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低功耗远距离无线通信技术研究 摘要：低功耗远距离通信技术是在物联网飞速发展下衍生的一种新兴技术，与现有的蓝牙、WIFI、4G等无线技术相比，其技术性能更高，功能更加全面。基于此，本文通过对该技术的工作原理进行分析，从通信技术网络整体结构、远距离通信、功耗优化、网络容量以及网络安全机制等方面入手，详细的论述了远距离低功耗通信技术。 关键词：低功耗；远距离；无线通信技术 远距离低功耗通信技术具有覆盖面积大、低成本、低功耗、远距离等特点，覆盖面积大、远距离意味着该技术能够覆盖的面积非常大，服务的用户范围也随之拓宽。而低功耗可以最大限度的将电池寿命延长，使更换电池的周期变得更长。对于低成本来说，其内部收发器芯片能够有效减少网络部署的成本，这些优点使得该技术应用范围更加广泛。 1低功耗远距离无线通信技术的工作原理 低功耗远距离通信技术中最关键的技术是LoRa技术。LoRa技术又被人们称为LongRang，是一种扩频技术，它主要针对的是超远距离、低功耗的无线通信，在接收信息过程中，其灵敏度最高可以达到-148dBm。同业内比较先进的技术相比，其接收灵敏度优化了至少20dB。同时这种调制通信技术不仅保持了调制过程中的低功耗性能，也大幅度增加了无线通信的范围。LoRa调制对前向纠错扩频进行集成，通过线性宽带调频脉冲拓展频谱，并在一定时间内利用调频脉冲对其进行编码。LoRa技术的通信原理主要是利用线性调频，对频谱进行扩展。实现线性调频时，不需伪随机码，利用线性变化的频率和恒定包络调制技术对接收端设置的功率放大器进行处理，使之功耗降低。同时在线性调频过程中对多径衰落进行抵抗，从而方便无线接入。线性调频将信号发出之后，其载频上出现的信息脉冲会做线性变化，而其中的瞬时频率也会随着时间的变化而进行线性变化，从而将频谱拓展，信息传输更加迅速。此外，拓展频谱利用压缩脉冲原理对匹配的滤波器进行解扩，在匹配滤波完毕后，随之出现的是一种尖峰脉冲。当尖峰脉冲出现之后，对其能量进行捕捉，并检测能量中的数据符号。压缩脉冲的实现方法有三种，其一是声波表面的色散压缩；其二是数字频域脉冲压缩；其三是数字时域脉冲压缩。在此过程中，单个基站或者是网关能够覆盖数百平方千米，该技术的通信距离取决于障碍物或者是周边环境。它能够利用链路预算法优化当前环境，促使无线通信更加顺利的进行。 2低功耗远距离无线通信技术 2.1通信技术网络整体结构。现阶段，很多通信技术上的网络部署采用的都是网状架构，而在网状网络内部，有一部分终端节点在工作过程中，需要对其他节点上接收的信息进行转发，以此来增加网络区域规模和通信距离。此种工作方式虽然将通信范围扩大，但是也将网络容量降低，同时也使网络架构变得更加复杂，电池寿命大幅度缩减。而对于LoRa技术来说，它的网络整体架构为星形拓扑型，在对其进行长距离连接时，可以使网关和终端节点进行直接的信息交互，大大降低了能量损耗和网络复杂性，并将电池寿命延长。该技术的整体结构见图一。在图1中，LoRa技术网络整体架构主要分为四个模块，其一是业务服务器；其二是网络服务器；其三是LoRa网关；其四是应用终端。在应用终端中，通过LoRa调制技术，快速实现远距离数据传输，主要涵盖应用层、MBC层以及物理层等。对于LoRa网关来说，它是一个“中继”且是透明的，主要负责将后端服务器和前端终端设备进行连接。网关在工作时，主要是将接收到的终端数据聚集到独立的回程中，以此对数据多路并发问题进行解决，从而实现数据的转发和收集。在此过程中，终端设备通过单跳同网关进行通信，此时所有节点都是双向通信。对于网络服务器来说，主要负责处理MAC层数据，工作内容为：安全管理、网关选择和管理、选择数据传输速率、过滤数据包。对于应用服务器来说，主要是从网络服务器中接收应用数据，并对这些数据进行处理与分析，展示应用状态，及时告警[1]。2.2远距离通信。在实际通信过程中，通信距离较远时，有用信号必然会被淹没在其中，致使信噪比大幅度降低。LoRa技术远距离通信过程主要从以下几方面进行考虑：1）扩频因子。LoRa技术主要是通过扩展有效信息中的比特位，进而实现通信，而发送拓频信息的速率，需要参考相应的符率。在此过程中，码片速率与符率之间的比率被称为扩频因子，象征着转化每个符号的码片数目。同时在进行扩频时，收发双方需要提前了解对方设置的扩频因子，由于各个扩频因子都是互相正交的，收发双方要始终保持一致，这样才能确保接收到正确的信号。2）前向纠错机制。在通信距离逐渐增加过程中，在传输期间，数据序列可能会产生一定的误差，而前向纠错机制的主要作用便是为了降低接收器接收信息的错误率，将冗余信息作为延长通信距离的条件。在对LoRa无线链路进行部署过程中，尽管这