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對于在免許可頻譜中運(yùn)行的低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)來說，一個(gè)主要優(yōu)勢是網(wǎng)絡(luò)成本低。然而，鑒于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備呈指數(shù)級增長，共享的有限無線電資源變得越來越擁擠。為了提高服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 和網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性，確保 LPWAN 中的抗干擾能力是一項(xiàng)重大任務(wù)。

了解免許可頻譜中的干擾

干擾是指兩個(gè)無線電信號(hào)在同一頻率發(fā)生不必要的沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。對免許可 LPWAN 的干擾分為兩大類：

1、系統(tǒng)間干擾，指由來自其他系統(tǒng)的無線電信號(hào)引起的干擾。由于每個(gè)人都可以使用免許可證頻譜，因此多種技術(shù)共存并訪問相同的頻率資源。例如，包括 MIOTY、LoRa 和 Sigfox 在內(nèi)的大多數(shù) LPWAN 技術(shù)通常使用亞千兆赫茲的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 無線電頻段。類似地，另一個(gè) LPWAN 玩家 Ingenu 與 Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee 等共享擁擠的 2.4 GHz 頻段。

2、系統(tǒng)內(nèi)干擾，或自干擾，是指由在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)運(yùn)行的設(shè)備引起的干擾，例如在 MIOTY 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)或在 LoRa 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。自干擾主要?dú)w因于在許多LPWAN系統(tǒng)中使用ALOHA方案的異步通信。雖然大大降低了功耗，但由于終端設(shè)備之間不協(xié)調(diào)的隨機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，純基于ALOHA的網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生顯著的自干擾。

系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)干擾可能會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)性能并阻礙可擴(kuò)展性。

LPWAN抗干擾的技術(shù)方法

在這些挑戰(zhàn)中，強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是確保 LPWAN 高抗干擾性的關(guān)鍵。下面我們將介紹控制和減輕系統(tǒng)間和/或系統(tǒng)內(nèi)干擾的4種技術(shù)方法。

1、利用(超)窄帶寬

與基于擴(kuò)頻的寬帶方法相比，(超)窄帶技術(shù)減輕了系統(tǒng)內(nèi)干擾問題。每個(gè)窄帶消息使用非常小的帶寬，從而實(shí)現(xiàn)高頻譜效率。因此，更多消息可以放入指定的頻段而不會(huì)相互重疊，從而使更多設(shè)備能夠同時(shí)有效運(yùn)行而不會(huì)相互干擾。這提高了整體網(wǎng)絡(luò)容量和系統(tǒng)可擴(kuò)展性。 最小的帶寬使用還降低了每個(gè)信號(hào)的噪聲水平。

將窄帶消息視為摩托車，將寬帶消息視為卡車。在高速公路上，我們可以承載比卡車多得多的摩托車，而不會(huì)發(fā)生交通事故。

2、減少廣播時(shí)間

在許多 LPWAN 系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸時(shí)間或廣播時(shí)間可長達(dá)2秒。這是有問題的，這是因?yàn)橐粭l消息“廣播”的時(shí)間越長,它就越有可能與同時(shí)發(fā)送的另一條消息發(fā)生沖突，這可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。更長的傳輸時(shí)間也增加了惡意和復(fù)雜攻擊的機(jī)會(huì)，如選擇性干擾。

3、跳頻

通過在傳輸過程中在不同信道之間快速切換消息，跳頻提高了對系統(tǒng)間干擾的抵抗力。恒定頻率變化有助于避免信道擁塞，并使信號(hào)難以攔截。不利的一面是，跳頻的頻譜效率非常低，因?yàn)樾枰褂酶蟮膸挕Ｒ缘退俾蕚鬏數(shù)膶拵盘?hào)很容易相互重疊，造成自干擾和數(shù)據(jù)丟失。

4、前向糾錯(cuò)(FEC)

應(yīng)用信道編碼或前向糾錯(cuò)允許檢測和糾正由于噪聲、干擾和衰落引起的傳輸錯(cuò)誤。在不可靠或嘈雜的信道中，F(xiàn)EC 有助于降低數(shù)字信號(hào)的誤碼率，提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，并避免代價(jià)高昂的數(shù)據(jù)重傳。

到目前為止，還沒有傳統(tǒng)的 LPWAN 系統(tǒng)成功地在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用所有這些方法。使用(超)窄帶方法的LPWAN提供了高頻譜效率，但是由于非常慢的數(shù)據(jù)速率而延長了廣播時(shí)間。擴(kuò)頻系統(tǒng)利用了跳頻的優(yōu)點(diǎn)，但由于使用了寬帶寬，而遭受自干擾和可擴(kuò)展性問題。

通過將超窄帶消息拆分為多個(gè)較小的子數(shù)據(jù)包，并以偽隨機(jī)時(shí)間和頻率模式分發(fā)它們，電報(bào)拆分將上述4種方法的優(yōu)點(diǎn)都應(yīng)用到一個(gè)系統(tǒng)中。由于其體積小得多，每個(gè)子數(shù)據(jù)包的廣播時(shí)間極短，僅為 15 毫秒。因此，與其他系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)發(fā)生沖突的機(jī)會(huì)大大減少。此外，即使多達(dá) 50% 的子數(shù)據(jù)包在此過程中丟失，內(nèi)置前向糾錯(cuò)(FEC)也能成功檢索消息。 

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代設(shè)備密度和通信流量的不斷增長，低功耗廣域網(wǎng)中的抗干擾能力將繼續(xù)成為重中之重。此外，在不影響成本和能效的情況下選擇穩(wěn)健的技術(shù)也是如此。