MiWind超窄带物联网通信---简版

MiWind超窄带物联网通信余博士[e-mail]@163.com概述[e-mail]大多数的IoT设备是简单的传感器消息长度为10-50bytes,每天发送几次大部分流量来自上行方向超低功耗(纽扣电池)•极小规格•低成本设备•报警流量•没有实时要求•连接成本低•易于配置智能仪表,B2C，B2B2C•低功耗(3V电池10+年)•低成本设备•几条信息/天•大量上行信息•没有实时要求•静态设备•连接成本低•超低功耗(3V电池10+年)•低成本设备•周期信息和报警信息•大量上行信息•没有高的实时要求•静态设备•连接成本低能源检测,智能停车•低功耗(3V电池，几年)•高成本设备•周期性上行流量•异步下行流量•有实时要求•移动设备•连接成本没有限制资产监控,车联网智能仪表,智能停车大部分设备面临功耗问题，因此：尽量减少信令。两次上行发送之间，设备处于睡眠状态。尽量限制发送次数(每天几次发送)。其它选择。典型需求[e-mail]物联网通信属于电信运营商？•GSM/GPRS/5G?✓高数据率，双向✓远程通信，现有的网络可以使用-每个终端需要SIM卡-能耗高，没有进行节能设计-对特定应用的覆盖不够-对特定应用成本高•WiFi,Bluetooth,ZigBee,6LoWPAN?✓高数据率，双向✓每个终端不需要SIM卡-不是随地可用，缺乏基础设施覆盖-传输距离短，大覆盖需要复杂的mesh网络这些技术只占有大约~20%市场功耗？距离？容量？[e-mail]其实，物联网通信需要一张独立的LPWAN网络•安全双向的sub-1Ghz链路•传输距离：室内5km，郊外10km•单个子载波传输速率0.1kbps•采用扩频技术，在传输速率和传输距离上权衡•TX22mA@10dBm,54mA@15dBm•休眠的时候为1.5μA•电池供电可以满足10年的需求•采用蜂窝结构，单个蜂窝可以容纳百万终端•终端通信模块的成本在15元左右•使用软件无线电技术(SDR，softwaredefinedradio)•先进的解调技术，可以与ISM段的其它设备共存（比如IEEE802.15）•使用超窄带技术（UNB，ultranarrowband）。这一技术占有大约80%市场[e-mail]物联网属于移动运营商？移动运营商信誓旦旦地声称自己是未来物联网的骨干。汽车、医疗设备以及各种各样的电子产品的连接均需要无所不在、永远在线的网络，似乎没有谁比移动运营商更能担此重任。的确，从目前的情况来看，移动运营商可以信心满满。他们的2G、3G网络是目前物联网的主要承载网。随着手机的渗透率趋于饱和，也许移动运营商的未来真的要指望M2M的用户了。现在的移动网络要连接的是人，不是物体。物体的互联需要一张专门的无线互联网。[e-mail]物联网属于移动运营商？因为人和物体对连接的频度要求不一样。我们的手机需要永远在线，随时可以拨打和接收、更新微博、下载邮件。而物联网的对象却很少需要联网。车辆或货柜的GPS跟踪器每天也许只需要发送一次自己的位置。智能仪表可能每隔一周才把数据回传给公司。从自动售货机到监控摄像头的许多内置传感器只会在出问题的时候才传输数据。这些都意味着M2M模块的连接频度要远远低于人的联络。在电力短缺和频谱昂贵的今天，用传统的无线网络承载这些设备毫无意义。更好的办法是将这些设备连接到一个针对各自的应用场景进行优化的网络上—一个可以支持数十亿设备以不同的时间间隔发送相对较少数据的网络。因此，需要在结构上跟传统的无线网络相差极大，可以说是个连网络概念都没有的网络—只有在有载荷要传输的情况下才连接。一种可行的无线架构是使用超窄带调制技术，在理论上仅靠少量网络传送器即可支持数百万设备。这种免牌照频率通常是给婴儿监视器和无绳电话使用的，这种频率一个基站的覆盖范围即可相当于蜂窝网络的50-100个站点的覆盖。一个省需要300-400个这样的基站。在全国建设10000-13000个基站即可完成全覆盖。[e-mail]概述为什么是超窄带（Ultranarrowband）如何优化频谱的使用？[e-mail]概述为什么是超窄带（Ultranarrowband）Lora的访问冲突。扩频因子为7，消息长度为25字节。每分钟1000个消息。[e-mail]概述为什么是超窄带（Ultranarrowband）Lora的访问冲突。扩频因子为7，消息长度为25字节。每分钟1000个消息。[e-mail]为什么会是UNB(ultra-narrow-band)通信窄带抗干扰能力宽带抗干扰能力RF系统的关键参数是接收带宽(RXBW).RXBW是系统底噪的关键因素，如果接收带宽为1Hz，底噪为PdBm=–174+10log10(RXBW),不同接收带宽的底噪为：1-MHzchannel:PdBm=–174+10log10(1MHz)=–114dBm100-kHzchannel:PdBm=–174+10log10(100kHz)=–124dBm10-kHzchannel:PdBm=–174+10log10(10kHz)=–134dBm1-kHzchannel:PdBm=–174+10log10(1kHz)=–144dBm100-Hzchannel:PdBm=–174+10log10(100Hz)=–154dBm从上面我们知道，如果使用100Hz的带宽，底噪可以达到–154dBm。接收的可靠性大大提高。[e-mail]基本架构[e-mail]系统架构互联网服务器第三方APP服务器用户基站接口基站终端空中接口互联网用户用户操作管理中心[e-mail]客户应用服务层服务层PHY无线资源管理链路层基带基站基站网络基站控制器基站调制器PHY终端终端调制器基带链路层无线资源管理服务提供商终端控制器概述架构[e-mail]白频谱数据库电视检测台、电视检测中心已有的电视频道、规章制度、文件资料等数据库电视白频谱数据库其它数据库固定设备注册互联网一般设备带频谱感知设备家庭宽带应用M2M，物联网应用[e-mail]平台总体架构图CKANBigDataContextBrokerAccounting&Payment&BillingIDM&AuthShort-termhistoricdataBigDataProcessingDataQuering/Action,Publish/SubscrOpenDatapublishingReal-timeprocessingBIETLRULESDEFINITIONTOOLOPERATIONALDASHBOARDKPIGOVERNANCEOPENDATAPORTALSServiceorchestratorContextAdaptersCEPIoTBackendDeviceManagementmeasures/commandsIoTBroker&ConfigManagement(fromsensorstothings)IoT/SensorOpenDataactuatorsMediastr[e-mail]概述微信道每个带宽划分为宏信道，宏通道划分为微信道。每个宏信道为200KHz。每个微通道为100Hz。200KHzISM带宽可以户分为2,000微通道。[e-mail]概述随机上行访问•在传统的无线网络中，通常采用的访问模式是FDMA“频分多址”、TDMA“时分多址”或CDMA“码分多址”。每个这些技术基于将（频率频带，扩频码的时间间隔）的物理信道分配给不同的终端，而且往往是非常复杂、动态、控制集中在基站或在网络上。这些分配机制在终端与基站之间需要严格时间和/或频率同步，通常是复杂和能源消耗的协议，因为需要定期开启每个终端。•为此，我们建立了一种新的传输结构，这种结构能够解决上述的问题。这种结构的基本点是将一段频谱分解为许多的超窄带载波，采用终端自动选择FDMA（TAS-FDMA，TerminalAutoSelectionFDMA）方式来给各个终端分配超窄带载波来发送信息。在终端与基站之间不需要进行时间和频率同步。但是，保证各个终端在发送信息的时候，只有最低的碰撞的可能性。同时实现终端通信模块的简单和廉价。•所谓的终端自动选择FDMA（TAS-FDMA，TerminalAutoSelectionFDMA）方式，就是在终端要发送信息的时候，终端自己自动选择一个子载波来进行发送，而不是由基站来分配一个子载波给终端使用。[e-mail]上行设计的主要点是降低功耗，使用最小的帧长。非同步发送IoT设备的信息量很小。小数据量，发送频度低的访问模式有ALOHA。终端发送信息不需要与网络同步和信令交换，因此，简单、功耗低。但是在负载大的时候，会出现冲突。通过微信道和微信道选择来避免冲突。微信道：200kHz频段分解为2000个100Hz的微信道。微信道德中心频率不是预先定义的，这要基于终端晶振的实际频率。微信道选择：终端发送信息的时候，随机选择三个微信道，发送三次。这种跳频避免了冲突。概述随机上行访问[e-mail]信标信标信道MiWind网络中，所有的基站都是监听相同的200kHz频段，因此，在发送之前，不需要附着到基站或与基站同步。因此，也就不需要信标。但是，信标可以做一些其他的事情：帮助终端发现网络使用的200kHz频段,广播系统信息,帮助终端评估覆盖等级.频率校准时间校准[e-mail]信标网络发现和漫游移动终端在开机的时候，侦听所有的200kHz频段，直到接收到包含网络ID信标信号。一旦发现网络，终端就使用信标信道提供的系统信息来设置自己的poll计时器。IoT终端一般是静止的，有规则的信标检测不是必需的。在MiWind网络中，信标检测优先于上行数据的发送，这样移动终端可以避免使用错误的发射功率，或者是在移动后，使用错误的200kHz频段。在上行发送之前检测信标，允许移动终端漫游和访问不同的网络。覆盖等级评估移动终端可以实用信标来评估网络覆盖情况。如果移动终端接收到本网络不同基站的信标，或是不同的RSSI，就使用最大的功率来发射，保证基站可以顺利接收。如果网络不可用，就启动一个新的网络发现过程。[e-mail]网络的下行可以通过寻呼的方式来实现。在MiWind网络中没有寻呼模式。下行发送实在上行发送信息之后进行的，也就是说，是终端触发的。终端可以通过有规则地发送用户数据的方式来获取下行数据信息。如果没有足够的数据信息，通过发送poll信息来获取下行数据信息。连续的两个poll信息之间的最大延迟为一个系统信息单元。下行信息存放在MiWind服务器中，直到终端上行信息或者是进行定期检查的时候，下行给终端。信标下行发送原理[e-mail]安全无线接口层通过加密认证机制。核心网络层依据核心网络的安全性。用户数据加密比如AES128加密算法。[e-mail]层上行Bitrate在空中接口设计上，要考虑覆盖的改善，超低功耗等等，这就有许多的权衡。MiWind采用低速率方案，速率为100bps。ModulationD-BPSK。简单，可靠、灵敏度高。可以简单使用FSK来实现。Transmissionpower+24dBm.Transmissionfrequency200kHzFEC16bitReed-Solomon编码。最大长度为388bits，可以增加1dB编码增益。[e-mail]层下行下行信道类型MiWind实现两种类型的下行信道：争对终端的下行信道。