开启LPWAN 2.0时代的底层技术：Advanced M-FSK(二)
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导 读
ZETA Advanced M-FSK是LPWAN领域的“5G”，5G实现了移动宽带领域的更高速率，Advanced M-FSK则实现了LPWAN领域的更广覆盖。
上一篇重点介绍了纵行科技研发的Advanced M-FSK调制技术的需求来源，基本原理和帧结构，得到了众网友的认可，意犹未尽，本文继续介绍Advanced M-FSK的一些重要理念。总结一句话：Advanced M-FSK是5G在LPWAN的领域延申，是LPWAN领域的“5G”。5G实现了移动宽带领域的更高速率，Advanced M-FSK则实现了LPWAN领域的更广覆盖。与LoRa技术相比，具有更好的扩展性，可以接近兆级别的速率，极大的扩展了ZETA LPWAN的应用场景。
注：以上表格传输宽带为120kHz
这里再简单的回顾Advanced M-FSK的调制技术，如下表所示：
表1: Advanced M-FSK与LoRa关键参数对比
LoRa | Advanced M-FSK | 备注 | |
调制比特数 | 时域因子SF | 频域因子K | |
信号 | CSS(Chirp-Spread-Spectrum) | 1/BPSK/QPSK/8PSK | Advanced M-FSK可以灵活的支持相位调制 |
带宽 | BW |
| |
载波间隔 |
| 对应LoRa的
| |
码片时长 |
| 对应Advanced M-FSK的 | |
符号时长 |
|
| |
比特速率 |
|
| |
频谱效率 |
|
|
Advanced M-FSK调制技术参数包括：传输频域总带宽BW（不含保护带宽）、频点间隔SCS（SubCarrier space）、信道编码速率CR（Code Rate）。由频点间隔SCS和传输总带宽BW得到频域因子
（根据载波频点数所能传输的比特数）；为了保证频点间正交，符号时长至少为
。根据频域因子、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率和比特速率，具体推导过程为：
频率因子：
比特速率：
频谱效率：
Advanced M-FSK中的参数SCS把Advanced M-FSK和5G联系起来了。
Advanced M-FSK是5G在LPWAN领域的延申，是LPWAN领域的“5G”
在5G 领域，随着带宽增加，时延需求提高，以及频带不断向上扩展从sub 3GHz扩展到sub 6GHz到毫米波。引入了可扩展的(Scalable)载波间隔参数，以适应各种场景。
其中支持表格如下，可以看出，SCS是随着传输速率增加而不断变大:
表2: 5G的SCS与速率关系
n | SCS | 应用频带 | 约使用带宽 | 速率 |
0 | 15kHz | Sub 2G/Sub3G | 20MHz | 100Mbps |
1 | 30kHz | Sub 3G/C band | 100MHz | 1Gbps |
2 | 60kHz | Sub 6G | 200MHz | 2Gbps |
3 | 120kHz | Sub 30G | 400MHz | 4Gbps |
4 | 240kHz | Sub 30G | 800MHz | 10Gbps |
LPWAN应用场景以低频触发低速率应用为主，如抄表，标签信息等，数据量少要求覆盖远为主，所以Advanced M-FSK主要考虑覆盖远的要求，频带以sub 1GHz为主。假设传输带宽以120kHz为例，随着SCS变小，速率更小，同样可以获得更远的覆盖：
表3: Advanced M-FSK的SCS与速率关系
n | SCS | 带宽 | 速率 |
0 | 15kHz | 120kHz | 45kbps |
-1 | 7.5kHz | 120kHz | 30kbps |
-2 | 3.75kHz | 120kHz | 18.75kbps |
-3 | 3.75/2kHz | 120kHz | 11.25kbps |
-5 | 3.75/8kHz | 120kHz | 3.75kbps |
如上所述，5G的SCS通过2的幂次增长，不断获得更高的速率；而Advanced M-FSK则通过2的幂次负增长，不断的获得更远的覆盖。
下面用一张图形象的表达Advanced M-FSK与5G在不同方向与维度的比较，可以看出为了追求极高的速率和极致的覆盖，他们是向相反的方向走的：
总结表格如下：
表4: Advanced M-FSK与5G关键参数对比
5G | Advanced M-FSK | |
调制方式 | OFDM/SC-FDMA | M-FSK |
频带 | 高频段/毫米波 | 低频段 |
带宽 | 宽带 | 窄带 |
载波间隔 | 大 | 小 |
频谱效率 | 高 | 低 |
能量效率 | 低 | 高 |
速率 | 高 | 较低 |
覆盖 | 较近 | 广 |
综上所述，5G通过SCS实现高带宽下的高速率，ZETA Advanced M-FSK则通过SCS实现窄带宽的广覆盖，因此Advanced M-FSK是5G在LPWAN领域(即低速率和广覆盖)的补充和扩展，Advanced M-FSK是LPWAN领域的5G。
Advanced M-FSK相比LoRa具有更高频谱效率，同等带宽下速率更高
Advanced M-FSK在能量效率基础上，同样可以不断的增加频谱效率，从而增加速率，提升Advanced M-FSK场景应用范围。
Advanced M-FSK相比LoRa频域因子K具有更大的灵活性。Advanced M-FSK与5G类似，为了提升速率，增大频点间隔SCS，即使频域因子K变小。
表5：Advanced M-FSK的SCS与速率关系
带宽 | K | CR | SCS | 速率 |
120kHz | 2 | 1 | 30kHz | 60kbps |
120kHz | 3 | 1 | 15kHz | 45kbps |
LoRa的技术也是通过改变时域SF和带宽两个参数，选择合适的速率。如果带宽一定，选择SF越小，则速率越大，理论上选择SF=1，则速率越高。但实际应用中，市场上并未出现支持SF=1的产品，SF至少要大于等于6，实际上原因是CSS信号在SF=1的情况下并不容易发送，即在短时间内发送完整的CSS信号很困难。而Advanced M-FSK对频域因子没有限制，所以Advanced M-FSK具有更好的扩展性。
Advanced M-FSK相比LoRa具有相位调制功能。Advanced M-FSK与5G类似，可以通过增加相位调制增加频谱效率。5G是QAM调制，即在幅度和相位上同时调制信息；Advanced M-FSK为了保证能量效率，只进行相位的调制。而LoRa是无法调制相位的，即如表1所示，LoRa只能发送CSS信号，此信号并没有任何其他调制信息，所以无法额外发送比特。下图是相位调制示意图，8PSK每个符号可以额外发送3比特。
下表示意不同带宽通过增加相位调制获得速率：
表6：不同相位调制对速率的影响
带宽 | K | CR | SCS
| 无相位速率 | 调制 | 相位调制速率 |
960kHz | 4 | 1 | 60kHz | 240kbps | 32-PSK | 540kbps |
120kHz | 1 | 1 | 60kHz | 60kbps | 32-PSK | 360kbps |
120kHz | 2 | 1 | 30kHz | 60kbps | 32-PSK | 210kbps |
120kHz | 2 | 1 | 30kHz | 60kbps | 8-PSK | 150kbps |
120kHz | 3 | 1 | 15kHz | 45kbps | BPSK | 90kbps |
120kHz | 4 | 1 | 7.5kHz | 30kbps | None | 30kbps |
从以上描述可以看出，Advanced M-FSK相比LoRa具有更高的频谱效率，在带宽上更容易扩展，可以在相位上调制信息。使Advanced M-FSK相比LoRa在sub 1GHz有限带宽内能满足对数据量要求更高的应用场景。如果在非授权更高频段内（比如2.4/5GHz），在保证终端的能量效率内，能满足兆级别数据的传输，因此可以应用到更广的工业场景中。
总结
本文在上一篇基础上，进一步通过5G的物理层基本重要参数SCS介绍了Advanced M-FSK技术，以及通过相位调制参数使Advanced M-FSK在有限带宽内能达到更高速率，相信大家也更进一步理解了Advanced M-FSK的精髓。LoRa技术是基于时域扩频技术发展起来的，在相对较高带宽时面临着种种限制，而Advanced M-FSK技术充分借鉴5G中创新性的基础概念SCS，打破了相对高带宽的限制，是LPWAN领域的5G。Advanced M-FSK无论在峰值速率还是覆盖范围的可扩展性方面，Advanced M-FSK都显著超过了LoRa技术,为行业提供了另外一种更低成本的LPWAN连接技术路径。
截止目前本系列文章仅介绍了Advanced M-FSK发送端设计理念，接收机方面设计如何？如果点赞较多，还有更详细分析。
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