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WIOTA INTRODUCE

  本文档详细介绍了御芯微的广域物联网通信协议WIoTa®。

1 WIoTa通信协议概述

  WIoTa(Wide-range Internet Of Things communicAtion protocol)协议，这是中国完全自主知识产权的，针对广域无线IoT通信优化设计的通信协议，它的核心是大覆盖、低功耗、大量连接、低成本，初期工作在非授权频谱上，便于快速商业部署（也可工作在私有频段上）。

  WIoTa吸取蜂窝通信同步机制的性能优点，同时简化设计，做到成本效率的最优化。主要有以下几种工作模式，来适应IoT多样化的部署需求：

  • 同步模式
    AP星型组网，点对多点，系统效率高，容量大，可以为IoT终端提供精确定时，适合于Sub 1GHz等专用频段使用。支持分层组网，扩大系统覆盖。

  • 异步模式
    点对点，点对多点，部署简单，无需网络规划，但容量对比同步模式较低。WIoTa通信协议在异步模式下也采取了优化的控制信令设计以及冲突协调机制来最大限度提升容量。

  • MESH模式
    无中心模式，在异步模式下，支持IoT终端之间的无中心广播。

  WIoTa通信协议针对IoT上行占比高，低功耗的特点，设计了深度优化的短消息模式，避免了传统通信协议中复杂的握手机制，减低IoT的通信功耗。同时在物理层控制信道以及数据信道设计极简化处理，减少开销以及功耗。

  WIoTa物理层调制方式采用自主设计的改进型的GMSK：G-QMSK （高斯多阶频移键控），具有高效的射频频谱效率，支持 1/2/3 bps/Hz 的多级效率自适应（根据信道条件选择，提升系统容量），同时兼顾恒模相位调制（CPM）的特点，方便提高射频功率放大器效率。

  WIoTa Preamble设计上采用特殊方法可以避免LoRa、WiFi等在密集场景下自干扰的问题，同时支持10ppm低成本晶体。

  与WIoTa配套的UC8288 芯片目前已经量产。该芯片是一颗高度集成的SoC芯片，集成：

  • 带浮点运算器的RISC-V作为MCU，最高150MHz主频
  • 自主知识产权的高性能低功耗基带信号处理单元
  • 130Mhz-1200Mhz射频单元（工作带宽从12.5Khz到400Khz）
  • DXCO，PMU单元
  • 12bitsADC、10bitsDAC、SPI、 UART、I2C、PWM、GPIO 等丰富外设
  • PUF（物理不可克隆加密模块），AES128加解密引擎，完善的代码和空口数据加密机制
  • RTC待机功耗1.5uA，RX功耗满载30mA，TX功耗22mA （5dm 发射功率）。

  UC8288可以作为IoT终端使用，也可以配合UC8088（较大MCU以及高性能的时钟）来作为AP（接入点）使用。多颗UC8288与UC8088 配合可以组成大容量、多信道的AP。

2 WIoTa的网络架构

2.1 典型网络架构

  WIoTa网络架构如下图所示，其中包含了各功能实体和接口。

Figure 1: WIoTa 网络架构

  根据网络规模，多个实体可以合并到一个硬件实体中。WIoTa的灵活架构充分考虑了IoT的多样化的特性，在公共部署的时候，可以适应各种应用需求。例如：WIoTa将空口数据包的解析、加密、压缩等放到了业务提供商(SP, Service provider)的NIS（network interface server）上，不同的SP可以根据自己需要决定数据包的处理方法。比如大多数业务都可以由短消息完成，这时消息格式可以有SP自行定义，而有些业务可以使用IP包，需要在NIS上的SAL层来适配到IP包。

  同步ap支持上下行同步，避免无线传输时出现相互干扰，适用于WIoTa多路同步网关同区域部署。目前WIoTa多路同步网关上下行方案有3种工作模式，卫星授时模式（基于ap自带的gps秒脉冲实现），以太网授时模式，同步助手模式。

  除了数据传输外，WIoTa网络和SP之间还有管理信息传递，比如用户鉴权，激活等管理信息。

  其中主要的功能实体介绍如下:

  • IoTE (IoT Equipment)

  IoTE(IoT的终端设备)集成WIoTa的modem和业务处理功能，并与AP通信。业务提供商（SP），在业务部署的时候，会在IoTE上部署终端的业务实体，同时为通信实体配置网络参数、密钥、用户ID等。

  IoTE的业务数据包，通过WIoTa网络（AP，SPGW），然后传输到SP的NIS服务器。SP根据需要在NIS做数据包的解析，加解密，压缩等等处理，最后发送到SP端的应用服务器（或者发送到IP网络）。

  • AP (Access Point)

  AP（接入点）负责空口与IoTE的数据交互与管理交互，也负责与SPGW的交互。AP可以和一个和多个SPGW连接，也缓存部分用户管理数据，方便用户的管理和控制。

  一个AP可以承载多个载波，不同载波可以配置不同，但在WIoTa的设计中，不同载波的上下行是边界同步的。

  多个AP也可以为一个载波服务，形成一个虚拟小区，提高覆盖能力。

  同一个系统的多个AP完全同步。

  • SPGW (Service Provider Gate Way)

  业务服务商网关(SPGW) 的主要作用是根据CMDS的SP（service provider）配置，根据用户ID（USER_ID）来决定IOTE的数据包将传送给哪个SP的NIS。

  SPGW与CMDS交互获得IOTE和SP的管理数据，如用户状态，USER_ID, USER_ID_SCRAMBLED等。

  SPGW将缓存部分管理数据来加快处理流程，减少交互。SPGW也提供管理数据给AP。

  • NIS (Network Interface Server)

  网络接口服务器(NIS)的实体部署在SP端，SP可以根据自己的实际需要来配置。NIS主要完成数据包的加密，鉴权，压缩，拆分，以及数据包格式的解析。NIS中的业务适配层（SAL）可以解析数据包并决定怎么发送给应用服务器，或者适配到IP层。

  NIS也会与CMDS交互，申请可以使用的SPGW。

2.2 接口

  各个实体间定义了接口，主要接口如下

  • a_I (air Interface)
    IOTE与AP之间的空中接口，包括PHY、MAC、MCL等协议层。
  • g_I (gateway interface)
    AP与SPGW之间的接口，底层通过安全连接相连，有数据层面和管理层面两种数据。
  • d_I (database interface)
    CMDS与SPGW之间的接口，底层通过安全连接相连。
  • s_I (service provider interface)
    SPGW与NIS之间的接口。

2.3 协议架构

  WIoTa协议架构如下图所示。

Figure 2：协议栈概览

  WIoTa空口的协议主要由物理层（PHY）和媒体接入层（MAC），网络控制层（NCL）以及管理控制层（MCL）组成。

  业务适配层（SAL, Service Adaptation Layer）在对等的IOTE和NIS中。

  PHY层完成空中接口的调制解调等功能。

  MAC层完成用户数据识别、数据传输控制等功能。

  MCL层完成用户的管理和控制，如睡眠管理、发送功率管理、接入管理、测量管理等功能。

  NCL层完成网络相关的管理和控制，以及对网络数据的完整性保护和按需求的加密。

  SAL层完成数据包的业务适配，如加解密，压缩，完整性检查，包的重复性检查，业务类型识别和分发等。

2.4 分层网络结构

  针对应用场景中，AP选址困难，深度覆盖困难的需求，WIoTa通信协议在典型网络的基础上可以配置分层网络，实现更完善的覆盖。

Figure 3：分层网络结构

  如图所示，在典型覆盖的基础上，某些IoTE可以配置为第2层覆盖的AP（硬件上需要双路配置），2层的AP可以继续为其附近的IoTE服务，2层的IoTE通过该AP汇聚传到主AP。WIoTa协议支持多层延伸来最大限度的增强覆盖。

3 WIoTa物理层

  WIoTa 物理层基础采样速率为250hz，3dB带宽为80Khz，也可配置为基础采样速率的1/16 ~2倍。

  帧结构分为同步系统和异步系统。

3.1 同步系统

  同步系统由AP一直维持帧结构，IoTE同步成功后，也按相同的帧结构运行。
  帧结构是一种时分结构。

  其单帧的基本结构如下：

wiota_sync_frame

  上图中，是下行上行比例1:1并且group数量为1的情况，一个group中固定有8个子帧；
  一个子帧为一个编码块，由8个symbol（slot）组成，子帧内针对symbol与bit做了多层加扰（与用户id相关）以达到更好的抗干扰性能。
  当下行上行比例为1:2时，图中下行（DL）group仍为1个，上行（UL）group为2个，即16个上行子帧。

  AP在preamble发送同步信号，在DL发送下行信号，在UL接收上行信号；
  IoTE在preamble接收同步信号，在DL接收下行信号，在UL发送上行信号。

  注意：普通传输模式下，单个IoTE只占用一个下行子帧和一个上行子帧，比如终端A只占用DL subframe 0和UL subframe 0，该位置由userid决定。

3.2 异步系统

  异步系统只有在有需要发送数据时，才会开始发送帧结构，先发preamble再发子帧数据，数据较多时会连续多帧发送，其单帧结构如下。

wiota_async_frame

  第一个为广播帧结构，第二个为单播帧结构；
  两者区别有以下几点：
（1） 单播会在ul时隙（1/8的子帧长度）收发ack信号，用于确认该帧的子帧数据是否都收对了。
（2） 广播收发完，如果还没到帧尾可以提前通知基带停止射频收发，但是单播帧结构目前固定，一定要到帧尾ul之后才能结束射频收发。（该结构之后会优化）

  异步与同步系统的区别有以下几点：
（1） 上图中的8个子帧数是可配的，目前范围是3~10。
（2） 所有子帧都能够用来传输数据。

  其他注意点：
（1） 图中所有gap并不是完全一样，应用不需要关注该区别。
（2） 子帧长度为8个symbol，preamble长度为若干个symbol，某些gap也为若干个symbol，所以symbol length的配置影响帧长。
（3） 异步系统中，带宽也会影响symbol长度。

  物理层调制采用恒模连续相位单载波G-QMSK调制。控制信道都采用Q=1的调制等同于GMSK，数据信道Q可以为1、2、3，等效调制效率为1/2/3 bps/Hz。

  WIoTa支持链路自适应，以及功率控制来提高系统容量。可以根据信道条件在3种调制方式以及BOOST level和功率大小上做最优化选择。

  WIoTa信道编译码采用TBCC和Turbo码，TBCC约束长度可以配置为5、7、9。Turbo码目前UC8288芯片还不支持，后续UC8066将支持。

  系统采用同步机制时，IoTE静止条件下，可以长时间跟踪AP的信号，来获得精确的时钟信息，定时精度为1ms。

4 WIoTa MAC 层

4.1 逻辑信道映射

  WIoTa MAC 支持广播、组播、单播、随机接入、超低功耗唤醒、同步paging、定时唤醒、短消息、数据包传输、功率控制、ACK等功能，在极简化的基础上基本实现所有蜂窝通信的功能。

  上行短消息可以通过随机接入信道和上行短消息信道传输。同步系统中，所有上行子帧均可作为接入信号。数据信道以子帧为编码单元，控制信道以slot为单元，极大提升了各类控制信息的传输效率。

  WIoTa协议的特点是将很多管理控制功能直接映射到物理层公共控制信道上，极大的节省空口资源。而LoRa，WiFi等的设计，即使传1bit的控制信息，也需要完整的帧结构。同时2/3/4G等蜂窝通信，控制开销极大，需要MIB、SIB、PDCCH和多次握手等。

  如下图所示，与控制相关的逻辑信道映射到物理层公共控制信道，而短消息、数据信道映射到物理层共享数据信道。

Figure 6：信道映射

4.2 USER ID和SUBSYSTEM ID

  SUBSYSTEM ID用于整个子系统内的同步和数据加密，与其他系统即使频点相同也不互通，不同的网络之间信号加绕，干扰白化处理，干扰影响小。同时不同网络内IoTE 的USER ID独立分配。

  WIoTa 每个设备节点都分配USER ID，MAC层可以配置，根据网络容量8~48bit不等，目前固定为32bit。USER ID主要用于传输过程中的数据加扰。

  USER ID可以从设备串号中获取，设备串口为16字节，其中byte[4]~byte[7]作为设备ID，可使用设备ID设置USER ID。

  在同步系统中，广播和组播和单播均为AP发送给终端的数据，组播需要在终端提前设置额外的组播ID；终端上行与AP的下行单播类似，均有ACK反馈是否成功。

  在异步系统中，广播所有其他终端都能接收到，单播只有对应USER ID的终端才能正确接收到，并且有ACK反馈是否成功。

  组播业务的部署，比如需要一批灯同时亮和关的场景。

5 WIoTa加解密以及防恶意干扰

  WIoTa通信配合UC8288，支持极强的通信保密需求。

  • PUF 物理不可克隆的密钥管理机制
  • AES128数据和代码加密引擎

  UC8288 的加密引擎提供PUF、AES以及密钥管理功能。密钥在IoTE中不可读取，不可通过芯片克隆来复制。更多加密算法在CCE中支持。

  IoTE与系统可以利用该密钥完成双向认证，数据加密密钥的动态更新。

  AP也可以在网络第一级将恶意终端排除掉，降低DDOS的危害。

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