基于认知无线电的LoRa网络架构设计

张敏

摘 要：应用于物联网的各种低功耗广域网技术中，LoRa技术具有成本低和电池寿命长的优势。但是，由于LoRa网络工作于非授权频段，所以LoRa技术的可靠性相对较低。针对这一问题，文章引入认知无线电技术，分析并且设计了认知LoRa网络的体系结构，从而提高LoRa网络的可靠性，缓解LoRa网络频谱资源紧张的局面。

关键词：低功耗广域网；LoRa；认知无线电技术

为满足物联网中远距离和低功耗的通信需求，低功耗广域（Low Power Wide Area Network，LPWA）技术应运而生。LoRa（Long Range）和NB-Iot（Narrow Band Internet of things）作为LPWA技术中最具发展前景的两大阵营，获得了工业界和研究界的广泛关注。相比NB-Iot技术，LoRa技术具有成本更低和电池寿命更长的优势。但是，NB-Iot网络工作于授权频段，由运营商统一部署并且收费运营，单一系统专享频谱资源，可靠性较高。而LoRa网络工作于非授权频段，由企业或个人免费组网运营，不同系统共享频谱资源。随着物联网应用不断增加，频谱需求日益紧张，LoRa技术的可靠性不能得到有效保证。为提高LoRa的可靠性，本文引入认知无线电技术，在一定程度上缓解LoRa网络频谱资源紧张的问题。

1 LoRa网络体系结构

LoRa技术由美国Semtech公司提出并推广，是目前最有发展前景的低功耗广域通信技术之一。LoRa网络工作于1GHz以下的非授权频谱，采用长距离星型体系结构，主要由LoRa终端、基站、网络服务器和应用服务器4部分组成。网络体系结构如图1所示。

在LoRa网络中，终端设备通过单跳LoRa通信与对应的基站建立链接，实现点对点通信，终端通信协议结构包括物理层、MAC（Medium Access Control）层和应用层。基站作为终端设备和中央核心网络之间的中继，负责物理层数据的接收和转发，基站将接收到的数据转发到基于云的网络服务器。网络服务器具有一定的智能性，在MAC层进行信息数据的相关处理，主要功能包括过滤重复的数据包、安全性检查、基站管理和选择、向基站发送确认消息以及向特定应用服务器发送数据包等。应用服务器则接收网络服务器的应用数据，通过分析应用数据，实时显示并且调整网络的相关状态。

2 认知无线电技术

随着无线通信需求日益增长，频谱资源日趋紧张，如何提高频谱利用率已成为当前无线通信技术研究的热点之一。美国联邦通信委员会的研究报告指出，已授权的频谱在特定的时间和空间存在不同程度的闲置，即存在频谱空洞。而认知无线电技术，未授权用户在不影响授权用户的前提下，能伺机接入频谱空洞，从而大幅提高频谱利用率。当授权用户要求接入某个非授权用户正在占用的信道时，非授权用户立即让出该信道，同时切换到其他空闲信道继续通信，或者中断其连接。

认知无线电技术这一术语是由Joseph Mitola博士于1999年发表的一篇学术论文中提出的。著名学者Simon Haykin对认知无线电技术做了如下定义：“认知无线电是一个无线智能系统，能够使用人工智能技术感知和学习周围的环境，通过实时改变某些操作参数（比如传输功率、载波频率和调制技术等），使其内部状态能够适应不断变化的射频环境，以达到任何时间任何地点高度可靠通信，有效利用频谱资源的目的。”采用认知无线电技术的用户通过如图2所示的认知循环来实现动态频谱接入。认知循环包括以下3个步骤：频谱感知、频谱分析和频谱决策。频谱感知的主要功能是根据无线电的射频信号，监测可用频段获取频谱信息，从而检测出频谱空洞；频谱分析对频谱感知获取的频谱空洞特性进行分析；频谱决策根据频谱分析的结果和用户的需求选择合适的频段传输数据，并且确定数据传输速率、传输模式以及传输带宽等。

3 认知LoRa网络体系结构设计

非授权频带不需要授权就可以被任何无线通信系统使用，在这种频带中，无线通信系统在任何时间和地点都可以动态地使用和释放频谱。由于LoRa终端工作于非授权频谱，当物联网应用增加时，容易出现其他同频设备的干扰，所以，可靠性相对较低。为提高LoRa技术的可靠性，本文提出认知LoRa网络技术，此技术既可以保证LoRa终端在通信受到干扰时保持通信的稳定性，也可以提高频谱资源的利用率。

当工作于非授权频带的LoRa网络中出现其他通信系统干扰，导致基站和终端之间的通信质量不佳时，LoRa基站在授权频带进行频谱感知。基站作为非授权用户，通过频谱感知获得授权频带的频谱空洞信息，并且通知终端切换至频谱空洞，从而维持已有的通信链路。当基站检测到有授权用户占用了此频谱空洞时，则基站对非授权频带进行感知，如果非授权频带信号质量恢复，则通知终端切换回原频带。如果非授权频带信号质量仍然不佳，则LoRa终端与基站之间的通信中断。认知LoRa网络体系结构如图3所示。

认知LoRa网络在基站处增加了频谱接入层，此层包括频谱感知、频谱分析和频谱决策3个模块。频谱感知模块实现基站对周边无线电环境的智能感知，获取频谱空洞信息。常用的频谱感知技术有能量检测、匹配滤波器检测、循环平稳检测等。当基站不能正确接收终端的数据信息时，则对授权频谱带进行感知，从而发现频谱空洞资源。频谱分析模块根据频谱空洞信息，通过频谱资源历史使用数据，分析频谱空洞特性。频谱决策模块根据频谱空洞特性和LoRa网络业务需求，选择合适的频谱空洞，并且把频谱空洞信息发送给终端。

LoRa终端在MAC层增加了频谱侦听和频谱切换模块。频谱侦听模块周期地侦听基站发送的频谱空洞信息，若接收到频谱空洞信息，则由频谱切换模块负责切换频谱，实现通信的稳定性。

4 结语

目前，LoRa技术以其低成本和低能耗的特性，获得了业界的广泛关注。由于LoRa技术工作于非授权频带，随着物联网应用不断增加，频谱需求日益紧张，LoRa技术的可靠性不能得到有效保证。而认知无线电技术通过感知授权频带中的频谱空洞，能够有效提高频谱利用率，保证非授权用户的通信稳定。本文将认知无线电技术引入LoRa网络，设计了认知LoRa网络体系结构，在基站物理层之上增加频谱接入层，获取有效的授权频谱空洞信息。同时，在LoRa终端的MAC层，增加频谱侦听和频谱切换模块，切换至相应的频谱空洞，维持通信链接，提高LoRa网絡的可靠性。