擴(kuò)頻通信概念
擴(kuò)頻通信(SSC),，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特點(diǎn)是其傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬,。
增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求,，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低,。擴(kuò)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比上的好處,，這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。
擴(kuò)頻技術(shù)即是將信息信號(hào)的帶寬擴(kuò)展很多倍進(jìn)行通信的技術(shù),。傳輸信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于信息信號(hào)的帶寬,。例如，傳輸一個(gè)64Kbps的數(shù)據(jù)流,，其基帶帶寬只有64KHz左右,，但用擴(kuò)頻技術(shù)傳送時(shí),，它所占據(jù)的信道帶寬可以被擴(kuò)展到5MHz，10MHz,，甚至更大,。與此同時(shí)，發(fā)射到空間的無線電功率譜（單位帶寬內(nèi)具有的功率）,，也將大大的降低,。
這樣一來，是否頻率資源會(huì)更緊張,，答案是否定的,。1990年以來，擴(kuò)頻通信的理論和實(shí)踐都已證明,，眾多用戶共享這同一帶寬,，它所容納的用戶數(shù)，不但比傳統(tǒng)的頻分多址方式（FDMA）多,，也比近十年來廣泛使用的時(shí)分多址方式（TDMA）要多,。
為何使用擴(kuò)頻技術(shù)
一、擴(kuò)大帶寬,、減少干擾
當(dāng)擴(kuò)頻因子為1時(shí),，數(shù)據(jù)1就用“1”來表示，擴(kuò)頻因子為4時(shí),，可能用“1011”來表示1,，這樣傳輸?shù)臅r(shí)候可以降低誤碼率也就是信噪比，但是卻減少了可以傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù),，所以,，擴(kuò)頻因子越大，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)率就越小,。
擴(kuò)頻前后,，時(shí)域仿真對(duì)比。
二,、根據(jù)對(duì)速率的不同要求分配不同數(shù)量的碼道,，提高利用率
擴(kuò)頻因子還有另一個(gè)用途，那就是正交碼（OVSF:OrthogonalVariableSpreadingFactor,，正交可變擴(kuò)頻因子）,，通過OVSF可以獲得正交的擴(kuò)頻碼,，擴(kuò)頻因子為4時(shí)有4個(gè)正交的擴(kuò)頻碼，正交的擴(kuò)頻碼可以讓同時(shí)傳輸?shù)臒o線信號(hào)互不干擾,，也就是說,，擴(kuò)頻因子為4時(shí)，可以同時(shí)傳輸4個(gè)人的信息,。
語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)臄?shù)率要求不一樣,，所以他們擴(kuò)頻因子不一樣。
擴(kuò)頻因子SpreadingFactor(SF)
擴(kuò)頻因子用途(信道化碼：OVSFcodes)
上行：在同一UE進(jìn)行多碼道傳輸時(shí),，區(qū)分不同的物理信道,；
下行：區(qū)分同一小區(qū)下的不同物理信道；
例如：
采用LoRa擴(kuò)頻傳輸技術(shù)433MHz模塊APC340,，傳輸距離與穿透能力相比于傳統(tǒng)FSK,GFSK等有0.5-0.8倍的提升,，每種可選速率選用不同的擴(kuò)頻因子，擴(kuò)頻因子降1,，速率降低約一半,，帶寬增加一倍,，速率相應(yīng)增加約一倍,，但擴(kuò)頻因子、速率,、占用帶寬并非完全線性比例關(guān)系：
可選速率/擴(kuò)頻因子/占用帶寬：0.81K/10/125K,1.46K/9/125K,2.6K/8/125K,4.56K/7/125K,9.11K/7/250K,18.23K/7/500K
擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn)
1.發(fā)射功率密度低,，不易對(duì)其他設(shè)備造成干擾。
2.保密性高,，被截獲的可能性極低,。
3.抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)同頻干擾及各種噪聲具有極強(qiáng)的抑制能力,。
4.具有極好的抗多徑衰落性能,。
擴(kuò)頻通信原理
常規(guī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信原理是使用與數(shù)據(jù)速率相適應(yīng)的盡可能小的帶寬。這是因?yàn)閹挃?shù)是有限的,，而且有很多的用戶要分享,。
擴(kuò)頻通信的原理是盡可能使用最大帶寬數(shù),同樣的能量在一個(gè)大的帶寬上傳播。
這里擴(kuò)頻帶寬的很小部分與常規(guī)無線信號(hào)相干擾,，但常規(guī)無線信號(hào)不影響擴(kuò)頻信號(hào),，這是因?yàn)閮烧呦啾瘸Ｒ?guī)信號(hào)帶寬很窄,。
擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（Spread SpectrumCommunication）,，它的基本特點(diǎn)是其傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬,。除此以外，擴(kuò)頻通信還具有如下特征:
1是一種數(shù)字傳輸方式,；
2帶寬的展寬是利用與被傳信息無關(guān)的函數(shù)(擴(kuò)頻函數(shù))對(duì)被傳信息進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的,；
3在接收端使用相同的擴(kuò)頻函數(shù)對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，還原出被傳信息,。
根據(jù)香農(nóng)(C.E.Shannon)在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式,，即香農(nóng)公式：
C = W×Log2(1+S/N)
式中：C--信息的傳輸速率 S--有用信號(hào)功率 W--頻帶寬度 N--噪聲功率
由式中可以看出：
為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn),，既加大帶寬W或提高信噪比S/N,。換句話說，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率C一定時(shí),，信號(hào)帶寬W和信噪比S/N是可以互換的,，即增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度,，允許信噪比進(jìn)一步降低,，有用信號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴(kuò)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比上的好處,，這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù),。
擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號(hào)頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息,，這樣的系統(tǒng)帶來的好處是大大提高了抗干擾容限,。理論分析表明，各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能與信息頻譜擴(kuò)展后的擴(kuò)頻信號(hào)帶寬比例有關(guān),。一般把擴(kuò)頻信號(hào)帶寬W與信息帶寬△F之比稱為處理增益GP,，即：
它表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。除此之外,，擴(kuò)頻系統(tǒng)的其他一些性能也大都與GP有關(guān),。因此，處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。
系統(tǒng)的抗干擾容限MJ定義如下：
式中：（S/N）,。= 輸出端的信噪比,，
LS = 系統(tǒng)損耗
由此可見，抗干擾容限MJ與擴(kuò)頻處理增益GP成正比,，擴(kuò)頻處理增益提高后,，抗干擾容限大大提高，甚至信號(hào)在一定的噪聲湮沒下也能正常通信,。通常的擴(kuò)頻設(shè)備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十倍,、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益,。
頻譜的擴(kuò)展是用數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)的,。在一個(gè)二進(jìn)制碼位的時(shí)段內(nèi)用一組新的多位長的碼型予以置換，新碼型的碼速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出原碼的碼速率,，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出原碼的帶寬,，從而將信號(hào)的帶寬進(jìn)行了擴(kuò)展。這些新的碼型也叫偽隨機(jī)（PN）碼,，碼位越長系統(tǒng)性能越高,。通常,，商用擴(kuò)頻系統(tǒng)PN碼碼長應(yīng)不低于12位,，一般取32位，軍用系統(tǒng)可達(dá)千位,。
目前常見的碼型有以下三種：
1,、M序列，即最長線性偽隨機(jī)系列,；
2,、GOLD序列；
3,、WALSH函數(shù)正交碼,。
當(dāng)選取上述任意一個(gè)序列后，如M序列,，將其中可用的編碼,，即正交碼，兩兩組合，并劃分為若干組,，各組分別代表不同用戶,，組內(nèi)兩個(gè)碼型分別表示原始信息'1'和'0'。系統(tǒng)對(duì)原始信息進(jìn)行編碼,、傳送,，接收端利用相關(guān)處理器對(duì)接收信號(hào)與本地碼型相關(guān)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，解出基帶信號(hào)(即原始信息)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò),，從而區(qū)分出不同用戶的不同信息,。微波無線擴(kuò)頻通信的原理見圖1：
圖1：擴(kuò)頻通信原理
由圖可見，一般的無線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制,。一次調(diào)制為信息調(diào)制,，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制,。接收端有相應(yīng)的射頻解調(diào),，擴(kuò)頻解調(diào)和信息解調(diào)。根據(jù)擴(kuò)展頻譜的方式不同,，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為：直接序列擴(kuò)頻（DS）,、跳頻（FH）、跳時(shí)（TH）,、線性調(diào)頻以及以上幾種方法的組合,。
所謂直接序列擴(kuò)頻（DS-DirectScquency），就是用高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端直接去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜,，在收端直接使用相同的擴(kuò)頻碼序列對(duì)擴(kuò)展的信號(hào)頻譜進(jìn)行解調(diào),，還原出原始的信息。直接序列擴(kuò)頻的頻譜擴(kuò)展和解擴(kuò)過程見圖2和圖3所示：
圖2：信息的頻譜擴(kuò)展過程
圖3：擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)過程
在圖上我們可以看出：
在發(fā)端，信息碼經(jīng)碼率較高的PN碼調(diào)制以后,，頻譜被擴(kuò)展了,。在收端，擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)同樣的PN碼解調(diào)以后,，信息碼被恢復(fù),；
信息碼經(jīng)調(diào)制、擴(kuò)頻傳輸,、解調(diào)然后恢復(fù)的過程,，類似與PN碼進(jìn)行了二次'模二相加'的過程。
在以下的圖4中我們還可以用能量面積圖示概念看出：
待傳信息的頻譜被擴(kuò)展了以后,，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上,，功率譜密度下降；
擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)以后,，寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信息,，功率譜密度上升；
相對(duì)與信息信號(hào),，脈沖干擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調(diào)制過程,，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降,，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來,。
傳輸速率和距離
傳輸速率是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的可變因素，它將決定整個(gè)系統(tǒng)整體性能的很多屬性,。無線傳輸距離由接收機(jī)靈敏度和發(fā)射機(jī)輸出功率共同決定,，兩者之間的差值我們稱之為鏈路預(yù)算。輸出功率受限于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,，所以只有通過提高靈敏度來增加距離,，而靈敏度又受數(shù)據(jù)速率非常重要的影響。對(duì)所有的調(diào)制方式來說,，越低的速率，接收機(jī)的帶寬越窄,，接收靈敏度就越高,。在現(xiàn)今高性價(jià)比無線收發(fā)機(jī)中應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方式是FSK或者GFSK。要進(jìn)一步減小FSK系統(tǒng)的接收機(jī)帶寬,，唯一可行的辦法就是提高參考晶體的精確度,。雖未經(jīng)檢驗(yàn)過但可以預(yù)見，這很容易就會(huì)產(chǎn)生比接收機(jī)帶寬更寬的頻率偏差。低成本的晶體一般只有20ppm的精度,，這將限制使用載波頻率為868MHz或915MHz系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率在20kbps,，靈敏度在-112dBm。使用溫補(bǔ)晶振可以獲得更高的靈敏度,，但是溫補(bǔ)晶振的價(jià)錢將是普通晶體的三倍,。
擴(kuò)頻調(diào)制方式在其他領(lǐng)域應(yīng)用了很多年，之前未使用于低成本的傳感網(wǎng)絡(luò)方案,。在等同的數(shù)據(jù)速率條件下,，商用的低成本擴(kuò)頻調(diào)制方式可以獲得比傳統(tǒng)FSK調(diào)制方式高8-10dB的靈敏度。升特(Semtech)公司將推出一款新的收發(fā)機(jī),，這款收發(fā)機(jī)集成了一種名為LoRa的擴(kuò)頻調(diào)制方式和傳統(tǒng)的GFSK調(diào)制方式,。圖中展示了在GFSK調(diào)制和LoRa擴(kuò)頻調(diào)制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對(duì)數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線。
在GFSK調(diào)制和LoRa擴(kuò)頻調(diào)制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對(duì)數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線,。
有些擴(kuò)頻調(diào)制方式對(duì)晶體引起的頻率偏差更不敏感,，這類接收機(jī)在125kHz的帶寬下使用低成本的20ppm的晶體時(shí)獲得接近-140dBm的靈敏度。與FSK系統(tǒng)相比,，使用同樣低成本的晶體時(shí)這種新的擴(kuò)頻方式在靈敏度上改善了30dB,，理論上相當(dāng)于增加了5倍的傳輸距離。通過降低速率獲得最大傳輸距離和要求最長的電池壽命之間是相互沖突的,。數(shù)據(jù)速率決定了空中傳輸時(shí)間,，越高的傳輸速率，系統(tǒng)發(fā)射或接收將花費(fèi)越少的時(shí)間,。100kbps的系統(tǒng)大約只需要50kbps的系統(tǒng)的傳輸時(shí)間的一半,。更快的速率可以使更多的節(jié)點(diǎn)在無競(jìng)爭(zhēng)沖突下在同一區(qū)域共存，但這將降低接收靈敏度和傳輸距離,。每一種接收機(jī)都會(huì)提供多種工作和休眠的模式,，且不同模式下的功耗是不同的。各節(jié)點(diǎn)收發(fā)占空比將決定哪些模式會(huì)對(duì)功耗產(chǎn)生最大的影響,。例如,，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)頻繁地處于接收狀態(tài)，那接收電流就非常重要,。同理,，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)每天只發(fā)射一次,，那睡眠電流就是最重要的因素。
LoRa應(yīng)用場(chǎng)景1：電力信息化
電網(wǎng)監(jiān)控信息化：新的能源,、環(huán)境和管理的促進(jìn),，以及新的消費(fèi)類需求等都意味著電網(wǎng)必須實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、基于標(biāo)準(zhǔn),、自動(dòng)化和可互操作的基礎(chǔ)設(shè)施,。電網(wǎng)的現(xiàn)代化取決于確保在電力的生成、傳輸,、分配和消耗過程中的端到端連通性,、可靠性和安全性。
塔式太陽能熱發(fā)電站：
該太陽能電站項(xiàng)目建設(shè)安裝了過萬片的反射鏡面,，所有鏡面由電控系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)動(dòng),，每個(gè)鏡面集成兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)水平和垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)，確保反射的日光集中到塔上,，電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)伺服控制法,，鏡面上安裝一小塊光伏板，產(chǎn)生電能給電控板供電,，鏡面的實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)通過無線通信與控制中心連接下達(dá),。
LoRa應(yīng)用場(chǎng)景2：農(nóng)業(yè)信息化
農(nóng)村信息化是通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)村生產(chǎn)、生活和社會(huì)管理中實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用和推廣的過程,。農(nóng)村信息化是社會(huì)信息化的一部分,，它首先是一種社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)，是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展到某一特定過程的概念描述,。它不僅包括農(nóng)業(yè)信息技術(shù),，還應(yīng)包括微電子技術(shù)、通信技術(shù),、光電技術(shù)等在農(nóng)村生產(chǎn),、生活、管理等方面普遍而系統(tǒng)應(yīng)用的過程,。農(nóng)村信息化包括了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)而向信息農(nóng)業(yè)演進(jìn)的過程,，又包含在原始社會(huì)發(fā)展到資本社會(huì)進(jìn)而向信息社會(huì)發(fā)展的過程中。
LoRaWAN實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)傳感器互連,，無通信資費(fèi),，多節(jié)點(diǎn)，低功耗,，低成本,，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。
LoRa應(yīng)用場(chǎng)景3：工業(yè)信息化
（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)罐內(nèi)LNG存儲(chǔ)情況（液位,、壓力,、溫度），及時(shí)發(fā)現(xiàn)液體分層,、翻滾,、升溫、泄露及混凝土筒壁裂縫,、沉降等危險(xiǎn)狀況,；
（2）定期分析管道的壓力流量變化趨勢(shì)，建立全運(yùn)營期的數(shù)字化,、信息化檔案,，科學(xué)、合理地協(xié)助管道的管理和養(yǎng)護(hù),；
（3）及時(shí)把握管道,、儲(chǔ)液罐結(jié)構(gòu)運(yùn)營階段的工作狀態(tài)，識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷以及評(píng)定結(jié)構(gòu)的安全,、可靠性與耐久性,；
（4）為運(yùn)營,、維護(hù)、管理提供決策依據(jù),，可以使得既有管道,、儲(chǔ)液罐的技術(shù)改造決策更加科學(xué)、改造技術(shù)方案的設(shè)計(jì)更加合理,、經(jīng)濟(jì),；
（5）驗(yàn)證管道、儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)建造理論與方法,，完善相關(guān)設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程,，提高管道鋪設(shè)、儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)水平和安全可靠度,，保障結(jié)構(gòu)的使用安全,，具有重要的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景
LoRa應(yīng)用場(chǎng)景4：環(huán)境監(jiān)測(cè)
溫度,、濕度,、風(fēng)速
水位、流量,、泥沙,、降水、蒸發(fā),、水溫,、冰凌、水質(zhì),、地下水位
以上這些場(chǎng)景,，充分發(fā)揮了LoRa的特點(diǎn)：
低功耗、遠(yuǎn)距離,、多節(jié)點(diǎn),、低成本
組網(wǎng)的便捷性是用戶最大的需求
在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備主要是手機(jī),、平板,、電腦等設(shè)備，人均設(shè)備數(shù)量較少,，每人僅需對(duì)幾個(gè)設(shè)備做配置即可,。但是未來物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接的數(shù)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)機(jī)設(shè)備數(shù)量，人均設(shè)備數(shù)量大大增加,，每人可能需要對(duì)超過10個(gè)設(shè)備的連接進(jìn)行配置,，配置工作量大大增加。這時(shí)用戶一定會(huì)選擇最便捷配置的連接方式,，當(dāng)然設(shè)備若可自動(dòng)組網(wǎng),、自行連接，無需用戶配置是最好的,。
從國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程來看,，其實(shí)是用戶配置的便捷性幫助企業(yè)選擇了網(wǎng)絡(luò)連接方式。比如智能家居領(lǐng)域,，目前智能單品最普及的通訊方式是WIFI協(xié)議(智能家居整體解決方案還是以有線協(xié)議為主),。為什么WIFI協(xié)議能夠暫時(shí)領(lǐng)先于其他協(xié)議?究其原因主要有兩個(gè)：一個(gè)是路由器普及率較高，用戶無需再組網(wǎng)即可使用;另一個(gè)現(xiàn)在WIFI協(xié)議的配置相對(duì)簡(jiǎn)單,。
所以說設(shè)備組網(wǎng),、配置的便捷性對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的普及影響巨大，從用戶角度出發(fā),，能否實(shí)現(xiàn)便捷組網(wǎng)也是決定未來物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議的關(guān)鍵,。
設(shè)備能耗也是用戶一大痛點(diǎn)
未來物聯(lián)網(wǎng)的連接設(shè)備數(shù)量巨大，由于環(huán)境影響,，很多設(shè)備是不方便通過有線連接的,，也就是說沒有有線電源供給,，只能使用電池供電。但對(duì)于使用電池的設(shè)備,，若頻繁地更換電池會(huì)增加用戶很多工作量,。
在智能家居領(lǐng)域，由于WIFI配置的便捷性,，智能單品使用WIFI通訊協(xié)議的產(chǎn)品比例最大,，不過WIFI通訊的高功耗也是無可置疑的。因此,，目前很多做WIFI通訊方案的企業(yè)都想辦法解決功耗的問題,。
舉例來說，深圳銀河風(fēng)云網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司曾推出一款產(chǎn)品空調(diào)伴侶悟空i8,，是京東眾籌第5個(gè)超過千萬的產(chǎn)品,，并且是第一個(gè)單品價(jià)格不足100元但眾籌過千萬的產(chǎn)品。該產(chǎn)品使用的是銀河風(fēng)云自己的WIFi模塊,。而銀河風(fēng)云為了降低WIFI模塊的功耗,，在模塊的設(shè)計(jì)上花了很大的精力：通過快速連接的功能實(shí)現(xiàn)功耗降低，即保證設(shè)備
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