CN105553910A - 一种低功耗大连接物联网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低功耗大连接物联网系统，包括双模基站、窄带多载波调制体制终端、宽带自适应扩频体制终端和多址接入通信系统，所述双模基站用于实现窄带多载波调制体制和宽带自适应扩频体制之间的通联；所述窄带多载波调制体制终端采用窄带多载波调制体制演进长期演进体制，上行通过降低子载波数量的方式获取更高的灵敏度；所述宽带自适应扩频体制终端采用自适应宽带扩频调制获取超高灵敏度；所述多址接入通信系统采用混合MAC接入协议，实现百万级节点的接入。本发明能够实现低功耗、广覆盖、低成本、海量连接。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及一种低功耗大连接物联网系统。
背景技术
未来信息社会要构建千亿级海量连接世界，绝大多数消费产品、工业品、物流、基础设施等都需要与网络连接，通过新型网络支撑海量“物体”无线联网。信息技术的跨越式发展使得数据感知与传输迅速进入社会生活的各个方面。数据感知和传输将融合移动通信网和传感网的概念，通信主体从人扩展到物，感知节点的大规模布设使得“万物互联”成为可能。同时，海量传感设备、机器与机器(M2M)通信促使业务连接呈现爆炸式增长态势；车联网、自动控制等交互式业务要求时延低至毫秒量级；微纳技术的出现使得感知节点和智能终端向低功耗、微型化方向发展。可预见的需求包括：终端数量将增加10到100倍，大量基础设施监控设备电池使用寿命将达到10年等，需求集中在海量接入、高效连接、低成本、低功耗等方面，现有的物联网的无线传输手段主要以Wi-Fi、ZigBee、3G/4G等为主，在低成本、低功耗和规模布设上存在很多不足，比如单电池工作时间太短、模块成本过高、传输距离太近等，制约了物联网设备的应用场合。同时，未来5G需要在传输速率、时延、连接设备密度、功耗、扁平化IP结构等方面进行提升以突破大规模应用的通信瓶颈，满足未来物联网入网设备多样化的无线连接要求，并实现高效、便捷和安全的信息传输与共享。5G关键技术发展是物联网所倡导的“万物互联”的重要驱动，因此，如何以物联网的应用需求为导向，以万亿级感知节点的网络通联为基础，提出新型的体系架构，突破关键技术，构建一套面向5G的技术体系来支撑未来万亿物联网普适场景的应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低功耗大连接物联网系统，能够实现低功耗、广覆盖、低成本、海量连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种低功耗大连接物联网系统，包括双模基站、窄带多载波调制体制终端、宽带自适应扩频体制终端和多址接入通信系统，所述双模基站用于实现窄带多载波调制体制和宽带自适应扩频体制之间的通联；所述窄带多载波调制体制终端采用窄带多载波调制体制演进长期演进体制，上行通过降低子载波数量的方式获取更高的灵敏度；所述宽带自适应扩频体制终端采用自适应宽带扩频调制获取超高灵敏度；所述多址接入通信系统采用混合MAC接入协议，实现百万级节点的接入。
所述窄带多载波调制体制的下行采用窄带多载波调制方式，上行采用单载波频分多址技术，同时支持FDD和TDD双工方式。
所述窄带多载波调制体制的单个子载波间隔与长期演进技术相互兼容，子载波间隔为15K，单信道带宽为200K，其中，有效带宽为180K。
所述宽带自适应扩频体制采用超长扩频码的快速同步、跟踪捕获，克服频偏对本地伪码与接收信号相关运算生成相关峰值的影响，采用将分段匹配滤波-快速傅里叶变换的捕获方法，将多个扩频周期的信号从时间上分成P段，将接收信号进入每个PMF进行部分相关并进行FFT运算，利用FFT输出峰值进行伪码相位同步和频偏估计。
所述宽带自适应扩频体制支持多种长度的PN扩频码，各种长度PN扩频码之间具有正交性，同时每种长度的PN扩频码选用自相关性和互相关性均良好的多个平衡码，实现多用户的码分多址接入。
所述双模基站采用模块化设计，两种体制终端通信共用射频前段，并采用多天线设计；所述双模基站采用软件无线电技术，实现在线更新和配置。
所述混合MAC接入协议提出能量有效性超大容量跨层自优化多协议接入技术，支持混合通信体制，其中，不同基站利用空分多址接入，两种体制采用频分多址接入，而多个传感节点采用时分、码分及载波侦听多址接入。
所述混合MAC接入协议采用支持百万节点级轻量化高时效仿真系统架构，综合运用新型网络连接、混合接入、智能调度的技术手段，通过物理层、链路层及网络层的跨层优化策略，有效提高系统网络规模、能量效率、接入时效、鲁棒性能，实现百万级节点的接入。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明针对物联网应用场景多样、节点数量巨大、传输实时可靠、覆盖范围广阔及超低功耗工作等诸多特点，构建满足未来万亿规模物联网普适互联场景的整体系统架构，提出新型的窄带多载波调制NB-MCM(NarrowbandMulti-CarrierModulation)和宽带自适应扩频WB-ASS(WidebandAdaptiveSpreadSpectrum)相结合的调制方式及超大容量混合多址接入MAC方案，并提出在线编程的双模基站接入方案，搭建支持百万级仿真测试验证系统，开展多种物联网场景的示范应用，满足终端成本、功耗及网络连接能力指标需求。本发明可满足市内、郊区、野外等多种物联网场景的规模应用需求，有利于物联网大规模商用及产业化。
本发明提出的新型窄带多载波调制NB-MCM，技术体制上演进LTE技术，可实现技术及设施的平滑升级，减少基建投入，并上行通过降低子载波数目获取更高灵敏度，更适合大容量、低功耗、高可靠场景的物联网应用，如智能家居、智能电网、环境监测等；而WB-ASS采用自适应宽带扩频调制，通过超长扩频因子获取超高接收灵敏度，可实现更远距传输、更大范围覆盖及更低功耗工作，跟适合野外、地下等极端场景的应用，如边海防监控、地下管线监测、野外管线路工程监测等，两种体制相互补充，共同满足未来物联网应用场景多样、传输实时可靠、覆盖范围广阔及超低功耗工作等需求。两种体制频分工作，通过双模基站接入和调度，共用射频前端，基站的基带功能通过软件无线电技术实现，可在线配置，以此实现资源共享利用。同时，采用空分、频分、时分、码分及载波侦听等多协议混合组网方案，显著提升系统接入能力，以此实现超大规模物联网应用。
附图说明
图1是本发明的低功耗大连接数模物联网通联示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种低功耗大连接物联网系统，如图1所示，包括双模基站、窄带多载波调制体制终端、宽带自适应扩频体制终端和多址接入通信系统，所述双模基站用于实现窄带多载波调制体制和宽带自适应扩频体制之间的通联；所述窄带多载波调制体制终端采用窄带多载波调制体制演进长期演进体制，上行通过降低子载波数量的方式获取更高的灵敏度；所述宽带自适应扩频体制终端采用自适应宽带扩频调制获取超高灵敏度；所述多址接入通信系统采用混合MAC接入协议，实现百万级节点的接入。
本发明的系统采用窄带多载波调制NB-MCM和宽带自适应扩频两种通信体制WB-ASS，其中NB-MCM演进LTE体制，上行通过降低子载波数量获取更高灵敏度，以便实现大容量、低功耗、高可靠；WB-ASS采用自适应宽带扩频调制获取超高灵敏度，适应于长期静默、突发上报、超远覆盖、超低功耗的应用；双模基站采用软件无线电设计，可在线编程实现两种通信体制通联；系统采用混合MAC接入协议，实现百万级节点的接入，满足多种物联网场景应用需求。
NB-MCM体制终端下行采用新型的窄带多载波调制方式，上行采用单载波频分多址技术，同时支持FDD和TDD双工方式，突破新型多载波包括带外抑制多载波技术BRMC(out-of-bandRejectionMulti-Carrier)、非正交共享接入技术NOSA(Non-OrthogonalSharingAccess)等研究瓶颈，以便实现更高的传输效能和能量效率。
NB-MCM在技术体制上，相比现行LTE技术(采用正交频分多址OFDM，采用子载波间隔15KHz，信道带宽1.4MHz，子载波数72)，单个子载波间隔与现行的LTE技术兼容，子载波间隔也采用15K，但是为了实现更高的接收灵敏度，单信道带宽一般为200K,有效带宽为180K，即子载波数为12个，终端的接收灵敏度可提高约8.5dB，以此适应物联网感知终端的高灵敏度、大范围、低功耗、短数据应用需求。
带外抑制多载波BRMC：针对OFDM带外衰落缓慢产生频谱泄漏的缺点，研究多载波带外抑制技术，减小旁瓣，减弱载波偏移时系统的恶化及载波对带外的干扰。不同于OFDM，在频域上任何子载波都和临近的子载波产生重叠，反映在时域是每个符号都与其邻近的K个符号混叠(K是混叠因子)，不再需要循环前缀，利用一组不交叠的带限子载波实现多载波传输。
新型带外抑制多载波BRMC相比传统的OFDM，BRMC子载波成形波形比OFDM平缓，带外能量泄漏少，频谱利用率高；而且BRMC通过滤波器分离各个子载波，不需要循环前缀CP，同步要求低，接入性能更好；并通过成形滤波器组，可匹配不同的时频双弥散信道。同时，相比传统的OFDM，NOSA是一种基于复数域多元码的上行非正交多址接入技术,更适合免调度、高过载，非正交共享接入，系统上行过载能力可以显著提高。
WB-ASS体制终端采用自适应宽带扩频调制，通过超长扩频码获取超高接收灵敏度，实现物联网感知节点超远距传输，超大范围覆盖，超长工作时间，形成完整的技术方案与仿真评估，通过仿真实现并研发试验样机，满足野外等极端场景下应用。
WB-ASS体制针对超长扩频码的快速同步、跟踪捕获，克服频偏对本地伪码与接收信号相关运算生成相关峰值的影响，采用将分段匹配滤波-快速傅里叶变换的捕获方法，将多个扩频周期的信号从时间上分成P段，将接收信号进入每个PMF进行部分相关并进行FFT运算，利用FFT输出峰值进行伪码相位同步和频偏估计，具有灵敏度高、抗频偏等优点。
WB-ASS体制设计支持多种长度的PN扩频码，码长包括128、256、512、1024、2048等，各种长度PN码之间具有正交性，同时每种长度的PN码可选自相关性和互相关性均良好的多个平衡码，实现多用户码分多址接入，扩大系统的用户规模。
提出宽带扩频和NOSA相结合的扩频码分多址调制技术NOSS-MA(Non-OrthogonalSpreadSpectrumMultiAccess)，相比传统的正交码分多址技术有远近效应的现象，利用NOSA非正交多址接入技术分层迭代处理技术，可有效避免远近效应、降低感知节点的复杂度，同时可有效提高节点的上行过载能力。
双模基站采用模块化设计，两种体制终端通信共用射频前段，减少基建投入，并采用多天线设计，实现基站的高增益；同时，双模基带采用软件无线电技术，可实现在线更新和配置，此举可充分利用现有蜂窝基站的基础设施，以便灵活部署，便于大规模商用。
创新提出能量有效性超大容量跨层自优化多协议组网技术，综合考虑节点能量、网络寿命、处理能力、连接数量等因素的组网协议，利用系统级能量有效性网络协议规划网络设备状态，构建合理网络架构；研究采用频分、时分、码分、载波侦听混合MAC协议等多种方式实现混合组网，不同基站利用空分，两种体制采用频分，而多个传感节点采用时分、码分及载波侦听等多址接入。
研制高性能终端设备，搭建验证平台，研制超低功耗、高灵敏度终端设备，实现设备级、系统级功能及性能测试，采用支持百万节点级轻量化高效仿真系统架构技术，综合运用新型网络连接、混合接入、智能调度等技术手段，通过物理层、链路层及网络层等跨层优化策略，有效提高系统网络规模、能量效率、接入时效、鲁棒性能，实现百万级节点的接入。
针对智能家居、智能电网、环境监测等物联网应用，由于监测数据量较大，且一般布设在室内、或空旷区域，通信条件相对较好，但对于通信实时性及安全性有着更高要求，可选用NB-MCM；而对于边海防监控、地下管线监测、野外管线路工程监测以及窨井盖监测等通信条件更为恶劣，边海防和野外管线路监测一般地貌复杂、范围广阔，需要更远距的传输覆盖，而对于地线管线及窨井盖监测，遮挡严重，需要更好的绕射、衍射及高灵敏度性能，这样WB-ASS技术更为合适。两种体制可以蜂窝形式(SDMA)在区域上交叉共存，在频域上分开(FDMA)，可由共同双模基站实现共享接入，两种体制多用户接入可采用先按时隙分配，每个时隙再由多个用户共享的载波侦听多址接入(TD-CSMA)。同时，为了实现更好的上行过载能力，可采用宽带扩频和非正交共享接入相结合的扩频码分多址调制技术NOSS-MA，相比传统的正交码分多址技术有远近效应的现象，可有效避免远近效应、降低感知节点的复杂度。具体应用请参阅图1。
Claims (8)
1.一种低功耗大连接物联网系统，包括双模基站、窄带多载波调制体制终端、宽带自适应扩频体制终端和多址接入通信系统，其特征在于，所述双模基站用于实现窄带多载波调制体制和宽带自适应扩频体制之间的通联；所述窄带多载波调制体制终端采用窄带多载波调制体制演进长期演进体制，上行通过降低子载波数量的方式获取更高的灵敏度；所述宽带自适应扩频体制终端采用自适应宽带扩频调制获取超高灵敏度；所述多址接入通信系统采用混合MAC接入协议，实现百万级节点的接入。
2.根据权利要求1所述的低功耗大连接物联网系统，其特征在于，所述窄带多载波调制体制的下行采用窄带多载波调制方式，上行采用单载波频分多址技术，同时支持FDD和TDD双工方式。
3.根据权利要求1所述的低功耗大连接物联网系统，其特征在于，所述窄带多载波调制体制的单个子载波间隔与长期演进技术相互兼容，子载波间隔为15K，单信道带宽为200K，其中，有效带宽为180K。
4.根据权利要求1所述的低功耗大连接物联网系统，其特征在于，所述宽带自适应扩频体制采用超长扩频码的快速同步、跟踪捕获，克服频偏对本地伪码与接收信号相关运算生成相关峰值的影响，采用将分段匹配滤波-快速傅里叶变换的捕获方法，将多个扩频周期的信号从时间上分成P段，将接收信号进入每个PMF进行部分相关并进行FFT运算，利用FFT输出峰值进行伪码相位同步和频偏估计。
5.根据权利要求1所述的低功耗大连接物联网系统，其特征在于，所述宽带自适应扩频体制支持多种长度的PN扩频码，各种长度PN扩频码之间具有正交性，同时每种长度的PN扩频码选用自相关性和互相关性均良好的多个平衡码，实现多用户的码分多址接入。
6.根据权利要求1所述的低功耗大连接物联网系统，其特征在于，所述双模基站采用模块化设计，两种体制终端通信共用射频前段，并采用多天线设计；所述双模基站采用软件无线电技术，实现在线更新和配置。
7.根据权利要求1所述的低功耗大连接物联网系统，其特征在于，所述混合MAC接入协议提出能量有效性超大容量跨层自优化多协议接入技术，支持混合通信体制，其中，不同基站利用空分多址接入，两种体制采用频分多址接入，而多个传感节点采用时分、码分及载波侦听多址接入。
8.根据权利要求1所述的低功耗大连接物联网系统，其特征在于，所述混合MAC接入协议采用支持百万节点级轻量化高时效仿真系统架构，综合运用新型网络连接、混合接入、智能调度的技术手段，通过物理层、链路层及网络层的跨层优化策略，有效提高系统网络规模、能量效率、接入时效、鲁棒性能，实现百万级节点的接入。
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