摩托车,而不会发生交通事故。

2.减少广播时间

在许多LPWAN系统中,信号的传输时间或广播时间可长达2秒。这是有问题的,这是因为一条消息“广播”的时间越长,它就越有可能与同时发送的另一条消息发生冲突,这可能会导致数据丢失。更长的传输时间也增加了恶意和复杂攻击的机会,如选择性干扰。

3.跳频

通过在传输过程中在不同信道之间快速切换消息,跳频提高了对系统间干扰的抵抗力。恒定频率变化有助于避免信道拥塞,并使信号难以拦截。不利的一面是,跳频的频谱效率非常低,因为需要使用更大的带宽。以低速率传输的宽带信号很容易相互重叠,造成自干扰和数据丢失。

4.前向纠错(FEC)

应用信道编码或前向纠错允许检测和纠正由于噪声、干扰和衰落引起的传输错误。在不可靠或嘈杂的信道中,FEC有助于降低数字信号的误码率,提高了信号传输的可靠性,并避免代价高昂的数据重传。

到目前为止,还没有传统的LPWAN系统成功地在其系统设计中利用所有这些方法。使用(超)窄带方法的LPWAN提供了高频谱效率,但是由于非常慢的数据速率而延长了广播时间。扩频系统利用了跳频的优点,但由于使用了宽带宽,而遭受自干扰和可扩展性问题。

通过将超窄带消息拆分为多个较小的子数据包,并以伪随机时间和频率模式分发它们,电报拆分将上述4种方法的优点都应用到一个系统中。由于其体积小得多,每个子数据包的广播时间极短,仅为15毫秒。因此,与其他系统间和系统内信号发生冲突的机会大大减少。此外,即使多达50%的子数据包在此过程中丢失,内置前向纠错(FEC)也能成功检索消息。

随着物联网时代设备密度和通信流量的不断增长,低功耗广域网中的抗干扰能力将继续成为重中之重。此外,在不影响成本和能效的情况下选择稳健的技术也是如此。

关键词:lora通讯技术

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