1. LPWAN技术现状
低功耗广域网(LPWAN)是一种无线通信技术,它具有覆盖范围广、小包传输、低速率、更长的电池寿命的特点。当前低功耗广域网技术的物理层实现主要是两种方式,一种是窄带方式,这种方式的接收带宽很窄,从而实现很远的传输距离。另外一种方式是扩频技术与更高的发射功率,从而实现更远的传输距离。
LoRa是一种物理层技术,它在Sub-1GHz ISM频段上调制信号,这种调制信号使用私有的扩频技术[1]。LoRa传输速率范围300bps到37.5kbps,由于基站强大的能力,LoRaWAN基站可以并行的从16个信道接收数据。LoRa支持多种扩频因子(在7-12之间),负责均衡传输距离与速率之间的关系。高的扩频因子能够传输更长的距离,然而以低速率、传输时间更长作为代价,反之亦然。LoRa的物理层将前向纠错技术(FEC)与扩频技术相结合,从而增加传输距离。LoRa的部署和商业化由Semtech公司负责[3],目前LoRa网络已经在世界多地进行试点和部署。
LoRa联盟提供LoRa网络规范-LoRaWAN,LoRaWAN[4]是一种开放的协议,用来管理网关和终端设备之间的通信。LoRaWAN有3种设备类型:具有下行链路后上行链路(Class A)的双向通信终端设备,具有划定接收时隙的双向通信终端设备(Class B)和始终开启的双向通信终端设备(Class C)。Class A类设备使用纯粹的ALOHA协议,每次上行后带有两个接收窗口,根据LoRaWAN,默认RX1是在上行后1秒开始,RX2是上行后2秒开始。Class A设备的应用程序决定是否切换到Class B,设备应用请求LoRaWAN协议MAC层切换到Class B,协议栈开始搜索网关发送的Beacon(信标帧),如果搜索成功就切换到Class B模式。在Class B中,为了满足下行,终端设备除了要周期性开启时槽接收同步帧,也要周期性开启ping时槽,如果检测到前导码(GFSK调制方式5字节,LoRa调制方式8个符号[5])射频将一直保持开启直到下行链路帧被解析。
SigFox采用超窄带物理层通信技术,调制方式为BPSK,运行在免费频段上,如美国915MHz,欧洲868MHz[13]。SigFox每个子载波为100Hz,每天只能够传输140个12个字节的上行消息和4个8字节的下行消息。由于子载波带宽很窄,SigFox在868MHz(868.180-868.220MHz)频段上可以使用400个信道[6]。SigFox网络链路是不对称的,不支持加密。与LoRaWAN的基站类似,SigFox基站能够同时接收多个信道的消息。SigFox不仅物理层通信技术私有,网络协议规范也是私有的,SigFox网络的部署由SigFox公司负责。据我们所知,关于SigFox在真实场景中的网络功能和性能指标的文献少,因此我们无法对SigFox的物理层关键技术以及网络协议栈展开更加细致的讨论。
窄带物联网(NB-IOT)采用收费的频段,数据上行和下行采用不同的频段,具体使用700、800、900MHz的频段。联通的上行频段909~915MHz,下行954~960MHz。移动上行890~900MHz,下行934~944MHz。电信825~840MHz,下行870~885MHz。NB-IOT的物理层带宽是200kHz,发射功率达到20+dbm[10]。NB-IoT下行最大的速率在2-170kbps,上行速率在6-250kbps,因此NB-IoT是一种可变速率技术。
当前华为推出的NB-IOT正在部署当中,有关真实场景中的评估的文献较少。一篇来自中国电信股份有限公司广州研究院的文章对NB-IOT的特性进行了介绍和分析,包括覆盖能力、低复杂度、低功耗、低时延、移动性等。同时也介绍了3GPP相关标准的过程、最新状态[11]。另外一篇文献则对NB-IOT的关键技术进行了介绍,现阶段的NB-IOT主要支持FDD传输模式;主要支持下行OFDMA的接入;NB-IOT下行支持两种MIMO模式,即单天线端口传输以及双天线端口发射分集;NB-IOT的上行和下行的重传次数分别最大可达128次,2048次;采用符号扩频技术提高增益[12]。
NB-IOT设计了扩展的不连续接收模式(eDRX[7,8]),用来满足下行时延有要求的业务。eDRX有两种模式:空闲模式和连接模式。当我们不需要UE那么频繁的到达,连接模式节省能耗。空闲模式下DRX的周期最长可以扩展到43.69分钟,而连接模式不会超过10.24秒。空闲模式的一个页传输窗口(PTW)用于下行数据传输,我们发现这种下行的工作方式需要精确的时间同步。目前有一些研究工作对NB-IOT的网络下行时间同步精度给出了评估。NB-IOT评估工作[9]表明NB-IOT时间同步的平均偏差在36.22ms到581.78ms之间。
总的看来,LPWAN主流的网络架构是星型网络架构,传输距离受发送功率和速率的影响。LPWAN的物理层技术为窄带技术或者扩频技术,功耗主要受到上行传输数据量和节点的发射功率限制。根据以上LPWAN技术的总结,LPWAN的基站(可以频分多路复用)强大,节点可以采用不同的信道与基站进行连接,从而实现大规模的网络容量。现有的LPWAN网络架构另外的一个特点是基站的通信能力很强,节点的通信能力较弱。与SigFox传输距离相比,LoRa网络传输距离近,通常只有5Km(SigFox是20Km),然而LoRa的传输速率更高。SigFox虽然提供更远的距离,然而传输的速率只有100bps,端到端的时延开销大。NB-IOT采用收费的频段和依赖运行商基站,虽然能够保证时延和收包率,然而网络的成本较高。LoRa是单独的射频芯片,要实现LoRa的组网,需要自行选择MCU、设计相关的电路以及低功耗的优化。
2. 6LoWPAN网络现状
6LoWPAN(IPv6 over Low-power wireless Personal Area Networks)是一组基于IPv6的低速无线个域网标准,它保留了所有以太网的核心标准和架构,使得现有的IPv6能够同样运行在低速率、低功耗的无线传感器网络中。由于6LoWPAN基于IP架构能够直接与现有IP架构网络进行连接,并且其安全性和可靠性已经得到验证[14,15]。从2005年6LoWPAN工作组成立,经过近十多年的发展得到了很多硬件厂家的支持,目前基于6LoWPAN的软件支持也已经非常成熟,典型的Contiki和TinyOS开源操作系统均实现了6LoWPAN协议栈。
6LoWPAN网络是一个能耗低的多跳网络,它通常采用广播下行机制。6LoWPAN网络协议栈在Contiki社区中默认使用异步低功耗的ContikiMAC。ContikiMAC是一种RDC协议,与上层的CSMA/CA构成了6LoWPAN网络协议栈中完整的MAC层协议。文献[16,17]显示了不同应用下ContikiMAC的duty cycle可以维持在1%-5%之间。
据我们所知,在真实的场景中部署大规模的6LoWPAN网络论文较少,研究[18]在真实环境中,使用了94个节点部署了平均跳数为3的多跳网络,实现了99%的收包率。研究[19]在真实环境中,使用了340个节点部署了平均跳数为5.2的多跳网络,实现了0.3%的duty cycle。在这样的大规模下,文献[19]并未说明网络的可靠性。文献[20]给出了2-14跳的6LoWPAN网络,其中2-5跳采用真实的节点,6-14跳采用仿真的方式,该文献并未说明网络的可靠性。据我们所知,仿真的方式容易受到仿真工具和仿真模型(模型不能很好的刻画真实情况)的影响,仿真的结果我们认为可信度相对低些。在真实环境中大规模网络部署6LoWAPN参考文献不多,其中[18,19]是该行业认可的结果,但是网络规模仍然低于400,平均跳数仍然不超过6跳。
本实验室其他成员在6LoWPAN上进行路由协议的设计与优化、功耗的优化等,实现了一套自组织低功耗多跳网络传输系统。然而该系统在实际的部署中,要满足抄表应用10年寿命25uA的平均电流(duty cycle在0.4%以内),网络规模目前设置在250以内才比较理想。同样的,该系统部署成14跳近似线性的网络,真实实验表明第14跳节点的可靠性不足35%。
根据以上的6LoWPAN 研究现状,6LoWPAN网络性能(可靠性,功耗)受到网络规模和跳数的限制。这样的结果无法满足大规模的网络部署(几千个节点,高达十几跳甚至几十跳的场景)。相比较而言,现有的LPWAN技术具有明显的传输距离优势,因此更加适合大规模、广覆盖的应用需求。
3. 其他长距离网络技术现状
文献[21]给出了SigFox、LoRa的覆盖范围、通信速率的参考值。然而在城市环境中部署,是非常有挑战的一件事情。LoRa的通信距离从10Km(乡村环境中)降低到1-2Km(大都市环境)[22],也有一部分的研究表明LoRa可靠性有待提升[23]。基于现有的LPWAN技术面临的覆盖范围和网络密度的挑战,已经有一些研究正在通过物理层技术来提高LPWAN网络性能。
SNOW1.0 [24]为解决大规模、长距离的连接,在软件无线电(USRP)设备上设计了一种可扩展的传感器网络。SNOW1.0利用的是TV空白空间,并将该空间划分成多个窄带正交子载波,这样使得单天线的基站能够同时并行的从节点接受数据。SNOW1.0通过分布式的OFDM实现了基站并行接收。SNOW1.0的MAC层通过基站负责节点子载波的分配。
SNOW2.0 [25]虽然是SNOW1.0的改进版本,但是提出了几种重要的设计思路。在双向通信的过程中,针对SNOW1.0基站不能够并行的回复数据包问题,SNOW2.0给出了由两块射频(发送射频和接收射频)组成基站的设计。在SNOW1.0中,如果当节点的数量大于子载波的数量,那么节点就不能完全的异步传输,因为同一信道的通信会出现冲突。SNOW2.0结合CSMA/CA和位置感知频谱分配方式来尽量消除隐藏终端的影响。同时SNOW2.0讨论了更加稳健的调制方式的选择。
Choir(一种网络系统的名字)[26]则考虑当网络部署节点更多,通信更加密集的情况下,现有的LPWAN技术会出现发送冲突。Choir于是提出通过软件无线电设计能够支持商用LoRa节点的基站,使得该基站能够实现网络吞吐量6.84×(与现有的LoRaWAN网络对比),同时实现了通信距离2.65×(与现有的LoRaWAN网络对比)。Choir在基站上分离冲突(利用LPWAN 低成本硬件的射频缺陷),具体来说就是LoRa的硬件传输信号会在时间、频率和相位上产生偏移。Choir提出一些算法使用这些偏移来分离和解码有冲突的用户数据。
虽然采用软件无线电能够提高传输距离和网络容量,然而与以上采用软件无线电研究不同的是,本课题采用低成本商用的节点作为基站的射频部分。这样的好处是,基站的成本更低、适用性更广(基站装有Linux系统,可以方便的使用该系统带来的各种服务)。
参考文献