基于按需的网络MIMO低功耗广域物联网(LPWAN)关键技术研究

Based on requirements to wide coverage, reliable transmission, low energy and low system cost, etc, for current Low Power Wide Area Network (LPWAN), the technologies of local Capture & Successive Interference Cancelation (SIC)，Space-time SIC, Network MIMO on demand are suggested firstly to resolve reliable communication in the application of high density sensor nodes, wide area coverage. Secondly, considering to the property of efficiency and anti-interference of Ultra Narrow Band(UNB) modulation, we will research the methods of modulation and demodulation, design the filter for UNA and estimate anti-interference specialty of globe system integrated in FEC, DSSS and UNB, etc，then, apply UNB into the LPWA networks. Thirdly, on the requirements of Capture & SIC, the optimized location and number of packet COPY is researched and designed to decrease installing and maintaining cost, battery energy on the constrain of reliable transmission. Finally, two working mode of Transmit-Only and Transmit-Mostly is suggested for the sensor nodes of LPWA network and the Frameless ALOHA and Diversity Slot ALOHA access protocol will be researched for the two working mode. Furthermore, the MAC protocol of integrated in random ALOHA and Slot reserved based on classified priorities will be designed.

针对当前LPWA网络对覆盖范围、数据传输可靠性、功耗、系统成本等要求，本课题首先提出利用本地Capture &SIC、空时SIC以及按需的网络MIMO技术，解决在高密度传感器节点、大范围网络覆盖下的可靠数据传输问题；其次，根据超窄带调制的高效性以及抗干扰能力，分析研究UNB相关的调制、解调方法、滤波器设计以及集成FEC、DSSS和UNB等整个系统的抗干扰性能，从而将UNB技术应用于LPWA网络；再者，基于Capture & SIC要求，研究最优的GWs位置和COPY包数，在保证数据通信可靠性前提下，减小系统安装和运营成本、减少功耗；最后，设计LPWA网络无线传感器节点工作于Transmit-Only和Transmit-Mostly两种工作模式，研究两种模式下的无缝ALOHA和分集时隙ALOHA接入协议，并针对不同的QOS要求，设计随机ALOHA结合优先级分级的时隙预留信道接入协议。

低功率广域物联网络(LPWAN)旨在为各种设备到设备（Machines to Machines :M2M）间的通信提供统一的标准平台，解决物联网通信在低成本、低功耗、大覆盖范围要求下的通信可靠性。为了解决LPWAN网络的数据吞吐量、抗干扰能力以及网关到云服务器之间的前向回传数据速率，本研究项目结合基于网络物理层的本地捕获（Capture）、连续干扰消除（Successive Interference Cancelation: SIC）、空时连续干扰消除(Space-time SIC)、网络MIMO等技术，提高了整个系统的网络吞吐量。在超窄带通信理论方面，提出一种改进的插值估计判决门限算法，从而消除了冲击包络发生倒置的影响, 进行门限判决便可得到解调信号；针对多径时变信道中EBPSK系统时延估计不准确和误码率较高的问题，提出多径时变信道EBPSK系统时延估计方案和多径时变信道改进的插值估计判决门限算法；针对多径信号易产生码间干扰的问题，提出一种针对MPPSK系统的多径分离方案。在LPWAN网络架构最优化构建方面，为了提高数据包接收成功率，分别在传感器节点位置已知，推导设计了最优网关位置以及网关位置已经确定情况下，推导设计了最优的传感器位置点布置。为了解决网关设备和云服务器之间前向链路带宽受限问题，提出了利用压缩感知算法的前向链路数据压缩算法，从而提高了前向链路数据量。上述研究的LPWAN关键技术为整个LPWAN网络系统无线传输方案和关键算法提供了理论基础和技术支撑。