MiWind超窄带物联网通信-简版

1、MiWind超窄带物联网通信超窄带物联网通信余余 博士博士 概述概述 n大多数的大多数的IoT 设备是简单的传感器设备是简单的传感器l消息长度为10 - 50 bytes, 每天发送几次l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

2、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n大部分设备面临功耗问题，因此：大部分设备面临功耗问题，因此：l尽量减少信令。l两次上行发送之间，设备处于睡眠状态。l尽量限制发送次数(每天几次发送)。l其它选择。典型需求 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

3、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这些技术只占有大约大约 20% 市场市场功耗？功耗？距离？距离？容量？容量？ 其实，物联网通信需要一张独立的LPWAN网络 安全双向的安全双向的sub-1Ghz 链路链路传输距离：室内 5 km ，郊外 10 km 单个子载波传输速率 0.1 kbps 采用扩频技术，在传输速率和传输距离上权衡TX 22mA 10dBm, 54mA 15dBm 休眠的时候为1.5 A 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，software de

4、fined radio )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，ultra narrow band ）。这一技术占有这一技术占有大约大约80% 市场市场 物联网属于移动运营商？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

5、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。 物联网属于移动运营商？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

6、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。 概述 为什么是超窄带（为什么是超窄带（ Ultra narrow band ）如何优化频谱的使用？ 概述 为什么是超窄带（为什么是超窄带

7、（ Ultra narrow band ）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。 概述 为什么是超窄带（为什么是超窄带（ Ultra narrow band ）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。 为什么会是为什么会是UNB(ultra-narrow-band)UNB(ultra-narrow-band) 通信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

8、底噪为： 1-MHz channel: PdBm = 174 + 10log10(1 MHz) = 114 dBm 100-kHz channel: PdBm = 174 + 10log10(100 kHz) = 124 dBm 10-kHz channel: PdBm = 174 + 10log10(10 kHz) = 134 dBm 1-kHz channel: PdBm = 174 + 10log10(1 kHz) = 144 dBm 100-Hz channel: PdBm = 174 + 10log10(10 0Hz) = 154 dBm从上面我们知道，如果使用100Hz的带宽，底噪

9、可以达到154 dBm。接收的可靠性大大提高。 基本架构基本架构 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 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 架构架构 MiWIND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 平台总体架构图平台总体架构图CKANBig DataContext BrokerAccount

10、ing & Payment & BillingIDM & AuthShort-term historic dataBigData ProcessingData Quering/Action, Publish/SubscrOpen Data publishingReal-time processingBIETLRULESDEFINITION TOOLOPERATIONAL DASHBOARDKPI GOVERNANCEOPEN DATAPORTALSService orchestratorContext AdaptersCEPIoT Backend Device Mana

11、gementmeasures / commandsIoT Broker & Config Management(from sensors to things)IoT/SensorOpen DataactuatorsMedia streamsReal Time Media Stream ProcessingCity ServicesGISInventory 概述 微信道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。 200KHz ISM 带宽可以户分为2,000微通道。frequency200KHz100HzTime 概述 随机上行访问

12、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，Terminal Auto Selection FDMA）方式来给各个终端分配

13、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，Terminal Auto Selection FDMA）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。 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

14、突。通过微信道和微信道选择来避免冲突。l微信道：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。l微信道选择：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 随机上行访问随机上行访问 信标 信标信道信标信道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：l帮助终端发现网络使用的200kHz 频段,l广播系统信息,l帮助终端评估覆盖等级.l频率校准l时间校准 信标网络

15、发现和漫游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。

16、如果网络不可用，就启动一个新的网络发现过程。 GSM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 下行发送原理下行发送原理 安全无线接口层无线接口层通过加密认证机制。核心网络层核心网络层依据核心网络的安全性。用户数据加密用户数据加密比

17、如AES128加密算法。 PHY层上行Bit rate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100 bps。ModulationD-BPSK。简单，可靠、灵敏度高。可以简单使用 FSK 来实现。Transmission power+24dBm.Transmission frequency200kHzFEC16 bit Reed-Solomon 编码。最大长度为388 bits，可以增加 1dB 编码增益。 PHY层下行 下行信道类型下行信道类型MiWind 实现两种类型的下行信道：l争对终端的下行信道。l广播系统信息的信标信道。B

18、it rate下行信道速率为600bps 。大速率可以降低终端接收时间，降低功耗。 信标信道速率为8000bps。可以降低终端的检测时间T，降低功耗。为此，必须增加信标信道的发射功率。大速率可以降低终端接收时间，降低功耗。ModulationD-BPSK。FECFEC为32 bits。对 384 bits信息，可以增加 1dB 编码增益。 PHY层下行 微信道发射功率微信道发射功率最大上行发射功率最大上行发射功率 终端的接收灵敏度比基站低，因为带宽比较大。终端最大发射功率为+34dBm。下行发射功率管理下行发射功率管理发射功率的调整是按照接收到的UL包的信号强度来进行的。因为DL包的发送时在接

19、收到UL包后进行的，所以，调整的算法是非常简单的。如果考虑到移动终端的分布，离基站的平均距离是最大距离的 2/3 ，可以得到5 dB 链路预算。 LINK层上行层上行 preambleID(A)TypeSeq.CounterMACFCS3 bytes4bytes8 bits16 bits3bytes2 bytesCiphertext(C)12bytesFEC6 bytesAckConti.Type1 bits2 bits5 bitsLINK层上行 帧结构帧结构 LINK层上行 上行包和下行包的认证授权上行包和下行包的认证授权 UL MAC-FrameDL MAC-FrameIdentifier

20、Sequence counterSecrete keyDL PayloadauthenticationauthenticationUL PayloadIdentifierSequence counterSecrete keyDL check LINK层下行层下行 LINK层下行帧格式下行数据包格式充分考虑对上行数据包的响应。headerFECAuth.FCS32 bits16bits1 bytesPayload0-34bytes40bitsHeader56 bits：lPreamble和bit rate synchronization(3bytes),lframe type,9bitslpay

21、load length，6bitslacknowledgement bits，1bit LINK层下行 信标信道帧格式信标信道帧格式l字头，包含前导码(3bytes)和帧类型 (比如“beacon channel”，1bytes),lnetwork ID (14 bits，最多16384)lcell ID (19 bits,最多524288)lSys Info Group type (6 bits)，定义负载内容lsystem information groups (4 bits) 个数。l Group Sequence number (5 bits) 帮助跟踪system informati

22、on groups的变化。lpayload 装载system information elementsl FCS，8 bits CRCl FEC, which is the same BCH field as in adhoc micro-channel packetsHeaderNetIDCellIDFCS4 bytes6 bytes1 bytesPayload(Sys.Info)0-20bytesFEC4 bytes# of groupGroupSeq. #信标信道由基站直接进行广播，不需回答。在格式设计上，就与一般信道设计不一样。Sys InfoGroup type LINK层过程层过程

23、 在超窄带物联网通信中，通过优化帧格式和简化过程，可以大幅度降低网络中发射和接收的次数，降低功耗。比如，没有GSM/GPRS 中的附着和终端选择过程，这是因为所有的基站都是监听整个200kHz 。随机访问方式简化了访问的过程，没有繁琐的交互。信标信道侦听和发射功率自适应过程属于无线资源管理（RRM）。LINK层过程 LINK层过程 单个上行包的单个上行包的Ack过程过程只有在终端提出应答请求后，才会进行应答。Mobile stationMiWind serverAPPAPP PDUUL LL PDUSeg.count.=NUL LL PDUcheckDL Auth.based onSeg.co

24、unt.=NDL LL PDU(Ack/Nack,Auth)Loop back delayLLLL 下行数据包Ack与上行数据包类似。LINK层过程 下行包的下行包的Ack过程过程Loop back delayMobile stationMiWind serverAPPLLLLAPPAPP PDUUL LL PDU(Seg.count.=N)DL LL PDU #1DL LL PDU #mUL LL PDU(Seg.count.=N+1)Multiple ackAPP PDUDL ressemblyDL Auth.based onSeg.count.=N RRM无线资源管理无线资源管理 系统使

25、用200KHz频谱，与广电合作。但是，广电的频段在全国都有使用，没有一个频点在全国可以通用。所以，在不同的省份，必须使用不同的频段，并且需要跳频。因此，采用信标的方法，自动识别网络，可以有效使用广电的频谱。RRM无线资源管理 在GSM网络中，有多个200kHz的频段可以分配。在MiWind中，不同的是，只有一个频段，所有的基站必须同时侦听同一个200kHz频段。MiWind终端也不附着到网络，也不与网络同步。(a) GSM频率分配，(b)MiWind频率分配。RRM无线资源管理F1F2F4F3F6F5F7F10F8F9F12F11FmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiw

26、indFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwind(a)(b) 信标信道周期发送信标信道周期发送在GSM网络中，通过重用频段的方式来管理基站之间的干扰。这种方式不适合MiWind网络的信标，因为信标信道必须在同一个200kHz的频段中。因此，必须采用时分的方式来解决干扰问题。RRM无线资源管理 信标信道信标信道Base station #3Base station #2Base station #1Base station #11Base station #1216ms beacon packet12 slot of 40ms920ms f

27、or user plane packets1.4s beacon cycle 信标信道周期发送信标信道周期发送信标信道包发送完毕后，是发送用户数据包的时段。下面是给定基站的用户面和信标信道发送情况。RRM无线资源管理 信标信道信标信道+43dBmfrequencyMicro channelsBeacon channelMax. +34dBmpowertime200KHz 下行包的发送时由网络的终端触发的，由一个终端触发过程来实现。如果没有足够的上行包，终端就发送poll 包来替换。 poll 包的周期的选择根据延迟和功耗来权衡。RRM无线资源管理 poll下行数据包发送过程下行数据包发送过程P

28、oll packet periodLoop back delayMiWindserverMobilestationTxTxRxRxMessage storedBy MiWind serverUntil next poll 功率管理参数功率管理参数详细的功率控制参数包括门限和延迟等。网络侧网络侧网络检测接收到的数据包的RSSI并记录下来。如果网络接收许多高于灵敏度的UL包，就发射控制暴给终端，要求降低发射功率。终端侧终端侧在进行发射之前，终端测试信标的RSSI。如果RSSI变化咸鱼给定的门限，终端就降低网络设置的发射功率。如果RSSI变化大于门限，或是丢失了信标，就增大发射功率。RRM无线资源管

29、理 Tx 功率自适应过程功率自适应过程 信标侦听过程支持 Tx 功率自适应过程。RRM无线资源管理 Tx 功率自适应过程功率自适应过程开机开机知道知道频段频段接收信标接收信标节省节省功率功率存储信标存储信标时间参数时间参数设置设置poll计时器计时器信标检测信标检测全频段全频段扫描信标扫描信标最大功率最大功率UL发射发射现在功率现在功率UL发射发射新网络新网络新位置新位置noyesnoyesyesyesnoTrigger eventUL or poll 云端管理云端管理 总体架构图：各种应用总体架构图：各种应用46平台智慧城市Apps智慧工厂Apps智慧农业Apps 总体架构图总体架构图CKA

30、NBig DataContext BrokerAccounting & Payment & BillingIDM & AuthShort-term historic dataBigData ProcessingData Quering/Action, Publish/SubscrOpen Data publishingReal-time processingBIETLRULESDEFINITION TOOLOPERATIONAL DASHBOARDKPI GOVERNANCEOPEN DATAPORTALSService orchestratorContext Adap

31、tersCEPIoT Backend Device Managementmeasures / commandsIoT Broker & Config Management(from sensors to things)IoT/SensorOpen DataactuatorsMedia streamsReal Time Media Stream ProcessingCity ServicesGISInventory 数据上下文数据上下文 实现一个智慧应用需要收集和管理上下文信息 上下文信息是指应用的实体属性值应用上下文信息Bus Location No. passengers Drive

32、r Licence plateCitizen Name-Surname Birthday Preferences Location ToDo listShop Location Business name Franchise offerings上下文管理上下文管理 应用Context InformationBoiler Manufacturer Last revision Product id temperatureUsers Name-Surname Birthday Preferences Location ToDo listFlowerpot Humidity Watering plan

33、上下文管理上下文管理 实现一个智慧应用需要收集和管理上下文信息 上下文信息是指应用的实体属性值 上下文信息可以来自不同的信息源： Existing systems Users, through mobile apps Sensor networks (Internet of Things) 给定的entity.attribute 的信息源是随时变化的 Whats the currenttemperature in place “X”?标准 APIPlace = “X”, temperature =30Notify me the changes oftemperature in place “X

34、”Its too hot! A sensor in apedestrian streetA person from his smartphoneThe Public Bus Transport Management system需要处理来自不同源的上下文需要处理来自不同源的上下文 Orion Context BrokerContextConsumersquery1026notifyContextProducersupdatesubscriptionsupdate1026updatenotifyDBOrionOrion上下文代理封装上下文代理封装 Context Consumers can be

35、 subscribed to reception of context information complying with certain conditions, using the subscribeContextoperation a ContextBrokerexports. Such subscriptions may have a duration.The Context Broker notifies updates on context information to subscribed Context Consumers by invoking the notifyConte

36、xtoperation they export基本上下文代理操作基本上下文代理操作 ContextProviderscan be registeredtotheContextBrokerlinkedtocertaincontextinformation.A Context Broker will invoke the queryContextoperation exported by Context Providers whenever they are queried for context information or have to notify updates in context i

37、nformation 基本上下文代理操作基本上下文代理操作 Context adapters will be developed to interface with existing systems (e.g., municipal services management systems in a smart city) acting as Context Providers, Context Producers, or bothSome attributes from a given entity may be linked to a Context Provider while other

38、 attributes may be linked to Context Producers 与已有系统的集成与已有系统的集成 Idas 设备管理设备管理 与物联网设备的连接与物联网设备的连接后台IoT 设备管理可以创建和管理连接到IoT网络的NGSI IoT Agents 每个 NGSI IoT Agent 可以看作是上下文的用户或者是上下文的提供者，或者是同时作为上下文的用户和提供者 IoT-M2M IoT-M2M 与上下文集成与上下文集成 上下文处理与分析上下文处理与分析 产品实现产品实现 基站采用SDR技术，可以非常容易配置来接收其他窄带协议。 基于WEB的网管。 防护级别IP67。

39、低辐射。PoE供电。 以太网和USB接口。功耗20W。工作温度： -40C to +85C处理器： Intel Atom D525 Dual core 1.8 GHz内存： DDR2 - 2 Gb 电子硬盘： SSD - 8 Gb 工作频率： 150KHz-1GHz, including 315MHz, 433MHz, 470MHz, 868MHz, 915MHz (ISM)管理频谱：192 kHz速率：100bps接收灵敏度：-145 dBm 100bps前置放大器gain/noise G = 19 dB带阻滤波器：30 dB / 3 MHz ，30 dB / 600 KHz (option for 868MHz)外部天线增益：8 dBi天线阻抗：50 通信模块基