无线总线物联网边端体系——无线通信技术 | CCCF精选

《无线总线物联网边端系统》和《无线总线物联网边端体系——终端架构》（分别发表于CCCF2022年第7期和2023年第6期）分别介绍了“无线总线边端体系”的概念、技术体系和“通用无处理器”计算架构，解决了现有终端面临的“通用化与低冗余相矛盾”这一关键科学问题。本研究针对物联网终端功耗的主要组成部分，即无线通信，提出低功耗长距离无线总线通信新体制设计，旨在调和现有通信体制面临的“功耗”与“系统适用性”固有矛盾，与本体系前序文章一起共同构成无线总线物联网边端系统，支持推进物联网建立泛在连接，实现大规模全面感知系统。

现有通信体制面临固有矛盾

物联网“泛在连接”和“全面感知”目标要求终端设备以低成本实现长期部署和稳定运行。然而当前物联网终端成本居高不下，其设备价值甚至超过感知目标本身价值，严重制约了物联网的大规模推广应用。终端功耗是推高系统成本的核心因素之一：高能耗迫使设备频繁更换电池，由此产生巨额后期维护成本。无线通信模块占据了终端功耗的绝对比重，而现行主流物联网通信方案（如NB-IoT、LoRa及ZigBee等）虽在物理层编码调制环节进行了物联网适配优化，但其底层射频收发架构仍延续传统外差式设计，如图1（a）所示，继续保留锁相环(phase locked loop，PLL)型射频频率发生器、射频放大器等高功耗组件，导致系统整体功耗仍维持在数十至上百毫瓦（mW）量级，存在难以突破的功耗优化边界，未能从根源上解决功耗成本问题。图1（a）中包含低噪声放大器(low noise amplifier, LNA)、功率放大器(power amplifier, PA)、模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)、数模转换器(digital-to-analog converter, DAC)以及基带处理器。

图 1 现有通信体制架构

近年来新兴的被动式通信技术在物联网低功耗通信研究领域受到了广泛的关注，按通信链路分为上行反向散射发射与下行非相干解调接收。上行链路中，反向散射将载波信号生成负担转移到外部载波发射源，终端侧通过基带信号控制射频开关接入不同阻抗的负载实现天线阻抗调控，在反射外部载波的同时改变其振幅，从而将基带信息搭载在外部载波并回传至网关；下行接收架构如图1（b）所示，采用无源包络检波电路提取下行信号的包络信息，并用比较器进行电平归一化。上述被动式通信技术实现了幅移键控调制(amplitud shift keying，ASK)信号的微瓦（μW）级超低功耗收发，然而，这导致其通信距离仅限于20 m以内，可靠性及可扩展性通常较差。

为此，低功耗物联网通信领域有学者提出将采用啁啾扩频(chirp spread spectrum，CSS)调制的LoRa信号作为反向散射的载波，并依赖网关实现LoRa反射信号的接收，采用双基(bi-static)部署并把载波发射源放在靠近反向散射设备时（< 2 m）可实现千米级上行发射，单基(mono-static)部署时双向通信距离局限在100 m左右。可见，要实现远距离（>1 km）上行通信，载波发射源必须紧邻反向散射终端部署。在大规模部署下，成本较高的发射源须被密集布置，进一步造成发射源无法再依赖电力线供电。此外，为确保链路预算足额供给，发射源需以最大功率（20~30 dBm）工作，导致其电池续航锐减。多重因素叠加引起系统级成本激增，甚至可能超过传统商用主动通信技术。雪上加霜的是，现有被动式通信系统几乎全部缺失下行通信能力，仅能实现数据包级别的粗粒度同步，而下行链路在实际应用场景中不可或缺，如传输调度、网络同步、终端设备唤醒、传感器控制以及固件更新等重要任务都需要由下行链路完成。下行链路较差的通信性能将被动式通信系统实际应用限制在短距离内，并成为扩展其应用范围的主要障碍。

从本质上看，反向散射通信技术的核心特征在于其链路预算供给机制的特殊性——系统将全部通信能量供给集中依赖于外部载波发射源与边缘侧接收机，而反向散射设备本身仅承担信号调制功能。这种架构导致载波信号需经历“发射源—反向散射设备—接收机”的双程传输路径，链路预算损失成倍增长。相较于传统外差式发射机，反向散射架构在能量利用效率层面存在本质差异：传统发射机采用基带调制与射频混频的等功率级联方式，基带信号与载波信号功率相当，通过非线性混频实现频谱搬移，信号能量在上变频过程中，除去镜像信号外浪费极低；然而，其需终端侧持续供给链路预算，导致终端功耗显著增加。反向散射被动式通信终端设备为追求极致低功耗，完全舍弃本地信号生成能力，其“混频”过程本质上是对载波信号的幅度调制：通过射频开关切换不同阻抗负载，仅能提取极小能量的载波信号用于信息承载，基频载波信号仍然存在而未能实现整体频谱搬移。这种“能量抽取式”调制模式虽显著降低终端功耗，却造成了链路预算的极大浪费。

综上，“功耗”与“系统适用性”的权衡似乎就像天平的两端，此消彼长：任意一端的优化提升必然伴随另一端的指标劣化，在现有通信体制下，二者间始终存在着由底层物理规律制约的固有矛盾关系。

破局思路

上述固有矛盾产生的根源在于现有通信体制设计将视野局限在了单点通信架构，而忽视了在终端所处的边端系统中，边缘网关扮演的重要角色。在《无线总线物联网边端系统》中提出了射频−总线直接转换技术，在计算视角下，终端和边缘网关共同构成一个统一的物联网计算机系统，终端作为该计算机系统的外设，由网关通过“无线总线”直接控制，原本在终端执行的计算任务可由无线通信上浮至网关的处理器执行，实现通信驱动的计算新范式；而从通信视角看，无线通信本身也涉及到大量计算任务，可称之为通信原语，如编/解码、调制/解调、扩频/解扩、多址接入等数字计算任务以及本地射频信号生成、混频等模拟计算任务。由此可想到，能否通过无线总线，将这些通信所需的计算任务同样分担至网关处理，构建新型通信体制？若能实现这一构想，将达成计算赋能的通信新范式，实现零端侧成本的通信原语上浮，为突破现有通信体制面临的固有矛盾开辟新路径。

本研究提出了无线总线新型通信体制，依托无线总线“通算融合”思想，边端协同设计通信原语。首先在直序扩频(direct sequence spread spectrum, DSSS)信号接收上进行了尝试，首次为被动式通信系统带来了DSSS技术，大幅提升了被动式通信系统的下行通信性能；接着，将该思路应用在CSS信号接收，实现了低功耗长距离抗干扰无线通信，为无线总线物联网边端系统填补了通信架构方面的空白；最后，提出了一种适用于低功耗物联网的上行通信方案。下面将介绍相应内容的实现思路、关键技术挑战及实验结果。

初步尝试：被动式DSSS接收

在无线通信系统中，提升下行链路性能的核心在于优化信号质量，即提高信干噪比(signal to interference plus noise ratio, SINR)。传统思路通常聚焦于增强发射功率以改善信号强度，但该方法存在三重局限：其一，受制于发射机功率预算约束；其二，信号强度随传播距离呈平方衰减；其三，强发射功率易引发邻道干扰。基于此，本研究提出干扰抑制导向的SINR提升方案——通过DSSS技术构建抗干扰通信通道。然而，传统DSSS技术难以适配被动式通信场景，因其需要复杂的接收电路和数字计算来实现接收信号的解扩操作（将扩频信号恢复成中频/基带信号）。具体来说，DSSS发射端（边缘网关侧）通过使用伪随机扩频码进行调制，将基带信号的频谱扩展到更宽的频段；DSSS接收端（终端侧）生成一个扩展码的同步副本，参与到接收DSSS信号的解扩（解调）过程，实现剥离扩展码恢复信号原始基带。然而，解扩过程需要在DSSS信号和本地扩频码副本之间进行信号载波级同步，涉及高昂的计算开销和复杂的电路设计，这对被动式通信接收端来说是难以实现的。

为了解决DSSS解调面临的高功耗等一系列问题，被动式DSSS技术将扩频码生成和同步从接收端转移到了发射端，从而减轻信号接收端的开销和复杂度。如图2（a）所示，发射端通过两个独立的信道同时发送DSSS信号和参考扩频码。由于扩频码在发射端已与DSSS信号同步，因此接收端不需要进行同步便可以直接实现解扩操作。接收端将两个信道的载波去掉后，两个信道留下的中频信号通过混频器直接结合在一起实现解扩操作。恢复后的信号将通过滤波器去除带外干扰信号，最终获得所需的基带信号。实现被动式DSSS过程中解决了以下3个关键技术挑战。

图 2 被动式DSSS设计思想

直接序列扩频同步　传统的DSSS系统要求接收端能够测量信道的相位信息。然而，获取相位信息需要使用高频本地振荡器在载波频率工作，这对被动式通信终端设备来说是不可行的。本研究提出利用射频载波的包络来传输DSSS信号，信号波形如图2（b）所示。网关一边通过调制载波的幅度来传输扩频码，另一边通过调制两个独立信道中同步扩频码之间的相位差来传输基带信号。接收机通过比较两个扩展码的差异性来重构基带信息。

被动式DSSS干扰抑制　将DSSS信号和参考扩频码通过两个独立信道传输在真实环境中可能会遇到不同的干扰。在传统的DSSS接收机中，干扰信号抑制是通过在解扩过程中与扩频码相乘实现的。然而，在被动式DSSS中，解扩过程执行两个信道信号的相乘操作，可能会产生扩频码无法抑制的干扰组合（来自两个信道的干扰信号的乘积）。相互独立信道之间的干扰信号也是相互独立的，因此它们的相关性很低。基于这一观察，本研究提出被动式DSSS干扰消除方法，通过计算两个干扰信号之间的互相关性来抑制干扰成分。

低功耗解扩电路设计　传统的相关性运算涉及高功耗的数字化和信号处理，而这些操作在被动式通信终端设备上是不可用的。为此本研究设计了一个模拟−数字混合的信号相关性计算电路来实现干扰消除，如图3所示。由于来自两个信道的接收信号在解扩过程中已经交叉相乘，干扰消除电路的主要目的是将解扩过程输出的信号在模拟域中进行积分，从而通过计算两条信道干扰信号的互相关性实现干扰消除。原始基带信号将在该电路的输出中占主导地位。

图 3 被动式DSSS低功耗解扩电路设计

本研究使用商用元器件实现了系统原型并经过实验验证，与传统的被动式通信接收机相比，被动式DSSS 技术可在微瓦级功耗下实现16.5 dB的下行链路SINR提升，并将下行链路范围提升3倍。

关键进展：低功耗长距离下行通信

在被动式DSSS的成功激励下，本研究将目光投向抗干扰能力更强的CSS技术，希望能实现负SINR下的微瓦级下行链路。然而，要实现CSS信号接收，接收机需要对chirp信号进行下变频、采样、解扩频（在数字域与一个down-chirp信号进行第二次混频以实现解扩频点频信号）以及快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)。这种chirp解扩频原理往往会带来数十毫瓦的功耗，这对微瓦级接收机来说是不可接受的。因为它需要接收机生成高频的载波用来实现解调，且需要执行FFT运算。产生载波需要高功耗的频率综合器，而执行FFT操作需要高速的运算。为了解决上述问题，本研究设计了一种具有微瓦级功耗和数百米接收距离的接收机，如图4所示。该接收机包含零功耗的chirp信号解扩频机制、基于能量累积的零功耗放大机制和免采样低功耗解码机制3个关键设计。

图 4 低功耗长距离抗干扰接收机设计

零功耗chirp信号解扩频机制　本研究提出了一种无源chirp信号解扩频电路来解决CSS信号解扩带来的被动式通信系统无法承受的高功耗难题。具体来说，在网关端同时发送两路chirp信号，这两路信号之间的频率差始终为一固定值，如图4（a）所示。这两路信号在接收机端被一个被动式射频二极管接收并混频，从而实现chirp信号的解调和解扩频。由于只需使用一对零功耗的射频二极管，因此这个电路可以实现零功耗的chirp解扩频。另外，本研究的后续工作将该无源解扩机制扩展到标准LoRa信号波形，实现了LoRa信号的微瓦级长距离接收。

基于能量累积的零功耗放大机制　传统的信号放大手段通常具有数十毫瓦的功耗，无法实现微瓦级功耗的信号接收。为了实现低功耗信号放大，采用LC谐振电路来累积解扩频后的信号的能量，进而放大信号的幅值。如图5所示，该电路由一个串联在电路中的电感和一个接地的电容组成。电路中的能量在电容以及电感的作用下，在磁力势能和电势能两种形式之间交替转换。具体的原理是，LC谐振电路在其谐振频率点附近具有非常高的阻抗，使得特定频率的电流能够在其内部持续振荡。在这个过程中，电能和磁能周期性地相互转化，能量进入电感后形成的磁力势能可以为电容充电，从而在电容的两个极板之间形成电势能，反之亦然。这种持续的能量振荡使得在谐振频率点附近输入的微弱信号能量得以在电感和电容之间反复交换并累积叠加，从而显著放大了该频率点信号的电压振幅。但是，在信号累积的过程中，信号所携带的信息（如通过幅值、频率或相位改变来表示的信息）可能会由于信号的叠加而丢失。受到脉冲间隔编码的启发，本研究使用谐振器中谐振信号的持续时长来表示不同信息符号。

图 5 零功耗能量累积信号放大

免采样低功耗解码机制　现有的接收机均使用ADC采样，从而实现信号的解码。但是，ADC采样的功耗通常高达数百微瓦。如采用ADC实现解码，整个接收机的功耗也会随之提升到数百微瓦的水平。本研究提出了使用RC电路作为能量积分器实现解码的方案，其功耗仅为数微瓦。具体来说，携带不同二进制信息的符号，其谐振信号的持续时长不同，因此会决定符号的能量高低。在该接收机上，可使用能量积分器对符号能量进行积分，并对积分结果进行判定，从而识别符号所表示的信息。为了避免接收信号强度变化导致谐振信号幅值改变，从而改变符号能量水平导致积分结果出错的情况，本研究提出了对谐振信号电平进行归一化处理的解决措施。此外，为了确定能量积分的上下限（即确定能量积分的起始和结束时刻），本研究也设计了基于RC电路的低功耗符号同步功能，从而能够得知每个符号的起始和结束时刻，实现精准解码。

实验表明，基于该方案的系统原型可在–2 dB的SINR下正常工作，接收距离高达400 m以上，工作功耗仅为62.07 μW，为实现低功耗远距离下行链路提供了强有力的解决方案。

未来探索：低功耗长距离上行通信

解决了无线总线下行链路问题后，本研究重新聚焦于上行链路。如前所述，现有被动式通信系统现采用的反向散射通信受制于固有物理规律而难以在大规模广域感知场景实际部署落地。然而，在由这些应用的功耗上限决定的上行通信设计空间内，反向散射相较于传统主动通信的功耗降低过于极端，反而导致配套基础设施成本显著上升。那么，是否存在一种折衷方案，既能大幅降低上行链路功耗，又不过度依赖边侧基础设施？

为此，本研究初步提出了一种“三免”式高效率主动发射机设计，对传统发射机拓扑进行了结构化分析与归约重构。本研究首先通过为传统主动发射机中PA的输入输出端口提供合适的反馈回路，从而稳定地激励PA发生振荡，生成可用强度的射频信号，实现免晶振(crystal-less)信号发射。同时，基于谐波注入锁定原理，借助外部泛在蜂窝环境信号实现了自激振荡PA的跨频段频率锁相校准，从而免去本地PLL的使用(PLL-less)。最后，基于开关电容阵列和变容二极管，实现了自激振荡PA谐振频率的细粒度数字调谐，这使得研究可以直接在射频频段搭载兼容现有商用物联网通信协议的基带信号，而免去传统外差式发射机(mixer-less)必须通过高功耗混频器进行基带上变频调制的负担。目前已初步进行了原理验证，结果显示该设计方案可在1 mW功耗内实现–10 dBm强度的chirp信号发射，达成了千米级抗干扰上行通信目标。相比现有主动通信方案，功耗降低了2~3个数量级。

本研究围绕现有物联网通信体制面临的功耗与系统适用性固有矛盾，基于无线总线物联网边端体系思想，将通信原语从终端上浮至网关处理，构建边端协同的无线总线通信新体制。研究通过三阶段创新验证了该架构的可行性：1）首次实现被动式DSSS接收技术；2）突破CSS信号微瓦级接收瓶颈；3）探索上行链路优化方向，提出“三免”式高效率主动发射机设计。本研究系统阐述了无线总线物联网边端系统无线通信部分的上层设计与核心组件，期待与更多同行一起，共同推动物联网泛在连接与全面感知目标的实现。

本文发表于2025年第8期《计算》

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