【摘要】：隨著科技的進(jìn)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(yuǎn)程抄表、智能城市、遠(yuǎn)程傳感等應(yīng)用,已經(jīng)越來越普及且仍在不斷發(fā)展中。作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模IoT的重要基礎(chǔ),如何將數(shù)量不斷增長的IoT設(shè)備與核心網(wǎng)相連成為了目前一大挑戰(zhàn)。蜂窩通信技術(shù)使用授權(quán)頻段,且為中心控制結(jié)構(gòu),在干擾、頻譜效率及服務(wù)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(shù)之一。但是蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要用于人類通信(Human-type Communications,HTC),設(shè)備的成本較高且功耗巨大。而用于大規(guī)模IoT的機(jī)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(shí)現(xiàn)基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模IoT無線接入系統(tǒng)時(shí),需要針對大規(guī)模IoT MTC的以上幾點(diǎn)要求做相應(yīng)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)。本論文圍繞蜂窩網(wǎng)絡(luò)下大規(guī)模IoT無線接入技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究:(1)以長期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)網(wǎng)絡(luò)為例,研究了將主流蜂窩系統(tǒng)直接拓展至MTC的技術(shù),從而能夠在MTC設(shè)備硬件簡化的前提下以盡量短的傳輸時(shí)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(shè)備簡化和MTC覆蓋拓展要求所帶來的鏈路預(yù)算差額,以及它們對于性能和設(shè)計(jì)的影響。接下來在對LTE所有類型的控制信道進(jìn)行研究和比較后選取分布式增強(qiáng)物理下行控制信道(Enhanced Physical Downlink Control Channel,EPDCCH)作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(shù)以達(dá)到覆蓋拓展的要求:1)通過時(shí)域重傳增加信號(hào)能量并獲得時(shí)間分集;2)通過跳頻技術(shù)獲得頻率分集,彌補(bǔ)由于窄帶傳輸帶來的頻率分集損失;3)通過時(shí)域頻域相鄰資源塊的參考信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合信道估計(jì),增加信道估計(jì)的精度,從而提高時(shí)域上多次重傳的合并增益;4)通過正交預(yù)編碼獲得空間分集,彌補(bǔ)由于單天線接收帶來的空間分集損失。然后將以上設(shè)計(jì)理念和技術(shù)合理應(yīng)用至其他重要的信道上(如上行控制信道和隨機(jī)接入信道等),同樣可以在滿足低功耗的同時(shí)達(dá)到覆蓋拓展的要求。同時(shí)通過仿真驗(yàn)證了以上方法的有效性。(2)對大規(guī)模IoT無線接入技術(shù)的傳輸帶寬選取與設(shè)計(jì)進(jìn)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(shù),主要包括非授權(quán)頻段上的SIGFOX UNB和LoRa以及授權(quán)頻段上的LTE-M和NB-IoT。通過研究發(fā)現(xiàn),這些技術(shù)基本上均采用窄帶傳輸技術(shù)來達(dá)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(jìn)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(jìn)行綜合考慮。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),首先確定系統(tǒng)的目標(biāo)覆蓋范圍,然后據(jù)此可以確定有效帶寬。設(shè)備的傳輸帶寬應(yīng)該配置在有效帶寬附近,這樣可以保證在信號(hào)的傳輸時(shí)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?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)中的帶寬選擇提供重要參考,具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。(3)首先以NB-IoT系統(tǒng)為例,對相關(guān)檢測和差分檢測這兩種主流的定時(shí)同步信號(hào)檢測方法進(jìn)行了研究。然后提出Rx SNR因子和frequency offset因子,可證明當(dāng)Rx SNR因子占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí),相關(guān)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(gè)因子將工作區(qū)域劃分為兩部分,接收端可以根據(jù)實(shí)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(dǎo)出一種新型的抗頻偏定時(shí)信號(hào),可證明該信號(hào)可以將頻率不確定性轉(zhuǎn)化為時(shí)間不確定性,從而避免了因?yàn)榇蟮念l偏而導(dǎo)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(hào)直接進(jìn)行相關(guān)檢測,進(jìn)而避免了在低SNR環(huán)境下由于使用差分檢測導(dǎo)致的嚴(yán)重的噪聲放大效應(yīng)。最后通過仿真與NB-IoT的定時(shí)信號(hào)進(jìn)行比較,可以驗(yàn)證該信號(hào)良好的檢測性能。(4)對蜂窩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備發(fā)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行深入研究,為使用蜂窩系統(tǒng)設(shè)備對設(shè)備(Device-to-Device,D2D)通信來解決深覆蓋環(huán)境中大規(guī)模IoT設(shè)備和基站的通信問題提供了基礎(chǔ)。研究了傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)技術(shù),主要包括IrDA,藍(lán)牙,WiFi Direct,WiFi ad hoc以及FlashlinQ。然后在此基礎(chǔ)上對蜂窩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備發(fā)現(xiàn)的難點(diǎn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了討論。最后給出了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備發(fā)現(xiàn)技術(shù)的方案,將基于簽名和基于包的發(fā)現(xiàn)方案進(jìn)行了結(jié)合,能夠有效降低檢測端的復(fù)雜度、提升能量效率及降低對網(wǎng)絡(luò)的依賴度,并且可以和現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)良好共存,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。(5)首先對無線能源物聯(lián)網(wǎng)中的主要業(yè)務(wù)進(jìn)行分析,并對電力行業(yè)的專有授權(quán)230 MHz頻段進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)并給出了相應(yīng)的仿真驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)作為大規(guī)模IoT無線接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)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(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(shí)延等有著極高的逡逑要求。另一類重要的Ｉ0Ｔ應(yīng)用即Ｍａｓｓｉｖｅ邋ＩｏＴ涉及遠(yuǎn)程抄表、智能城市、遠(yuǎn)程傳感等應(yīng)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(shí)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(guān)鍵的特性。由于海量的大規(guī)模ＩｏＴ設(shè)備被廣泛布置在各個(gè)位置，其中一部分設(shè)備位逡逑置較為遙遠(yuǎn)，一部分設(shè)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(shù)的覆蓋范圍提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)這些地方無法提供電源支持，需要設(shè)逡逑備使用電池來進(jìn)行長時(shí)間（如十年）工作，因而低功耗也成為了大規(guī)模ＩｏＴ設(shè)備重要特逡逑性。然而，現(xiàn)有的無線通信技術(shù)大多數(shù)是專門為人類通信（Ｈｕｍａｎ－ｔｙｐｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，逡逑ＨＴＣ）設(shè)計(jì)的，很難滿足這些嚴(yán)苛的要求。具體來說，一些被認(rèn)為是可應(yīng)用至物聯(lián)網(wǎng)的逡逑點(diǎn)對點(diǎn)（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(shù)占用，例如，逡逑Ｗｉ－Ｆｉ，藍(lán)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

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4 張知v

本文編號(hào)：2724811