1、MiWind超窄帶物聯網通信超窄帶物聯網通信余余 博士博士 概述概述 n大多數的大多數的IoT 設備是簡單的傳感器設備是簡單的傳感器l消息長度為10 - 50 bytes, 每天發送幾次l大部分流量來自上行方向超低功耗(紐扣電池) 極小規格 低成本設備 報警流量 沒有實時要求 連接成本低 易于配置智能儀表, B2C，B2B2C 低功耗(3V電池 10+ 年) 低成本設備 幾條信息/天 大量上行信息沒有實時要求 靜態設備 連接成本低 超低功耗(3V電池10+年) 低成本設備 周期信息和報警信息 大量上行信息 沒有高的實時要求 靜態設備連接成本低能源檢測, 智能停車 低功耗(3V 電池，幾年) 高

2、成本設備 周期性上行流量 異步下行流量 有實時要求 移動設備 連接成本沒有限制資產監控, 車聯網智能儀表, 智能停車n大部分設備面臨功耗問題，因此：大部分設備面臨功耗問題，因此：l盡量減少信令。l兩次上行發送之間，設備處于睡眠狀態。l盡量限制發送次數(每天幾次發送)。l其它選擇。典型需求 物聯網通信屬于電信運營商？ GSM/GPRS/5G? 高數據率，雙向 遠程通信，現有的網絡可以使用-每個終端需要 SIM 卡-能耗高，沒有進行節能設計-對特定應用的覆蓋不夠-對特定應用成本高 WiFi, Bluetooth, ZigBee, 6LoWPAN? 高數據率，雙向 每個終端不需要 SIM 卡-不是隨

3、地可用，缺乏基礎設施覆蓋- 傳輸距離短，大覆蓋需要復雜的mesh網絡這些技術只占有這些技術只占有大約大約 20% 市場市場功耗？功耗？距離？距離？容量？容量？ 其實，物聯網通信需要一張獨立的LPWAN網絡 安全雙向的安全雙向的sub-1Ghz 鏈路鏈路傳輸距離：室內 5 km ，郊外 10 km 單個子載波傳輸速率 0.1 kbps 采用擴頻技術，在傳輸速率和傳輸距離上權衡TX 22mA 10dBm, 54mA 15dBm 休眠的時候為1.5 A 電池供電可以滿足10年的需求采用蜂窩結構，單個蜂窩可以容納百萬終端終端通信模塊的成本在15元左右使用軟件無線電技術 (SDR，software de

4、fined radio )先進的解調技術，可以與ISM段的其它設備共存（比如IEEE802.15）使用超窄帶技術（ UNB，ultra narrow band ）。這一技術占有這一技術占有大約大約80% 市場市場 物聯網屬于移動運營商？物聯網屬于移動運營商？移動運營商信誓旦旦地聲稱自己是未來物聯網的骨干。汽車、醫療設備以及各種各樣的電子產品的連接均需要無所不在、永遠在線的網絡，似乎沒有誰比移動運營商更能擔此重任。的確，從目前的情況來看，移動運營商可以信心滿滿。他們的2G、3G網絡是目前物聯網的主要承載網。隨著手機的滲透率趨于飽和，也許移動運營商的未來真的要指望M2M的用戶了。 現在的移動網絡要

5、連接的是人，不是物體。物體的互聯需要一張專門的無線互聯網。 物聯網屬于移動運營商？物聯網屬于移動運營商？因為人和物體對連接的頻度要求不一樣。我們的手機需要永遠在線，隨時可以撥打和接收、更新微博、下載郵件。而物聯網的對象卻很少需要聯網。車輛或貨柜的GPS跟蹤器每天也許只需要發送一次自己的位置。智能儀表可能每隔一周才把數據回傳給公司。從自動售貨機到監控攝像頭的許多內置傳感器只會在出問題的時候才傳輸數據。這些都意味著M2M模塊的連接頻度要遠遠低于人的聯絡。 在電力短缺和頻譜昂貴的今天，用傳統的無線網絡承載這些設備毫無意義。更好的辦法是將這些設備連接到一個針對各自的應用場景進行優化的網絡上一個可以支持

6、數十億設備以不同的時間間隔發送相對較少數據的網絡。 因此，需要在結構上跟傳統的無線網絡相差極大，可以說是個連網絡概念都沒有的網絡只有在有載荷要傳輸的情況下才連接。一種可行的無線架構是使用超窄帶調制技術，在理論上僅靠少量網絡傳送器即可支持數百萬設備。這種免牌照頻率通常是給嬰兒監視器和無繩電話使用的，這種頻率一個基站的覆蓋范圍即可相當于蜂窩網絡的50-100個站點的覆蓋。一個省需要300-400個這樣的基站。在全國建設10000-13000個基站即可完成全覆蓋。 概述 為什么是超窄帶（為什么是超窄帶（ Ultra narrow band ）如何優化頻譜的使用？ 概述 為什么是超窄帶（為什么是超窄帶

7、（ Ultra narrow band ）Lora的訪問沖突。擴頻因子為7，消息長度為25字節。每分鐘1000個消息。 概述 為什么是超窄帶（為什么是超窄帶（ Ultra narrow band ）Lora的訪問沖突。擴頻因子為7，消息長度為25字節。每分鐘1000個消息。 為什么會是為什么會是UNB(ultra-narrow-band)UNB(ultra-narrow-band) 通信通信窄帶抗干擾能力寬帶抗干擾能力RF 系統的關鍵參數是接收帶寬(RXBW). RXBW 是系統底噪的關鍵因素，如果接收帶寬為1Hz，底噪為PdBm = 174 + 10log10 (RXBW), 不同接收帶寬的

8、底噪為： 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從上面我們知道，如果使用100Hz的帶寬，底噪

9、可以達到154 dBm。接收的可靠性大大提高。 基本架構基本架構 系統架構互聯網服務器第三方APP服務器用戶基站接口基站終端空中接口互聯網用戶用戶操作管理中心 客戶應用服務層服務層PHY無線資源管理鏈路層基帶基站基站網絡基站控制器基站調制器PHY終端終端調制器基帶鏈路層無線資源管理服務提供商終端控制器概述 架構架構 MiWIND白頻譜數據庫電視檢測臺、電視檢測中心已有的電視頻道、規章制度、文件資料等數據庫電視白頻譜數據庫其它數據庫固定設備注冊互聯網一般設備帶頻譜感知設備家庭寬帶應用M2M，物聯網應用 平臺總體架構圖平臺總體架構圖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 微信道微信道每個帶寬劃分為宏信道，宏通道劃分為微信道。每個宏信道為200KHz。每個微通道為100Hz。 200KHz ISM 帶寬可以戶分為2,000微通道。frequency200KHz100HzTime 概述 隨機上行訪問

12、隨機上行訪問在傳統的無線網絡中，通常采用的訪問模式是FDMA“頻分多址”、TDMA “時分多址”或 CDMA“碼分多址”。每個這些技術基于將 （頻率頻帶，擴頻碼的時間間隔） 的物理信道分配給不同的終端，而且往往是非常復雜、動態、控制集中在基站或在網絡上。這些分配機制在終端與基站之間需要嚴格時間和/或頻率同步，通常是復雜和能源消耗的協議，因為需要定期開啟每個終端。為此，我們建立了一種新的傳輸結構，這種結構能夠解決上述的問題。這種結構的基本點是將一段頻譜分解為許多的超窄帶載波，采用終端自動選擇FDMA（TAS-FDMA，Terminal Auto Selection FDMA）方式來給各個終端分配

13、超窄帶載波來發送信息。在終端與基站之間不需要進行時間和頻率同步。但是，保證各個終端在發送信息的時候，只有最低的碰撞的可能性。同時實現終端通信模塊的簡單和廉價。所謂的終端自動選擇FDMA（TAS-FDMA，Terminal Auto Selection FDMA）方式，就是在終端要發送信息的時候，終端自己自動選擇一個子載波來進行發送，而不是由基站來分配一個子載波給終端使用。 上行設計的主要點是降低功耗，使用最小的幀長。非同步發送非同步發送IoT 設備的信息量很小。小數據量，發送頻度低的訪問模式有ALOHA 。終端發送信息不需要與網絡同步和信令交換，因此，簡單、功耗低。但是在負載大的時候，會出現沖

14、突。通過微信道和微信道選擇來避免沖突。l微信道：微信道：200kHz頻段分解為2000個100Hz的微信道。微信道德中心頻率不是預先定義的，這要基于終端晶振的實際頻率。l微信道選擇：微信道選擇：終端發送信息的時候，隨機選擇三個微信道，發送三次。這種跳頻避免了沖突。概述 隨機上行訪問隨機上行訪問 信標 信標信道信標信道MiWind網絡中，所有的基站都是監聽相同的 200kHz 頻段，因此，在發送之前，不需要附著到基站或與基站同步。因此，也就不需要信標。但是，信標可以做一些其他的事情：l幫助終端發現網絡使用的200kHz 頻段,l廣播系統信息,l幫助終端評估覆蓋等級.l頻率校準l時間校準 信標網絡

15、發現和漫游網絡發現和漫游移動終端在開機的時候，偵聽所有的200kHz頻段，直到接收到包含網絡ID信標信號。一旦發現網絡，終端就使用信標信道提供的系統信息來設置自己的poll計時器。IoT 終端一般是靜止的，有規則的信標檢測不是必需的。在MiWind 網絡中，信標檢測優先于上行數據的發送，這樣移動終端可以避免使用錯誤的發射功率，或者是在移動后，使用錯誤的200kHz頻段。在上行發送之前檢測信標，允許移動終端漫游和訪問不同的網絡。覆蓋等級評估覆蓋等級評估移動終端可以實用信標來評估網絡覆蓋情況。如果移動終端接收到本網絡不同基站的信標，或是不同的RSSI，就使用最大的功率來發射，保證基站可以順利接收。

16、如果網絡不可用，就啟動一個新的網絡發現過程。 GSM網絡的下行可以通過尋呼的方式來實現。在 MiWind 網絡中沒有尋呼模式。下行發送實在上行發送信息之后進行的，也就是說，是終端觸發的。終端可以通過有規則地發送用戶數據的方式來獲取下行數據信息。如果沒有足夠的數據信息，通過發送poll 信息來獲取下行數據信息。連續的兩個poll信息之間的最大延遲為一個系統信息單元。下行信息存放在MiWind 服務器中，直到終端上行信息或者是進行定期檢查的時候，下行給終端。信標 下行發送原理下行發送原理 安全無線接口層無線接口層通過加密認證機制。核心網絡層核心網絡層依據核心網絡的安全性。用戶數據加密用戶數據加密比

17、如AES128加密算法。 PHY層上行Bit rate在空中接口設計上，要考慮覆蓋的改善，超低功耗等等，這就有許多的權衡。MiWind采用低速率方案，速率為100 bps。ModulationD-BPSK。簡單，可靠、靈敏度高。可以簡單使用 FSK 來實現。Transmission power+24dBm.Transmission frequency200kHzFEC16 bit Reed-Solomon 編碼。最大長度為388 bits，可以增加 1dB 編碼增益。 PHY層下行 下行信道類型下行信道類型MiWind 實現兩種類型的下行信道：l爭對終端的下行信道。l廣播系統信息的信標信道。B

18、it rate下行信道速率為600bps 。大速率可以降低終端接收時間，降低功耗。 信標信道速率為8000bps。可以降低終端的檢測時間T，降低功耗。為此，必須增加信標信道的發射功率。大速率可以降低終端接收時間，降低功耗。ModulationD-BPSK。FECFEC為32 bits。對 384 bits信息，可以增加 1dB 編碼增益。 PHY層下行 微信道發射功率微信道發射功率最大上行發射功率最大上行發射功率 終端的接收靈敏度比基站低，因為帶寬比較大。終端最大發射功率為+34dBm。下行發射功率管理下行發射功率管理發射功率的調整是按照接收到的UL包的信號強度來進行的。因為DL包的發送時在接

19、收到UL包后進行的，所以，調整的算法是非常簡單的。如果考慮到移動終端的分布，離基站的平均距離是最大距離的 2/3 ，可以得到5 dB 鏈路預算。 LINK層上行層上行 preambleID(A)TypeSeq.CounterMACFCS3 bytes4bytes8 bits16 bits3bytes2 bytesCiphertext(C)12bytesFEC6 bytesAckConti.Type1 bits2 bits5 bitsLINK層上行 幀結構幀結構 LINK層上行 上行包和下行包的認證授權上行包和下行包的認證授權 UL MAC-FrameDL MAC-FrameIdentifier

20、Sequence counterSecrete keyDL PayloadauthenticationauthenticationUL PayloadIdentifierSequence counterSecrete keyDL check LINK層下行層下行 LINK層下行幀格式下行數據包格式充分考慮對上行數據包的響應。headerFECAuth.FCS32 bits16bits1 bytesPayload0-34bytes40bitsHeader56 bits：lPreamble和bit rate synchronization(3bytes),lframe type,9bitslpay

21、load length，6bitslacknowledgement bits，1bit LINK層下行 信標信道幀格式信標信道幀格式l字頭，包含前導碼(3bytes)和幀類型 (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)，定義負載內容lsystem information groups (4 bits) 個數。l Group Sequence number (5 bits) 幫助跟蹤system informati

22、on groups的變化。lpayload 裝載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. #信標信道由基站直接進行廣播，不需回答。在格式設計上，就與一般信道設計不一樣。Sys InfoGroup type LINK層過程層過程

23、 在超窄帶物聯網通信中，通過優化幀格式和簡化過程，可以大幅度降低網絡中發射和接收的次數，降低功耗。比如，沒有GSM/GPRS 中的附著和終端選擇過程，這是因為所有的基站都是監聽整個200kHz 。隨機訪問方式簡化了訪問的過程，沒有繁瑣的交互。信標信道偵聽和發射功率自適應過程屬于無線資源管理（RRM）。LINK層過程 LINK層過程 單個上行包的單個上行包的Ack過程過程只有在終端提出應答請求后，才會進行應答。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 下行數據包Ack與上行數據包類似。LINK層過程 下行包的下行包的Ack過程過程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無線資源管理無線資源管理 系統使

25、用200KHz頻譜，與廣電合作。但是，廣電的頻段在全國都有使用，沒有一個頻點在全國可以通用。所以，在不同的省份，必須使用不同的頻段，并且需要跳頻。因此，采用信標的方法，自動識別網絡，可以有效使用廣電的頻譜。RRM無線資源管理 在GSM網絡中，有多個200kHz的頻段可以分配。在MiWind中，不同的是，只有一個頻段，所有的基站必須同時偵聽同一個200kHz頻段。MiWind終端也不附著到網絡，也不與網絡同步。(a) GSM頻率分配，(b)MiWind頻率分配。RRM無線資源管理F1F2F4F3F6F5F7F10F8F9F12F11FmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiw

26、indFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwindFmiwind(a)(b) 信標信道周期發送信標信道周期發送在GSM網絡中，通過重用頻段的方式來管理基站之間的干擾。這種方式不適合MiWind網絡的信標，因為信標信道必須在同一個200kHz的頻段中。因此，必須采用時分的方式來解決干擾問題。RRM無線資源管理 信標信道信標信道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 信標信道周期發送信標信道周期發送信標信道包發送完畢后，是發送用戶數據包的時段。下面是給定基站的用戶面和信標信道發送情況。RRM無線資源管理 信標信道信標信道+43dBmfrequencyMicro channelsBeacon channelMax. +34dBmpowertime200KHz 下行包的發送時由網絡的終端觸發的，由一個終端觸發過程來實現。如果沒有足夠的上行包，終端就發送poll 包來替換。 poll 包的周期的選擇根據延遲和功耗來權衡。RRM無線資源管理 poll下行數據包發送過程下行數據包發送過程P

28、oll packet periodLoop back delayMiWindserverMobilestationTxTxRxRxMessage storedBy MiWind serverUntil next poll 功率管理參數功率管理參數詳細的功率控制參數包括門限和延遲等。網絡側網絡側網絡檢測接收到的數據包的RSSI并記錄下來。如果網絡接收許多高于靈敏度的UL包，就發射控制暴給終端，要求降低發射功率。終端側終端側在進行發射之前，終端測試信標的RSSI。如果RSSI變化咸魚給定的門限，終端就降低網絡設置的發射功率。如果RSSI變化大于門限，或是丟失了信標，就增大發射功率。RRM無線資源管

29、理 Tx 功率自適應過程功率自適應過程 信標偵聽過程支持 Tx 功率自適應過程。RRM無線資源管理 Tx 功率自適應過程功率自適應過程開機開機知道知道頻段頻段接收信標接收信標節省節省功率功率存儲信標存儲信標時間參數時間參數設置設置poll計時器計時器信標檢測信標檢測全頻段全頻段掃描信標掃描信標最大功率最大功率UL發射發射現在功率現在功率UL發射發射新網絡新網絡新位置新位置noyesnoyesyesyesnoTrigger eventUL or poll 云端管理云端管理 總體架構圖：各種應用總體架構圖：各種應用46平臺智慧城市Apps智慧工廠Apps智慧農業Apps 總體架構圖總體架構圖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 數據上下文數據上下文 實現一個智慧應用需要收集和管理上下文信息 上下文信息是指應用的實體屬性值應用上下文信息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 應用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 實現一個智慧應用需要收集和管理上下文信息 上下文信息是指應用的實體屬性值 上下文信息可以來自不同的信息源： Existing systems Users, through mobile apps Sensor networks (Internet of Things) 給定的entity.attribute 的信息源是隨時變化的 Whats the currenttemperature in place “X”?標準 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需要處理來自不同源的上下文需要處理來自不同源的上下文 Orion Context BrokerContextConsumersquery1026notifyContextProducersupdatesubscriptionsupdate1026updatenotifyDBOrionOrion上下文代理封裝上下文代理封裝 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 與已有系統的集成與已有系統的集成 Idas 設備管理設備管理 與物聯網設備的連接與物聯網設備的連接后臺IoT 設備管理可以創建和管理連接到IoT網絡的NGSI IoT Agents 每個 NGSI IoT Agent 可以看作是上下文的用戶或者是上下文的提供者，或者是同時作為上下文的用戶和提供者 IoT-M2M IoT-M2M 與上下文集成與上下文集成 上下文處理與分析上下文處理與分析 產品實現產品實現 基站采用SDR技術，可以非常容易配置來接收其他窄帶協議。 基于WEB的網管。 防護級別IP67。

39、低輻射。PoE供電。 以太網和USB接口。功耗20W。工作溫度： -40C to +85C處理器： Intel Atom D525 Dual core 1.8 GHz內存： DDR2 - 2 Gb 電子硬盤： SSD - 8 Gb 工作頻率： 150KHz-1GHz, including 315MHz, 433MHz, 470MHz, 868MHz, 915MHz (ISM)管理頻譜：192 kHz速率：100bps接收靈敏度：-145 dBm 100bps前置放大器gain/noise G = 19 dB帶阻濾波器：30 dB / 3 MHz ，30 dB / 600 KHz (option for 868MHz)外部天線增益：8 dBi天線阻抗：50 通信模塊基