物联网技术导论 -课件 第8章 移动通信网络

物联网

技术导论数字经济系列教材第

8章

移动通信网络物联网

技术导论01028.2M2M和D2D技术目录CONTENTS8.13G/4G/5G移动通信技术8.13G/4G/5G移动通信技术移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。也就是说，移动通信的双方至少有一方处于移动中。移动体可以是人，也可以是汽车或轮船等移动的物体。移动通信起源于19世纪末，意大利电气工程师马可尼完成了陆地与一只拖船之间的无线电通信。从第一代(FirstGeneration,1G)移动通信系统开始，移动通信已经历了从1G到2G、3G和4G,并演进到5G的发展历程。移动通信8.13G/4G/5G移动通信技术第一代(1G)移动通信是以模拟技术为基础的蜂窝无线电话系统。1978年年底，美国贝尔试验室研制成功了全球第一个移动蜂窝电话系统：先进移动电话系统(AdvancedMobilePhoneSystem,AMPS)。同一时期，欧洲各国也不甘示弱，纷纷建立起自己的第一代移动通信系统。瑞典等北欧4国在1980年研制成功了NMT-450移动通信网：联邦德国在1984年完成了C网络(C-Netz)；英国则于1985年开发出全接入通信系统(TACS)。在各种1G移动通信系统中，美国的AMPS在全球的应用最为广泛，它曾经在超过72个国家和地区运营。同时，也有近30个国家和地区采用英国TACS制式的1G系统。我国的1G移动通信系统于1987年11月18日开通，采用的是英国TACS制式，到2001年12月底关闭，用户数最高曾达到了660万。如今，1G时代那像砖头一样的手持终端(大哥大)已经成为很多人的回忆。由于采用的是模拟技术，1G移动通信系统在设计上只能传输语音，系统容量也十分有限。此外，安全性和稳定性也存在较大的问题。1G移动通信系统的先天不足，使得它无法真正大规模普及和应用，价格更是非常昂贵。与此同时，不同国家的1G移动通信的技术标准各不相同，即只有“国家标准”，没有“国际标准”，国际漫游成为个突出的问题。第一代移动通信（1G）8.13G/4G/5G移动通信技术第二代(2G)移动通信系统以数字化为主要特征，以传输语音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统，典型代表是欧洲的GSM和美国的IS-95。1982年，北欧4国向欧洲邮电主管部门大会(CEPT)提交了一份建议书，要求建立欧洲统一的蜂窝移动通信系统。同年，成立了欧洲“移动通信特别小组，后来演变成“全球移动通信系统(GlobalSystemforMobileCommunication,GSM)”。随后，美国制定了数字先进移动电话服务(Digital-AdvancedMobilePhoneService,D-AMPS)和IS-95码分多址(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)，其中IS-95是由高通公司(Qualcomm)发起的全球第一个基于CDMA的数字蜂窝标准。2G可以进行语音通信，还可以收发短信(短消息、SMS)、彩信(MMS、多媒体简讯)等。2G提供更高的网络容量，改善了语音质量和保密性，还引入了无缝的国际漫游。第二代移动通信（2G）8.13G/4G/5G移动通信技术第三代(3G)移动通信是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信。相对于1G的模拟移动通信和2G的数字移动通信，3G的代表特征是提供高速数据业务。3G将无线通信与互联网相结合，使网络移动化成为现实。2000年5月，国际电信联盟(ITU)正式公布了3G标准，我国提交的TD-SCDMA与WCDMA、CDMA2000一起成为3G的三大主流标准。2001年10月，3G网络首次商用，日本运营商NTTDoCoMo的WCDMA正式运营。2007年10月，ITU在日内瓦举行无线通信全体会议，WiMAX被批准为全球3G标准。2009年4月20日，工业和信息化部印发了《第三代移动通信服务规范(试行》通知，我国开始建设3G网络。第三代移动通信（3G）8.13G/4G/5G移动通信技术世界很多组织给4G下了不同的定义，而国际电信联盟(ITU)的定义代表了传统移动运营商对4G的看法。ITU认为:4G是基于IP协议的高速蜂窝移动网，无线通信技术从现有的3G演进而来，4G的传输速率可以达到100Mbit/s。4G的特点通信速度快移动通信数据传输速率为基础进行比较。1G移动通信仅提供语音服务；2G移动通信数据传输速率也只有9.6kb/s；3G移动通信数物传输速率可达到2Mb/s

；而4G移动通信数据传输速率可达到100Mb/s。通信灵活从严格意义上说，4G手机已不能简单划归为“电话机”的范畴，语音的传输只是4G手机的功能之一而已。4G手机更应该算是个小型计算机，4G使人们不仅可以随时随地通信，还可以双向传递下载资料、图画、视频，当然更可以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏。智能性高4G移动通信的智能性更高，不仅表现在4G通信的终端设备具有操作智能化，更重要的是4G手机可以实现更多的功能。兼容性好4G移动通信具备全球漫游功能，接口开放，能跟多种网络互联，终端多样化。费用便宜4G通信解决了与3G通信的兼容性问题，4G通信部署起来就容易迅速得多。4G通信的无线即时连接等服务会比3G通信更加便宜。第四代移动通信（4G）8.13G/4G/5G移动通信技术5G是4G之后的延伸，5G具有更高速率、更大带宽和更强空中接口技术，是面向用户体验和业务应用的智能无线网络。5G移动数据流量为“Gbit/s用户体验速率”，5G网络正朝着多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展，5G各种智能终端将不断增长和普及。5G网络不仅承载人与人之间的通信，还要承载人与物、物与物之间的通信，既可支撑大量终端，又使个性化、定制化的应用成为常态。第五代移动通信（5G）8.13G/4G/5G移动通信技术第五代移动通信（5G）5G技术的发展过程自2012年ITU通过了4G标准之后，通信业界开始研究5G,各国成立了专门组织推进5G研究，争抢新一轮技术和标准的影响力和制高点。例如，欧盟启动了METIS、5GNOW等多个5G预研项目，并成立了5GPPP；韩国成立了5GForum等；美国和日本也启动了5G研究；我国则成立了IMT-2020(5G)推进组。2013年2月，欧盟宣布加快5G移动技术的发展，计划到2020年推出成熟标准。2013年2月，我国发起成立了IMT-2020(5G)推进组，目标是在“3G突破、4G同步”的基础上，实现“5G引领”全球。2014年5月，日本六家厂商合作，开始测试现有4G网络1000倍承载能力的高速5G网络，并期望于2020年开始运作。2017年12月，在国际电信标准组织第78次全体会议上，第一个5G标准5GNR首发版本正式冻结并发布，NR是指新空口(NewRadio)。2018年2月，中国移动公布了2018年5G计划：将在杭州、上海、广州、苏州、武汉五个城市开展外场测试。2019年6月6日，我国工信部向中国移动、中国电信、中国联通、中国广电四家运营商发放5G商用牌照。2019年10月31日，我国5G正式商用。8.13G/4G/5G移动通信技术第五代移动通信（5G）5G的技术特点(1)5G是万物互联、连接场景的一代移动通信从1G到4G主要是以人与人通信为主，5G则是跨越到人与物、物与物通信的时代。5G是万物互联和连接场景的时代，从业务和应用的角度，5G具有大数据、海量连接和场景体验3大特点，满足未来更广泛的数据和连接业务需要。(2)5G是电信IT化、软件定义的一代5G将是全新一代的移动通信技术，5G网络呈现软件化、智能化、平台化趋势，5G是通信技术(CT)与信息技术(IT)的深度融合。5G通过软件定义网络(SDN)网络功能虚拟化(NFV)以及软件定义无线电的无线接入空口，实现5G可编程的核心网和无线接口。(3)5G是云化的一代5G的云化趋势包括：基带处理能力的云化(C-RAN)、采用移动边缘内容与计算(MECC）和终端云化。8.13G/4G/5G移动通信技术第五代移动通信（5G）5G的技术特点(4)5G是蜂窝结构变革的一代从1G到4G都是基于传统的蜂窝系统，即形状规则(多为六边形)的蜂窝小区组网。传统单层规则的蜂窝小区概念已不存在，5G移动通信首次出现了去蜂窝的趋势。(5)5G足承前启后和探索的一代移动通信技术更新约10年一代。1G的目的是要解决语音通信，但语音质量与安全性都不好；到2G时，GSM和CDMA在解决语音通信方面达到极致；1998年提出的3G最初目标是解决多媒体通信(如视频通信)，但2005年后出现移动互联网接入的重大应用需求，不过解决得不好；LTE对移动互联网接入需求的解决是到位的，但又面临语音通信(VoLTE)问题。5G的目标是要解决万物互联。因此，5G将是有探索价值的一代，是移动通信历史上迈向万物互联的承前启后的一代。8.13G/4G/5G移动通信技术第五代移动通信（5G）5G的关键技术无线传输关键技术网络关键技术8.13G/4G/5G移动通信技术5G与物联网第一，物联网规模的发展对5G技术的需求面对物联网不同的应用场景，系统对网络传输延时要求从1ms到数秒不等，每个小区在线连接数从几十个到数万个不等。智能家居、智能工业、智能环保、智能医疗、智能交通应用的发展，数以千亿计的感知与控制设备、智能机器人、可穿戴计算设备、无人驾驶汽车、无人机将接入物联网；物联网控制指令和数据实时传输，对移动通信与移动通信网提出了高带宽、高可靠性与低时延的迫切需求。物联网规模的超常规发展，大量的物联网应用系统将部署在山区、森林、水域等偏僻地区。很多物联网感知与控制节点将密集部署在大楼内部、地下室、地铁与隧道中，4G网络与技术已难以适应这种场景，只能寄希望于5G网络与技术。移动互联网与物联网作为未来移动通信发展的两大驱动力，推动着移动通信技术从4G向5G的发展，同时5G技术的成熟和应用也将使物联网应用的带宽、可靠性与时延瓶颈得到解决。5G与物联网的关系可以从以下两个方面去认识。8.13G/4G/5G移动通信技术5G与物联网移动互联网与物联网作为未来移动通信发展的两大驱动力，推动着移动通信技术从4G向5G的发展，同时5G技术的成熟和应用也将使物联网应用的带宽、可靠性与时延瓶颈得到解决。5G与物联网的关系可以从以下两个方面去认识。第二，物联网性能的发展对5G技术的需求物联网涵盖智能工业、智能农业、智能交通、智能医疗与智能电网等各个行业、业务类型多、业务需求差异性大。尤其是在智能工业的工业机器人与工业控制系统中，节点之间的感知数据与控制指令传输必须保证是正确的，延时必须在毫秒量级，否则就会造成工业生产事故。无人驾驶汽车与智能交通控制中心之间的感知数据与控制指令传输尤其要求准确性，延时必须控制在毫秒量级，否则就会造成车毁人亡的重大交通事故。8.2M2M和D2D技术M2M是指不在人的控制下的一种通信方式；M2M（Machine-to-Mchine,M2M）中的“机器”可以是传统意义上的机器，也可以是物联网智能硬件或软件。移动通信网主要是为人与人之间在移动状态下打电话和访问互联网而设计的。在研究物联网应用时，我们自然会希望利用无处不在的移动通信网，实现物联网“万物互联”的目的。也就是说，我们希望将移动通信网的使用对象，由人扩大到感知与执行设备、移动终端设备，将“人与人”通信扩大到“机器与机器”的通信。无线M2M协议(WMMP)是支持移动通信网中机器与机器交互的通信协议。用户、出租车司机发送给服务器的数据，以及服务器发送给用户与司机的数据，在移动通信网中都按照WMMP通信协议的格式被封装成M2M数据包进行传输。M2M的基本概念M2M示意图8.2M2M和D2D技术终端直通(DevicetoDevice，D2D)技术是指邻近的终端距离较近，可以采取不通过小区的基站，直接在相邻终端之间建立无线通信链路的方式，实现终端之间的直接通信。D2D对于物联网应用系统来说是一种非常有用的技术。因为在物联