1. LPWAN技術現狀

低功耗廣域網（LPWAN）是一種無線通訊技術，它具有覆蓋範圍廣、小包傳輸、低速率、更長的電池壽命的特點。當前低功耗廣域網技術的物理層實現主要是兩種方式，一種是窄帶方式，這種方式的接收頻寬很窄，從而實現很遠的傳輸距離。另外一種方式是擴頻技術與更高的發射功率，從而實現更遠的傳輸距離。

LoRa是一種物理層技術，它在Sub-1GHz ISM頻段上調製訊號，這種調製訊號使用私有的擴頻技術[1]。LoRa傳輸速率範圍300bps到37.5kbps，由於基站強大的能力，LoRaWAN基站可以並行的從16個通道接收資料。LoRa支援多種擴頻因子（在7-12之間），負責均衡傳輸距離與速率之間的關係。高的擴頻因子能夠傳輸更長的距離，然而以低速率、傳輸時間更長作為代價，反之亦然。LoRa的物理層將前向糾錯技術（FEC）與擴頻技術相結合，從而增加傳輸距離。LoRa的部署和商業化由Semtech公司負責[3]，目前LoRa網路已經在世界多地進行試點和部署。

LoRa聯盟提供LoRa網路規範-LoRaWAN，LoRaWAN[4]是一種開放的協議，用來管理閘道器和終端裝置之間的通訊。LoRaWAN有3種裝置型別：具有下行鏈路後上行鏈路（Class A）的雙向通訊終端裝置，具有劃定接收時隙的雙向通訊終端裝置（Class B）和始終開啟的雙向通訊終端裝置（Class C）。Class A類裝置使用純粹的ALOHA協議，每次上行後帶有兩個接收視窗，根據LoRaWAN，預設RX1是在上行後1秒開始，RX2是上行後2秒開始。Class A裝置的應用程式決定是否切換到Class B，裝置應用請求LoRaWAN協議MAC層切換到Class B，協議棧開始搜尋閘道器傳送的Beacon（信標幀），如果搜尋成功就切換到Class B模式。在Class B中，為了滿足下行，終端裝置除了要週期性開啟時槽接收同步幀，也要週期性開啟ping時槽，如果檢測到前導碼（GFSK調製方式5位元組，LoRa調製方式8個符號[5]）射頻將一直保持開啟直到下行鏈路幀被解析。

SigFox採用超窄帶物理層通訊技術，調製方式為BPSK，執行在免費頻段上，如美國915MHz，歐洲868MHz[13]。SigFox每個子載波為100Hz，每天只能夠傳輸140個12個位元組的上行訊息和4個8位元組的下行訊息。由於子載波頻寬很窄，SigFox在868MHz（868.180-868.220MHz）頻段上可以使用400個通道[6]。SigFox網路鏈路是不對稱的，不支援加密。與LoRaWAN的基站類似，SigFox基站能夠同時接收多個通道的訊息。SigFox不僅物理層通訊技術私有，網路協議規範也是私有的，SigFox網路的部署由SigFox公司負責。據我們所知，關於SigFox在真實場景中的網路功能和效能指標的文獻少，因此我們無法對SigFox的物理層關鍵技術以及網路協議棧展開更加細緻的討論。

窄帶物聯網（NB-IOT）採用收費的頻段，資料上行和下行採用不同的頻段，具體使用700、800、900MHz的頻段。聯通的上行頻段909~915MHz，下行954~960MHz。移動上行890~900MHz，下行934~944MHz。電信825~840MHz，下行870~885MHz。NB-IOT的物理層頻寬是200kHz，發射功率達到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是一種可變速率技術。

當前華為推出的NB-IOT正在部署當中，有關真實場景中的評估的文獻較少。一篇來自中國電信股份有限公司廣州研究院的文章對NB-IOT的特性進行了介紹和分析，包括覆蓋能力、低複雜度、低功耗、低時延、移動性等。同時也介紹了3GPP相關標準的過程、最新狀態[11]。另外一篇文獻則對NB-IOT的關鍵技術進行了介紹，現階段的NB-IOT主要支援FDD傳輸模式；主要支援下行OFDMA的接入；NB-IOT下行支援兩種MIMO模式，即單天線埠傳輸以及雙天線埠發射分集；NB-IOT的上行和下行的重傳次數分別最大可達128次，2048次；採用符號擴頻技術提高增益[12]。

NB-IOT設計了擴充套件的不連續接收模式（eDRX[7,8]），用來滿足下行時延有要求的業務。eDRX有兩種模式：空閒模式和連線模式。當我們不需要UE那麼頻繁的到達，連線模式節省能耗。空閒模式下DRX的週期最長可以擴充套件到43.69分鐘，而連線模式不會超過10.24秒。空閒模式的一個頁傳輸視窗（PTW）用於下行資料傳輸，我們發現這種下行的工作方式需要精確的時間同步。目前有一些研究工作對NB-IOT的網路下行時間同步精度給出了評估。NB-IOT評估工作[9]表明NB-IOT時間同步的平均偏差在36.22ms到581.78ms之間。

總的看來，LPWAN主流的網路架構是星型網路架構，傳輸距離受傳送功率和速率的影響。LPWAN的物理層技術為窄帶技術或者擴頻技術，功耗主要受到上行傳輸資料量和節點的發射功率限制。根據以上LPWAN技術的總結，LPWAN的基站（可以頻分多路複用）強大，節點可以採用不同的通道與基站進行連線，從而實現大規模的網路容量。現有的LPWAN網路架構另外的一個特點是基站的通訊能力很強，節點的通訊能力較弱。與SigFox傳輸距離相比，LoRa網路傳輸距離近，通常只有5Km（SigFox是20Km），然而LoRa的傳輸速率更高。SigFox雖然提供更遠的距離，然而傳輸的速率只有100bps，端到端的時延開銷大。NB-IOT採用收費的頻段和依賴執行商基站，雖然能夠保證時延和收包率，然而網路的成本較高。LoRa是單獨的射頻晶片，要實現LoRa的組網，需要自行選擇MCU、設計相關的電路以及低功耗的優化。

2. 6LoWPAN網路現狀

6LoWPAN（IPv6 over Low-power wireless Personal Area Networks）是一組基於IPv6的低速無線個域網標準，它保留了所有乙太網的核心標準和架構，使得現有的IPv6能夠同樣執行在低速率、低功耗的無線感測器網路中。由於6LoWPAN基於IP架構能夠直接與現有IP架構網路進行連線，並且其安全性和可靠性已經得到驗證[14,15]。從2005年6LoWPAN工作組成立，經過近十多年的發展得到了很多硬體廠家的支援，目前基於6LoWPAN的軟體支援也已經非常成熟，典型的Contiki和TinyOS開源作業系統均實現了6LoWPAN協議棧。

6LoWPAN網路是一個能耗低的多跳網路，它通常採用廣播下行機制。6LoWPAN網路協議棧在Contiki社群中預設使用非同步低功耗的ContikiMAC。ContikiMAC是一種RDC協議，與上層的CSMA/CA構成了6LoWPAN網路協議棧中完整的MAC層協議。文獻[16,17]顯示了不同應用下ContikiMAC的duty cycle可以維持在1%-5%之間。

據我們所知，在真實的場景中部署大規模的6LoWPAN網路論文較少，研究[18]在真實環境中，使用了94個節點部署了平均跳數為3的多跳網路，實現了99%的收包率。研究[19]在真實環境中，使用了340個節點部署了平均跳數為5.2的多跳網路，實現了0.3%的duty cycle。在這樣的大規模下，文獻[19]並未說明網路的可靠性。文獻[20]給出了2-14跳的6LoWPAN網路，其中2-5跳採用真實的節點，6-14跳採用模擬的方式，該文獻並未說明網路的可靠性。據我們所知，模擬的方式容易受到模擬工具和模擬模型（模型不能很好的刻畫真實情況）的影響，模擬的結果我們認為可信度相對低些。在真實環境中大規模網路部署6LoWAPN參考文獻不多，其中[18,19]是該行業認可的結果，但是網路規模仍然低於400，平均跳數仍然不超過6跳。

本實驗室其他成員在6LoWPAN上進行路由協議的設計與優化、功耗的優化等，實現了一套自組織低功耗多跳網路傳輸系統。然而該系統在實際的部署中，要滿足抄表應用10年壽命25uA的平均電流（duty cycle在0.4%以內），網路規模目前設定在250以內才比較理想。同樣的，該系統部署成14跳近似線性的網路，真實實驗表明第14跳節點的可靠性不足35%。

根據以上的6LoWPAN 研究現狀，6LoWPAN網路效能（可靠性，功耗）受到網路規模和跳數的限制。這樣的結果無法滿足大規模的網路部署（幾千個節點，高達十幾跳甚至幾十跳的場景）。相比較而言，現有的LPWAN技術具有明顯的傳輸距離優勢，因此更加適合大規模、廣覆蓋的應用需求。

​​​​​​​3. 其他長距離網路技術現狀

文獻[21]給出了SigFox、LoRa的覆蓋範圍、通訊速率的參考值。然而在城市環境中部署，是非常有挑戰的一件事情。LoRa的通訊距離從10Km（鄉村環境中）降低到1-2Km（大都市環境）[22]，也有一部分的研究表明LoRa可靠性有待提升[23]。基於現有的LPWAN技術面臨的覆蓋範圍和網路密度的挑戰，已經有一些研究正在通過物理層技術來提高LPWAN網路效能。

SNOW1.0 [24]為解決大規模、長距離的連線，在軟體無線電（USRP）裝置上設計了一種可擴充套件的感測器網路。SNOW1.0利用的是TV空白空間，並將該空間劃分成多個窄帶正交子載波，這樣使得單天線的基站能夠同時並行的從節點接受資料。SNOW1.0通過分散式的OFDM實現了基站並行接收。SNOW1.0的MAC層通過基站負責節點子載波的分配。

SNOW2.0 [25]雖然是SNOW1.0的改進版本，但是提出了幾種重要的設計思路。在雙向通訊的過程中，針對SNOW1.0基站不能夠並行的回覆資料包問題，SNOW2.0給出了由兩塊射頻（傳送射頻和接收射頻）組成基站的設計。在SNOW1.0中，如果當節點的數量大於子載波的數量，那麼節點就不能完全的非同步傳輸，因為同一通道的通訊會出現衝突。SNOW2.0結合CSMA/CA和位置感知頻譜分配方式來儘量消除隱藏終端的影響。同時SNOW2.0討論了更加穩健的調製方式的選擇。

Choir（一種網路系統的名字）[26]則考慮當網路部署節點更多，通訊更加密集的情況下，現有的LPWAN技術會出現傳送衝突。Choir於是提出通過軟體無線電設計能夠支援商用LoRa節點的基站，使得該基站能夠實現網路吞吐量6.84×（與現有的LoRaWAN網路對比），同時實現了通訊距離2.65×（與現有的LoRaWAN網路對比）。Choir在基站上分離衝突（利用LPWAN 低成本硬體的射頻缺陷），具體來說就是LoRa的硬體傳輸訊號會在時間、頻率和相位上產生偏移。Choir提出一些演算法使用這些偏移來分離和解碼有衝突的使用者資料。

雖然採用軟體無線電能夠提高傳輸距離和網路容量，然而與以上採用軟體無線電研究不同的是，本課題採用低成本商用的節點作為基站的射頻部分。這樣的好處是，基站的成本更低、適用性更廣（基站裝有Linux系統，可以方便的使用該系統帶來的各種服務）。

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