中國集群通信網(wǎng)
新一代無線短距通信技術(shù)——星閃技術(shù)淺談
隨著智能家居、智能汽車、智能制造等行業(yè)的快速發(fā)展，各行各業(yè)出現(xiàn)了越來越多的無線化訴求，傳統(tǒng)Wi-Fi，藍(lán)牙技術(shù)在更加低時(shí)延、高可靠、精同步、多并發(fā)的要求上難以滿足新的需求。此背景下，由工信部牽頭，星閃聯(lián)盟于2020年9月正式成立，全棧原創(chuàng)的新一代無線短距通信技術(shù)——星閃技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。中國移動(dòng)在星閃聯(lián)盟中為副理事長單位之一。
一、星閃的誕生
隨著智能家居、智能汽車、智能制造等行業(yè)的快速發(fā)展，各行各業(yè)出現(xiàn)了越來越多的無線化訴求，傳統(tǒng)Wi-Fi，藍(lán)牙技術(shù)在更加低時(shí)延、高可靠、精同步、多并發(fā)的要求上難以滿足新的需求。此背景下，由工信部牽頭，星閃聯(lián)盟于2020年9月正式成立，全棧原創(chuàng)的新一代無線短距通信技術(shù)——星閃技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。中國移動(dòng)在星閃聯(lián)盟中為副理事長單位之一。
二、星閃的系統(tǒng)架構(gòu)和主要特性
星閃的系統(tǒng)架構(gòu)如下：
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可以看到，星閃技術(shù)由星閃接入層、基礎(chǔ)服務(wù)層和基礎(chǔ)應(yīng)用層組成。
其中，星閃接入層根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，分為管理節(jié)點(diǎn)（Grant節(jié)點(diǎn)），和終端節(jié)點(diǎn)（Terminal節(jié)點(diǎn)），一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)連接管理多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，并采用集中式調(diào)度，一發(fā)多收，避免了節(jié)點(diǎn)輪詢所帶來的沖突，實(shí)現(xiàn)了超高的并發(fā)度。
根據(jù)通信場景的不同，星閃接入層提供了SLB（SparkLink Basic，基礎(chǔ)接入技術(shù)）和SLE（Sparklink Low Energy，低功耗接入技術(shù)）兩種通信接口。其中，SLB使用正交多載波(OFDM)波形，主要面向極低時(shí)延（可達(dá)20μs），極高可靠性（正確率大于99.9999%）和極高同步精度（小于1μs）的應(yīng)用場景，例如：車載主動(dòng)降噪、工業(yè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制等，主要對標(biāo)Wi-Fi技術(shù)。SLE使用單載波傳輸，可支持在250μs內(nèi)完成一次交互，256用戶的接入以及12Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，主要面向低成本、低功耗要求的應(yīng)用場景，例如：無線耳機(jī)的音頻傳輸、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等，主要對標(biāo)藍(lán)牙技術(shù)。SLE可以視作SLB的“青春版”，但并無孰優(yōu)孰劣，二者面向的是不同的應(yīng)用場景。在實(shí)際應(yīng)用中，二者相互補(bǔ)充，共同演進(jìn)。
不同于接入層，星閃的基礎(chǔ)服務(wù)層和基礎(chǔ)應(yīng)用層則采用了統(tǒng)一的上層交互協(xié)議�；A(chǔ)服務(wù)層通過調(diào)用不同功能單元，實(shí)現(xiàn)對于上層應(yīng)用功能機(jī)系統(tǒng)管理維護(hù)的支持。具體包含設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)管理、連接管理、QoS 管理、5G融合等服務(wù)功能�；A(chǔ)應(yīng)用層用于實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用功能。為保證應(yīng)用層端到端的安全，針對基于IP 的傳輸，星閃使用TLS/TLCP 協(xié)議；針對基于Non-IP 的傳輸，星閃的應(yīng)用層傳輸安全機(jī)制由具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。
三、星閃的關(guān)鍵技術(shù)1、極化碼
香農(nóng)證明了，給定信噪比和帶寬，在信道上能夠進(jìn)行可靠傳輸?shù)淖畲笏俾�，而極化碼（Polar碼）是目前唯一能夠從理論上達(dá)到香農(nóng)限的編碼方法。極化碼由土耳其畢爾肯大學(xué) Arikan 教授于2008年首次提出，其具有較低的編譯碼復(fù)雜度，當(dāng)碼長為N時(shí)，復(fù)雜度為O(NlogN)。
極化碼的核心思想是信道極化理論，它包括信道合并和信道分解兩部分：將N個(gè)信道W通過線性變換合并成WN，然后再將WN拆分為相關(guān)的信道。當(dāng)合并信道的數(shù)目N趨于無窮大時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象，即一部分信道將趨于無噪信道（無干擾的信道），另外一部分則趨于全噪信道（有干擾的信道）。我們讓有用的信息（信息比特）走無噪信道，讓冗余或固定的信息（休眠比特）走全噪信道，這樣就可以大大提升信道的利用率，降低噪聲干擾的影響。
極化碼較好地平衡了性能和復(fù)雜性，在中短碼長的情形下比較有優(yōu)勢。除了被星閃技術(shù)采用外，極化碼也由于其優(yōu)秀的性能，在2016年11月召開的3GPP RAN1#87次會(huì)議上確定為eMBB場景的5G短碼塊信道編碼方案。
2、超短幀
幀是傳輸數(shù)據(jù)的基本單位，星閃技術(shù)采用一種超短幀的結(jié)構(gòu)，相比藍(lán)牙能夠更加頻繁的發(fā)送和處理信息。
然而，超短幀的劣勢在于，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少時(shí)，每個(gè)幀包含的固定開銷（幀頭、校驗(yàn)等）將占用大量資源，效率就會(huì)變低。為了解決該問題，星閃采用了一種超幀結(jié)構(gòu)，每個(gè)超幀包含48個(gè)幀。在超幀中，每個(gè)幀共享開銷符號(hào)，從而大大減少了每個(gè)幀中的開銷符號(hào)數(shù)量。這種設(shè)計(jì)有效地降低了系統(tǒng)的開銷，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男�。此外，星閃通過選擇不同的信息傳輸周期來實(shí)現(xiàn)靈活的延遲控制：每個(gè)幀中的G/T符號(hào)承載著從G/T節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絋/G節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，通過調(diào)整信息傳輸周期，星閃可以根據(jù)不同應(yīng)用的需求實(shí)現(xiàn)最小延遲為20.833μs的高效傳輸。
除了上述關(guān)鍵技術(shù)，星閃還采用了如：快速無間斷抗擾（FISA）、多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)同步、混合自動(dòng)重傳（HARQ）機(jī)制等技術(shù)，不斷提升自身優(yōu)勢，憑借其技術(shù)的先進(jìn)性受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。
四、星閃的相關(guān)應(yīng)用
1、智能制造
2023年10月，在2023年中國移動(dòng)全球合作伙伴大會(huì)，中國移動(dòng)研究院攜手產(chǎn)業(yè)伙伴共同發(fā)布了業(yè)界首臺(tái)基于5G+星閃短距的全無線確定性工控系統(tǒng)，為5G智慧工廠解決柔性生產(chǎn)問題提供了全新技術(shù)方案。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工控系統(tǒng)成本降低50%、丟包率降低40%、單向傳輸時(shí)延低于100微秒的性能指標(biāo)。
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2、智能汽車
2022年7月，第八屆智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)國際交流會(huì)（ICV 2022）亮相了基于星閃1.0的營運(yùn)車全景環(huán)視樣機(jī)原型，獲得了業(yè)界廣泛關(guān)注。其利用星閃系統(tǒng)微秒量級(jí)的高精度同步和超低的傳輸延遲，全面解決了大型客車或者貨車等營運(yùn)車輛存在盲區(qū)，且傳統(tǒng)的全景環(huán)視系統(tǒng)存在的布線空間有限、安裝成本高、接插件存在失效風(fēng)險(xiǎn)等有線部署方案所面臨問題。
3、智能終端
2023年11月22日，第十一屆中國（綿陽）科技城國際科技博覽會(huì)展示了全球首臺(tái)星閃電視和外設(shè)星閃生態(tài)，星閃鼠標(biāo)、星閃遙控器、星閃麥克風(fēng)等一并亮相。星閃遙控器的高并發(fā)能力可以同步控制電視和機(jī)頂盒；星閃麥克風(fēng)以更快的傳輸速率和更好的抗干擾能力為用戶提供持續(xù)穩(wěn)定的高清音質(zhì)，支持多人家庭K歌，為家庭連接更多歡樂。
作為中國新一代的無線短距通信技術(shù)，星閃將持續(xù)發(fā)展完善，領(lǐng)跑全球，不斷用科技創(chuàng)新賦能千行百業(yè)。
參考文獻(xiàn)：
1、星閃無線短距通信技術(shù)(SparkLink 1.0)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)白皮書。網(wǎng)址：http://sparklink.org.cn/news_info.php?id=615，訪問日期：2023年12月7日
2、Gao M., Wan L., Shen R., et al. (2023). SparkLink: A short-range wireless communication protocol with ultra-low latency and ultra-high reliability. The Innovation. 4(2),100386. 網(wǎng)址：https://europepmc.org/article/MED/36852210， 訪問日期：2024年6月13日
3、謝德勝,柴蓉,黃蕾蕾,等.面向5G新空口技術(shù)的Polar碼標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展[J].電信科學(xué), 2018.DOI:CNKI:SUN:DXKX.0.2018-08-008. 網(wǎng)址：https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=DXKX201808008 ，訪問日期：2023年12月7日
4、中國移動(dòng)攜手產(chǎn)業(yè)共同發(fā)布業(yè)界首臺(tái)基于5G+星閃短距的全無線確定性工控系統(tǒng)，網(wǎng)址：https://mp.weixin.qq.com/s/jvdETLrPYs5hO-p4o2rnZg，訪問日期2023年12月7日
5、首臺(tái)星閃電視發(fā)布，星閃入戶正當(dāng)時(shí)，https://www.hisilicon.com/cn/about-us/press/news/first-nearlink-tv-publish，訪問日期：2023年12月7日
作者：楊斌 18867106863
單位：中國移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營中心 家庭泛屏產(chǎn)品部
(責(zé)任編輯：李俊勇)