MiWind超窄带物联网通信 - 简版

MiWind超窄带(zhǎidài)物联网通信余博士(bóshì)caminopro@163.com共六十九页概述(ɡàishù)共六十九页大多数的IoT设备是简单的传感器消息(xiāoxi)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(guīgé)•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。典型需求共六十九页物联网(liánwǎnɡ)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(tèdìng)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？共六十九页其实，物联网通信(tōngxìn)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(jìshù)，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%市场共六十九页物联网属于(shǔyú)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(zàixiàn)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。共六十九页物联网(liánwǎnɡ)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(xiàzǎi)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。共六十九页概述(ɡàishù)

为什么是超窄带（Ultranarrowband）如何(rúhé)优化频谱的使用？共六十九页概述(ɡàishù)

为什么是超窄带（Ultranarrowband）Lora的访问冲突。扩频因子为7，消息长度(chángdù)为25字节。每分钟1000个消息。共六十九页概述(ɡàishù)

为什么是超窄带（Ultranarrowband）Lora的访问(fǎngwèn)冲突。扩频因子为7，消息长度为25字节。每分钟1000个消息。共六十九页为什么会是UNB(ultra-narrow-band)通信(tōngxìn)窄带(zhǎidài)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)=–144dBm

100-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。共六十九页

基本(jīběn)架构共六十九页系统(xìtǒng)架构互联网服务器第三方APP服务器用户(yònghù)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共六十九页客户(kèhù)应用(yìngyòng)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共六十九页MiWIND白频谱数据库电视(diànshì)检测台、电视(diànshì)检测中心已有的电视频道、规章制度(ɡuīzhānɡzhìdù)、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，物联网应用共六十九页平台(píngtái)总体架构图CKANBigDataContextBrokerAccounting&Payment&BillingIDM&AuthShort-termhistoricdataBigDataProcessingData

Quering/Action,

Publish/SubscrOpenDatapublishingReal-timeprocessingBIETLRULESDEFINITIONTOOLOPERATIONALDASHBOARDKPIGOVERNANCEOPENDATAPORTALSServiceorchestratorContextAdaptersCEPIoTBackend

DeviceManagementmeasures/commandsIoTBroker&ConfigManagement

(fromsensorstothings)IoT/SensorOpenDataactuatorsMediastreamsRealTimeMediaStreamProcessingCityServicesGISInventory共六十九页概述(ɡàishù)

微信道每个带宽划分为宏信道(xìndào)，宏通道划分为微信道(xìndào)。每个宏信道(xìndào)为200KHz。每个微通道为100Hz。200KHzISM带宽可以户分为2,000微通道。frequency200KHz100HzTime共六十九页概述(ɡàishù)

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(fāsònɡ)信息的时候，终端自己自动选择一个子载波来进行发送(fāsònɡ)，而不是由基站来分配一个子载波给终端使用。共六十九页上行设计的主要点是降低功耗，使用最小的帧长。非同步(tóngbù)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(shàngxíng)访问共六十九页信标(xìnbiāo)

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(tóngbù)。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.频率校准时间校准共六十九页信标(xìnbiāo)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(fāsònɡ)，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。共六十九页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(móshì)。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(xiàxíng)发送原理共六十九页安全(ānquán)无线接口(jiēkǒu)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。共六十九页PHY层上行(shàngxíng)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(kěkào)、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。共六十九页PHY层下行下行信道(xìndào)类型MiWind实现两种类型的下行信道：争对终端的下行信道。广播系统信息的信标信道。Bitrate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(wéicǐ)，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32bits。对384bits信息，可以增加1dB编码增益。共六十九页PHY层下行(xiàxíng)

微信道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(fāsònɡ)时在接收到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5dB链路预算。共六十九页LINK层上行(shàngxíng)共六十九页preambleID(A)TypeSeq.CounterMACFCS3bytes4bytes8bits16bits3bytes2bytesCiphertext(C)12bytesFEC6bytesAckConti.Type1bits2bits5bitsLINK层上行(shàngxíng)

帧结构

共六十九页LINK层上行上行包和下行包的认证(rènzhèng)授权

ULMAC-FrameDLMAC-FrameIdentifierSequencecounterSecretekeyDLPayloadauthenticationauthenticationULPayloadIdentifierSequencecounterSecretekeyDLcheck共六十九页LINK层下行(xiàxíng)共六十九页LINK层下行(xiàxíng)帧格式下行数据包格式(géshi)充分考虑对上行数据包的响应。headerFECAuth.FCS32bits16bits1bytesPayload0-34bytes40bitsHeader56bits：Preamble和bitratesynchronization(3bytes),frametype,9bitspayloadlength，6bitsacknowledgementbits，1bit共六十九页LINK层下行(xiàxíng)

信标信道帧格式字头，包含前导码(3bytes)和帧类型

(比如“beaconchannel”，1bytes),networkID(14bits，最多16384)cellID(19bits,最多524288)SysInfoGrouptype(6bits)，定义负载(fùzài)内容systeminformationgroups(4bits)个数。GroupSequencenumber(5bits)帮助跟踪systeminformationgroups的变化。payload装载systeminformationelementsFCS，8bitsCRCFEC,whichisthesameBCHfieldasinad'hocmicro-channelpacketsHeaderNetIDCellIDFCS4bytes6bytes1bytesPayload(Sys.Info)0-20bytesFEC4bytes#ofgroupGroupSeq.#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。SysInfoGrouptype共六十九页LINK层过程(guòchéng)共六十九页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(zhōnɡduān)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(guòchéng)共六十九页LINK层过程(guòchéng)

单个上行包的Ack过程只有在终端(zhōnɡduān)提出应答请求后，才会进行应答。MobilestationMiWindserverAPPAPPPDUULLLPDUSeg.count.=NULLLPDUcheckDLAuth.basedonSeg.count.=NDLLLPDU(Ack/Nack,Auth)LoopbackdelayLLLL共六十九页下行数据包Ack与上行(shàngxíng)数据包类似。LINK层过程(guòchéng)

下行包的Ack过程LoopbackdelayMobilestationMiWindserverAPPLLLLAPPAPPPDUULLLPDU(Seg.count.=N)DLLLPDU#1DLLLPDU#mULLLPDU(Seg.count.=N+1)MultipleackAPPPDUDLressemblyDLAuth.basedonSeg.count.=N共六十九页RRM无线资源管理共六十九页系统使用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(kěyǐ)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(kěyǐ)有效使用广电的频谱。RRM无线资源管理共六十九页在GSM网络中，有多个200kHz的频段可以分配。在MiWind中，不同的是，只有(zhǐyǒu)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F1F2F4F3F6F5F7F10F8F9F12F11FmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwind(a)(b)共六十九页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(guǎnlǐ)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(xìnbiāo)信道Basestation#3Basestation#2Basestation#1Basestation#11Basestation#1216msbeaconpacket12slotof40ms920msforuserplanepackets1.4sbeaconcycle共六十九页信标信道周期发送信标信道包发送完毕(wánbì)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(xìnbiāo)信道+43dBmfrequencyMicrochannelsBeaconchannelMax.+34dBmpowertime200KHz共六十九页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(guòchéng)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(fāsònɡ)过程PollpacketperiodLoopbackdelayMiWindserverMobilestationTxTxRxRxMessagestoredByMiWindserverUntilnextpoll共六十九页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。终端侧在进行(jìnxíng)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无线资源管理Tx功率自适应(shìyìng)过程共六十九页信标(xìnbiāo)侦听过程支持

Tx功率自适应过程。RRM无线资源管理Tx功率(gōnglǜ)自适应过程开机知道频段接收信标节省功率存储信标时间参数设置poll计时器信标检测全频段扫描信标最大功率UL发射现在功率UL发射新网络新位置noyesnoyesyesyesnoTriggereventULorpoll共六十九页云端(yúnduān)管理共六十九页总体架构图：各种(ɡèzhǒnɡ)应用46平台(píngtái)智慧城市Apps智慧工厂Apps智慧农业Apps共六十九页总体(zǒngtǐ)架构图CKANBigDataContextBrokerAccounting&Payment&BillingIDM&AuthShort-termhistoricdataBigDataProcessingData

Quering/Action,

Publish/SubscrOpenDatapublishingReal-timeprocessingBIETLRULESDEFINITIONTOOLOPERATIONALDASHBOARDKPIGOVERNANCEOPENDATAPORTALSServiceorchestratorContextAdaptersCEPIoTBackend

DeviceManagementmeasures/commandsIoTBroker&ConfigManagement

(fromsensorstothings)IoT/SensorOpenDataactuatorsMediastreamsRealTimeMediaStreamProcessingCityServicesGISInventory共六十九页数据(shùjù)上下文

共六十九页•实现一个智慧应用需要收集和管理(guǎnlǐ)上下文信息•上下文信息是指应用的实体属性值应用(yìngyòng)上下文信息Bus•Location•No.passengers•Driver•LicenceplateCitizen•Name-Surname•Birthday•Preferences•Location•ToDolistShop•Location•Businessname•Franchise•offerings上下文管理共六十九页应用(yìngyòng)ContextInformationBoiler•Manufacturer•Lastrevision•Productid•temperatureUsers•Name-Surname•Birthday•Preferences•Location•ToDolistFlowerpot•Humidity•Wateringplan上下文管理(guǎnlǐ)•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共六十九页•上下文信息可以来自(láizì)不同的信息源：–Existingsystems–Users,throughmobileapps–Sensornetworks(InternetofThings)•给定(ɡěidìnɡ)的entity.attribute的信息源是随时变化的What’sthecurrenttemperatureinplace“X”?标准APIPlace=“X”,temperature=30ºNotifymethechangesoftemperatureinplace“X”It’stoohot!AsensorinapedestrianstreetApersonfromhissmartphoneThePublicBusTransportManagementsystem需要处理来自不同源的上下文共六十九页OrionContextBrokerContextConsumersquery1026notifyContextProducersupdatesubscriptionsupdate1026updatenotifyDBOrion上下文代理(dàilǐ)封装共六十九页ContextConsumerscanbesubscribedtoreceptionofcontextinformationcomplyingwithcertainconditions,usingthesubscribeContextoperationaContextBrokerexports.Suchsubscriptionsmayhaveaduration.TheContextBrokernotifiesupdatesoncontextinformationtosubscribedContextConsumersbyinvokingthenotifyContextoperationtheyexport基本上下文代理(dàilǐ)操作共六十九页ContextProviderscanberegisteredtotheContextBrokerlinkedtocertaincontextinformation.AContextBrokerwillinvokethequeryContextoperationexportedbyContextProviderswhenevertheyarequeriedforcontextinformationorhavetonotifyupdatesincontextinformation基本上下文代理(dàilǐ)操作共六十九页Contextadapterswillbedevelopedtointerfacewithexistingsystems(e.g.,municipalservicesmanagementsystemsinasmartcity)actingasContextProviders,ContextProducers,orbothSomeattributesfromagivenentitymaybelinkedtoaContextProviderwhileotherattributesmaybelinkedtoContextProducers与已有系统(xìtǒng)的集成共六十九页Idas设备(shèbèi)管理共六十九页与物联网设备(shèbèi)的连接•后台IoT设备(shèbèi)管理可以创建和管理连接到IoT网络的NGSIIoTAgents•每个NGSIIoTAgent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共六十九页IoT-M2M与上下文集成(jíchénɡ)共六十九页上下文处理(chǔlǐ)与分析共六十九页产品(chǎnpǐn)实现共六十九页基站采用SDR技术，可以非常容易配置(pèizhì)来接收其他窄带协议。基于WEB的网管。防护级别IP67。低辐射。PoE供电。

以太网和USB接口。功耗20W。工作温度：-40°Cto+85°C处理器：

IntelAtomD525–Dualcore1.8GHz内存：

DDR2-2Gb

电子硬盘：SSD-8Gb工作频率： 150KHz-1GHz,including315MHz,433MHz,470MHz,868MHz,915MHz(ISM)管理频谱：192kHz速率：100bps接收灵敏度：-145dBm@100bps前置放大器gain/noise G=19dB带阻滤波器：30dB/±3MHz，30dB/±600KHz(optionfor868MHz)外部天线增益：8dBi天线阻抗：50Ω共六十九页通信(tōngxìn)模块基本特性一般(yībān)特性

·

工作温度：-40oC-+85oC射频

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输出功率-10…16dBm

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输出功率步进0.5dB

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邻频抑制-50dBc

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电压3.6V功率

·TX22mA@10dBm,54mA@15dBm

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休眠的时候为1.5μAARMCortex-M0+32-bit: