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新一代无线短距通信技术——星闪技术浅谈
随着智能家居、智能汽车、智能制造等行业的快速发展，各行各业出现了越来越多的无线化诉求，传统Wi-Fi，蓝牙技术在更加低时延、高可靠、精同步、多并发的要求上难以满足新的需求。此背景下，由工信部牵头，星闪联盟于2020年9月正式成立，全栈原创的新一代无线短距通信技术——星闪技术应运而生。中国移动在星闪联盟中为副理事长单位之一。
一、星闪的诞生
随着智能家居、智能汽车、智能制造等行业的快速发展，各行各业出现了越来越多的无线化诉求，传统Wi-Fi，蓝牙技术在更加低时延、高可靠、精同步、多并发的要求上难以满足新的需求。此背景下，由工信部牵头，星闪联盟于2020年9月正式成立，全栈原创的新一代无线短距通信技术——星闪技术应运而生。中国移动在星闪联盟中为副理事长单位之一。
二、星闪的系统架构和主要特性
星闪的系统架构如下：
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可以看到，星闪技术由星闪接入层、基础服务层和基础应用层组成。
其中，星闪接入层根据实现功能的不同，分为管理节点（Grant节点），和终端节点（Terminal节点），一个管理节点可以同时连接管理多个终端节点，并采用集中式调度，一发多收，避免了节点轮询所带来的冲突，实现了超高的并发度。
根据通信场景的不同，星闪接入层提供了SLB（SparkLink Basic，基础接入技术）和SLE（Sparklink Low Energy，低功耗接入技术）两种通信接口。其中，SLB使用正交多载波(OFDM)波形，主要面向极低时延（可达20μs），极高可靠性（正确率大于99.9999%）和极高同步精度（小于1μs）的应用场景，例如：车载主动降噪、工业机械运动控制等，主要对标Wi-Fi技术。SLE使用单载波传输，可支持在250μs内完成一次交互，256用户的接入以及12Mbps的数据传输，主要面向低成本、低功耗要求的应用场景，例如：无线耳机的音频传输、工业数据采集等，主要对标蓝牙技术。SLE可以视作SLB的“青春版”，但并无孰优孰劣，二者面向的是不同的应用场景。在实际应用中，二者相互补充，共同演进。
不同于接入层，星闪的基础服务层和基础应用层则采用了统一的上层交互协议。基础服务层通过调用不同功能单元，实现对于上层应用功能机系统管理维护的支持。具体包含设备发现、服务管理、连接管理、QoS 管理、5G融合等服务功能。基础应用层用于实现各类应用功能。为保证应用层端到端的安全，针对基于IP 的传输，星闪使用TLS/TLCP 协议；针对基于Non-IP 的传输，星闪的应用层传输安全机制由具体应用实现。
三、星闪的关键技术1、极化码
香农证明了，给定信噪比和带宽，在信道上能够进行可靠传输的最大速率，而极化码（Polar码）是目前唯一能够从理论上达到香农限的编码方法。极化码由土耳其毕尔肯大学 Arikan 教授于2008年首次提出，其具有较低的编译码复杂度，当码长为N时，复杂度为O(NlogN)。
极化码的核心思想是信道极化理论，它包括信道合并和信道分解两部分：将N个信道W通过线性变换合并成WN，然后再将WN拆分为相关的信道。当合并信道的数目N趋于无穷大时，则会出现极化现象，即一部分信道将趋于无噪信道（无干扰的信道），另外一部分则趋于全噪信道（有干扰的信道）。我们让有用的信息（信息比特）走无噪信道，让冗余或固定的信息（休眠比特）走全噪信道，这样就可以大大提升信道的利用率，降低噪声干扰的影响。
极化码较好地平衡了性能和复杂性，在中短码长的情形下比较有优势。除了被星闪技术采用外，极化码也由于其优秀的性能，在2016年11月召开的3GPP RAN1#87次会议上确定为eMBB场景的5G短码块信道编码方案。
2、超短帧
帧是传输数据的基本单位，星闪技术采用一种超短帧的结构，相比蓝牙能够更加频繁的发送和处理信息。
然而，超短帧的劣势在于，当传输的数据较少时，每个帧包含的固定开销（帧头、校验等）将占用大量资源，效率就会变低。为了解决该问题，星闪采用了一种超帧结构，每个超帧包含48个帧。在超帧中，每个帧共享开销符号，从而大大减少了每个帧中的开销符号数量。这种设计有效地降低了系统的开销，提高了数据传输的效率。此外，星闪通过选择不同的信息传输周期来实现灵活的延迟控制：每个帧中的G/T符号承载着从G/T节点传输到T/G节点的数据信息，通过调整信息传输周期，星闪可以根据不同应用的需求实现最小延迟为20.833μs的高效传输。
除了上述关键技术，星闪还采用了如：快速无间断抗扰（FISA）、多节点实时同步、混合自动重传（HARQ）机制等技术，不断提升自身优势，凭借其技术的先进性受到了业界的广泛关注。
四、星闪的相关应用
1、智能制造
2023年10月，在2023年中国移动全球合作伙伴大会，中国移动研究院携手产业伙伴共同发布了业界首台基于5G+星闪短距的全无线确定性工控系统，为5G智慧工厂解决柔性生产问题提供了全新技术方案。该系统实现了工控系统成本降低50%、丢包率降低40%、单向传输时延低于100微秒的性能指标。
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2、智能汽车
2022年7月，第八届智能网联汽车技术及标准法规国际交流会（ICV 2022）亮相了基于星闪1.0的营运车全景环视样机原型，获得了业界广泛关注。其利用星闪系统微秒量级的高精度同步和超低的传输延迟，全面解决了大型客车或者货车等营运车辆存在盲区，且传统的全景环视系统存在的布线空间有限、安装成本高、接插件存在失效风险等有线部署方案所面临问题。
3、智能终端
2023年11月22日，第十一届中国（绵阳）科技城国际科技博览会展示了全球首台星闪电视和外设星闪生态，星闪鼠标、星闪遥控器、星闪麦克风等一并亮相。星闪遥控器的高并发能力可以同步控制电视和机顶盒；星闪麦克风以更快的传输速率和更好的抗干扰能力为用户提供持续稳定的高清音质，支持多人家庭K歌，为家庭连接更多欢乐。
作为中国新一代的无线短距通信技术，星闪将持续发展完善，领跑全球，不断用科技创新赋能千行百业。
参考文献：
1、星闪无线短距通信技术(SparkLink 1.0)产业化推进白皮书。网址：http://sparklink.org.cn/news_info.php?id=615，访问日期：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. 网址：https://europepmc.org/article/MED/36852210， 访问日期：2024年6月13日
3、谢德胜,柴蓉,黄蕾蕾,等.面向5G新空口技术的Polar码标准化研究进展[J].电信科学, 2018.DOI:CNKI:SUN:DXKX.0.2018-08-008. 网址：https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=DXKX201808008 ，访问日期：2023年12月7日
4、中国移动携手产业共同发布业界首台基于5G+星闪短距的全无线确定性工控系统，网址：https://mp.weixin.qq.com/s/jvdETLrPYs5hO-p4o2rnZg，访问日期2023年12月7日
5、首台星闪电视发布，星闪入户正当时，https://www.hisilicon.com/cn/about-us/press/news/first-nearlink-tv-publish，访问日期：2023年12月7日
作者：杨斌 18867106863
单位：中国移动智慧家庭运营中心 家庭泛屏产品部
(责任编辑：李俊勇)