白皮书
简介
数十年来，1 GHz 以下网络一直是需要长距离、高可靠性连接的产品所采用的标准。从历史上看，这些网络一直采用专有技术构建，并针对特定应用进行优化。近来，由联盟支持的基于标准的 1 GHz 以下协议不断涌现，降低了有兴趣采用这些远距离技术的开发者的准入门槛。
这种标准化的一个突出实例体现在全球范围内的电表部署中。这些部署以往通常基于专有的星形或网状网络，旨在将计量基础设施与威胁隔离开来，同时也为计量制造商确保其部署满足可靠性和安全要求提供了途径。最近，市政当局和计量公司都在大力推动采用更加基于标准的方法。这种方法让城市在更广泛的地理范围内铺开更大的智慧生态系统时，能够将智能计量作为连接骨干加以利用。这些大规模的线路供电设备部署，为扩展市政连接提供理想的基础，使其能够涵盖电池供电设备，并将用例拓展到更多传统上依赖电池供电的应用。这种扩展让市政当局能够利用成本较高的基础设施，在其职责范围内提高效率并降低总体成本。
IEEE 802.15.4g 标准的制定，旨在为智慧城市的扩展提供一个平台，以利用行业标准的 PHY 来简化采用过程并降低网络复杂性。诸如 Wi-SUN 等协议正是建立在这一标准之上，以提供可互操作的解决方案，供制造商使用和城市采纳，确保来自多家供应商的设备能够在同一网络上进行交互。Wi-SUN 利用了 802.15.4g 标准的一个子集，以提高兼容性，同时不限制设备功能。通过使用 802.15.4g 标准中定义的 FSK 和 OFDM 两种调制方案，Wi-SUN 允许用户选择 8 种不同的 FSK 配置和 4 种 OFDM 选项，为其应用找到最佳解决方案，而不会限制网络上其他设备的交互方式。Wi-SUN 内置的原生 IPv6 寻址能力，使得基于 IP 的网络的接入变得简单，并消除了以往基于 1 GHz 以下解决方案中常见的复杂性。
802.15.4g 标准及其配套集成电路，提供在 1 GHz 以下网络中罕见的灵活性。这种灵活性固然是一大优势，但也带来复杂性，迫使设计者必须更加了解可供其使用的不同 PHY 配置和选项。每种配置在生态系统中都有其独特定位，以满足不同用例的需求，并经过优化，使开发者能够为各自的应用选择最合适的方案，同时不会将网络局限于该应用的需求。
在本白皮书中，我们将介绍 802.15.4g 可用的一些高级特性及其在 Wi-SUN 协议中的定位，阐述 802.15.4g 中定义的三种 PHY 之间的差异，并讨论它们各自在数据速率和传输距离方面的性能优势。
FSK、OFDM 和 O-QPSK
802.15.4g 标准定义三种不同的调制方案，以标准化智能公用事业网络的通信规范。这些调制方式如下：
- SUN FSK：现有网络中最常用的方案。
- SUN OFDM：用于提供更高带宽的连接和更低的延迟，支持 OTA 等功能的实现。
- SUN O-QPSK：提供更低的数据速率和更远距离的选项。
这些 PHY 中的每一种都旨在为网络带来不同的优势，为开发人员在定义和部署网络时提供最佳的灵活性。与所有设计抉择无异，没有哪个单一方案能够满足每一个终端节点的需求，但该标准支持的三种 PHY 的组合，使得可以为网络中的每种应用挑选出最合适的 PHY。
SUN FSK 与 FEC
FSK 调制在美国的众多应用中已广泛使用多年，802.15.4g 标准定义特定的 PHY 配置，可作为 SUN 网络的一部分加以运用。Wi-SUN 采用这些 PHY 的一个子集（如下表所示），支持 50 至 300 kbps 的数据速率，带宽范围为 100 至 600 kHz。
| 比特率 (kbps) | 调制指数 | BW-Ch 间隔 (kHz) | 工作模式 | 含 FEC 时的净比特率 (kbps) |
| 50 | 0.5 | 100 | #1a | 25 |
| 50 | 1 | 200 | #1b | 25 |
| 100 | 0.5 | 200 | #2a | 50 |
| 150 | 1 | 400 | #2b | 50 |
| 200 | 0.5 | 200-400* | #3 | 75 |
| 200 | 0.5 | 400 | #4a | 100 |
| 200 | 1.0 | 600 | #4b | 100 |
| 300 | 0.5 | 400-600* | #5 | 150 |
在 Wi-SUN 和 802.15.4g 所定义的 PHY 中，FSK 是最简单的方案，它在每种工作模式下仅依赖单一载波和单一数据速率。这种简洁性确实也伴随着一些需要考量的挑战。例如，要提高数据速率，就需要增大信道带宽，这会增加网络对噪声的敏感度。
基于 FSK 的网络也可利用 FEC（前向纠错）来提高可靠性和网络点对点传输距离。然而在实际应用中，其效果并不像人们预期的那么显著。为 FSK PHY 添加 FEC 会使给定带宽或信道间隔下的有效数据速率减半。除数据速率最低的 FSK PHY 外，增加 FEC 并无实际优势。查看下方图表，您会看到以绿色标示的 FSK 选项 5。该 PHY 支持 300 kbps 的数据速率，或在启用 FEC 时支持 150 kbps 的数据速率，带宽为 600 kHz。启用 FEC 后，灵敏度从约 -103 dB 提升至约 -107 dB。再看 FSK 选项 3（以蓝色标示），可以发现它在不使用 FEC 的情况下也能达到相似的灵敏度，并且能保持更窄的带宽 (400 kHz)。在大多数情况下，选择选项 3 及其更低的带宽，会比在选项 5 上启用 FEC 更为有利。FSK 选项 1b 在启用 FEC 时接收灵敏度有显著改善（-110 dB 对比 -115 dB），因此，在这一极为特定的场景下，如果您需要最大的点对点传输距离，并且能够承受 50% 的数据速率降低，则建议采用此选项。
NA - 200/400/600 kHz 信道间隔
图 1 - FSK 数据速率与灵敏度
SUN OFDM 及其优势
OFDM 最初于 20 世纪 80 年代为支持数字音频广播而开发，随后在 90 年代被用于数字电视，之后又成为 Wi-Fi 标准 (802.11g/n…) 的组成部分。它是一种多载波调制方式，利用特定载波进行同步，其他载波传输数据，从而实现非常高效的调制与编码。OFDM 具有内置的可扩展性和灵活性，所有 MCS（调制与编码方案）模式采用相同的同步机制，并利用包内信令在不同模式间轻松切换，而无需更改配置。
OFDM 对多径干扰具有很强的鲁棒性，因而非常适用于城市环境。然而，OFDM 对功率放大器的线性度有非常严格的要求，这可能导致输出功率受限，以保持在规格限制之内。802.15.4g 规定 4 种不同的 OFDM 选项（如下表所示），每种选项内均包含可配置的 MCS 等级（MCS0 至 MCS6）。这些选项支持从 12.5 kbps 到 2.4 Mbps 的数据速率，具体取决于所选选项和 MCS 等级。在既定选项内，可根据网络的即时需求选择 MCS 等级，使数据速率从 MCS0 到 MCS6 扩展至 24 倍。Silicon Labs 已增加对 MCS7 的支持，其比特率比 MCS6 提高 50%。
| OFDM 选项 | 带宽 (kHz) | 主要地区 | 比特率 (kbps) | 灵敏度 (dBm) |
| 1 | 1200 | 北美、巴西 | 100 至 2400 (3600*) | -111 至 -95 |
| 2 | 800 | 北美、巴西、日本 | 50 至 1200 (1800*) | -113 至 -98 |
| 3 | 400 | 北美、巴西、日本 | 25 至 600 (900*) | -115 至 -101 |
| 4 | 200 | 北美、巴西、日本、欧洲 | 12.5 至 300 (450*) | -116 至 -104 |
Wi-SUN FAN 1.1 规定 4 种 OFDM 选项，采用 MCS 等级 0 至 6。下图展示 EFR32FG25 SoC 的接收灵敏度水平，以及这些水平如何随各选项和 MCS 等级所设定的不同数据速率而变化。总体而言，在给定的 OFDM 选项内，FG25 在不同 MCS 等级下的接收灵敏度差异约为 12-16 dB，这将导致点对点传输距离的缩减。设备可利用 OFDM 内置的数据包内信令功能，实时在不同 MCS 等级之间轻松切换。这使得设备能够在较低数据速率下运行以实现最高可靠性，然后为满足更高吞吐量的需求（如空中下载 (OTA) 升级）而在短时间内提高数据速率。
SUN OFDM 的灵活性
图 2 - Wi-SUN 数据速率与灵敏度
总体而言，OFDM 相较于基于 FSK 的网络具有若干显著优势。它支持更高的数据速率和吞吐量，能够高效地实施 OTA 升级，而无需消耗大量网络带宽或终端设备电量。这些更高的数据速率还意味着更短的空中传输时间，这对大规模网络可产生重大影响。更短的空中传输时间可降低网络拥塞、提高鲁棒性，同时允许更多节点加入网络。
SUN O-QPSK
尽管 SUN O-QPSK PHY 目前尚未纳入 Wi-SUN 标准，但 802.15.4g 标准中定义的这一物理层在智慧城市的未来发展中将占据关键地位。SUN O-QPSK 瞄准中低数据速率应用（如传感器）所需的极低灵敏度，能够将网络覆盖范围扩展至 FSK 或 OFDM 能力所不及的距离。该标准规定 2 个选项和 4 种模式，SUN O-QPSK 可支持 100 至 1000 kcps 的速率模式，带宽范围从 200 kHz 到 2 MHz，具体取决于配置。如下表所示，该表显示 EFR32FG25 上 SUN O-QPSK PHY 的接收灵敏度，其灵敏度远低于 FSK 或 OFDM。这种更低的灵敏度使 SUN O-QPSK 成为整个网络生态系统中其他两种调制方案的完美补充。
| 码片速率 (kcps) | 带宽 (kHz) | 主要地区 | 比特率 (kbps) | 灵敏度 (dBm) |
| 100 | 200 | 全球 | 6.25 至 50 | -124 至 -119 |
| 1000 | 2000 | 北美、巴西、韩国 | 31.25 至 500 | -116 至 -109 |
FSK 与 OFDM 的比较
在日益演进的基于 802.15.4g 的领域中，FSK 和 OFDM 这两种调制方案均有一席之地。FSK 网络的简洁性以及 OFDM 网络的数据速率，都很难被超越，但由于用例千差万别，并不存在一种可以推荐的通用实施方案。
在比较这两种可能的网络配置时，最简单的切入点便是空中传输时间。下表展示针对 1,500 字节的有效载荷，不同 OFDM 和 FSK PHY 配置的传输时长。该比较采用相同带宽进行，以确保结果之间的可比性。正如所料，我们看到空中传输时间与数据速率之间存在线性关系，但正如前文所述，FSK 的带宽必须随数据速率而扩展，这限制了在受限环境中实现的可能性。
| 带宽 (kHz) | 调制方式 | 比特率 (kbps) | 传输时长 (ms) |
| 200 | FSK 1b | 50 | 241.9 |
| FSK 2a | 100 | 121.0 | |
| OFDM 4 MCS3 | 100 | 121.6 | |
| OFDM 4 MCS6 | 300 | 41.5 | |
| OFDM 4 MCS7 | 450 | 28.2 | |
| 400 | FSK 3 | 150 | 80.9 |
| FSK 4a | 200 | 60.6 | |
| OFDM 3 MCS3 | 200 | 61.6 | |
| OFDM 3 MCS6 | 600 | 21.5 | |
| OFDM 3 MCS7 | 900 | 14.9 | |
| 600 | FSK 5 | 300 | 40.7 |
| 800 | OFDM 2 MCS3 | 400 | 31.6 |
| OFDM 2 MCS6 | 1200 | 11.5 | |
| OFDM 2 MCS7 | 1800 | 8.2 | |
| 1200 | OFDM 1 MCS3 | 800 | 16.2 |
| OFDM 1 MCS6 | 2400 | 6.1 | |
| OFDM 1 MCS7 | 3600 | 4.4 |
从本例中得出的最重要结论是，相较于 FSK，OFDM 在网络利用效率方面要高出许多。这种大幅缩短的空中传输时间在实际部署中具有诸多优势。例如，印度开放了非授权频谱中一个非常窄的频段 (865-868 MHz) 给用户，并将信道带宽限制在 200 kHz。在该地区，使用 OFDM 可获得高达 FSK 3 倍的数据速率，从而缩短每台设备的空中传输时间。以 OTA 更新为例，使用 OFDM 完成任务的速度比在相同带宽下使用 FSK 快 3 倍。在实际应用中，这会缩短参与更新设备的空中传输时间，或允许在相同的时间间隔内更新 3 倍数量的节点。换句话说，与 FSK 相比，它可以在同一时间更新三倍数量的 OFDM 设备。这对小型网络或许意义重大，但对于拥有数十万台设备的单一网络而言，由此产生的差异之大便显而易见。在这些窄带应用中，OFDM 远比 FSK 高效，能够在给定时间内将更多节点可靠地连接到网络，并降低整体网络拥塞。
尽管可扩展性和效率是 OFDM 相对于 FSK 的主要优势，但也必须考量其若干劣势。OFDM 的线性功率要求导致在相似功率水平下，发射电流消耗高于 FSK。虽然其中部分消耗因传输时间更短而在平均功耗上得以抵消，但这仍需在系统层面加以考量，并且可能被证明在某些电池供电应用中构成限制。
模式切换与并发检测
随着基于标准的 LPWAN 网络部署日益增长，对网络灵活性的需求也随之增加。电池供电节点与线路供电节点的需求大相径庭，有些节点能够承受比其他节点更长的延迟，而更为复杂的是，这些需求还可能随产品使用周期而变化。Wi-SUN 通过增加模式切换功能来应对这一问题，该功能允许节点利用在既定基础 PHY 上发送的信令数据包，在不同的 PHY 配置之间进行切换。该信令数据包一经发出，接收节点便会将其 PHY 配置更改为与发送方相匹配，并等待下一个数据包。这一新配置可根据网络需求，基于时间或事件驱动的方式予以保持。依照 Wi-SUN 标准的规定，这种模式切换可在 FSK PHY 配置之间进行，也可从 FSK PHY 切换至 OFDM PHY，具体取决于网络及各节点所支持的调制方式。
与历来部署的固定 PHY 网络架构相比，模式切换是网络性能方面向前迈出的一大步。对于纯 FSK 网络而言，模式切换可在诸如 OTA 等需要在短时间内支持更高数据速率的用例中，实现快速简便的数据速率变更。然而，在使用多种调制方案的网络中，仍有改进之法。
Silicon Labs 随 EFR32FG25 系列无线 SoC 引入并发检测功能，使节点能够侦听使用多种调制方式的通信流，而无需信令数据包。当接收到多个消息时，首个数据包的接收会被赋予优先级，第二个消息则不予确认。并发检测实现真正的混合 PHY 网络，且无额外开销。它还能缩短空中传输时间并降低整体网络拥塞。虽然并发检测针对使用多种调制方案的网络进行优化，但对于使用单一调制方案的网络并不提供附加价值。在这些网络中，您仍需借助像 Wi-SUN 这样的协议栈内置的模式切换功能来更改 PHY 配置。
性能对比：欧洲/印度
欧洲和印度为展示 OFDM 如何在带宽受限环境中提升性能提供了极佳的范例。这两个地区目前均使用 200 kHz 带宽或信道间隔，这严重限制了基于 FSK 的网络可达到的数据速率，并制约整体网络功能，使其成为采用 OFDM 或 SUN O-QPSK PHY 的理想案例。
上图展示我们已详细讨论过的所有 PHY。当观察这些地区 OFDM（选项 4）与 FSK 的用例时，可以得出三个结论（上图分别标示为 A、B 和 C）。观察用例 A 可见，在相似的接收灵敏度或覆盖范围下，OFDM 可提供 30% 至 50% 的数据速率提升。观察用例 B 可见，在相同数据速率下，可获得约 4 dB 的灵敏度改善，从而实现点对点传输距离的显著扩展。最后，用例 C 将 A 和 B 合并为一个示例。对比 FSK 2a，OFDM 选项 4 的 MCS 4 可同时实现 50% 的数据速率提升和 2 dB 的灵敏度改善，在提高吞吐量的同时扩大了覆盖范围。
更进一步观察，可以看到与 FSK 和 OFDM 相比，采用 SUN O-QPSK PHY 所能获得的巨大提升。仅以 50 kbps 数据速率为例，SUN O-QPSK 较 OFDM 提供 5 dB 的改善，较 FSK 则高达 8 dB 的改善，这对于此类低数据速率应用的点对点传输距离将产生重大影响。在这一实际案例中，可以看到像 Wi-SUN 这样利用多 PHY 架构的网络所提供的灵活性，如何在不增加协议栈层面复杂度的情况下优化网络，并使这些设备能够以最少的额外开销相互交互。
EU-IN: 200 KHz 信道间隔
性能对比：北美示例
上图展示全部 3 种 PHY 的实现方案，以显示它们之间潜在的性能权衡。
此图虽然更为复杂，但从中得出的结论却清晰明了。
- OFDM 是一种非常灵活的 PHY，在单一信道间隔选项内即可提供多种数据速率。
- 对于给定的 FSK PHY，在相同覆盖范围和带宽下，OFDM 可提升数据速率。
- 在 SUN O-QPSK 所支持的数据速率和信道间隔范围内，其相较 FSK 和 OFDM 均带来显著的覆盖范围提升。
在北美，开发人员能够真正根据需求优化其网络，并拥有充分的灵活性来选择最能满足其应用需求的 PHY、信道间隔及数据速率，几乎无需做出妥协。
结论
以往，基于 1 GHz 以下网络的资源有限且具有专有属性，迫使人们在性能上做出重大妥协，而基于标准的解决方案的涌现，则开启了充满可能性的新格局。单一网络纳入多种 PHY 选项，使得能够为给定应用选择最佳方案，而非试图将所有应用都塞进一个狭窄的性能窗口内。随着物联网用例的不断扩展，这种灵活性实现更强的可扩展性和互操作性。
OFDM 等更先进调制方案的纳入，使开发人员能够根据设备和网络的实时需求，在数据速率、功耗和性能之间做出权衡，而非被迫采用单一方案。当这一点与模式切换或并发检测功能所提供的额外灵活性相结合时，设备甚至可以在不同 PHY 之间实时切换，从而更轻松地引入关键功能，例如 OTA 升级，而对于这些低带宽、低数据速率的网络而言，此类功能此前几乎从未成为过可行的选项。
对于希望利用既定协议并确保互操作性的开发人员而言，Wi-SUN 等利用 IEEE 802.15.4g 标准的协议的出现，使这一任务变得更加简单。这些协议及其已建立的认证流程，为用户提供了一种机制，使其能够利用已部署的网络并改善整体用户体验。
对于寻求专有解决方案的开发人员来说，IEEE 802.15.4g 提供一套定义明确的 PHY，可作为其协议的基础。这使得 SoC 供应商能够开发相应工具，并提供一定水平的技术支持，而这样的支持在真正的专有部署中通常难以获得。设备制造商不再需要承担从零开始完整定义协议的重担，他们可以专注于那些能让自己的产品在日益拥挤的互联设备领域脱颖而出的细节。
