【学生研究课题】关于《低功耗长距离网络》课题相关技术的国内外研究现状

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。

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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

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