Методы фазовой модуляции для низких Power Wide Area Networks (Сеть)

Введение в LPWAN и роль фазовой модуляции

Сети с низким энергопотреблением (LPWAN) стали краеугольным камнем Интернета вещей (IoT), обеспечивая связь для устройств, требующих связи на большие расстояния, низкой пропускной способности данных и многолетнего срока службы батареи. Примеры включают интеллектуальные счетчики, датчики влажности почвы, датчики актива и мониторы окружающей среды. Физический уровень (PHY) любой технологии LPWAN - это то, где выбор модуляции напрямую влияет на эффективность питания, диапазон и надежность. Среди различных семейств модуляций фазовая модуляция играет центральную роль, поскольку она предлагает отличный помеховой иммунитет при сохранении энергии на бит низком. В этой статье рассматриваются методы фазовой модуляции, используемые в LPWAN, объясняется, как они работают, и обеспечивает подробное сравнение их производительности в реальных развертываниях IoT.

Основы фазовой модуляции

Фазовый сдвиг ключей (PSK)

Фазовая модуляция кодирует цифровую информацию, сдвигая фазу синусоидального несущего сигнала. В своей простейшей форме несущая фаза принимает одно из конечного набора дискретных состояний, каждое из которых представляет группу битов. Фазовый сдвиг 0° может представлять двоичную 0, в то время как сдвиг 180° представляет собой двоичную 1 в двоичной фазовой смещении (BPSK). Поскольку информация переносится в фазе, а не в амплитуде, схемы PSK менее уязвимы к амплитудному шуму и затуханию по сравнению с амплитудными методами. Это свойство делает PSK особенно привлекательным для LPWAN-ссылок, где сигналы должны выживать на длинных путях распространения с низкой мощностью передачи.

Диаграммы созвездий и отображение символов

Набор разрешенных фазовых состояний визуализируется на диаграмме созвездий, где каждая точка соответствует определенной фазе (и часто амплитуде) несущей. Для чистой фазовой модуляции все точки лежат на круге постоянной амплитуды. BPSK имеет две точки при 0° и 180°; QPSK имеет четыре точки при 45°, 135°, 225° и 315°. Расстояние между соседними точками созвездия определяет помеховой запас: большие расстояния дают более низкие скорости погрешности бита (BER) при заданном соотношении сигнал-шум (SNR). В системах LPWAN, где SNR часто находится вблизи предела чувствительности приемника, желательны надежные созвездия с хорошим разделением фаз.

Ключевые методы фазовой модуляции в LPWAN

Ключи для смены бинарных фаз (BPSK)

BPSK — наиболее надёжная схема фазовой модуляции, предлагающая вероятность ошибки символа, которая примерно на 3 дБ лучше, чем QPSK для одной и той же энергии на бит. Она кодирует один символ на бит, делая его спектрально неэффективным, но высокоупругим. BPSK используется в нескольких стандартах LPWAN для каналов управления или полезной нагрузки, когда требуется максимальный диапазон. В NB-IoT, например, узкополосный физический канал управления нисходящей линией связи (NPDCCH) использует BPSK для обеспечения надежного декодирования даже на краю ячейки. Компромисс — низкая скорость передачи данных: при заданной полосе пропускания BPSK достигает только половины пропускной способности QPSK. Однако для приложений, которым требуется передавать всего несколько байтов в день, простота и энергоэффективность BPSK часто перевешивают более низкую скорость передачи данных.

Кривая смены квадратурных фаз (QPSK)

QPSK удваивает скорость передачи данных BPSK без увеличения требуемой полосы пропускания путем кодирования двух битов на символ через четыре состояния фазы. Четыре точки созвездия обычно вращаются на 45° относительно осей для упрощения восстановления несущей. QPSK широко используется в технологиях LPWAN, которые требуют более высокой пропускной способности, таких как NB-IoT для передачи данных нисходящей линии связи. Частота ошибок символа для QPSK в аддитивном белом гауссовом шумовом (AWGN) канале такая же, как для BPSK, когда энергия на символ постоянна, но поскольку каждый символ несет два бита, частота ошибок бита немного хуже при той же энергии на бит. Тем не менее, эффективность пропускной способности 2 бита на символ в секунду на герц делает QPSK практичным выбором для многих вариантов использования LPWAN.

Offset QPSK (OQPSK)

Вариант QPSK, Offset QPSK задерживает квадратурный (Q) компонент на половину периода символа относительно внутрифазного (I) компонента. Эта простая модификация предотвращает одновременные фазовые переходы на 180°, которые вызывают большие мгновенные вариации амплитуды, которые могут искажать сигнал при использовании нелинейных усилителей мощности. OQPSK особенно полезен в конечных точках LPWAN, которые используют высокоэффективные, но нелинейные усилители класса C или класса E для максимизации срока службы батареи. Ограничивая фазовые скачки до 90°, оболочка остается почти постоянной, уменьшая спектральный рост и помехи для смежных каналов. OQPSK используется в стандарте IEEE 802.15.4, который лежит в основе нескольких протоколов LPWAN, а также появляется в некоторых запатентованных реализациях LPWAN.

Дифференциальная PSK (DPSK) и pi/4-DQPSK

В дифференциальной фазовой смене ключей (DPSK) информация кодируется при изменении фазы между последовательными символами, а не в абсолютной фазе. Это устраняет необходимость в согласованной несущей ссылке на приемнике, упрощая демодулятор и снижая энергопотребление. DPSK широко применяется в системах LPWAN, где достижение фазовой когерентности является дорогостоящим или непрактичным. Вариант pi/4-DQPSK вращает созвездие на 45° на каждом символе, ограничивая фазовые изменения до ±45° и ±135°. Эта форма используется в некоторых узкополосных стандартах IoT, поскольку она сочетает дифференциальное декодирование с уменьшенной вариацией оболочки, что делает его устойчивым к затуханию и частотным смещениям. В то время как DPSK страдает от штрафа около 2-3 дБ в SNR по сравнению с когерентной PSK, экономия в сложности приемника и возможность работать без фазовой блокировки часто делают его лучшим выбором для недорогих, маломощных датчиков IoT.

Сравнение схем модуляции для LPWAN

Выбор подходящей схемы фазовой модуляции для системы LPWAN включает в себя балансировку скорости передачи данных, диапазона, энергопотребления и сложности приемника. BPSK предлагает лучшую чувствительность, но наименьшую спектральную эффективность. QPSK повышает пропускную способность при стоимости 3 дБ больше энергии на бит для того же BER. OQPSK и pi/4-DQPSK обмениваются небольшой деградацией в BER (по сравнению с QPSK) для лучшей производительности при нелинейном усилении и снижении частоты. Для устройств с питанием от батареи, которые передают нечасто, BPSK часто предпочитают для восходящей линии связи, когда диапазон имеет решающее значение, в то время как QPSK или DPSK могут использоваться для нисходящей линии связи, где базовая станция имеет больше мощности и может позволить себе когерентный приемник. В гибридных технологиях LPWAN, таких как LoRa, модуляция фактически является сугубо фазовым спектром (CSS), который не является чисто фазовым, но включает в себя непрерывные фазовые изменения; однако многие коммерческие реализации LoRa также поддерживают FSK с PSK

Фазовая модуляция в основных технологиях LPWAN

LoRa и Chirp Spread Spectrum

LoRa (Long Range) использует запатентованную технологию chirp spread spectrum (CSS), где несущая частота с течением времени линейно проносится. В то время как CSS в основном является частотной модуляцией, чирпы можно рассматривать как форму непрерывной фазовой модуляции. Зигм, который начинается с определенной частоты и увеличивает или уменьшает кодирование информации по времени ее пересечений с нулевой частотой, что по существу является фазово-модулированным сигналом. Приемники LoRa предназначены для высокой чувствительности (до -148 дБм) благодаря увеличению обработки спредового спектра. Модуляция поддерживает коэффициенты распространения от 7 до 12, скорость обмена данными для диапазона. Для стандарта LoRaWAN модуляция остается CSS на восходящей линии связи, но нисходящая линия часто использует гауссовскую минимальную сдвиговую кнопку (GMSK) или непрерывную фазовую частотную кнопку (CPFSK), которые связаны с фазовой модуляцией через свойство непрерывности фазы.

NB-IoT и LTE-M

NB-IoT, часть 3GPP Release 13, использует более узкую полосу пропускания (200 кГц) с интервалом поднесущей 3,75 кГц или 15 кГц. В нисходящей линии связи используется многократный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA) с модуляцией QPSK на каждой поднесущей. В восходящей линии используется многократный доступ с однократным частотным разделением (SC-FDMA) с π/2-BPSK или π/2-QPSK. Префикс π/2 указывает на полуповорот на символ, что снижает коэффициент мощности к пиковому среднему коэффициенту (PAPR) и повышает эффективность усилителя мощности - критический фактор для устройств IoT с батарейным питанием. LTE-M (Cat-M1) использует более широкую полосу пропускания (1,4 МГц) и также полагается на QPSK (и 16QAM для сценариев высокой емкости), но с аналогичными методами снижения PAPR. Оба NB-IoT и LTE-M извлекают выгоду из присущего помехового иммунитет

Sigfox и Ultra-Narrowband

Sigfox использует подход ультраузкополосного (UNB) диапазона пропускной способности всего 100 Гц на канал. Модуляция является дифференциальной двоичной фазовой сменой (DBPSK) на восходящей линии связи и гауссовской частотной смещенной кайинговой линии (GFSK) на нисходящей линии связи. DBPSK является естественным подходом для UNB, потому что он может быть демодулированным некогерентно, снижение стоимости и мощности. Очень узкая полоса пропускания позволяет приемнику достичь отличной чувствительности (до -142 дБм) при сохранении мощности передачи низкой (обычно 25 мВт). Использование Sigfox DBPSK в сочетании с низким рабочим циклом и случайным шаблоном скачка частоты обеспечивает надежность против помех и затухания. компромисс является очень низкой скоростью передачи данных 100 б/с (восходящая линия связи) и 600 б/с (нижняя линия связи), что достаточно для приложений, таких как мониторинг температуры или обнаружение утечки.

Компромиссы: мощность, скорость передачи данных и диапазон

Ни одна схема однофазной модуляции не является оптимальной для всех сценариев LPWAN. BPSK и DBPSK предлагают самый длинный охват при самой низкой скорости передачи данных, что делает их идеальными для датчиков с питанием от батареи, которые отправляют несколько байтов в день из подвалов или сельских районов. QPSK и OQPSK удваивают или утрояют скорость передачи данных, но уменьшают бюджет канала примерно на 10-20% для одной и той же мощности передачи. На практике дизайнеры LPWAN часто используют комбинацию: восходящая линия связи (датчик к шлюзу) использует надежную BPSK или DBPSK для максимального срока службы батареи, в то время как нисходящая линия связи (шлюз к датчику) может использовать QPSK, потому что шлюз имеет достаточную мощность и может позволить себе более сложный приемник. Выбор также зависит от разрешенного рабочего цикла и нормативных ограничений; например, в диапазоне 868 МГц устройства должны ограничивать рабочие циклы передачи, отдавая предпочтение схемам, которые минимизируют время в воздухе (т.е. более высокая скорость передачи данных).

Рассмотрение осуществления

Синхронизация и фазовый шум

Все системы PSK требуют точной частотной и фазовой синхронизации между передатчиком и приемником. Низкозатратные кристаллические осцилляторы IoT имеют ограниченную точность (обычно ±20 ppm), приводящую к частотным смещениям, которые могут вращать созвездие и вызывать ошибки. Дифференциальные схемы, такие как DPSK, по своей сути переносят небольшие смещения, потому что они декодируют на основе фазовых изменений, а не абсолютных фаз, но они по-прежнему требуют восстановления времени символа. OQPSK и π/4-DQPSK более терпимы к фазовому шуму, чем простые QPSK, потому что они избегают больших фазовых скачков. В приемниках LPWAN часто опускаются для экономии энергии; вместо этого используются некогерентные или дифференциально когерентные петли. Например, приемники LoRa используют цикл времени, который отслеживает точку отсчета, эффективно реализуя форму задержек.

Дизайн трансивера для низкой мощности

Усилитель мощности (PA) является одним из крупнейших потребителей энергии в беспроводном передатчике. Модуляции PSK, поддерживающие постоянную оболочку, такие как BPSK и QPSK (при использовании линейного PA), позволяют PA работать вблизи насыщения, где эффективность достигает 50-60%. Однако QPSK с повышением козинового импульсного формирования вводит амплитуды вариаций, которые снижают эффективность. OQPSK и π/4-DQPSK, ограничивая фазовые переходы, сохраняют оболочку почти постоянной и, таким образом, предпочитаются в высокоэффективных PA. Более продвинутые методы включают полярную модуляцию, где фазовые и амплитудные компоненты генерируются отдельно и объединяются в PA - это позволяет очень высокую эффективность, но добавляет сложность. Многие чипсеты LPWAN интегрируют цифровой управляемый осциллятор (DCO) и фазовый модулятор для генерации сигнала PSK непосредственно в цифровой области, уменьшая количество аналоговых компонентов и мощность.

Будущие тенденции и передовые технологии

Продолжаются исследования по усовершенствованной фазовой модуляции для LPWAN, направленные на раздвижение границ чувствительности и спектральной эффективности. Одним из перспективных направлений является использование непрерывной фазовой модуляции (CPM), из которых GMSK и GFSK являются особыми случаями. Сигналы CPM имеют постоянную оболочку и плавные фазовые переходы, предлагая отличную энергоэффективность при достижении спектральной компактности. Другой тенденцией является интеграция частотно-прыгающего спектра спреда (FHSS) с PSK для борьбы с помехами, как видно в некоторых запатентованных системах LPWAN. Кроме того, появление массивных MIMO (многократновходных многовыходных) в сотовых LPWAN (например, NB-IoT в сетях 5G) может позволить когерентное обнаружение нескольких узкополосных потоков PSK, улучшая емкость. На стороне приемника разрабатываются детекторы на основе машинного обучения, которые изучают характеристики фазовой ошибки данной аппаратной платформы для дальнейшего снижения требуемой SNR. Эти достижения предполагают, что фазовая модуляция останется ключевой технологией для

Заключение

Методы фазовой модуляции лежат в основе физического уровня многих известных технологий LPWAN. От надежной простоты BPSK в каналах управления NB-IoT до дифференциальной DBPSK, используемой в сверхузкополосной сети Sigfox, каждая схема предлагает уникальный баланс дальности, скорости передачи данных и энергопотребления. Понимание этих компромиссов имеет важное значение для архитекторов систем IoT, которым необходимо выбрать правильный модем или протокол для данного приложения. По мере развития LPWAN для поддержки более высокой плотности устройств и более требовательных вариантов использования фазовая модуляция будет продолжать совершенствоваться, что обусловлено ограничениями низкой энергии и большой дальности. Для инженеров, развертывающих решения LPWAN, четкое понимание основ фазовой модуляции позволяет принимать лучшие дизайнерские решения и более надежную производительность поля.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к Semtech LoRa модуляции white paper, IEEE опрос по схемам модуляции LPWAN, и Wikipedia статья на PSK основы. Охват NB-IoT модуляции можно найти в 3GPP технические отчеты по NB-IoT, и более подробная информация о модуляции Sigfox доступны в Sigfox обзор технологии.