【摘要】：隨著科技的進步,物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)在近十年來獲得了飛速的發(fā)展。其中,大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)(Massive IoT)作為IoT重要的一部分涉及遠程抄表、智能城市、遠程傳感等應用,已經(jīng)越來越普及且仍在不斷發(fā)展中。作為實現(xiàn)大規(guī)模IoT的重要基礎,如何將數(shù)量不斷增長的IoT設備與核心網(wǎng)相連成為了目前一大挑戰(zhàn)。蜂窩通信技術使用授權頻段,且為中心控制結(jié)構(gòu),在干擾、頻譜效率及服務質(zhì)量(Quality of Service,QoS)等方面具有優(yōu)勢,成為了大規(guī)模IoT的候選無線接入技術之一。但是蜂窩網(wǎng)絡主要用于人類通信(Human-type Communications,HTC),設備的成本較高且功耗巨大。而用于大規(guī)模IoT的機器類通信(Machine-type Communications,MTC)卻有低成本、廣覆蓋、大容量和低功耗等要求,因此無法把用于HTC的傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)直接作為大規(guī)模IoT的無線接入系統(tǒng)。在實現(xiàn)基于蜂窩網(wǎng)絡的大規(guī)模IoT無線接入系統(tǒng)時,需要針對大規(guī)模IoT MTC的以上幾點要求做相應的改進和設計。本論文圍繞蜂窩網(wǎng)絡下大規(guī)模IoT無線接入技術的設計和實現(xiàn),主要進行了以下幾個方面的研究:(1)以長期演進(Long Term Evolution,LTE)網(wǎng)絡為例,研究了將主流蜂窩系統(tǒng)直接拓展至MTC的技術,從而能夠在MTC設備硬件簡化的前提下以盡量短的傳輸時間滿足覆蓋拓展的要求。首先分析MTC低成本要求所帶來的設備簡化和MTC覆蓋拓展要求所帶來的鏈路預算差額,以及它們對于性能和設計的影響。接下來在對LTE所有類型的控制信道進行研究和比較后選取分布式增強物理下行控制信道(Enhanced Physical Downlink Control Channel,EPDCCH)作為蜂窩網(wǎng)絡MTC的控制信道的基本格式。然后在此基本格式上綜合采用以下幾種技術以達到覆蓋拓展的要求:1)通過時域重傳增加信號能量并獲得時間分集;2)通過跳頻技術獲得頻率分集,彌補由于窄帶傳輸帶來的頻率分集損失;3)通過時域頻域相鄰資源塊的參考信號進行聯(lián)合信道估計,增加信道估計的精度,從而提高時域上多次重傳的合并增益;4)通過正交預編碼獲得空間分集,彌補由于單天線接收帶來的空間分集損失。然后將以上設計理念和技術合理應用至其他重要的信道上(如上行控制信道和隨機接入信道等),同樣可以在滿足低功耗的同時達到覆蓋拓展的要求。同時通過仿真驗證了以上方法的有效性。(2)對大規(guī)模IoT無線接入技術的傳輸帶寬選取與設計進行了深入研究。首先研究了主流的大規(guī)模IoT無線接入技術,主要包括非授權頻段上的SIGFOX UNB和LoRa以及授權頻段上的LTE-M和NB-IoT。通過研究發(fā)現(xiàn),這些技術基本上均采用窄帶傳輸技術來達到廣覆蓋、高系統(tǒng)容量和低功耗的要求。接下來對容量拓展和覆蓋拓展兩種場景進行具體分析,然后提出“有效帶寬(effective bandwidth)”的概念,將傳輸帶寬和覆蓋范圍、電池壽命以及系統(tǒng)容量聯(lián)系在一起,進行綜合考慮。系統(tǒng)設計時,首先確定系統(tǒng)的目標覆蓋范圍,然后據(jù)此可以確定有效帶寬。設備的傳輸帶寬應該配置在有效帶寬附近,這樣可以保證在信號的傳輸時間不顯著增加的前提下盡可能地降低帶寬使用,從而使有限的系統(tǒng)帶寬容納更多的用戶。Effecive bandwidth能夠為系統(tǒng)設計中的帶寬選擇提供重要參考,具有重要理論意義和實用價值。(3)首先以NB-IoT系統(tǒng)為例,對相關檢測和差分檢測這兩種主流的定時同步信號檢測方法進行了研究。然后提出Rx SNR因子和frequency offset因子,可證明當Rx SNR因子占據(jù)主導地位時,相關檢測器性能更好,反之則差分檢測器性能更好。然后根據(jù)兩個因子將工作區(qū)域劃分為兩部分,接收端可以根據(jù)實際的接收信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)和頻偏大小確定工作區(qū)域以選擇合適的檢測器,從而提高檢測性能。最后推導出一種新型的抗頻偏定時信號,可證明該信號可以將頻率不確定性轉(zhuǎn)化為時間不確定性,從而避免了因為大的頻偏而導致的檢測能量急劇下降。由于這種優(yōu)良的性質(zhì),可以對此信號直接進行相關檢測,進而避免了在低SNR環(huán)境下由于使用差分檢測導致的嚴重的噪聲放大效應。最后通過仿真與NB-IoT的定時信號進行比較,可以驗證該信號良好的檢測性能。(4)對蜂窩網(wǎng)絡中設備發(fā)現(xiàn)技術進行深入研究,為使用蜂窩系統(tǒng)設備對設備(Device-to-Device,D2D)通信來解決深覆蓋環(huán)境中大規(guī)模IoT設備和基站的通信問題提供了基礎。研究了傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡中D2D設備發(fā)現(xiàn)技術,主要包括IrDA,藍牙,WiFi Direct,WiFi ad hoc以及FlashlinQ。然后在此基礎上對蜂窩網(wǎng)絡中設備發(fā)現(xiàn)的難點和設計準則進行了討論。最后給出了蜂窩網(wǎng)絡中的設備發(fā)現(xiàn)技術的方案,將基于簽名和基于包的發(fā)現(xiàn)方案進行了結(jié)合,能夠有效降低檢測端的復雜度、提升能量效率及降低對網(wǎng)絡的依賴度,并且可以和現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡良好共存,具有較高的應用價值。(5)首先對無線能源物聯(lián)網(wǎng)中的主要業(yè)務進行分析,并對電力行業(yè)的專有授權230 MHz頻段進行了研究。然后對無線能源物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)、幀結(jié)構(gòu)和主要物理信道進行了詳細設計并給出了相應的仿真驗證。該設計作為大規(guī)模IoT無線接入系統(tǒng)設計的一個應用實例,能夠滿足無線能源物聯(lián)網(wǎng)的高可靠、廣覆蓋和低功耗等要求,具有較好的性能。
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5;TP391.44
【圖文】：

考慮的是安全性和可靠性，因此它們對ＭＴＣ數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽亢偷蜁r延等有著極高的逡逑要求。另一類重要的Ｉ0Ｔ應用即Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＩｏＴ涉及遠程抄表、智能城市、遠程傳感等應逡逑用場景（如圖２．１所示），有著與Ｃｒｉｔｉｃａｌ邋ＩｏＴ完全不同的要求，諸如：大規(guī)模、低成本、逡逑低功耗、廣覆蓋等，且對時延和數(shù)據(jù)傳輸速率要求低。在這其中，低功耗和廣覆蓋是最逡逑為關鍵的特性。由于海量的大規(guī)模ＩｏＴ設備被廣泛布置在各個位置，其中一部分設備位逡逑置較為遙遠，一部分設備處于地下室或建筑物深處等難以企及的地方，這便對大規(guī)模ＩｏＴ逡逑無線接入技術的覆蓋范圍提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時這些地方無法提供電源支持，需要設逡逑備使用電池來進行長時間（如十年）工作，因而低功耗也成為了大規(guī)模ＩｏＴ設備重要特逡逑性。然而，現(xiàn)有的無線通信技術大多數(shù)是專門為人類通信（Ｈｕｍａｎ－ｔｙｐｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，逡逑ＨＴＣ）設計的，很難滿足這些嚴苛的要求。具體來說，一些被認為是可應用至物聯(lián)網(wǎng)的逡逑點對點（Ｐ0ｉｎｔ－ｔｏ－Ｐｏｉｎｔ

邐（１．２）逡逑農(nóng)村：Ｃ邋＝邋－４．７８ｘ（ｌｏｇ，。（NB））２邋＋１８．３３ｘ邋ｌｏｇ，。（／ｃ）－４０．９８逡逑如圖２．２所示，無論是城市，郊區(qū)還農(nóng)村環(huán)境，１邋ＧＨｚ頻段的傳輸損耗要比２．４邋ＧＨｚ頻逡逑段低至少５邋ｄＢ以上。此外，考慮到２．４ＧＨｚ頻段現(xiàn)在已經(jīng)被許多無線技術占用，例如，逡逑Ｗｉ－Ｆｉ，藍牙，ＺｉｇＢｅｅ等，使用擁塞程度更小的Ｓｕｂ－ｌＧＨｚ頻段更加利于數(shù)據(jù)可靠無誤逡逑地傳輸。逡逑３逡逑

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 ;一種新的基于車輛的蜂窩網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[J];無線電通信技術;2018年04期

2 王鑫;韓燕;孫強;徐晨;;基于凸優(yōu)化的小蜂窩網(wǎng)絡最小功耗方法[J];計算機工程;2017年04期

3 李春紅;;小蜂窩網(wǎng)絡優(yōu)勢、面臨挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢[J];通信技術;2017年10期

4 李志斌;;Wi-Fi與蜂窩網(wǎng)絡融合的技術進展與測試標準[J];電信工程技術與標準化;2015年08期

5 賈亞男;岳殿武;;面向5G的小蜂窩網(wǎng)絡研究綜述[J];電訊技術;2015年11期

6 ;MIMO[J];電子質(zhì)量;2008年09期

7 凌志弘;WLAN與蜂窩網(wǎng)絡的融合[J];電信網(wǎng)技術;2004年02期

8 ;飛利浦LDMOS技術加速3G蜂窩網(wǎng)絡的建設步伐[J];電信技術;2003年12期

9 裴仁超;李莉;沈一豪;張道煦;羅漢文;;蜂窩網(wǎng)絡中設備間中繼的功率分配[J];上海師范大學學報(自然科學版);2017年01期

10 王科;;無線蜂窩網(wǎng)絡中的抗干擾以及越區(qū)切換[J];通訊世界;2017年05期

相關會議論文 前10條

1 朱立東;吳詩其;;無線蜂窩網(wǎng)絡中的一種基于排隊模型的信道分配策略[A];開創(chuàng)新世紀的通信技術——第七屆全國青年通信學術會議論文集[C];2001年

2 元征;姚凌;紀紅;樂光新;;一種用于未來蜂窩網(wǎng)絡中的跨層優(yōu)化模型——信息收集管理層模型[A];第九屆全國青年通信學術會議論文集[C];2004年

3 楊濤;吳樹興;吳偉陵;;一種多跳蜂窩網(wǎng)絡中的拓撲控制算法研究[A];2005'中國通信學會無線及移動通信委員會學術年會論文集[C];2005年

4 張知v

本文編號：2724811