1物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論IntroductiontoInternetofThings低功耗廣域網(wǎng)#3BABA6#2C71B6152內(nèi)容回顧前一章介紹了毫米波感知的前沿技術(shù)以及使用毫米波感知進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部署的應(yīng)用案例3本章內(nèi)容低功耗廣域網(wǎng)傳輸無源低功耗廣域網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)定位與感知15.115.215.315.1.1高并發(fā)通信15.1.2弱信號解碼15.1.3自適應(yīng)參數(shù)4高并發(fā)通信研究動機(jī)研究者提出Bitflux指標(biāo)：描述單位面積內(nèi)應(yīng)用運(yùn)行所需的網(wǎng)絡(luò)吞吐率可以滿足部分滿足無法滿足結(jié)論：現(xiàn)有LoRa技術(shù)無法完全滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)連接需求提升網(wǎng)絡(luò)容量、滿足系統(tǒng)更高吞吐率需求是LoRa實(shí)際應(yīng)用的必由之路5并發(fā)通信的發(fā)展無線網(wǎng)絡(luò)中，解決數(shù)據(jù)包沖突方法沖突避免通過調(diào)度算法避免多個節(jié)點(diǎn)在同一時刻占用同一信道，例如Wi-Fi中的CSMA沖突消除在沖突發(fā)生后，根據(jù)信號的時域或頻域特征，對沖突的數(shù)據(jù)包信號進(jìn)行分離和恢復(fù)LoRa使用沖突避免方法挑戰(zhàn)信號傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)模大，節(jié)點(diǎn)很難做到可靠的信道狀態(tài)監(jiān)聽信道監(jiān)聽加大節(jié)點(diǎn)的能量消耗，縮短工作壽命6LoRa沖突避免：LMAC方法借助LoRa芯片的信道活動偵聽（channelactivitydetection，CAD）功能，配合LoRa網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對信道狀態(tài)的分布式偵聽結(jié)果相比于傳統(tǒng)LoRaWAN協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)吞吐率提升了2.2倍，設(shè)備的連接性得到明顯改善LMAC方法原理圖7LoRa沖突消除：Choir方法利用不同硬件的頻率偏移特征來分離沖突數(shù)據(jù)包沖突解碼原理在接收端，來自不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包信號具有不同的頻率偏移根據(jù)該頻率偏移將不同LoRa編碼符號對應(yīng)到不同的發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送端與接收端晶振頻率有差異Choir方法原理圖8LoRa沖突消除：mLoRa方法利用信號時域到達(dá)時間差消除沖突沖突解碼原理多個數(shù)據(jù)包先后抵達(dá)網(wǎng)關(guān)發(fā)生沖突，接收信號起始部分無沖突且可被正常提取利用無沖突信號，提取沖突信號中一個正確的符號內(nèi)容，構(gòu)造出該符號并將其從沖突信號中消去從剩余信號中得到新的一段非沖突的信號，重復(fù)上述操作，直至所有沖突數(shù)據(jù)包分離mLoRa方法原理圖9LoRa沖突消除：CoLoRa方法利用信號時頻域特征實(shí)現(xiàn)低信噪比信號沖突消除沖突解碼原理使用錯位接收窗口，將每一編碼符號切割并變換為兩段頻率相同的傅里葉波峰，結(jié)合波峰高度信息對不同數(shù)據(jù)包的符號進(jìn)行聚類、分離和并發(fā)解碼基于頻域波峰特征分析，將沖突數(shù)據(jù)包的時間偏移轉(zhuǎn)化為顯著的頻域波峰差異，并發(fā)解碼并保持較高的噪聲容忍能力CoLoRa方法原理圖10LoRa沖突消除：NScale方法基于信號在時間窗口內(nèi)分布差異分離沖突沖突解碼原理??在時域上，不同數(shù)據(jù)包的Chirp在同一接收窗口內(nèi)具有不同的時間分布特征接收窗口中不同位置的Chirp信號的振幅縮放的幅度不同非均勻縮放將Chirp的時間分布轉(zhuǎn)化為波峰高度縮放值??具有相同縮放因子的峰值屬于同一數(shù)據(jù)包將數(shù)據(jù)包之間微小的時域差異轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的頻域特征DemodulationWindowPacketAPacketB非均勻振幅縮放ChirpNScale方法原理圖11LoRa沖突消除：Pyramid方法實(shí)時實(shí)現(xiàn)沖突解碼的流式算法沖突解碼原理利用不同數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端的時間和信號強(qiáng)度差異，核心是以更細(xì)的時間粒度對LoRa信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)解碼操作使用一組滑動窗口對接收信號進(jìn)行解調(diào)，在每個信號處理窗口中測量并記錄所有的能量波峰，基于波峰高度變化特征實(shí)現(xiàn)沖突分離Pyramid方法原理圖12本章內(nèi)容低功耗廣域網(wǎng)傳輸無源低功耗廣域網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)定位與感知15.115.215.315.1.1高并發(fā)通信15.1.2弱信號解碼15.1.3自適應(yīng)參數(shù)13研究動機(jī)不可靠連接遠(yuǎn)距離鏈路嚴(yán)重衰落環(huán)境條件復(fù)雜多變節(jié)點(diǎn)連接呈現(xiàn)強(qiáng)烈的隨機(jī)性無線干擾遮擋衰落14研究動機(jī)不可靠連接導(dǎo)致鏈路故障難預(yù)測、難診斷鏈路質(zhì)量劇烈波動、無法預(yù)測接收信噪比低于可解碼閾值時節(jié)點(diǎn)失聯(lián)對失聯(lián)節(jié)點(diǎn)無法診斷其狀態(tài)鏈路斷開程序錯誤硬件錯誤電池耗盡…接收信噪比可解碼信噪比下限連接斷開連接斷開15LoRa弱信號解碼：Charm方法協(xié)調(diào)多個網(wǎng)關(guān)同時工作，實(shí)現(xiàn)對微弱LoRa信號解碼，拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力弱信號解碼原理LoRa在實(shí)際部署中使用多網(wǎng)關(guān)以實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋，不同網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍通常存在互相重疊的情況，因此同一個節(jié)點(diǎn)可能同時處于多個網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍內(nèi)使用云服務(wù)器將多個網(wǎng)關(guān)收集到的信號進(jìn)行疊加后，在云端可以實(shí)現(xiàn)信號增強(qiáng)從而成功解碼出信號中包含的數(shù)據(jù)Charm方法原理圖16LoRa弱信號解碼：Charm方法協(xié)調(diào)多個網(wǎng)關(guān)同時工作，實(shí)現(xiàn)對微弱LoRa信號解碼，拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力弱信號解碼原理LoRa在實(shí)際部署中使用多網(wǎng)關(guān)以實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋，不同網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍通常存在互相重疊的情況，因此同一個節(jié)點(diǎn)可能同時處于多個網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍內(nèi)使用云服務(wù)器將多個網(wǎng)關(guān)收集到的信號進(jìn)行疊加后，在云端可以實(shí)現(xiàn)信號增強(qiáng)從而成功解碼出信號中包含的數(shù)據(jù)基于云端協(xié)同的弱信號解碼方法需要借助地理位置相近的多個網(wǎng)關(guān)互相配合，在網(wǎng)關(guān)稀疏部署的野外網(wǎng)絡(luò)中將不再適用17LoRa弱信號解碼：NELoRa方法使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對LoRa解碼方法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)以單個LoRa網(wǎng)關(guān)為接收端的弱信號解碼弱信號解碼原理針對低功耗廣域網(wǎng)信號特點(diǎn)，設(shè)計去噪網(wǎng)絡(luò)，降低噪聲信號進(jìn)一步通過時頻域特征學(xué)習(xí)，設(shè)計解碼網(wǎng)絡(luò)，解碼弱信號低信噪比信號去噪后信號解碼結(jié)果解碼網(wǎng)絡(luò)去噪網(wǎng)絡(luò)TimeFrequencyTimeFrequencyNELoRa方法原理圖18LoRa弱信號解碼：Falcon方法提出一種可靠LoRa應(yīng)急鏈路的傳輸方法弱信號解碼原理普通節(jié)點(diǎn)向信道中發(fā)送數(shù)據(jù)包，作為參考信號弱信號節(jié)點(diǎn)偵聽信道，當(dāng)檢測到信道中有數(shù)據(jù)包傳輸時，切換至主動干擾模式，通過選擇性干擾信道中的數(shù)據(jù)包向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)解碼數(shù)據(jù)包并根據(jù)干擾結(jié)果解析弱信號節(jié)點(diǎn)的傳輸內(nèi)容普通節(jié)點(diǎn)弱信號節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)信道偵聽數(shù)據(jù)包傳輸選擇性干擾19本章內(nèi)容低功耗廣域網(wǎng)傳輸無源低功耗廣域網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)定位與感知15.115.215.315.1.1高并發(fā)通信15.1.2弱信號解碼15.1.3自適應(yīng)參數(shù)20研究動機(jī)LoRa傳輸距離遠(yuǎn)，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，需要針對不同的應(yīng)用需求和部署環(huán)境，選擇合適的LoRa傳輸參數(shù)常用的傳輸參數(shù)，如擴(kuò)頻因子、帶寬、中心頻率等，直接影響LoRa傳輸?shù)男屎涂煽啃?1LoRa自適應(yīng)參數(shù)：Chime方法借助空間異構(gòu)性，從多網(wǎng)關(guān)接收、分析、還原信號多徑特征，并最終實(shí)現(xiàn)選擇最優(yōu)傳輸頻率自適應(yīng)參數(shù)原理不同頻率LoRa信號存在波長差異，信號通過多徑信道到達(dá)接收端后，在某些頻率處疊加增強(qiáng)，而在另一些頻率處干涉相消，因此導(dǎo)致不同頻率的信號質(zhì)量差別明顯節(jié)點(diǎn)發(fā)起一次上行傳輸，網(wǎng)關(guān)完成對節(jié)點(diǎn)信號傳播特征的測量，并根據(jù)測量結(jié)果為節(jié)點(diǎn)選擇最合適的通信信道Chime方法原理圖頻率信噪比(in

dB)22LoRa自適應(yīng)參數(shù)：DyLoRa方法根據(jù)鏈路質(zhì)量對節(jié)點(diǎn)的傳輸參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整自適應(yīng)參數(shù)原理建立不同鏈路狀態(tài)下的信道容量和能耗估計模型基于誤碼率和信噪比關(guān)系的快速鏈路狀態(tài)估計根據(jù)信道容量和能耗估計結(jié)果，計算能耗最優(yōu)的信道參數(shù)信道容量估計能耗優(yōu)化協(xié)議架構(gòu)能耗性能表現(xiàn)對比23本章內(nèi)容低功耗廣域網(wǎng)傳輸無源低功耗廣域網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)定位與感知15.115.215.315.1.1高并發(fā)通信15.1.2弱信號解碼15.1.3自適應(yīng)參數(shù)24研究背景無源通信：不依賴于電源進(jìn)行通信的一種新型通信方式主要實(shí)現(xiàn)形式：Backscatter（反向散射技術(shù)）Backscatter技術(shù)兩大難題通信距離受限，往往只有幾十米允許的并發(fā)數(shù)量有限，通常不超過10個25遠(yuǎn)距離無源低功耗廣域網(wǎng)LoRaBackscatter設(shè)計思想實(shí)現(xiàn)了一種可將正弦激勵信號反射為LoRa調(diào)頻信號的標(biāo)簽，使用Backscatter標(biāo)簽反射接收信號，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的散射通信距離LoRaBackscatter方法原理圖26高并發(fā)無源低功耗廣域網(wǎng)NetScatter設(shè)計思想為不同反射標(biāo)簽分配不同的頻譜搬移頻率，支持?jǐn)?shù)百個標(biāo)簽同時向接收端傳輸信息，提升頻譜利用效率NetScatter方法原理圖27泛在信號無源低功耗廣域網(wǎng)P2LoRa設(shè)計思想利用環(huán)境中已有的LoRa信號，簡化節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽的操作，利用網(wǎng)關(guān)較強(qiáng)的性能支持遠(yuǎn)距離的并行傳輸P2LoRa方法原理圖28本章內(nèi)容低功耗廣域網(wǎng)傳輸無源低功耗廣域網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)定位與感知15.115.215.315.1.1高并發(fā)通信15.1.2弱信號解碼15.1.3自適應(yīng)參數(shù)29研究背景物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對定位的要求越來越多，尤其是資產(chǎn)跟蹤等應(yīng)用。LoRa芯片制造商Semtech在最新的LoRa芯片SX1280系列中推出測距功能LoRa無源節(jié)點(diǎn)定位示意圖TxRx

d1d2d3LoRa30TDoA定位定位原理假設(shè)網(wǎng)關(guān)位置已知，不同的網(wǎng)關(guān)接受同一個節(jié)點(diǎn)的信號并標(biāo)記收包時間戳，將數(shù)據(jù)包內(nèi)容和時間戳發(fā)送給云端服務(wù)器云端運(yùn)行地理位置統(tǒng)計程序，根據(jù)各網(wǎng)關(guān)的時間戳差異計算節(jié)點(diǎn)到不同網(wǎng)關(guān)的距離差結(jié)合多個網(wǎng)關(guān)距離差以及網(wǎng)關(guān)自身的坐標(biāo)，計算出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置核心挑戰(zhàn)需要在數(shù)據(jù)包到達(dá)時刻準(zhǔn)確地獲取時間戳需要各網(wǎng)關(guān)之間保持嚴(yán)格的時間同步定位精度在10個網(wǎng)關(guān)協(xié)同配合時，定位精度為200mTDOA方法原理圖31信號指紋定位定位原理接收端根據(jù)信號強(qiáng)度大致判斷節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的距離聯(lián)合多個網(wǎng)關(guān)的信號強(qiáng)度能夠形成某一位置的特定指紋在接收端建立指紋數(shù)據(jù)庫，收到信號后通過查找數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定位核心挑戰(zhàn)需要在千米級別的范圍內(nèi)采集指紋并建立一個完備的指紋數(shù)據(jù)庫現(xiàn)有方法SateLoc提出利用衛(wèi)星來輔助獲取指紋數(shù)據(jù)庫SateLoc方法框架圖32信號指紋定位SateLoc原理通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得一個地區(qū)的地形地貌分布，