1物聯網導論IntroductiontoInternetofThings新興通信技術#3BABA6#2C71B62承前啟后前一章介紹了物聯網中移動通信技術與短距離接入技術，以及這些技術的重要作用。本章我們主要關注低功耗廣域網、毫米波通信、聲音通信、可見光通信以及跨協議通信等新興通信技術的方法和特點。3本章內容6.1低功耗廣域網6.2毫米波通信6.3聲音通信6.4可見光通信6.5跨協議通信4低功耗廣域網的發展物聯網發展提出不同類型的應用需求能耗需求精準農業智慧水表植被監測距離需求牧場管理動物保護智能物流帶寬需求城市監控礦藏開采建筑互聯催生出多樣化通信協議5低功耗廣域網的發展傳統網絡技術或不支持遠距離通信、或消耗終端大量能量，為滿足物聯網連接需求，一批遠距離、低功耗、低帶寬的協議大量涌現。對于這類遠距離、低功耗、低帶寬的協議，我們統一稱之為低功耗廣域網（LowPowerWideAreaNetwork）技術。遠距離鄉村區域最遠可達10公里低速率Kb/s數量級低成本<$5低功耗電池壽命超過10年技術特點6低功耗廣域網不同的網絡技術分別對應不同的應用場景與需求電商體量增速迅猛Wi-Fi注重網絡帶寬，通信距離近，能耗高，更適合家庭上網環境以及多媒體娛樂環境電商體量增速迅猛藍牙帶寬和能耗都介于WiFi與ZigBee之間電商體量增速迅猛3G為代表的蜂窩技術網絡帶寬大、距離遠、能耗高電商體量增速迅猛網絡寬較小，通信距離近，但協議靈活、能耗低ZigBee低功耗廣域網數據速率：帶寬較小，適合數據速率要求低的應用傳輸距離：傳輸距離較遠，適合數據分布在各家各戶的應用通信能耗：一般部署規模大且采用電池供電，為了保證長期工作且避免頻繁更換電池，設備的通信能耗應盡可能低。低功耗廣域網特征低功耗廣域網典型應用植被監測智能水表環境治理7低功耗廣域網私有化組網技術：以LoRa

為代表高靈敏物理層調制技術低占空比通信模式工作在免費頻段ISM允許用戶通過自行部署網關構建私有化網絡系統低功耗廣域網技術分類8基于蜂窩的組網技術：以NB-IoT為代表由電信運營商和設備商主導基于既有的3G、4G長距離通信系統簡化協議架構、降低占空比，壓縮終端能耗私有化組網技術低功耗廣域網(LPWAN)基于蜂窩的組網技術LoRaSigfoxWiFiHalowNB-IoTLTE-CATLoRa協議92013年Semtech公司發布了SX127x系列芯片，LoRa協議自此登上了無線通信的歷史舞臺2016年，荷蘭電信運營公司KPN宣布，荷蘭已經成為世界上第一個推出全國性LoRa物聯網應用網絡的國家包括中興在內的多家相關企業加入LoRa聯盟，進一步推動LoRa協議、芯片和應用平臺的發展LoRa為什么能遠距離10使用線性擴頻CSS，頻率充滿整個帶寬抗干擾極強，對多徑和多普勒效應的抵抗也更強接收靈敏度高達-148dBm以偏小的數據速率（0.3-50kbps）換取更高的通訊距離（市內3km，郊區15km）Chirp時域波形Chirp頻域波形LoRa為什么能遠距離11在頻域循環頻移chirp進行數據的編碼，不同的起始頻率代表不同的數據如圖，在帶寬B內四等分標定四個起始頻率，我們可以得到4種類型的符號，分別表示00，01，10，11LoRa物理層信號調制策略在接收端，只需要將這個起始頻率計算出來，就可以計算出每一個chirp對應的比特數據LoRa為什么能遠距離12LoRa規定了一個擴頻因子SF，其定義為：給定帶寬B，SF越大chirp長度T越長，通訊距越遠。一般來說每一個chirp可能的起始頻率數目是2^????LoRa物理層信號調制策略

LoRa物理層信號調制13前導碼（Preamble）：前導碼包含6~65535個標準upchirp和兩個標識網絡號的其他chirp符號SFD（StartFrameDelimiter）：2.25個標準downchirp，作為SFD標識數據段的開始數據部分（Data）：數據段包含著若干編碼了數據的datachirpLoRa數據包結構LoRa協議的三種工作模式14節點只能在有數據上傳時下載數據?？梢詼p少大量能量開銷ClassA:雙向終端設備模式節點可以在固定的時隙內下載數據ClassB:有接收時隙的雙向終端設備模式節點有幾乎連續的接收時隙ClassC:最大化接收時隙的終端設備模式思考：三種工作模式各自優缺點是什么？LoRa與ZigBee對比15協議ZigBeeLoRa芯片CC2420（TI）SX127x（SemTech）發射功率0dBm（1mW）20dBm（100mW）傳輸距離100～300m最高3km調制方式DSSSCSS帶寬250kbps0.3～22kbps單個包長128字節256字節MAC協議無特定MAC協議，可實現ZigBee不同模式LoRaWAN三種不同模式接收敏感度+3dB高于噪聲平面19.5dB低于噪聲平面NB-IoT協議16NB-IoT支持蜂窩連接覆蓋能力提升了20～30dB支持每平方千米10萬臺設備連接終端電池壽命長達5～10年芯片成本低至1美元NB-IoT相比GSMNB-IoT極大地延伸了蜂窩網絡的應用邊界，適應了物聯網時代的連接需求NB-IoT協議17最初以沃達豐和華為提出的NBM2M為基礎。在高通加入后，發展為NB-CIOT。隨后，NB-CIOT與愛立信的NBLTE合并，最終形成了NB-IoT技術融合：繼承融合多項技術與標準——NBM2M、NBOFDMA、NBCIoT、NBLTE關鍵時間節點：2016年凍結核心協議標準（3GPPR13），第一批芯片同年年底投入商用資本助推：設備商、運營商和芯片廠商大力推動，加速部署，后來居上NB-IoT部署模式18基于LTE基站，通過協議棧升級使其支持與NB-IoT節點互相傳輸帶內部署：在LTE頻段內，使用空閑的LTE資源塊保護帶部署：LTE頻段邊緣設置有保護頻段，在該保護頻段內分配NB-IoT資源塊獨立部署：在LTE暫未使用的注冊頻段中為NB-IoT分配資源塊與LTE設備使用頻段部分重合——三種部署模式：NB-IoT工作模式19沿用傳統LTE休眠模式當用戶無數據傳輸或活動定時器超時，終端從CONNECT（連接態）切換到IDLE（空閑態）終端在IDLE態時，射頻模塊不完全關閉，仍與MME保持連接進行移動支持NB-IoT新增PSM（powersavingmode）模式節點關閉所有射頻模塊，PSM模式下核心網無法與節點建立通信連接PSM期間，來自核心網的下行消息緩存在eNodeB，直至節點主動從PSM切換到IDLE然后到連接態PSM模式最長可持續310小時NB-IoT工作模式20DRX（LTE中使用）非持續接收：IDLE模式下使用，需要終端周期性地與核心網連接進行網絡激活UE在預先調度好的時間片中接收指令或數據：需要終端與核心網精準同步eDRX（NB-IoT中使用）IDLE模式下使用，在DRX基礎上，延長節點兩次接收窗口的間隔最長窗口間隔從2.56s(DRX)延長到2.92h(eDRX)NB-IoT協議優缺點21NB-IoT和LoRa的技術指標區別不大NB-IoT技術能夠與現有的移動通信基站相結合，易部署于現有的無線基站上NB-IoT目前得到了一級運營商（如沃達豐）以及設備制造商（如華為）的支持。這對于NB-IoT技術的推廣和應用將起到至關重要的作用目前市場上仍未有公開商用的NB-IoT芯片，其具體性能和在應用中可能存在的問題尚不可知NB-IoT的應用22華為聯合產業合作伙伴Firefly，為其提供NB-IOT技術支持，打造一款智能拉桿箱。該拉桿箱將具備智能追蹤，超距告警，電子鎖控制，電池監控等基于NB-IOT技術的應用NB-IoT的應用23華為將聯合自行車領域的合作伙伴，推出基于NB-IOT技術的智能自行車。該自行將具備位置定位的防盜功能，以及其他的信息上報和跟蹤功能24本章內容6.1低功耗廣域網6.2毫米波通信6.3聲音通信6.4可見光通信6.5跨協議通信25毫米波通信的興起什么是毫米波？毫米波指的是頻率在30～300GHz頻段內的無線信號（相應的波長為1～10mm）。

無線接入技術的蓬勃發展造成了2.4GHz和5GHz頻段的擁擠，為了緩解頻譜資源的緊張，人們的目光開始轉向更高頻率的頻段，其中最具代表性的就是毫米波頻段。此外，半導體工業的發展推動毫米波頻段，尤其是60GHz頻段的射頻收發器的成本大大降低，使大規模應用毫米波頻段成為可能。26毫米波通信的優點豐富的頻譜資源中國將59～64GHz劃分為ISM頻段，美國、日本分別將57～64GHz、59.4～62.9GHz劃分為ISM頻段，而歐洲更是劃分了高達9GHz（57～66GHz）的ISM頻段。目前主要使用的802.11n技術，其有效帶寬約為660MHz，遠遠少于60GHz毫米波無線通信技術。高傳輸速率IEEE802.11ad技術可以支持高達8Gbps數據傳輸速率。波長短60GHz信號的波長為毫米級別，其元器件的尺寸很小，便于集成化，同時易于實現波束成型。27毫米波通信的優點高方向性60GHz通信采用波束成形（Beamforming）技術，將99.9%的波束集中在4.7度范圍內同時傳輸的信號在空間中重疊度小，不易產生干擾安全性毫米波在傳播過程中的能量衰減遠高于低頻信號，在短距離通信的安全性能和抗干擾性能上存在優勢可將信號限制在有限區域內，物理隔離信號傳播、保障安全性28挑戰：波束成形與波束對齊為了抵御毫米波信號傳播過程中的強度衰減及信號干擾，毫米波通信使用波束成形（Beamforming）技術將信號的能量聚集到一個比較窄的方向上，形成一個非常窄且能量非常集中的波束。由于該技術形成的波束很窄，因此發射器和接收器之間要進行波束對齊（Beam

Alignment）之后才能進行通信。波束對齊示意圖29挑戰：波束成形與波束對齊當前用于波束對齊的方案需要發射器和接收器掃描整個空間，直至兩者找到最佳對齊角度，整個過程會造成極大的時間開銷。通過移相器來創建多重波束，可以同時對空間中的多個方向進行檢測。Agile-Link提出了一種快速波束對齊的方法使用了隨機多次檢測，令其檢測方向能夠覆蓋到整個空間，最后通過多數投票的方法選出信號最強的方向。多重波束與隨機化檢測30挑戰：空分多址技術空分多址是指通過利用毫米波通信的高度定向性，通過使用不同的空間波束能夠對來自不同方向的用戶進行隔離，從而實現在空間域中對不同用戶進行多路復用空分多址示意圖31挑戰：空分多址技術挑戰：當用戶數量大于基站的射頻鏈路數量時，如何為多個用戶提供服務解決思路：對處于同一個波束覆蓋的一小片區域內的用戶，使用非正交多址技術來提供服務非正交多址在發射端不會對頻譜資源進行分割，每個用戶可以占用所有的時頻資源，提高資源利用效率在接收端，通過使用串行干擾消除等技術來實現對每個用戶所需信息的解碼32挑戰：大規模MIMO由于天線尺寸較小，毫米波通信基站可以支持上百個天線的天線陣列，能夠實現大規模輸入輸出（MassiveMIMO）技術，同時向更多用戶發送數據，極大提高通信速率挑戰：獲取準確的信道狀態信息CSI解決思路：利用深度學習來對大規模MIMO系統進行信道估計，將要估計的多天線信道矩陣看作二維圖像，并使用圖像處理中用于圖像恢復的去噪卷積神經網絡來對信道參數進行學習和估計天線陣列射頻鏈基帶輸入33毫米波通信研究方向毫米波天線設計更高增益，更低成本的天線。預編碼技術對發送的信號進行預先編碼，使其在MIMO通信中與多用戶更好地匹配。標準化與大規模部署為毫米波通信制定更完善的標準以及進行實際場景中的大規模部署。毫米波感知使用毫米波通信設備來實現物體的感知、成像、定位、追蹤等功能。后續章節將向讀者介紹毫米波感知技術的最新研究進展，進一步展示毫米波技術在物聯網應用中的特點和優勢。34本章內容6.1低功耗廣域網6.2毫米波通信6.3聲音通信6.4可見光通信6.5跨協議通信聲音通信起源1877留聲機和錄音機誕生于世1914無線電臺成功通信如今物聯網中無數設備用揚聲器和麥克風進行通信36編碼方式脈沖間隔編碼PIM使用相鄰脈沖之間的間隔長度來編碼信息的方式

設置不同的間隔長度代表不同的數據。如長度為T的間隔代表“1”，長度為T/2的間隔代表“0”間隔分得越細，編碼能力越強。但解碼難度越高37編碼方式幅移鍵控編碼ASK使用不同強度的信號代表不同的數據

開關鍵控使用振幅為0和振幅為1的信號分別代表“0”和“1”38編碼方式頻移鍵控編碼FSK利用不同的信號頻率代表不同的數據

如下圖用兩種不同的頻率分別代表“0”和“1”39編碼方式基于掃頻信號的聲音通信用4種不同走勢的掃頻信號代表00，01，10，11通過互相關的方式來判斷收到的是哪一種掃頻信號非線性效應40BackDoor多數聲音通信使用18~24kHz的超聲信號。這些頻段雖然對成年人影響不大，但對嬰兒和寵物有較大干擾。為減少干擾，BackDoor利用麥克風放大器的非線性效應實現了用40~50kHz超聲信號向普通的麥克風傳輸信息，即：式中，??_????為接收信號和??_??????為記錄下來的信號麥克風放大器非線性效應41BackDoor當輸入信號是兩個單一頻率的信號時，即：輸出信號的二次項則滿足下面的公式，即：用低通濾波器濾掉高頻信號后，得到頻率為??_1???_2的信號42本章內容6.1低功耗廣域網6.2毫米波通信6.3聲音通信6.4可見光通信6.5跨協議通信43可見光通信什么是可見光通信？可見光通信VLC指的是利用可見光頻段（波長為400~700nm）來編碼通信內容的光學無線通信系統。常見形式用LED光源或者顯示屏等發光設備作為信號的發送端。用光電二極管或相機等光信號接收設備作為信號接收端?？赏ㄟ^開關鍵控來編碼信息，即發光設備的“亮”和“暗”各代表一種數據狀態。44顯示屏-相機通信原理人眼的低頻特性無法捕捉顯示屏上以高頻率閃爍的信號顯示屏以120Hz以上的刷新率持續輸出不同亮度的可見光，作為可見光通信的發送端45顯示屏-相機通信原理假設顯示屏上互補像素對（相鄰兩幀同一位置的像素點）的平均亮度為V顯示屏將互補像素對的亮度設置為（V+V，V-V）或（V-V，V+V）兩種不同的方式來編碼“1”或“0”，從而達到發送數據的目的畫面的平均亮度沒變，人眼只能感知到平均亮度。但相機較高的捕捉頻率可以解碼信息46顯示屏-相機通信最新進展ChromaCode：提出在均勻顏色空間對亮度進行改變，大大提升了用戶觀感體驗。將有效數據傳輸率提升到120Kb/s，可以支持圖片等傳輸形式AirCode：利用視覺里程計技術準確定位并追蹤顯示屏邊框，降低誤碼率，將有效數據傳輸率提升到1Mb/s以上，使“視頻中傳視頻”的場景成為可能三大目標無差觀感可靠傳輸高數據速率47LED可見光通信LED利用LED燈快速的明暗變化來傳輸數據，在接收端使用光電二極管感知光強的變化。

由于相機的卷簾快門機制，照片中獲得的是亮暗條紋相間分布的光源圖像。條紋代表不同時刻的明暗信息。寬度代表狀態持續時間。接收端可以此解碼。48本章內容6.1低功耗廣域網6.2毫米波通信6.3聲音通信6.4可見光通信6.5跨協議通信49無線共存無線共存問題無線信道在共享頻段上普遍重疊，導致信道競爭和信號沖突不同的無線技術之間主動進行數據傳輸和融合協調是解決共存問題的突破口50跨協議通信什么是跨協議通信兩個采用不同通信協議的無線設備（如WiFi和ZigBee）之間實現直接的數據傳輸和信息交換應用在家居、工業、醫療等方面，實現更好的網絡控制、干擾管理、交互操作和異構融合51技術挑戰異質網元共存的“信息屏障”，不同無線技術的物理層采用不同的通信協議標準，這些標準是不兼容的互相不認識信息屏障異構網絡協同的“媒介缺失”，不同無線技術的的編碼調制方式不同，相應的解調解碼方式也不同說話聽不懂媒介缺失共享信道資源的“管理失衡”，不同無線技術的帶寬、速率、接收靈敏度、抗噪聲干擾、搶占信道的能力是不同的能力非對稱管理失衡KeyInnovationSignalEmulation@Wi-FiSenderModu