一種低功耗的多模式散射通信系統研究

劉鑫　唐曉慶　劉勇　張帥

摘? 要：隨著社會信息化程度的提高，物聯網技術的發展和應用將會越來越廣泛，尤其是能夠兼容多種無線通信模式的物聯網終端。本文基于后向散射原理，提出一種低功耗的多模式散射通信系統，系統以MCU為核心處理器，兼容Wi-Fi、LoRa等多種通信模式。系統功耗極低，進行一次LoRa散射通信所消耗的電量為9.2μA·s，進行一次Wi-Fi散射通信所消耗的電量僅為2.5uA·s。設置系統每分鐘發送2包Wi-Fi數據，1包LoRa數據，一個容量40mAh的CR1220紐扣電池可供系統工作4年以上，具有成本低、功耗低、應用范圍廣等優點。

關鍵詞：物聯網;低功耗;多模式;散射通信

中圖分類號：TN926? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）22-0053-05

Abstract：With the improvement of social informatization，the development and application of internet of things technology will be more and more extensive，especially the internet of things terminals which can be compatible with various wireless communication modes. Based on backscattering principle，a low power multi-mode scattering communication system is proposed in this paper. The system uses MCU as the core processor and is compatible with Wi-Fi，LoRa and other communication modes. The power consumption of the system is very low. The power consumption of a LoRa scattering communication is 9.2μA·s，and that of a Wi-Fi scattering communication is only 2.5uA·s The system can send 2 packets of Wi-Fi data and 1 packet of LoRa data per minute. A 40mAh CR1220 button battery can work for more than four years. It has the advantages of low cost，low power consumption and wide application range.

Keywords：internet of things;low power consumption;multimodal;scattering communication

0? 引? 言

物聯網借助互聯網將各種通過信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等信息采集裝置采集的聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等信息傳遞出去，實現對物品和過程的智能化感知、識別、監控和管理，對建設智慧城市、推動傳統產業轉型、促進工業化和信息化融合、實現中國智能制造起著關鍵作用。

1? 通信的發展

自2010年，我國將物聯網發展問題寫入《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》和《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十二個五年規劃的建議》以來，我國物聯網行業取得了長足發展。物聯網標準正在逐步頒布并實施，中國移動在全國100多個城市開始敷設移動物聯網，截至目前，中國移動物聯網用戶超過了3.78億，成為全球用戶規模最大的物聯網專用網[1]。

物聯網技術可以分為三個層面：信息層、網絡層和應用層。信息層將采集到的信息以無線的方式發送給網絡層，一般由物聯網通信終端構成。根據應用場景的不同，終端的無線通信方式也不同。一種是短距離無線通信技術，如Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等，具有高速率、高實時性的特點，主要應用在智能穿戴、智能家居、工業數據采集等局域網通信場景;另一種是低功耗廣域網通信技術[2，3]，具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強、大量連接的特點，窄帶物聯網（Narrow Band IOT，NB-IoT）和LoRa（Long Range）是當前主流的LPWAN技術[4]。由于這些無線通信技術都存在功耗大、成本高的問題，難以進行大面積推廣應用，因此降低物聯網通信終端的功耗和成本是物聯網領域研究的一個難點和熱點，也是決定物聯網能否大范圍落地實施的關鍵因素。

2016年，華盛頓大學的Bryce Kellogg等人提出了無源Wi-Fi技術[5]，通過后向散射的方式把基站發出的單頻電磁波調制為符合802.11b協議的Wi-Fi信號，這樣能夠被通用Wi-Fi設備解調解碼，具有很好的兼容性。而且采用后向散射技術可以去掉頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器等耗能器件，可以大幅降低終端功耗，較傳統Wi-Fi設備，功耗可降低3～4個數量級。

2017年，華盛頓大學的Vamsi Talla等人提出了LoRa后向散射通信系統方案[6]，該方案由數字基帶處理器、DAC、VCO、開關映射、SP8T射頻開關和8通道天線匹配電路組成，較傳統LoRa設備，系統功耗大幅降低，但該方案設計復雜、成本較高，而且環境溫度、系統供電變化都會對其中模擬電路的線性度、精度造成影響，從而影響LoRa散射通信的可靠性和穩定性。

2019年，武漢第二船舶設計研究院的唐曉慶等人提出了基于MCU的無源Wi-Fi通信系統[7]，該系統在TI公司開發的430系列單片機上實現了無源Wi-Fi技術，系統平均功耗1.44mW，并利用系統自帶的弱光能量收集管理模塊實現了系統的自供電，具有開發成本低、系統功耗低、能量自供給的特點，可極大地促進無源Wi-Fi技術的實際推廣應用。同年，唐曉慶等人還提出了基于MCU實現LoRa散射通信技術的方案[8]，該方案仍采用430單片機實現LoRa散射通信技術，系統平均功耗僅為0.28mW，利用CR1220紐扣電池可支持系統運行5年，可應用在對通信距離有要求的物聯網領域。

Wi-Fi和LoRa兩種通信方式各有優點，Wi-Fi通信速率高，但通信距離近，LoRa通信距離遠，但通信速率低。目前的物聯網通信終端僅支持一種特定的通信體制，例如Wi-Fi或LoRa，存在通信模式單一的缺陷，本文提出一種兼容Wi-Fi、LoRa等多種模式的散射通信系統，能夠在一個數字系統上實現多種散射通信體制，具有成本低、功耗低、應用范圍廣等優點。

2? 多模式散射通信原理

多模式散射通信的原理如圖1所示，首先由基站產生多種通信模式所覆蓋頻段的單頻信號，并通過天線向周圍空間中輻射該單頻電磁信號。散射通信系統將待發送的數據按照相應的通信協議編碼形成基帶，并輸出數字調制波形，通過驅動射頻開關器件來改變自身天線的反射/吸收狀態，從而形成不同類型的通信數據包，完成散射調制，最后被不同模式的通信接收器接收、解調和解碼。

2? 多模式散射通信系統設計

多模式散射通信系統主要由數字基帶處理器、射頻開關和通信天線組成，數字基帶處理器用于實現不同通信模式的編碼、調制等過程，生成散射調制波形，用于驅動射頻開關器件。射頻開關器件與通信天線連接，控制通信天線的反射/吸收，實現散射通信。

不同的通信模式所用的通信頻段也不同，如Wi-Fi通信的頻段范圍是2400MHz～2497MHz，藍牙通信的頻段范圍與之相近，是2400MHz～2483.5MHz，而LoRa通信的頻段范圍是415MHz～480MHz，ZigBee的通信頻段范圍則更廣，從169.4MHz～169.475MHz到5944MHz～10234MHz，之間有多個頻段范圍均可。Wi-Fi和藍牙的通信頻段比較接近，天線可以共用。而LoRa、ZigBee的通信頻段與之相差很多，想要在單個天線上實現所有可能的通信頻段是不現實的，因此本文提出了多模式散射通信系統的兩種實現方案。一種是基于多個天線的多模式散射通信系統，主要用于通信頻段差異較大的多種通信體制;一種是基于單個多頻段天線的多模式散射通信系統，主要用于通信頻段比較接近的多種通信體制。

2.1? 基于多個天線的多模式散射通信系統

基于多個天線的多模式散射通信系統原理如圖2所示。系統為每一種通信模式各配置一個通信天線和射頻開關，分別連接各自調制信號的輸出端，實現相互獨立通道的多模式散射通信。

數字基帶處理器可以根據實際應用需求從MCU、FPGA或專用集成電路中選擇，MCU具有成本低、功耗低的優點，但只能串行處理，因此不同的通信模式只能分時實現。FPGA成本略高，但可以實現多種通信模式同時通信。專用集成電路可根據自身需求進行定制，缺點是成本高昂。

2.2? 基于多頻段天線的多模式散射通信系統

基于單個多頻段天線的多模式散射通信系統原理如圖3所示。系統只配置一個天線，該天線可覆蓋多種通信模式的通信頻段，圖中列舉了四種不同的通信模式，實際應用中可根據實際通信需求進行選擇。由于不同的通信模式共用一個天線，所以若采用此方案，同一時間只能采用一種通信模式工作。

基于圖3所示原理框圖，本文設計了兼容Wi-Fi和LoRa兩種模式的散射通信系統，系統選用TI公司430系列單片機MSP430FR5969作為基帶處理器，設計了包含2.4GHz和415MHz兩個頻率點的單極子天線。系統封裝好的成品照片如圖4所示，包括圓盤底座和豎直長條天線，底部圓盤底座內封裝了系統處理電路，實物圖如圖5所示，只有大拇指大小，天線的回波損耗如圖6所示。

系統運行流程如圖7所示，上電后首先對MCU內部資源進行初始化，包括定時器、模數轉換器等，然后定時讀取溫度傳感器采集的溫度和系統供電電池的電壓，對溫度、電壓數據分別通過LoRa和Wi-Fi兩種方式散射出去。LoRa散射通信過程包括數據幀的封裝、漢明糾錯編碼、交織抗干擾編碼、格雷編碼、線性調頻擴頻編碼生成數字基帶波形、波形輸出;Wi-Fi散射通信過程包括數據幀的封裝、循環冗余校驗、加擾、差分碼變換、直接序列擴頻生成數字基帶波形、波形輸出。

3? 測試及結果分析

為了驗證系統運行的有效性，用Wi-Fi抓包軟件對系統發送的Wi-Fi數據包進行實時捕獲，用目前主流的LoRa芯片SX1278實時接收系統發送的LoRa數據，接收到的Wi-Fi數據包和LoRa數據包信息分別如圖8和圖9所示，兩種方式都能正常接收系統發送的溫度、電壓信息。

系統采用Wi-Fi和LoRa散射通信時的電流波形圖分別如圖10和圖11所示。通過對電流波形在時間上積分，可以算出進行一次Wi-Fi散射通信所消耗的電量為2.5uA·s，一次LoRa散射通信所消耗的電量為9.2μA·s。經測試系統待機電流為0.39uA，設置系統每分鐘發送2包Wi-Fi數據，1包LoRa數據，一個容量40mAh的CR1220紐扣電池可供系統工作4年以上。

4? 結? 論

物聯網作為通信網和互聯網的拓展應用和網絡延伸，是新一代信息技術的代表，對于推動傳統產業轉型、促進工業化和信息化融合，起著關鍵作用，其發展深受國家重視。目前物聯網通信方式多種多樣，各有優勢和特點，而現有的物聯網通信終端僅能支持一種特定的通信體制。

參考文獻：

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作者簡介：劉鑫（1989.12-），女，漢族，湖北襄陽人，工程師，碩士，研究方向：艦船通信;唐曉慶（1987.12-），男，漢族，四川資陽人，工程師，博士，研究方向：艦船通信;劉勇（1980.04-），男，漢族，湖北天門人，高級工程師，碩士，研究方向：艦船通信;張帥（1987.02-），男，漢族，內蒙古巴彥淖爾人，高級工程師，博士，研究方向：艦船通信。