低功耗广域物联网协议研究与实现
发布时间：2022-01-04 11:34
低功耗广域物联网技术是一种针对物联网中远距离场景下采集传感数据而提出并设计的新技术,其具有重要的实用价值。为远距离采集传输现场数据接入网络提供有力保障。研究并实践低功耗广域物联网技术,对于采集并汇聚数据,为后端大数据分析、机器学习等提供基础至关重要。系统中的节点特性,包括功耗低、距离远、成本低、组网简单等特点受到了学者的关注。本文主要针对低功耗广域物联网组网技术进行了分析和研究,并构建了基本的验证系统。对低功耗广域物联网的整体架构进行分析,包括其基本概念、网络模型、通信技术特点等,对目前主流低功耗广域物联网技术的通信特点,通信场景以及优缺点进行分析和对比。以具体的LoRaWAN协议为实例,进行了分析与研究。通过分析发现,协议中的信道访问控制机制存在扩展能力差,信道利用率低,接入时延长,冲突概率高的问题。为了解决上述的问题,本文设计了一种增强的信道访问控制机制,即动态监听退避机制。将基于改进的先听后说机制与信道当前的状态进行结合,自适应地调节退避窗口大小。从而降低了网络中数据包的冲突,提高传输成功率,降低了整体节点的入时延以及节点重传的功耗损失。本文通过分析LoRaWAN协议中节点的自适...
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LoRaWAN网络架构图
第二章低功耗广域物联网概述10窗口中使用的数据速率是根据上行链路数据速率和接收窗口偏移量计算的。在第二个窗口中，数据速率固定为最小值0.3kb/s。因此，在网关解码成功的上行链路传输之前，无法传输下行链路流量。当终端设备在第一个窗口中接收到下行链路流量时，将禁用第二个接收窗口。B类设备专为具有额外下行链路流量需求的应用而设计。这些设备使用网关发送的周期性信标进行同步，以允许为下行链路流量安排其他接收窗口，而无需事先成功进行上行链路传输。C类设备除了自身正在发送的时间段，接收窗口一直打开侦听信道。因此提供了最低的下行链路等待时间，但需要极高的功耗。2.2.2NB-IOT技术NB-IoT是基于蜂窝网络的窄带低功耗广域物联网技术[26]，可以复用LTE的频谱以及站点直接进行网络部署，使得NB-IoT网络部署的成本有效降低，利于应用以及更好的升级。目前的NB-IoT物理层主要采用现有的LTE技术，采用SC-FDMA调制解调技术进行上行链路，180KHz的带宽，处于单频传输模式下的子载波间隔为3.75kHz，上行速率为200kbps，处于多频传输模式下的子载波间隔为15kHz，上行速率为160kps-250kbps[27,28]。NB-IoT的下行链路与LTE一致，同样使用OFDMA调制解调技术，180KHz得带宽，下行链路的子载波间隔为15kHz，下行速率为160kbps-250kbps。高层协议的设计直接在LTE协议的基础上，并进行了相应的修改。现今，只有FFDDLTE系统是支持NB-IoT技术的，并以半双工模式运行[29]。NB-IoT的终端设备由连接模式、空闲模式和节能模式三种工作模式组成，这三种工作模式的切换如图2-2所示：图2-2NB-IoT的终端模式转换图
第二章低功耗广域物联网概述11在连接模式下，终端可以发送和接收数据，当终端在一段时间内没有与数据交互时，就会进入空闲模式。在空闲模式下，终端会监听信道，在监听到有下行链路数据时会进入连接模式；如果终端在一段时间内没有监听到数据，则终端会开启节能模式。在节能模式下，终端设备会将收发信机关闭，不再进行侦听，终端部分停止工作；此模式仍记录在网络中，但此时无法接收下行链路数据，信令无法到达。在这种状态下，设备的功率是最小的，但也是最节能省电的状态。另外，3GPPR13标准优化了NB-IoT设备模式，提出了一种改进的不连续接收（eDRX）机制，通过延长DRX原来的时间周期来支持更长周期的信道监听，通过降低DRX窗口的频率，来达到更加节能省电的目的[30]。NB-IoT技术的优点：成本低（单频或者多频、窄带、半双工模式）、功耗低（PSM操作模式、eDRX机制、简洁信令）、覆盖广（接入量大、增益高）、简单部署（包括独立、带内和保护带部署）。缺点：运营商的授权使得成本增加、下行链路的通信效率低下、相比其低功耗广域物联网技术来说功耗仍然有些大等。因此，对于要求低成本，低流量和需要确保电池寿命的情况，NB-IOT不是一个很好的选择。2.2.3SigFox技术SigFox网络技术是工作在低于1GHz的SUB-GHZISM频带，使用差分相干二进制相移键控技术，通过超窄带调制的方式将终端连接到网络基站。在SigFox网络中，其基站拥有认知无线电的功能，它会对所有支持的信道进行扫描，并将检测到的数据信息解码，因此终端节点在传输消息是可以随机选择信道[31]。基站与网络服务器通常采用TCP/IP的方式，SigFox的网络架构如图2-3所示：图2-3SigFox的网络架构图
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种改进的远距离物联网的自适应数据速率控制方法[J]. 李冬睿,洪文圳,梁慧娜,周劲桦. 计算机应用与软件. 2019(05)
[2]大联大诠鼎集团推出结合AcSiP和Semtech技术LoRa智能模块解决方案[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(02)
[3]基于应用场景的低功耗广域物联网联网（LPWA）技术对比分析[J]. 严琦,张云勇,安岗. 世界电信. 2017(03)
[4]LoRa与NB-IoT技术开启物联网新格局[J]. 徐冬冬. 科学技术创新. 2017(24)
[5]低功耗广域网络产业现状及国内市场前景[J]. 赵小飞. 信息通信技术. 2017(01)
[6]中国移动NB-IoT部署策略研究[J]. 张建国. 移动通信. 2017(01)
[7]LoRa无线网络技术分析[J]. 赵静,苏光添. 移动通信. 2016(21)
[8]基于LoRa标准的MAC层协议研究[J]. 孙曼,张乃谦,金立标,余少波. 电视技术. 2016(10)
[9]NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨[J]. 卢斌. 移动通信. 2016(19)
[10]NB-IoT网络商业价值及组网方案研究[J]. 陈博,甘志辉. 移动通信. 2016(13)
博士论文
[1]非正交多址系统中下行链路预编码技术研究[D]. 除志勇.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]低功耗广覆盖无线网络海量接入关键技术研究[D]. 李超.北京交通大学 2018
[2]基于LoRa的LPWAN节能技术研究[D]. 虞阁飞.电子科技大学 2018
[3]基于Wi-Fi Direct即时通信应用的设计和实现[D]. 董自强.南京邮电大学 2017
[4]面向智能家居应用的蓝牙组网技术研究[D]. 张泽.北方工业大学 2017
[5]基于MEMS传感器与Zigbee网络的人体手臂运动状态测量和识别方法研究[D]. 刘震.西南交通大学 2017
[6]长期演进系统架构下VoLTE调度机制和传输性能研究[D]. 马超.东华大学 2017
[7]基于LORA通信的无线水表抄表系统的设计[D]. 王瑞.东华理工大学 2016
本文编号：3568261
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LoRaWAN网络架构图
第二章低功耗广域物联网概述10窗口中使用的数据速率是根据上行链路数据速率和接收窗口偏移量计算的。在第二个窗口中，数据速率固定为最小值0.3kb/s。因此，在网关解码成功的上行链路传输之前，无法传输下行链路流量。当终端设备在第一个窗口中接收到下行链路流量时，将禁用第二个接收窗口。B类设备专为具有额外下行链路流量需求的应用而设计。这些设备使用网关发送的周期性信标进行同步，以允许为下行链路流量安排其他接收窗口，而无需事先成功进行上行链路传输。C类设备除了自身正在发送的时间段，接收窗口一直打开侦听信道。因此提供了最低的下行链路等待时间，但需要极高的功耗。2.2.2NB-IOT技术NB-IoT是基于蜂窝网络的窄带低功耗广域物联网技术[26]，可以复用LTE的频谱以及站点直接进行网络部署，使得NB-IoT网络部署的成本有效降低，利于应用以及更好的升级。目前的NB-IoT物理层主要采用现有的LTE技术，采用SC-FDMA调制解调技术进行上行链路，180KHz的带宽，处于单频传输模式下的子载波间隔为3.75kHz，上行速率为200kbps，处于多频传输模式下的子载波间隔为15kHz，上行速率为160kps-250kbps[27,28]。NB-IoT的下行链路与LTE一致，同样使用OFDMA调制解调技术，180KHz得带宽，下行链路的子载波间隔为15kHz，下行速率为160kbps-250kbps。高层协议的设计直接在LTE协议的基础上，并进行了相应的修改。现今，只有FFDDLTE系统是支持NB-IoT技术的，并以半双工模式运行[29]。NB-IoT的终端设备由连接模式、空闲模式和节能模式三种工作模式组成，这三种工作模式的切换如图2-2所示：图2-2NB-IoT的终端模式转换图
第二章低功耗广域物联网概述11在连接模式下，终端可以发送和接收数据，当终端在一段时间内没有与数据交互时，就会进入空闲模式。在空闲模式下，终端会监听信道，在监听到有下行链路数据时会进入连接模式；如果终端在一段时间内没有监听到数据，则终端会开启节能模式。在节能模式下，终端设备会将收发信机关闭，不再进行侦听，终端部分停止工作；此模式仍记录在网络中，但此时无法接收下行链路数据，信令无法到达。在这种状态下，设备的功率是最小的，但也是最节能省电的状态。另外，3GPPR13标准优化了NB-IoT设备模式，提出了一种改进的不连续接收（eDRX）机制，通过延长DRX原来的时间周期来支持更长周期的信道监听，通过降低DRX窗口的频率，来达到更加节能省电的目的[30]。NB-IoT技术的优点：成本低（单频或者多频、窄带、半双工模式）、功耗低（PSM操作模式、eDRX机制、简洁信令）、覆盖广（接入量大、增益高）、简单部署（包括独立、带内和保护带部署）。缺点：运营商的授权使得成本增加、下行链路的通信效率低下、相比其低功耗广域物联网技术来说功耗仍然有些大等。因此，对于要求低成本，低流量和需要确保电池寿命的情况，NB-IOT不是一个很好的选择。2.2.3SigFox技术SigFox网络技术是工作在低于1GHz的SUB-GHZISM频带，使用差分相干二进制相移键控技术，通过超窄带调制的方式将终端连接到网络基站。在SigFox网络中，其基站拥有认知无线电的功能，它会对所有支持的信道进行扫描，并将检测到的数据信息解码，因此终端节点在传输消息是可以随机选择信道[31]。基站与网络服务器通常采用TCP/IP的方式，SigFox的网络架构如图2-3所示：图2-3SigFox的网络架构图
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种改进的远距离物联网的自适应数据速率控制方法[J]. 李冬睿,洪文圳,梁慧娜,周劲桦. 计算机应用与软件. 2019(05)
[2]大联大诠鼎集团推出结合AcSiP和Semtech技术LoRa智能模块解决方案[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(02)
[3]基于应用场景的低功耗广域物联网联网（LPWA）技术对比分析[J]. 严琦,张云勇,安岗. 世界电信. 2017(03)
[4]LoRa与NB-IoT技术开启物联网新格局[J]. 徐冬冬. 科学技术创新. 2017(24)
[5]低功耗广域网络产业现状及国内市场前景[J]. 赵小飞. 信息通信技术. 2017(01)
[6]中国移动NB-IoT部署策略研究[J]. 张建国. 移动通信. 2017(01)
[7]LoRa无线网络技术分析[J]. 赵静,苏光添. 移动通信. 2016(21)
[8]基于LoRa标准的MAC层协议研究[J]. 孙曼,张乃谦,金立标,余少波. 电视技术. 2016(10)
[9]NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨[J]. 卢斌. 移动通信. 2016(19)
[10]NB-IoT网络商业价值及组网方案研究[J]. 陈博,甘志辉. 移动通信. 2016(13)
博士论文
[1]非正交多址系统中下行链路预编码技术研究[D]. 除志勇.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]低功耗广覆盖无线网络海量接入关键技术研究[D]. 李超.北京交通大学 2018
[2]基于LoRa的LPWAN节能技术研究[D]. 虞阁飞.电子科技大学 2018
[3]基于Wi-Fi Direct即时通信应用的设计和实现[D]. 董自强.南京邮电大学 2017
[4]面向智能家居应用的蓝牙组网技术研究[D]. 张泽.北方工业大学 2017
[5]基于MEMS传感器与Zigbee网络的人体手臂运动状态测量和识别方法研究[D]. 刘震.西南交通大学 2017
[6]长期演进系统架构下VoLTE调度机制和传输性能研究[D]. 马超.东华大学 2017
[7]基于LORA通信的无线水表抄表系统的设计[D]. 王瑞.东华理工大学 2016
本文编号：3568261
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