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導  讀

針對LPWAN通信速率低、難以覆蓋及監(jiān)測移動物體等問題，ZETA LPWAN最新研發(fā)了Advanced M-FSK的調(diào)制方法，它對ZETA的無線通信的調(diào)制/解調(diào)處理的物理層進行了提升優(yōu)化，使ZETA能根據(jù)各種應用場景的不同速率要求進行自適應，同時能充分借鑒5G的先進接收機技術從而提升靈敏度，突破現(xiàn)有LPWAN技術接收靈敏度上限，由此為新一代的LPWAN2.0技術的演進提供了新的思路。

有一種新的技術能解決LPWAN通信速率低、難以覆蓋及監(jiān)測移動物體等問題，相比目前市場上的LPWAN技術，在典型應用場景下，其傳輸速率提高了3倍以上，靈敏度提高了5dB以上，最高接收靈敏度能達到-150dbm。

該技術是ZETA LPWAN最新提出的Advanced M-FSK的調(diào)制方法，它對ZETA的無線通信的調(diào)制/解調(diào)處理的物理層進行了提升優(yōu)化，使ZETA能根據(jù)各種應用場景的不同速率要求進行自適應，同時能充分借鑒5G的先進接收機技術從而提升靈敏度，由此為新一代的LPWAN2.0技術的演進提供了新的思路。

一。LPWAN技術需尋找低功耗、長距離、適應各種不同場景的最佳方案

根據(jù)香農(nóng)定理，

C為傳輸速率，B為傳輸帶寬，η=C/B，為頻譜效率，

下圖紅線即為香農(nóng)定理的線，通過編碼調(diào)制不斷接近這個線，但永遠無法越過這個線。

5G等eMBB技術重點在頻譜效率區(qū)，關注的是有限帶寬內(nèi)的傳輸速率。LPWAN技術因?qū)﹄姵貕勖髸r間長（3-5年），因此重點是在能量效率區(qū)，即每bit需要傳輸能量盡可能的少。即LPWAN在追求極致的能量效率的過程中，是可以犧牲一定頻譜效率的。

信號傳輸距離：

其中Pt為發(fā)射功率，Pr為接收靈敏度，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，與方向圖相關。在LPWAN中，常常使用單天線收發(fā)，發(fā)送功率受限。

所以有效利用發(fā)射功率和提高接收機的靈敏度，成為制定LPWAN物理層技術的主要目標。

1、最大化利用發(fā)射功率，保證LPWAN通信不出現(xiàn)瞬時高功率的同時，使功耗能量效率最大化（即PAPR）。在功率放大器設計中，線性是非常重要的指標。由于信號存在瞬時的高功率，為了保證該瞬時高功率點處的線性指標，通常采用功率回退技術來保證線性，使得信號通過功放后不失真，功率回退技術降低了功耗的效率，因此需要尋找降低平均功率比（PAPR—Peak to Average Power Ratio）。

2、提升接收機的靈敏度，增強覆蓋距離。如果提升接收機6dB靈敏度即4倍，覆蓋距離可以增強一倍。

3、滿足不同行業(yè)的特定數(shù)據(jù)監(jiān)測需求。比如，隨著物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術不僅僅要支撐大量的靜態(tài)傳感器接入，同時也需要大量支持移動包裹的接入，即支持多普勒和多徑無線復雜環(huán)境的物體接入。

二、實現(xiàn)路徑：提出自適應的Advanced M-FSK技術

為了解決“低功耗、長距離、多樣化的場景需要截然不同的性能指標”（比如物流需要支持移動性，工業(yè)場景需在滿足一定覆蓋距離的基礎上更重視通信速率和延時） 三大痛點，ZETA 對傳統(tǒng)的LPWAN技術進行了革新，提出了最新的Advanced M-FSK調(diào)制技術，使得ZETA LPWAN的物理底層技術更優(yōu)：1、PAPR為零；2、利用更多的帶寬，可以傳輸更多的比特信息，從而降低每比特傳輸?shù)哪芰浚?、更優(yōu)的接收靈敏度。

一）關鍵參數(shù)設計能自適應使得能量效率最大化

一般M-FSK調(diào)制是在時域為1的信號在頻域上M個正交頻點上選擇一個頻點調(diào)制發(fā)送。如下圖所示，M=8，每個頻點每個符號可以調(diào)制3個比特信息。頻點間隔為2kHz。

據(jù)上圖所示，一般的M-FSK調(diào)制技術有以下特點：1、調(diào)制信息只在相位上改變，在幅度不變的情況下PAPR為零，從而保持低功耗特性；2、在發(fā)送功率不變的情況下帶寬增加，調(diào)制比特增多（log2（M））。3、為了減少頻譜泄露，需保持符號間相位連續(xù)。

由ZETA 提出的Advanced M-FSK進行了深度挖掘設計。最重要的參數(shù)如下：

頻點數(shù)：

其中K為這個符號所能調(diào)制的信息比特數(shù)。頻點間隔（SubCarrier space）， 以及編碼速率（code rate）。

則總帶寬/速率等可以根據(jù)這幾個參數(shù)可以計算得到：

符號時長為：

比特速率為：

在一定帶寬下M越多，則SCS越小，即：

以LoRa為例，Advanced M-FSK和其幾個參數(shù)的對比情況如下：

從上面表格可以看出，相比LoRa技術，Advanced M-FSK技術發(fā)送信號更簡單，而且是基于主流的4G/5G調(diào)制技術即在頻域調(diào)制，可以充分借鑒5G的先進接收機技術，使Advanced M-FSK的接收機技術更簡單，性能更優(yōu)。

二）Advanced M-FSK幀結構能滿足LPWAN的各種應用場景

Advanced M-FSK對幀結構設計進行了優(yōu)化，即考慮國家法規(guī)要求，又可以適應各種應用場景的速率要求（0.02-20kbps）。

根據(jù)無委相關規(guī)定要求，在非授權頻譜上，終端每次發(fā)送信號，帶寬不能超過200KHz，持續(xù)時長不超過1秒。幀結構設計也必須滿足這些要求。

Advanced M-FSK 幀結構有三部分組成，一個是前導幀，一個是SYNC幀，一個是數(shù)據(jù)發(fā)送主體。

前導幀主要作用用于接收機的檢測和接收機的時頻同步（即信道估計），讓接收靈敏度更低。在低信號時，數(shù)據(jù)解調(diào)對時頻估計的精度特別敏感，所以導頻設計也考慮到這一點，以窄帶設計為主，在接收端通過低通濾波器，提升基于preamble導頻的時頻估計精度。另外使用2FSK技術也同時做到了可以兼容現(xiàn)有2FSK芯片。每個burst最長發(fā)送時間限制在1秒之內(nèi)，導頻和數(shù)據(jù)幀占用時間分配也要做到一種平衡，在設計時滿足時頻估計性能下，盡量使前導少占用時間，提升數(shù)據(jù)發(fā)送時長。

SYNC幀承載著數(shù)據(jù)調(diào)制格式信息傳送，AdvancedM-FSK設計時考慮滿足多種應用場景，比如速率要求高的好信號場景，覆蓋為主的極低信號場景，另外兼容現(xiàn)有2FSK產(chǎn)品（比如Silicon Labs SI4463, STMicro stm32WL）。不同場景必然會導致數(shù)據(jù)幀具有不同的格式。SYNC幀通過特殊編碼方式，完成數(shù)據(jù)調(diào)制格式信息傳輸，同時在兼容現(xiàn)有2FSK產(chǎn)品，SYNC幀保留原有格式與信息。

數(shù)據(jù)幀即傳輸MAC層傳給物理層的有效信息，Advanced M-FSK可支持各種速率的數(shù)據(jù)發(fā)送。整個發(fā)射過程如下，即數(shù)據(jù)編碼，白化，交織，最后是映射發(fā)送。這個過程的幾個關鍵信息：編碼速率，重復次數(shù)，發(fā)送頻點數(shù)，決定了數(shù)據(jù)和相應接收機靈敏度。這些關鍵信息通過SYNC幀發(fā)送。

三）Advanced M-FSK 通過先進接收機技術提升靈敏度

Advanced M-FSK在設計好發(fā)射端技術同時，同時通過接收端先進接收機技術，使Advanced M-FSK技術在極低信號具有更好的靈敏度，與其他LPWAN技術相比：相同的速率下，具有更低的靈敏度。在同樣靈敏度下，具有更高的速率。通過內(nèi)外場測試，100bps的數(shù)據(jù)速率，靈敏度可以到-144.7dBm。30bps的速率，靈敏度可以到-149.2dBm靈敏度。

接收機的三項關鍵技術：時頻同步，數(shù)據(jù)解調(diào)，終端移動速度支持。比如，極低信噪下時頻同步性能：比較終端頻偏較大和頻偏較小兩種場景。在頻偏較小場景時，假設頻偏殘留誤差在200Hz內(nèi)為標準，靈敏度可以到-150dBm。如果一些低成本的終端，即存在較大頻偏時，靈敏度也可以到-145dBm。

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