《物联网通信技术》课件-第七章 NB-IOT通信

物联网通信技术7-1认识NB-IOT第七章NB-IOT通信此照片，作者:未知作者，许可证:CCBY-SA此照片，作者:未知作者，许可证:CCBY-NCNB-IOT—窄带物联网NB-IOT有什么特点？01NB-IOT概述02NB-IOT与LTE03NB-IOT与5G一、NB-IoT，NarrowBandInternetofThings(窄带物联网)起源:2014年5月华为和沃达丰共同提出NB-M2M技术,后进化为NB-CioT技术。2015年7月，Nokia、Ericsson、Intel提出了NB-LTE技术，随后3GPP融合了两种技术。1232016年7月确定了NB-IOT标准，至此NB-IoT正式诞生。NB-IOT概述一、NB-IOT概述NB-IOT定义NB-IoT射频带宽为200kHz。下行速率：大于160kbps，小于250kbps。上行速率：大于160kbps，小于250kbps(Multi-tone)/200kbps(Single-tone)NB-M2M/NB-CIoT（华为+沃达丰）+NB-LTE（诺基亚、爱立信、英特尔）=NB-IOTNB-IOT(窄带物联网）一、NB-IOT概述NB-IOT特点为什么选择NB-IOT？无需网关设备直连运营商网络广深覆盖20dB增益低功耗10年电池寿命大连接10万连接数/小区低成本1$模组成本一、NB-IOT概述NB-IOT特点1.覆盖广覆盖深窄带功率谱密度提升在复杂环境下的覆盖具有先天优势广覆盖一、NB-IOT概述NB-IOT特点2.海量连接200KHz的频率带宽连接每小区小包数据发送特征终端极低激活比大连接一、NB-IOT概述NB-IOT特点3.低功耗10年电池寿命简化协议，芯片功耗低功放效率高发射/接收时间短低功耗一、NB-IOT概述NB-IOT特点4.成本低简化射频硬件简化协议，降低成本减小基带复杂度低成本传输速度低等2信号覆盖困难。3终端较为分散1不能适用外接电源。4无太阳能5一、NB-IOT概述一、NB-IOT概述NB-IOT典型应用场景公共事业智能水表智慧水务智能气表智能热表智慧城市智能停车智能路灯智能垃圾桶智能井盖消费电子独立可穿戴设备智能自行车慢病管理系统老人小孩宠物管理设备管理设备状态监控白色家电管理大型公共基础设施管道管廊安全监控智能建筑环境报警系统中央空调监管电梯物联网人防空间覆盖智慧物流冷链物流集装箱跟踪固定资产跟踪金融资产跟踪农业与环境农业物联网畜牧业养殖空气实时监控水质实时监控其他应用移动支付智慧社区智能家居文物保护二、NB-IOT和LTE在很多方面使用了LTE技术，所以NB-IOT可以和LTE共享网络设备和资源。NB-IOT协议NB-IOTLTENB-IOT帧结构、下行OFDMA、上行SC-FDMA、信道编码交织基站核心网LTE帧结构、下行OFDMA、上行SC-FDMA、信道编码、交织等技术基站核心网沿用NB-IOT还有它的生命力吗？三、NB-IOT和5GNB-IOT成为mMTC场景的核心技术。更长的生命周期全球统一的技术演进，给NB-IOT物联网产业链吃下一颗“定心丸”。三、NB-IOT和5GEPC5GCNB载波LTE基站NB终端NB载波5G基站NB终端LTE终端5G终端三、小结NB-IOT是窄带物联网通信技术，具备了覆盖广深、海量接入、低功耗、低成本的优势，主用应用于低速率、非实时、低功耗、接入量大的物联网应用，目前被广泛应用。在5G时代，NB-IOT纳入了5G标准的大家庭，具备了更长久的生命力。阶段总结思考题1串口调试助手如何连接和配置基本数据？2NB-IOT模组创建套接字和刚发送数据的AT指令是什么？物联网通信技术7-2NB-IOT的技术特性第七章NB-IOT通信01技术特性之一：终端技术要求低成本低02技术特性之二：信令优化业务处理效率高03技术特性之三：应用DRX和PSM技术耗电低04技术特性之四：超强覆盖提升覆盖广/深度一、NB-IOT技术特性之一：终端技术要求低，成本低终端类型下行峰值速率天线数量双工模式终端接受带宽终端发送功率调制复杂性一、NB-IOT技术特性之一：终端技术要求低，成本低LTE控制面信令--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------LTE用户面信令------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------NB-IOT控制面信令--------------------------------------------------------------------------------------------NB-IOT用户面信令----------------------------------------------------------------------------------技术特性之二：信令优化业务处理效率高信令用户面信令控制面信令NB-IOT的技术特性之三：应用DRX和PSM技术耗电低。广泛应用在手机里的一种寻呼方式。DRX三、NB-IOT技术特性之三-应用DRX和PSM技术耗电低广泛应用在手机里的一种寻呼方式。DRX三、NB-IOT技术特性之三-应用DRX和PSM技术耗电低核心网定期或者有业务时寻找终端。有人想要给你打电话，怎么能保证接到这个电话呢？DRX—不连续接收。三、NB-IOT技术特性之三-应用DRX和PSM技术耗电低PSM—省电模式。三、NB-IOT技术特性之三-应用DRX和PSM技术耗电低三、NB-IOT技术特性之三-应用DRX和PSM技术耗电低缺点当设备进入PSM模式的休眠状态时，平台层所下发的指令无法将设备唤醒，只有当设备到时间之后自己将自己唤醒了之后，平台侧得知该设备已经上线，才能将命令下发。此业务实际上是被延时了的。NB-IoT的技术特性之五——超强覆盖。NB-IOT在覆盖的广度和深度两个纬度是如何做到的？三、NB-IOT技术特性之四：超强覆盖提升覆盖广度和深度多载波重传编译码增益三、小结NB-IOT技术特性是产生NB-IOT竞争优势的主要原因：终端简单可以保证低成本，系统信令简洁可以接入和处理更多的终端和业务，eDRX和PSM使NB-IOT终端更省电，数据重复发送和子载波传输使信号覆盖的更远更深。阶段总结思考题1一个实时性较强的物联网应用是否可以使用NB-IOT的技术？为什么？2NB-IOT的信令简洁对降低功耗有没有作用？为什么？物联网通信技术7-3NB-IOT组网第七章NB-IOT通信NB-IOT如何组网？01NB-IOT总体网络架构02NB-IOT模组03NB-IOT基站04NB-IOT核心网05NB-IOT应用系统一、NB-IOT组网一、NB-IOT组网一、NB-IOT组网一、NB-IOT组网二、NB-IOT组网第一层：终端层终端具备信号感应、信号转化、数据收集和数据传输的功能。三、NB-IOT组网第二层：基站层共建站点三、NB-IOT组网第二层：基站层独立站点三、NB-IOT组网第二层：基站层共建站点优势利用现有LTE网络资源，特别是基站和传输资源，因此不仅节省资源、而且建设周期也短，所以具备较大优势。三、NB-IOT组网第二层：基站层独立站点适合于非运营商建设NB-IOT的独立专网。NB-IOT的核心网需要新建四、NB-IOT组网第三层：核心网层五、NB-IOT第三层：NB-IOT平台BSS-业务支持系统OSS-运营支持系统。M2Mplatform电信公司开发客户业务、开通客户业务、计费、结算等的综合应用系统。包括基站运营管理系统、核心网运营和管理系统、资产管理系统等。五、NB-IOT第三层：NB-IOT平台五、NB-IOT第三层：NB-IOT平台三、小结物联网的系统组成，包括终端层、基站层、核心网层和应用层，终端感应到的信号经过数字化处理后或者直接采集到的数字信号经过NB-IOT模组发送到基站，再从基站传送到核心网，经过核心网和物联网平台的认证、路由、业务处理后，发送到物联网的应用系统，处理的数据再原路返回发到终端，完成整个数据处理过程。阶段总结思考题1NB-IOT基站有哪两种？如果使用LTE基站开通NB-IOT业务，该怎么做？2物联网平台功能包括几层？试着每层举例一到二个功能。物联网通信技术7-4NB-IOT物联网应用分析第六章5G通信NB-IOT的典型应用01NB-IOT应用分类02NB-IOT应用相似点03NB-IOT停车系统分析一、NB-IOT应用分类之一GSMA识别了7个大类共24个LPWA应用分类大类小类举例公共事业表类智能水表，智能气表给谁系统监控

白电

工业应用工业设备状态监控、工业控制、进程与安全监控能源基础设施、石油与天然气监控

自动贩卖机

后勤保障工业资产、货柜追踪位置与状态更新智慧建筑报警系统

采暖通风与空调系统

接入控制

一、NB-IOT应用分类之一GSMA识别了7个大类共24个LPWA应用分类大类小类举例消费与医疗穿戴设备

大型家用电器

VOP追踪老人、小孩、宠物等智能自行车

生活辅助

远程临床跟踪

农业与环境农业应用农林牧渔监控，家畜监控

环境监控污染、噪音、雨、风、河流流速、健康危害、数据搜集与实时监控智慧城市智能停车

智能垃圾桶

智能灯杆

NB-IOT的应用的共同点是什么？二、NB-IOT应用相似点智能停车公共事业环境监控智能垃圾箱路灯监测气象站土壤监测二、NB-IOT应用相似点智能停车监测车位是否有车，将车位信息上报到平台，通过引导屏和终端引导车主停车。行业应用:移动性:不要求时延:不敏感能耗:敏感业务特点:成本:敏感可靠性:>90定位:不要求。低速率小包业务为主二、NB-IOT应用相似点监测风速、风向、温度、湿度、雨量、雨强、土壤温度等信息。行业应用:高率小包业务为主业务特点:气象站土壤监测成本:不敏感可靠性:>90定位:要求移动性:不要求时延:不敏感能耗:不敏感(太阳能）环境监控二、NB-IOT应用相似点智能垃圾箱路灯监测智能垃圾箱:太阳能供电，实时监控垃圾箱是否满城市路灯监控:下发路灯配置信息，上报故障告警信息。行业应用:低速率小包业务为主业务特点:移动性：不要求能耗：不敏感（太阳能）可靠性：>90定位:不要求公共事业三、NB-IOT应用分析三、NB-IOT应用分析自动停车系统NB-IOT技术早期的典型应用项目。三、NB-IOT应用分析三、NB-IOT应用分析三、NB-IOT应用分析三、NB-IOT应用分析三、NB-IOT应用分析三、小结NB-IOT的各种类型的应用及共同点:典型的小包传送数、对延时不敏感、可靠性要求不高，没有充电条件的情况下功耗低NB-IOT智能停车业务的网络建设和业务流程。阶段总结思考题1NB-IOT是低速率的小包传送，那么NB-IOT最低的下行和上行速率分别是多少？2智能停车系统中，计费时间信息可以从哪里获得？物联网通信技术7-5NB-IOT应用系统设计第七章NB-IOT通信01设计目标02终端设计02手机APP和云平台设计一、NB-IOT项目设计目标基于NB-IOT技术的农业环境采集系统采集农业环境中的环境温湿度、光照度、土壤湿度、土壤酸碱度和土壤氮磷钾含量等参数，发送到云端服务器。云端服务器一方面记录这些数据以供后续的数据分析；另一方面发送到手机App，当这些参数出现异常状况时，手机App给用户推送提醒。项目要求实现：通信模组使用NB-IOT技术。项目要求：NB-LOT模块一、NB-IOT项目设计-总体架构设计云端服务器主控供电模块光照度土壤湿度土壤ph值土壤碳酸钾环境温湿度二、NB-IOT设计-终端设计传感终端传感器组电池主控单元NB-IOT模组二、NB-IOT设计-终端设计环境温湿度传感器、光照强度传感器（光敏电阻模块）、土壤湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤氮磷钾传感器二、NB-IOT设计-终端设计STM32NB-IOT模组2.锂电池或者太阳能电池STM32单片机和NB-IOT模组单片机的选择处理能力使用便捷程度扩展性可编程能力成本三、NB-IOT应用设计-主控单元ARMCortex-M3内核内核进阶精简指令集架构架构三、NB-IOT应用设计-主控单元ARMCortex-M3内核内核进阶精简指令集架构架构特点用固定长度的指令格式指令归整、简单基本寻址方变快捷用途通信设备控制设备图像处理设备三、NB-IOT应用设计-主控单元处理各种传感器感应的数据―嵌入式程序。2一般具备32k到128k的闪存，功耗很低，内存写入终端侧的控制程序。1三、NB-IOT应用设计-主控单元NB-IOT天线NB-IOT模组速率调测难易功耗三、NB-IOT应用设计-主控单元可靠成本三、NB-IOT应用设计-NB-IOT模组NE1支持NB-IoT无线电通信协议（3GPPRel.14）。有一个高集成度的SocEC616，内置了应用处理器、低功耗多波段窄带物联网收发器和电源管理单元PMU和少量外围器件构成。NE1内嵌低功耗32位Cortex-M3CPU。NB-IOT模组三、NB-IOT应用设计-NB-IOT模组NE1主要性能指标工作电压范围：2.2~4.5V，典型工作电压：3.3VCatNB1/CatNB23GPPR14NB-IoT标准B3/B5/B8最大发射功率23dBm±2dB接收灵敏度＜-127.3dBm/15kHz（非重传）50Ω特征阻抗，天线需第三方提供NB-IOT模组三、NB-IOT应用设计-NB-IOT模组NE1主要性能指标数据速率：NB-IOT模组网络协议特性：UDP/TCP/CoAP/LWM2M/PPP*/SSL*/DTLS*/FTP*/HTTP*/MQTT*/HTTPS*正常工作温度：-35°C~+75°C，扩展工作温度：-40°C~+85°C，存储温度：-40°C~+90°CMulti-tone：102kbps（下行），157kbps（上行）R14：Single-tone：25.5kbps（下行），16.7kbps（上行）Multi-tone：25.5kbps（下行），62.5kbps（上行）R13：三、NB-IOT应用设计NB-IOT天线型号:CrossAirL01网络类型:4G(全网通)/3G/2G/WCDMA/GSM/CDMA/NB-IoT(全网通)尺寸:23.0x3.5x1.6毫米CA-L01Specification工作频率范围WorkingFrequency700M-960MHz,1710M-2700MHz阻抗impedance50Ω增益Gain(dBi)低频段700M-960MH3.3dBi（peak)中频段1710M-2700MHz2.0dBi（peak)高频段2300M-2700MHz2.0dBi（peak)驻波比VSWR＜3.5工作温度OperationTemperature-40℃~+85℃可承受功率PowerCapacity4W三、NB-IOT应用设计手机APP查询各种数据查询功能：设置数据阈值设置功能：：三、NB-IOT应用设计-云平台云平台三、小结以物联网在农业领域的一个应用案例，设计终端、网络、云平台和APP。其中重点是终端的设计，包括了单片机、NB-IOT模组、电池和感应器，单片机是主控单元，进行数据计算并控制传感器和通信模组的工作。NB_IOT是传输单元，用来传输和接受数据，电池对终端供电，传感器感应和搜集信号。对设备的选择应该从性能、需求、功耗和成本上综合考虑。阶段总结思考题1物联网系统中的STM32单片机的主要功能是什么？单片机的USB接口、USB转串口用来做什么？2NB-IOT的模块支持NB1和NB2标准，速率分别是多少？物联网通信技术7-6NB-IOT模组调测实践第七章NB-IOT通信如何将感应数据发送到云端平台？01任务描述02调测过程一、通信模组调测任务说明将NB-IOT模组连接计算机，使用AT命令完成NB-IOT模组向服务器发送数据。任务说明完成任务需要计算机NB-IOT云服务器LTECat1模块SIM卡串口调试助手二、任务实施第一步：硬件连接插好SIM卡，插好天线。1连接好串口转USB工具。23电源供电。步骤：二、任务实施第二步：打开并设置串口助手打开串口调试工具，设置串口参数：波特率115200、8位数据、1位停止位、校验位和流控制分别选“无”，单击“打开”按钮，打开串口。1二、