PSK/QAM 调制器(例如 4G/5G)从根本上说每个数据包使用的能量是否比 CSS 调制器(例如 LoRa)更多?

信息处理 调制 qpsk 扩频 唧唧喳喳
2022-02-06 23:12:31

不确定这是否是正确的地方,甚至是正确的问题,但谷歌搜索并没有让我走得更远,所以这里是:

我正在尝试评估基于(未来)5G 技术的物联网设备消耗的功率是否会接近基于(当前)LoRa 技术的设备使用的功率。出于比较的目的,用例将是一个电池供电的设备,它每分钟传输一个小数据包。

经验告诉我,目前技术之间存在很大差异。LoRa 用于发送单个数据包的峰值电流和总能量几乎比 NB-IoT 小一个数量级,NB-IoT 是被宣传为“超低功耗”的 3GPP 协议之一,也是 5G 的一部分(目前是4G)。

由于任何谷歌搜索 4G/5G 或 LoRa 的功耗都会返回营销人员做出的大部分模糊承诺,因此我试图更深入地研究。这些技术之间的根本区别在于所使用的调制方案:PSK/QAM 与 CSS。

我理解它的方式,CSS(啁啾扩频)在时间和频率上扩展信号,这样在解调中有效噪声电平显着降低,允许在本底噪声以下进行通信。PSK/QAM 需要高于本底噪声的信号,外加一些余量。这应该可以解释观察到的功耗差异。

由于 CSS 的好处是以降低频谱效率为代价的,考虑到许可频谱的高成本和对高数据速率的市场需求,它可能不是行业的可能选择。除此之外,在 3GPP 技术框架内集成类似 CSS 的调制可能会带来超出我有限知识范围的各种其他障碍。我的假设是,我们不会很快在 3GPP 标准中看到 CSS(类)调制。

所以我的问题是:PSK/QAM 调制器(例如 4G/5G)是否从根本上比 CSS 调制器(例如 LoRa)在每个数据包中使用更多的功率?这是否排除了在可预见的未来任何 5G 模块都将接近 LoRa 模块的功耗?我在评估 5G/LoRa 功耗时是否遗漏了相关因素?

1个回答

是的,PSK/QAM 调制器从根本上比 LoRa 啁啾扩频使用更多的能量(具体来说,它是使用 PSK/QAM 调制器的收发器所需的发射功率,以关闭对于给定数据速率更大的链路)。这是带宽效率与频谱效率之间的经典交易,并且可以从 AWGN 条件下各种调制的 BER 与 Eb/No 的“苹果对苹果”比较中清楚地看出。只有当我们希望以牺牲功率效率为代价来提高频谱效率时,QAM 才会受到青睐。具体而言,调制的选择是影响收发器功率/能量效率的主要因素,通常受最低所需频谱效率的限制。

请参阅此相关帖子,其中用户“sugur_ros”引用了 LoRa CSS 的 BER 与 Eb/No,其结果如下所示:

LoRa BER Eb/否

将其与未编码 QAM 的特定图进行比较:

QAM 的 BER

上图来自 Diponkor Bala 等人的“使用 Matlab 分析 AWGN 信道上不同数字调制技术的误码性能概率”。JEEECCS,第 7 卷,第 25 期,第 9-18 页,2021 年。

这些图表明(在加性高斯白噪声条件下)要使用 LoRa 实现 10^{-4} 比特率,需要每传输比特 5 dB SNR。将其与 4 到 256 QAM 的(未编码)结果进行比较,我们发现每比特需要 8 到 21 dB SNR!编码将改善这一点,但与 LoRa 所取得的结果相去甚远。上图中未显示的 QAM 所需的更高能量,我们得到的是频谱效率——我们可以在更少的带宽内传输更多的比特,下图对此进行了进一步的详细说明。

下图来自 Masataka Nakazawa 等人 2014 年的“Optical Fiber Telecommunications (Sixth Edition), 以及其他类似的图,可用于显示这两个指标以及香农极限,其中垂直轴上的频谱效率和功率效率会很高在水平轴上会很低。

光谱效率

更重要的是,啁啾扩频波形也是一个恒定的包络调制(正如评论中提到的 AlexTP)。这允许发射器中的功率放大器在更接近饱和输出功率的情况下运行,从而实现显着的功率效率。