无线蜂窝组网
所谓组网（Networking），其核心就是将海量
通信设备连接到系统中。但是组网涉及的概念很多，从不同的视角看，也自然会有不同的理解。有些人认为在家里安装无线路由器，或者在楼宇中布设无线接入点就是组网。而对于传统无线通信人来说，经过1G，2G，3G，4G乃至5G的千锤百炼，在提到组网概念时，首先想到的则是“无线蜂窝组网（Cellular Network）”。尤其是在LPWA技术大力宣传其单站覆盖半径大于5公里，容量可支持5万个终端的背景下，基于LPWA的星型拓扑组网，与传统的“宏蜂窝”组网概念，就更加相似了。讨论就由此而来了。
那么为什么基于开放频谱的组网会受到通信人的讨论和质疑呢？是因为无线组网技术中最核心的问题就是干扰抑制（interference）。由于无线电传播的不确定性远大于电缆通信，因此无线系统也引入了更多的干扰，例如系统内干扰，系统外干扰，同频干扰，互调干扰，杂散干扰，多径干扰等等等等（概念超多，烦恼也多，就少列几个吧）。要实现单点的无线通信很简单，淘宝两个
开发板就可以做到，但是要实现无线蜂窝组网，开发难度会大大增加。坦白的讲，在做无线组网功能架构设计的时候，首先想到的如何抑制干扰，而不是如何将基站“编制”起来。
举几个例子来说吧。
基于同步的无线组网
宏蜂窝组网的一个重要基础是“基于同步的无线通信”。找个例子来说下同步（synchroniza
tion）的概念。
1/ 基站专门安排一个同步信道喊“一二一”；终端呢，一边听着口号，一边保持队形一致，等待基站调度指令。
2/ 当需要某个终端发送数据时，基站会通过公共控制信道，通知所有的终端，“请Tom同学回答问题（发送数据）”，Tom起立发言；其他同学因为没有听到自己的名字，保持安静，暗自窃喜躲过一劫；
3/ 还有同学也想发言，不好意思，基站没有调度你，请安静等待。因为如果队伍里所有同学都同时发言，就造成了终端间干扰，基站就听不清楚了。
4/ 有的终端迫不及待，一定要发言（紧急告警数据），那好吧，请举手（业务请求），基站接到请求后，指派这位急性子同学在安静的时候发言。
这样的话，终端统一听基站指挥，井然有序，信道效率最高。
相反，如果终端不能保持统一的步调，不能遵从基站统一的调度（scheduling），随心所欲地发言（随机性上传数据），那么基站听到的将是一片噪音。而且，终端因为无法完成通信，会用更大的声音发言（增加发射功率），在没有秩序不同步的网络中，噪音会更嘈杂，基站会更蒙圈。现在大多LPWA技术强调数据通信可靠性，那么当终端没有收到网络确认的答复时，会自动重发。设想一下，有海量的终端接入的时候，那种七嘴八舌，人声鼎沸的场景，对于基站来说，听到的就是白噪声了。
这里要说一下信道效率的概念，可以简单理解为同等条件下可以支持的终端个数。目前很多LPWA技术注重物理层，链路层，没有在无线资源管理方面定义规范。例如LoRa的通信协议采用ALOHA协议（即随机访问或者竞争发送协议）。这种协议实现起来简单易行，但是就像例子中提到的，通信业务是由终端随机发起的，必然会造成大量的碰撞（collision）。大家可以百度一下“ALOHA协议”和“信道利用率”，会发现随机访问的信道利用率最高不超过18.4%。这真的很糟糕，很多客户花了大力气搞实验网，测试LoRa技术，结果抱怨单站支持的终端数量远远低于市场宣传的数字，其主要原因之一，就在于此。
同样的，大家也可以想象一下医院，银行，餐厅里排号的场景，病人们安静地目不转睛地盯着屏幕上的号码（下行同步，系统消息监听），一听到喊自己的号（获得指配信息），立刻跑到诊室里看大夫（发送数据）。假如有病人加塞，大声喧闹，或者一股脑地冲到大夫跟前，你会抱怨医院的管理效率真糟糕。
有些同学说，ALOHA是协议上的定义，在实际使用时会进行改进。OK！第一，这个答复说明修改后的协议已经不是开放协议了，本来Chirp扩频技术专利就是封闭的私有协议，这一来大家更担心其宣传的协议开放性了。第二，说Class B在Class A的基础上增加了下行Beacon。事实上这只为终端增加了一个监听ping的机会（128秒周期），对下行的数据传输和ACK响应没有改善。碰撞和容量限制仍然是LoRa的风险。第三，通过业务MCU对数据发送调度进行随机化，减少碰撞。这样的话，通信层与应用层耦合度增强，违背了通信组网独立性的初衷。通信人可能会拍拍您的肩膀说，“哥们儿，其实这还是“小无线”的思路，距离组网还有点儿距离”。
调度器
调度（scheduling）的作用是实现无线资源的最合理分配，使网络的整体容量最优。终端在网络中的分布是随机的，所在位置的无线信道条件各不相同，要传输的数据类型也不同。简单的说，调度器（scheduler）的工作就是让终端们在合理的时间（time slot），合理的位置（sub carrier），合理的功率谱密度（PSD），合理的方式（MCS），合理的承载（TBS）把数据发射出去。可见它在无线网络性能中的重要性。在全球各大实验室里，每当进行LTE性能PK时，华为和爱立信这对好兄弟，一次又一次地向客户展示着那些完美的MCS vs SINR曲线，Throughput vs SINR曲线，Output Power vs RSRP曲线，就是在向客户炫耀着他们的无线资源管理技术多么棒。
在无线资源管理（RRM）方面，LoRa等技术普遍存在短板，只有少数的LPWA技术采用了与蜂窝网类似的架构（此处省略千字广告）。所以在遇到宏蜂窝组网的需求时，是否可以有效保障频谱的效率，是个问题。比如：邻基站间重叠覆盖区如何控制，同频干扰如何抑制，功率如何控制，优先级（QOS）如何管理，拥塞如何管理，等等。
扩频和抗干扰
聊这么多干扰的话题，采用扩频的技术的同学有点不高兴。老子天生就是为抗干扰设计的，老子能在底噪以下成功解调，有干扰也不怕。此话不错，扩频技术确实是解决深度覆盖的好办法。GPS也采用了扩频技术，使地面上手持设备接收来自卫星的微弱信号。为了能够获得处理增益，抵抗干扰，必须付出额外的开销。直观的表现就是传输速率下降，消息的发送时间延长，系统容量下降，功耗增加，电池寿命减少。更直接的说吧，就相当于用“大车”拉“小货”。在实际应用中必须考虑容量和覆盖距离的折中。
找几个简单的数字来看看，参考LoRa扩频方案的Datasheet。一般商用部署时常用的扩频因子配置为SF=8或9，当信道带宽BW=125KHz时，接收灵敏度为-127dBm，加上发射功率17dBm，链路预算粗算为144dB，事实上并没有达到市场宣传的154dB的链路预算。那么我们把扩频因子调到最大SF=12，接收灵敏度能达到-138dBm，覆盖距离是到位了，但是也带来了严重问题。发送同样大小的数据包，发送时间要延长13.6倍，平均工作电流提高15.9倍。那么市场宣传的10年电池寿命，就会变成1年了。
NB-IOT技术通过窄带和重传方式来提高增益，其目的其实是类似的，需要考虑的问题也是类似的。相比扩频“大卡车”送“小包裹”的方式，它选择的是派128辆“自行车”把“包裹”送到家，总有一辆能光荣完成任务。至于其宣传的164dB的链路预算，真正部署时，还是要掂量掂量。以后的文章和大家探讨这个数。
总之，系统容量，业务性能和覆盖半径的折中（trade off），是无线蜂窝组网设计中，最主要的考量。
多频点组网
一般说到多频点组网，大家就会聚焦到频谱效率的概念上了。异频组网（inter frequency），一种就是基站间异频，主要是用于消除相邻基站间的干扰。大家井水不犯河水，好邻居，物理上隔离。2G的GSM基本采用的异频组网。还有一种，就是指同一个基站内使用多个频点（frequency），或者叫多载波（carrier），主要是用于增加容量的。相当于把楼盖高，把蛋糕做厚。3G的WCDMA和4G的LTE会这样做，而且3/4G更厉害，载波之间可以聚合提高峰值速率，可以负载均衡避免拥塞。
通常，公共频谱（unlicensed spectrum）会通过限制发射功率来控制无线覆盖范围，因为它的设计初衷就是用于局域网（LAN）或热点覆盖（hot spot）的，共享的资源嘛，合情合理。这对大规模连续的无线覆盖组网带来了挑战，一是“力不从心”（电平不够强），二是“营养不良”（公共频谱内信噪比差）。
50mW的发射功率对于微功率通信不会存在公开的争议，但是部分LPWA技术还是潜移默化的希望能放宽发射功率的限制。为啥呢？从链路预算（link budget）中估算一下。因为在传统无线通信中，由于终端功耗和发射功率限制，上行经常是覆盖受限的（coverage limited），下行经常是干扰受限的（interfere limited）。那么，如果限制了基站发射功率，由于终端接收灵敏度和天线增益有限，可能会出现下行覆盖反而受限了，终端可能听不到基站的声音了（技术方案会不同，这里是提醒大家看下双向的链路预算对称性）。
市场很多接入网关产品宣传支持多个频点来提高容量，而且高呼着组建连续覆盖的无线网络。如果这样的话，确实会带来一些顾虑，就是大家都争抢着部署连续组网，造成频段内无处不在的信号和噪声，导致其他在开放频谱中工作的设备无法工作。比如一些ISM频段的FSK通信设备，无法实现底噪以下的解调，就会受到影响。这样就违背了开放频谱的意义。
类似问题通常会被总结为“公地悲剧”问题。现实中的例子很多。还用通信来说事儿吧。在热点（hot spot）区域，例如咖啡厅，办公室使用WiFi，效果会很好。但是，在城市街道上，很少有人会使用市政提供的公共WiFi。因为它被各种2.4GHz的频段的信号噪声淹没了。而且有意思的是，你发现信号强度（RSSI）很好，但是通信质量不行。那是因为RSSI体现的是频谱内电平总和，而不是解调出的有效功率，更不是信噪比（信号质量）。
小结
关于宏蜂窝组网要做的工作还有很多，其核心工作是抑制干扰。系统容量，业务性能和覆盖半径的折中（trade off），是无线蜂窝组网设计中，最主要的考量。
原作者：刘鹏毅 公用设施及智慧城市物联专网
