開啟LPWAN 2.0時代的底層技術：Advanced M-FSK

導 讀
針對LPWAN通信速率低、難以覆寫及監測移動物體等問題，ZETA LPWAN最新研發了Advanced M-FSK的調制方法，它對ZETA的無線通信的調制/解調處理的物理層進行了提升優化，使ZETA能根據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的先進接識訓技術從而提升靈敏度，突破現有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、難以覆寫及監測移動物體等問題，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的調制方法，它對ZETA的無線通信的調制/解調處理的物理層進行了提升優化，使ZETA能根據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的先進接識訓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

根據香農定理，

C為傳輸速率，B為傳輸帶寬，η=C/B，為頻譜效率，

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

5G等eMBB技術重點在頻譜效率區，關注的是有限帶寬內的傳輸速率，LPWAN技術因對電池壽命要求時間長（3-5年），因此重點是在能量效率區，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程序中，是可以犧牲一定頻譜效率的，

信號傳輸距離：

其中Pt為發射功率，Pr為接收靈敏度，Gt為發射天線增益，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，發送功率受限，

所以有效利用發射功率和提高接識訓的靈敏度，成為制定LPWAN物理層技術的主要目標，

1、最大化利用發射功率，保證LPWAN通信不出現瞬時高功率的同時，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、提升接識訓的靈敏度，增強覆寫距離，如果提升接識訓6dB靈敏度即4倍，覆寫距離可以增強一倍，

3、滿足不同行業的特定資料監測需求，比如，隨著物流行業的蓬勃發展，物聯網技術不僅僅要支撐大量的靜態傳感器接入，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境的物體接入，

二、實作路徑：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，工業場景需在滿足一定覆寫距離的基礎上更重視通信速率和延時) 三大痛點，ZETA 對傳統的LPWAN技術進行了革新，提出了最新的Advanced M-FSK調制技術，使得ZETA LPWAN的物理底層技術更優：1、PAPR為零；2、利用更多的帶寬，可以傳輸更多的位元資訊，從而降低每位元傳輸的能量；3、更優的接收靈敏度，

一）關鍵引數設計能自適應使得能量效率最大化

一般M-FSK調制是在時域為1的信號在頻域上M個正交頻點上選擇一個頻點調制發送，如下圖所示，M=8，每個頻點每個符號可以調制3個位元資訊，頻點間隔為2kHz，

據上圖所示，一般的M-FSK調制技術有以下特點：1、調制資訊只在相位上改變，在幅度不變的情況下PAPR為零，從而保持低功耗特性；2、在發送功率不變的情況下帶寬增加，調制位元增多(log2(M))，3、為了減少頻譜泄露，需保持符號間相位連續，

由ZETA 提出的Advanced M-FSK進行了深度挖掘設計，最重要的引數如下：

頻點數：

其中K為這個符號所能調制的資訊位元數，頻點間隔(SubCarrier space), 以及編碼速率（code rate），

則總帶寬/速率等可以根據這幾個引數可以計算得到：

符號時長為：

位元速率為：

在一定帶寬下M越多，則SCS越小，即：

以LoRa為例，Advanced M-FSK和其幾個引數的對比情況如下：

從上面表格可以看出，相比LoRa技術，Advanced M-FSK技術發送信號更簡單，而且是基于主流的4G/5G調制技術即在頻域調制，可以充分借鑒5G的先進接識訓技術，使Advanced M-FSK的接識訓技術更簡單，性能更優，

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化，即考慮國家法規要求，又可以適應各種應用場景的速率要求（0.02-20kbps），

根據無委相關規定要求，在非授權頻譜上，終端每次發送信號，帶寬不能超過200KHz，持續時長不超過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，一個是資料發送主體，

前導幀主要作用用于接識訓的檢測和接識訓的時頻同步(即信道估計)，讓接收靈敏度更低，在低信號時，資料解調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有2FSK芯片，每個burst最長發送時間限制在1秒之內，導頻和資料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，提升資料發送時長，

SYNC幀承載著資料調制格式資訊傳送，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，覆寫為主的極低信號場景，另外兼容現有2FSK產品（比如Silicon Labs SI4463, STMicro stm32WL)，不同場景必然會導致資料幀具有不同的格式，SYNC幀通過特殊編碼方式，完成資料調制格式資訊傳輸，同時在兼容現有2FSK產品，SYNC幀保留原有格式與資訊，

資料幀即傳輸MAC層傳給物理層的有效資訊，Advanced M-FSK可支持各種速率的資料發送，整個發射程序如下，即資料編碼，白化，交織，最后是映射發送，這個程序的幾個關鍵資訊：編碼速率，重復次數，發送頻點數，決定了資料和相應接識訓靈敏度，這些關鍵資訊通過SYNC幀發送，

三）Advanced M-FSK 通過先進接識訓技術提升靈敏度

Advanced M-FSK在設計好發射端技術同時，同時通過接收端先進接識訓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，通過內外場測驗，100bps的資料速率，靈敏度可以到-144.7dBm，30bps的速率，靈敏度可以到-149.2dBm靈敏度，

接識訓的三項關鍵技術：時頻同步，資料解調，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，

更多關鍵技術介紹，欲知詳情，請聽下期分解，