蜂窝网络中大规模物联网无线接入关键技术研究

发布时间：2020-06-21 23:25

【摘要】：随着科技的进步,物联网(Internet of Things,IoT)在近十年来获得了飞速的发展。其中,大规模物联网(Massive IoT)作为IoT重要的一部分涉及远程抄表、智能城市、远程传感等应用,已经越来越普及且仍在不断发展中。作为实现大规模IoT的重要基础,如何将数量不断增长的IoT设备与核心网相连成为了目前一大挑战。蜂窝通信技术使用授权频段,且为中心控制结构,在干扰、频谱效率及服务质量(Quality of Service,QoS)等方面具有优势,成为了大规模IoT的候选无线接入技术之一。但是蜂窝网络主要用于人类通信(Human-type Communications,HTC),设备的成本较高且功耗巨大。而用于大规模IoT的机器类通信(Machine-type Communications,MTC)却有低成本、广覆盖、大容量和低功耗等要求,因此无法把用于HTC的传统蜂窝系统直接作为大规模IoT的无线接入系统。在实现基于蜂窝网络的大规模IoT无线接入系统时,需要针对大规模IoT MTC的以上几点要求做相应的改进和设计。本论文围绕蜂窝网络下大规模IoT无线接入技术的设计和实现,主要进行了以下几个方面的研究:(1)以长期演进(Long Term Evolution,LTE)网络为例,研究了将主流蜂窝系统直接拓展至MTC的技术,从而能够在MTC设备硬件简化的前提下以尽量短的传输时间满足覆盖拓展的要求。首先分析MTC低成本要求所带来的设备简化和MTC覆盖拓展要求所带来的链路预算差额,以及它们对于性能和设计的影响。接下来在对LTE所有类型的控制信道进行研究和比较后选取分布式增强物理下行控制信道(Enhanced Physical Downlink Control Channel,EPDCCH)作为蜂窝网络MTC的控制信道的基本格式。然后在此基本格式上综合采用以下几种技术以达到覆盖拓展的要求:1)通过时域重传增加信号能量并获得时间分集;2)通过跳频技术获得频率分集,弥补由于窄带传输带来的频率分集损失;3)通过时域频域相邻资源块的参考信号进行联合信道估计,增加信道估计的精度,从而提高时域上多次重传的合并增益;4)通过正交预编码获得空间分集,弥补由于单天线接收带来的空间分集损失。然后将以上设计理念和技术合理应用至其他重要的信道上(如上行控制信道和随机接入信道等),同样可以在满足低功耗的同时达到覆盖拓展的要求。同时通过仿真验证了以上方法的有效性。(2)对大规模IoT无线接入技术的传输带宽选取与设计进行了深入研究。首先研究了主流的大规模IoT无线接入技术,主要包括非授权频段上的SIGFOX UNB和LoRa以及授权频段上的LTE-M和NB-IoT。通过研究发现,这些技术基本上均采用窄带传输技术来达到广覆盖、高系统容量和低功耗的要求。接下来对容量拓展和覆盖拓展两种场景进行具体分析,然后提出“有效带宽(effective bandwidth)”的概念,将传输带宽和覆盖范围、电池寿命以及系统容量联系在一起,进行综合考虑。系统设计时,首先确定系统的目标覆盖范围,然后据此可以确定有效带宽。设备的传输带宽应该配置在有效带宽附近,这样可以保证在信号的传输时间不显著增加的前提下尽可能地降低带宽使用,从而使有限的系统带宽容纳更多的用户。Effecive bandwidth能够为系统设计中的带宽选择提供重要参考,具有重要理论意义和实用价值。(3)首先以NB-IoT系统为例,对相关检测和差分检测这两种主流的定时同步信号检测方法进行了研究。然后提出Rx SNR因子和frequency offset因子,可证明当Rx SNR因子占据主导地位时,相关检测器性能更好,反之则差分检测器性能更好。然后根据两个因子将工作区域划分为两部分,接收端可以根据实际的接收信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)和频偏大小确定工作区域以选择合适的检测器,从而提高检测性能。最后推导出一种新型的抗频偏定时信号,可证明该信号可以将频率不确定性转化为时间不确定性,从而避免了因为大的频偏而导致的检测能量急剧下降。由于这种优良的性质,可以对此信号直接进行相关检测,进而避免了在低SNR环境下由于使用差分检测导致的严重的噪声放大效应。最后通过仿真与NB-IoT的定时信号进行比较,可以验证该信号良好的检测性能。(4)对蜂窝网络中设备发现技术进行深入研究,为使用蜂窝系统设备对设备(Device-to-Device,D2D)通信来解决深覆盖环境中大规模IoT设备和基站的通信问题提供了基础。研究了传统ad hoc网络中D2D设备发现技术,主要包括IrDA,蓝牙,WiFi Direct,WiFi ad hoc以及FlashlinQ。然后在此基础上对蜂窝网络中设备发现的难点和设计准则进行了讨论。最后给出了蜂窝网络中的设备发现技术的方案,将基于签名和基于包的发现方案进行了结合,能够有效降低检测端的复杂度、提升能量效率及降低对网络的依赖度,并且可以和现有蜂窝网络良好共存,具有较高的应用价值。(5)首先对无线能源物联网中的主要业务进行分析,并对电力行业的专有授权230 MHz频段进行了研究。然后对无线能源物联网的系统架构、帧结构和主要物理信道进行了详细设计并给出了相应的仿真验证。该设计作为大规模IoT无线接入系统设计的一个应用实例,能够满足无线能源物联网的高可靠、广覆盖和低功耗等要求,具有较好的性能。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5;TP391.44
【图文】：

示意图,示意图,低功耗,智能城市

考虑的是安全性和可靠性，因此它们对ＭＴＣ数据传输的高可靠和低时延等有着极高的逡逑要求。另一类重要的Ｉ0Ｔ应用即Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＩｏＴ涉及远程抄表、智能城市、远程传感等应逡逑用场景（如图２．１所示），有着与Ｃｒｉｔｉｃａｌ邋ＩｏＴ完全不同的要求，诸如：大规模、低成本、逡逑低功耗、广覆盖等，且对时延和数据传输速率要求低。在这其中，低功耗和广覆盖是最逡逑为关键的特性。由于海量的大规模ＩｏＴ设备被广泛布置在各个位置，其中一部分设备位逡逑置较为遥远，一部分设备处于地下室或建筑物深处等难以企及的地方，这便对大规模ＩｏＴ逡逑无线接入技术的覆盖范围提出了严峻的挑战，同时这些地方无法提供电源支持，需要设逡逑备使用电池来进行长时间（如十年）工作，因而低功耗也成为了大规模ＩｏＴ设备重要特逡逑性。然而，现有的无线通信技术大多数是专门为人类通信（Ｈｕｍａｎ－ｔｙｐｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，逡逑ＨＴＣ）设计的，很难满足这些严苛的要求。具体来说，一些被认为是可应用至物联网的逡逑点对点（Ｐ0ｉｎｔ－ｔｏ－Ｐｏｉｎｔ

模型图,频段,传输损耗,农村环境

逦（１．２）逡逑农村：Ｃ邋＝邋－４．７８ｘ（ｌｏｇ，。（NB））２邋＋１８．３３ｘ邋ｌｏｇ，。（／ｃ）－４０．９８逡逑如图２．２所示，无论是城市，郊区还农村环境，１邋ＧＨｚ频段的传输损耗要比２．４邋ＧＨｚ频逡逑段低至少５邋ｄＢ以上。此外，考虑到２．４ＧＨｚ频段现在已经被许多无线技术占用，例如，逡逑Ｗｉ－Ｆｉ，蓝牙，ＺｉｇＢｅｅ等，使用拥塞程度更小的Ｓｕｂ－ｌＧＨｚ频段更加利于数据可靠无误逡逑地传输。逡逑３逡逑

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