【技术】比现有LPWAN技术传输速率提高3倍以上的ZETA Advanced M-FSK调制方法

时间： 2021-02-02 来源：纵行科技

针对LPWAN通信速率低、难以覆盖及监测移动物体等问题，ZETA LPWAN最新研发了Advanced M-FSK的调制方法，它对ZETA的无线通信的调制/解调处理的物理层进行了提升优化，使ZETA能根据各种应用场景的不同速率要求进行自适应，同时能充分借鉴5G的先进接收机技术从而提升灵敏度，突破现有LPWAN技术接收灵敏度上限，由此为新一代的LPWAN2.0技术的演进提供了新的思路。

Advanced M-FSK的调制方法相比目前市场上的LPWAN技术，在典型应用场景下，其传输速率提高了3倍以上，灵敏度提高了5dB以上，最高接收灵敏度能达到-150dbm。

一、LPWAN技术需寻找低功耗、长距离、适应各种不同场景的最佳方案

根据香农定理，

C为传输速率，B为传输带宽，η=C/B，为频谱效率，

下图红线即为香农定理的线，通过编码调制不断接近这个线，但永远无法越过这个线。

5G等eMBB技术重点在频谱效率区，关注的是有限带宽内的传输速率。LPWAN技术因对电池寿命要求时间长（3-5年），因此重点是在能量效率区，即每bit需要传输能量尽可能的少。即LPWAN在追求极致的能量效率的过程中，是可以牺牲一定频谱效率的。

信号传输距离：

其中Pt为发射功率，Pr为接收灵敏度，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，与方向图相关。在LPWAN中，常常使用单天线收发，发送功率受限。

所以有效利用发射功率和提高接收机的灵敏度，成为制定LPWAN物理层技术的主要目标。

1、最大化利用发射功率，保证LPWAN通信不出现瞬时高功率的同时，使功耗能量效率最大化（即PAPR）。在功率放大器设计中，线性是非常重要的指标。由于信号存在瞬时的高功率，为了保证该瞬时高功率点处的线性指标，通常采用功率回退技术来保证线性，使得信号通过功放后不失真，功率回退技术降低了功耗的效率，因此需要寻找降低平均功率比（PAPR—Peak to Average Power Ratio）。

2、提升接收机的灵敏度，增强覆盖距离。如果提升接收机6dB灵敏度即4倍，覆盖距离可以增强一倍。

3、满足不同行业的特定数据监测需求。比如，随着物流行业的蓬勃发展，物联网技术不仅仅要支撑大量的静态传感器接入，同时也需要大量支持移动包裹的接入，即支持多普勒和多径无线复杂环境的物体接入。

二、实现路径：提出自适应的Advanced M-FSK技术

为了解决“低功耗、长距离、多样化的场景需要截然不同的性能指标”（比如物流需要支持移动性，工业场景需在满足一定覆盖距离的基础上更重视通信速率和延时）三大痛点，ZETA对传统的LPWAN技术进行了革新，提出了最新的Advanced M-FSK调制技术，使得ZETA LPWAN的物理底层技术更优：

1、PAPR为零

2、利用更多的带宽，可以传输更多的比特信息，从而降低每比特传输的能量

3、更优的接收灵敏度

一）关键参数设计能自适应使得能量效率最大化

一般M-FSK调制是在时域为1的信号在频域上M个正交频点上选择一个频点调制发送。如下图所示，M=8，每个频点每个符号可以调制3个比特信息。频点间隔为2kHz。

据上图所示，一般的M-FSK调制技术有以下特点：

1、调制信息只在相位上改变，在幅度不变的情况下PAPR为零，从而保持低功耗特性

2、在发送功率不变的情况下带宽增加，调制比特增多(log2(M))

3、为了减少频谱泄露，需保持符号间相位连续

由ZETA提出的Advanced M-FSK进行了深度挖掘设计。最重要的参数如下：

频点数：

其中K为这个符号所能调制的信息比特数。频点间隔（SubCarrier space），以及编码速率（code rate）。

则总带宽/速率等可以根据这几个参数可以计算得到：

符号时长为：

比特速率为：

在一定带宽下M越多，则SCS越小，即：

以LoRa为例，Advanced M-FSK和其几个参数的对比情况如下：

从上面表格可以看出，相比LoRa技术，Advanced M-FSK技术发送信号更简单，而且是基于主流的4G/5G调制技术即在频域调制，可以充分借鉴5G的先进接收机技术，使Advanced M-FSK的接收机技术更简单，性能更优。

二）Advanced M-FSK帧结构能满足LPWAN的各种应用场景

Advanced M-FSK对帧结构设计进行了优化，既考虑国家法规要求，又可以适应各种应用场景的速率要求（0.02-20kbps）。

根据无委相关规定要求，在非授权频谱上，终端每次发送信号，带宽不能超过200KHz，持续时长不超过1秒。帧结构设计也必须满足这些要求。

Advanced M-FSK 帧结构有三部分组成，一个是前导帧，一个是SYNC帧，一个是数据发送主体。

前导帧主要作用用于接收机的检测和接收机的时频同步(即信道估计)，让接收灵敏度更低。在低信号时，数据解调对时频估计的精度特别敏感，所以导频设计也考虑到这一点，以窄带设计为主，在接收端通过低通滤波器，提升基于preamble导频的时频估计精度。另外使用2FSK技术也同时做到了可以兼容现有2FSK芯片。每个burst最长发送时间限制在1秒之内，导频和数据帧占用时间分配也要做到一种平衡，在设计时满足时频估计性能下，尽量使前导少占用时间，提升数据发送时长。

SYNC帧承载着数据调制格式信息传送，AdvancedM-FSK设计时考虑满足多种应用场景，比如速率要求高的好信号场景，覆盖为主的极低信号场景，另外兼容现有2FSK产品（比如Silicon Labs SI4463, STMicro stm32WL)。不同场景必然会导致数据帧具有不同的格式。SYNC帧通过特殊编码方式，完成数据调制格式信息传输，同时在兼容现有2FSK产品，SYNC帧保留原有格式与信息。

数据帧即传输MAC层传给物理层的有效信息，Advanced M-FSK可支持各种速率的数据发送。整个发射过程如下，即数据编码，白化，交织，最后是映射发送。这个过程的几个关键信息：编码速率，重复次数，发送频点数，决定了数据和相应接收机灵敏度。这些关键信息通过SYNC帧发送。

三）Advanced M-FSK 通过先进接收机技术提升灵敏度

Advanced M-FSK在设计好发射端技术同时，同时通过接收端先进接收机技术，使Advanced M-FSK技术在极低信号具有更好的灵敏度，与其他LPWAN技术相比：相同的速率下，具有更低的灵敏度。在同样灵敏度下，具有更高的速率。通过内外场测试，100bps的数据速率，灵敏度可以到-144.7dBm。30bps的速率，灵敏度可以到-149.2dBm灵敏度。