物联网技术与应用第4章28839798.pptx
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1、第第4 4章物联网通信章物联网通信第第4 4章物联网通信章物联网通信 移动通信网络移动通信网络 4.1短距离无线通信短距离无线通信 4.2无线传感器网络无线传感器网络 4.34.14.1移动通信网络移动通信网络 4.1.1移动通信基本原理移动通信基本原理4.1.2宽带移动通信宽带移动通信移动通信系统在生活中的应用移动通信系统在生活中的应用移动通信的特点:移动通信的特点:u覆盖广覆盖广u建设成本低建设成本低u部署方便部署方便u具备移动性具备移动性物联网与移动通信网络物联网与移动通信网络物联网的终端都需要以某种方式连物联网的终端都需要以某种方式连接起来,发送或者接收数据。移动通信接起来,发送或者接
2、收数据。移动通信网是适合物联网组网特点的通信和联网网是适合物联网组网特点的通信和联网方式。方式。物联网的组网特点物联网的组网特点u方便性:不需要数据线连接方便性:不需要数据线连接u信息基础设施的可用性:不是所有地方信息基础设施的可用性:不是所有地方都有方便的固定接入能力都有方便的固定接入能力u一些应用场景本身需要随时监控的目标一些应用场景本身需要随时监控的目标就是在移动状态下就是在移动状态下移动通信网络将是物联网主要的接入手段移动通信网络将是物联网主要的接入手段 章节设置章节设置u移动通信的基本原理移动通信的基本原理u移动通信的特点移动通信的特点u移动通信网络的发展历程移动通信网络的发展历程u
3、宽带移动通信系统的标准演进、网络架宽带移动通信系统的标准演进、网络架构和技术特点构和技术特点4.1.1移动通信基本原理移动通信基本原理早期移动通信发展历程早期移动通信发展历程u1897年,马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实年,马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实验,标志无线通信的开始验,标志无线通信的开始u1928年,美国警用车辆的车载无线电系统,标志移动年,美国警用车辆的车载无线电系统,标志移动通信开始通信开始u1946年年,Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网,话网,1960s,实现无线频道自动选择域公用电话网自实现无线频道自动选择域公
4、用电话网自动拨号连接。动拨号连接。u1974年,美国年,美国Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念实验室提出蜂窝移动通信的概念1、移动通信特点、移动通信特点 (1)移动性。)移动性。(2)电波传播条件复杂。)电波传播条件复杂。(3)噪声和干扰严重。)噪声和干扰严重。(4)系统和网络结构复杂。)系统和网络结构复杂。(5)要求频带利用率高,设备性能好。)要求频带利用率高,设备性能好。无线电传播环境无线电传播环境 u携带信息的电磁波的传输是扩散的;携带信息的电磁波的传输是扩散的;u地理环境复杂多变,用户移动随机不可地理环境复杂多变,用户移动随机不可预测,预测,所有这些都造成了无线电波传输的损耗。所有这
5、些都造成了无线电波传输的损耗。多径传播多径传播u基站天线、移动用户天线和这两端天线基站天线、移动用户天线和这两端天线之间的传播路径称之为无线移动信道。之间的传播路径称之为无线移动信道。u多径信号经过不同的路径到达接收端时,多径信号经过不同的路径到达接收端时,具有不同的时延和入射角,这将导致接具有不同的时延和入射角,这将导致接收信号的时延扩展和角度扩展。收信号的时延扩展和角度扩展。u多普勒效应多普勒效应三类损耗和四种效应三类损耗和四种效应三类损耗三类损耗u路径传播损耗路径传播损耗u大尺度衰落损耗大尺度衰落损耗u小尺度衰落损耗小尺度衰落损耗四种效应四种效应u阴影效应阴影效应u远近效应远近效应u多径
6、效应多径效应u多普勒效应多普勒效应2移动通信的发展移动通信的发展u蜂窝系统的概念和理论在蜂窝系统的概念和理论在20世纪世纪60年代年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来,就由美国贝尔实验室等单位提了出来,但其复杂的控制系统直到但其复杂的控制系统直到20世纪世纪70年代年代才大规模实现。才大规模实现。u小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功率和资源重用等优点,决定了它在现代率和资源重用等优点,决定了它在现代移动通信中的重要作用。移动通信中的重要作用。现代移动通信发展历程现代移动通信发展历程现代移动通信发展主要经历了三个阶段现代移动通信发展主要经历了三个阶段u第一代移动
7、通信系统第一代移动通信系统u第二代移动通信系统第二代移动通信系统u第三代移动通信系统第三代移动通信系统(1)第一代移动通信系统)第一代移动通信系统u解决了用户移动性的基本问题解决了用户移动性的基本问题u蜂窝小区系统设计蜂窝小区系统设计:频率复用频率复用-解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾u多址方式:多址方式:FDMAu模拟系统模拟系统-FM调制、模拟电路交换、模拟语音信号调制、模拟电路交换、模拟语音信号u业务功能:单一通话业务功能:单一通话u第一阶段是模拟蜂窝移动通信网,时间第一阶段是模拟蜂窝移动通信网,时间是是20世纪世纪70年代中期至年代中期至80年代中期
8、。年代中期。u模拟系统有以下缺点:频谱利用率低;模拟系统有以下缺点:频谱利用率低;业务种类有限;无高速数据业务;保密业务种类有限;无高速数据业务;保密性差,易被窃听和盗号;设备成本高;性差,易被窃听和盗号;设备成本高;体积大,重量大。体积大,重量大。(2)第二代移动通信系统)第二代移动通信系统u数字化通信数字化通信语音信号数字化、数字式电路交换、数语音信号数字化、数字式电路交换、数字式调制字式调制u多址方式:多址方式:TDMA,CDMAu微蜂窝小区结构:提高用户数量微蜂窝小区结构:提高用户数量u采用了一系列数字处理技术来有效提高采用了一系列数字处理技术来有效提高通信质量通信质量 纠错编码、交织
9、、自适应均衡、分集等纠错编码、交织、自适应均衡、分集等u业务类型:以通话为主,还有低速数据业务类型:以通话为主,还有低速数据业务业务u以以GSM和和IS-95为代表的第二代移动通信为代表的第二代移动通信系统,时间是从系统,时间是从20世纪世纪80年代中期开始年代中期开始u从从1996年开始,为了解决中速数据传输年开始,为了解决中速数据传输问题,又出现了问题,又出现了2.5G移动通信系统,如移动通信系统,如GPRS和和IS-95B。CDMA应用于数字移动通信的优点应用于数字移动通信的优点 u系统容量大:系统容量大:比模拟网大比模拟网大10倍,比倍,比GSM大大4.5倍倍u系统通信质量更佳系统通信
10、质量更佳:软切换技术:软切换技术u频率规划灵活频率规划灵活u适用于多媒体通信系统:适用于多媒体通信系统:多多CDMA信道方式、多信道方式、多CDMA帧方式帧方式(3)第三代移动通信系统)第三代移动通信系统u以以多媒体多媒体(Multi-media)综合服务业务为综合服务业务为主要特征主要特征会话型、数据流型、互动型、后台类型会话型、数据流型、互动型、后台类型u主要以宽带主要以宽带CDMA技术为基础技术为基础WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA、WiMax等等u多址方式:多址方式:TDMA/CDMA/OFDMAu电路交换电路交换分组交换分组交换u引入多种新技术引入多种新技术智能天线、发端
11、分集、空时码、智能天线、发端分集、空时码、OVSFOVSF多址码等多址码等第三代移动通信系统的目标第三代移动通信系统的目标 u能实现全球漫游能实现全球漫游u能提供多种业务能提供多种业务u能适应多种环境能适应多种环境u足够的系统容量足够的系统容量4.1.2宽带移动通信宽带移动通信u第第三三代代移移动动通通信信系系统统的的概概念念是是国国际际电电联联(ITUITU)早早在在19851985年年就就提提出出的的,当当时时称称为为未未来来公公共共陆陆地地移移动动通通信信系系统统(FPLMTSFPLMTS),19961996年年更更名名为为IMT-2000IMT-2000,在在欧欧洲洲称称其其为为个个人
12、人移移动动通通信信系系统统(UMTSUMTS)。)。uIMT-2000的的宗宗旨旨是是建建立立全全球球的的综综合合性性个个人人通通信信网网,提提供供多多种种业业务务,尤尤其其是是多多媒媒体体和和高高比比特特率率分组数据业务并实现全球无缝覆盖。分组数据业务并实现全球无缝覆盖。演变历程演变历程u2000年年5月举行的月举行的ITU-T2000年全会上,被正年全会上,被正式命名为式命名为IMT-2000无线接口技术规范无线接口技术规范u2007年年10月,月,ITU在日内瓦举行的无线通信全在日内瓦举行的无线通信全体会议上,与会国家通过投票正式通过无线宽体会议上,与会国家通过投票正式通过无线宽带技术带
13、技术WiMAX成为成为3G标准标准u2008年全球移动大会上,主流设备厂商不约而年全球移动大会上,主流设备厂商不约而同地发布了同地发布了LTE的研究成果和后续演进策略的研究成果和后续演进策略IMT-2000无线传输技术分类无线传输技术分类IMT-2000CDMAFDDDSWCDMAFDDMCcdma2000TDDTD-SCDMATD-CDMAIMT-2000TDMATDMAMCUWC-136TDMASCEP-DECTu移动通信网络将成为物联网最重要的信移动通信网络将成为物联网最重要的信息基础设施,为人与人之间通信、人与息基础设施,为人与人之间通信、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提网络之间
14、的通信、物与物之间的通信提供服务供服务u工业和信息化部领导在工业和信息化部领导在2009年年“全国工全国工业和信息化工作会议业和信息化工作会议”上指出,上指出,2010年年将推进国家传感信息中心建设,促进物将推进国家传感信息中心建设,促进物联网与互联网、移动互联网融合发展联网与互联网、移动互联网融合发展(1)WCDMA的演进过程的演进过程 u1985:FPLMTS,1996更名为IMT-2000u1992:WRC92大会分配频谱230MHzu1999.3:完成IMT-2000RTT关键参数u1999.11:完成IMT-2000RTT技术规范u2000:完成IMT2000全部网络标准u成立3GP
15、P(1998.12)、3GPP2(1999)等标准化组织WCDMA技术特点技术特点信道带宽信道带宽5MHz双工方式双工方式FDD或或TDD码元速率码元速率384Mchip/s帧长帧长10ms下行链路和下行链路和RF信道结信道结构构直扩直扩扩频调制方式扩频调制方式上行:双信道上行:双信道QPSK;下行:平衡下行:平衡QPSK;复扩频电路复扩频电路数据调制方式数据调制方式上行:上行:BPSK;下行:下行:QPSK信道编码信道编码交织或交织或turbo码码相干检测相干检测上上/下行:用户专用的时间复用导频下行:用户专用的时间复用导频;下行:共用导频下行:共用导频上行信道复用上行信道复用控制和导频信道
16、时分复用;数据和控制信道控制和导频信道时分复用;数据和控制信道I&Q复用复用下行信道复用下行信道复用数据和控制信道时分复用数据和控制信道时分复用多速率多速率可变扩频和多码可变扩频和多码扩频因子扩频因子4256功率控制功率控制开环和快速闭环开环和快速闭环(1.6KHz)下行扩频码下行扩频码可变长度的正交序列码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道,划分信道,2181的的Gold序列码区分小区和用序列码区分小区和用户户上行扩频码上行扩频码可变长度的正交序列码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道,划分信道,2411的的Gold序列区分用户序列区分用户切换切换软切换软切换,频率间切换频率间切换R
17、99网络结构网络结构R99网络特点网络特点u接入部分接入部分全新的全新的5MHz/载频的宽带码分多址接入网;功载频的宽带码分多址接入网;功率控制;软切换;更软切换率控制;软切换;更软切换u核心网核心网电路域与电路域与GSM完全兼容;相对于完全兼容;相对于GPRS,增加,增加了服务级别的概念了服务级别的概念u系统系统采用分组域和电路域分别承载与处理的方式采用分组域和电路域分别承载与处理的方式u目前的商业部署全都采用了目前的商业部署全都采用了R99R4网络结构网络结构R4网络改进网络改进u加入低码片速率加入低码片速率TDD模式(模式(LCRTDD),即),即由我国提出的由我国提出的TD-SCDMA
18、u引入直放站来解决复杂地形覆盖问题引入直放站来解决复杂地形覆盖问题u引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以提高容量提高容量u通过通过NodeB同步减少系统邻近小区的交调干扰,同步减少系统邻近小区的交调干扰,降低传输网络的成本降低传输网络的成本u引入引入Iub和和Iur上的上的AAL2连接的连接的QoS优化优化R4网络特点网络特点u电路域核心网中引入了基于软交换架构电路域核心网中引入了基于软交换架构的分层架构,使电路交换域和分组交换的分层架构,使电路交换域和分组交换域可以承载在一个公共的分组骨干网上域可以承载在一个公共的分组骨干网上u主要实现了话音、数据
19、、信令承载统一主要实现了话音、数据、信令承载统一u提高了组网的灵活性提高了组网的灵活性R5网络结构网络结构R5网络改进网络改进u高速下行分组接入(高速下行分组接入(HSDPA)的功能,)的功能,下行理论峰值数据速率可高达下行理论峰值数据速率可高达14.4Mbit/su涉及的关键技术涉及的关键技术u自适应编码调制自适应编码调制uHARQu快速蜂窝选择(快速蜂窝选择(FCS)uMIMOR5网络特点网络特点uR5协议引入了协议引入了IP多媒体子系统(多媒体子系统(IMS)u由由CSCF、MGCF、MRF和和HSS功能实体组成功能实体组成u为多媒体业务提供支持为多媒体业务提供支持u呼叫控制功能呼叫控制
20、功能u与传统网络进行互通与传统网络进行互通u实现其他资源密集型功能实现其他资源密集型功能u信令实体(信令实体(CSCF)与媒体处理是完全分离的)与媒体处理是完全分离的R6(HSUPA)u引入高速上行分组接入引入高速上行分组接入(HSUPA)u提供多媒体广播和多播业务(提供多媒体广播和多播业务(MBMS)u进入进入IMS第二阶段第二阶段u支持支持WLAN-UMTS互通互通u增强增强QoS(2)WCDMA系统结构系统结构u通用移动通信系统通用移动通信系统(UMTS)是采用)是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通空中接口技术的第三代移动通信系统信系统uUMTS系统系统由陆地无线接入网由陆地无线接
21、入网(UTRAN)和核心网络()和核心网络(CN)构成)构成WCDMA系统结构系统结构WCDMA系统结构系统结构UEuUE是用户终端设备是用户终端设备uUE从逻辑上包括移动设备(从逻辑上包括移动设备(ME)和用户身份)和用户身份模块(模块(SIM)UTRANu由基站(由基站(NodeB)和无线网络控制器()和无线网络控制器(RNC)组成组成uNodeB是是WCDMA系统的基站系统的基站uRNC是无线网络控制器是无线网络控制器WCDMA系统结构系统结构CNuCN即核心网络,负责与其他网络的连接和对即核心网络,负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理的通信和管理uMSC/VLR是是CS域功能节点域
22、功能节点uGMSC是是CS域与外部网络之间的网关节点域与外部网络之间的网关节点uSGSN(服务(服务GPRS支持节点)是支持节点)是PS域功能节域功能节点点uGSN(网关(网关GPRS支持节点)是支持节点)是PS域功能节点域功能节点uHLR(归属位置寄存器)是(归属位置寄存器)是CS域和域和PS域共有域共有的功能节点的功能节点WCDMA系统结构系统结构ExternalNetworksu外部网络,可以分为电路交换网络(外部网络,可以分为电路交换网络(CSNetworks)和分组交换网络()和分组交换网络(PSNetworks)两类)两类2cdma2000u美国美国TIA提出,可从提出,可从IS-
23、95和和IS-95B平滑平滑过渡,升级简单过渡,升级简单ucdma20001x采用采用1.25M的带宽的带宽ucdma20001xEVDO可支持可支持2.4Mb/s的数的数据速率,据速率,cdma20001xEVDV可支持话可支持话音和数据音和数据ucdma20003x采用采用3个个1.25M的带宽进行的带宽进行传输传输。cdma2000演进演进CDMA20001XCDMA20003X信号带宽信号带宽1.25MHZ31.25=3.75MHz下行链路下行链路RF信道结构信道结构直接扩频直接扩频多载波扩频多载波扩频码片速率码片速率上上/下行:下行:1.2288Mcps下行:下行:1.2288Mcp
24、s,上行:,上行:3.6864Mcps定时定时同步同步(定时驱动,例如从定时驱动,例如从GPS来的定时来的定时)帧长帧长20ms/5ms可选可选扩频调制扩频调制下行:平衡下行:平衡QPSK,上行:具有混合相移链控的双信道,上行:具有混合相移链控的双信道QPSK数据调制数据调制下行:下行:QPSK,上行:,上行:BPSK相干检测相干检测下行:公共连续导频信道和辅助导频,上行:导频符号,即导频和功控下行:公共连续导频信道和辅助导频,上行:导频符号,即导频和功控以及以及EIB时分复用时分复用上行信道复用上行信道复用控制、导频、基本和辅助码复用,控制、导频、基本和辅助码复用,I和和Q复用数据与控制信道
25、复用数据与控制信道多速率多速率可变扩频增益和多码可变扩频增益和多码扩频因子扩频因子4256功率控制功率控制开环和快速闭环开环和快速闭环(800Hz,1.25ms)扩频码扩频码(下行下行)信信道道扩扩频频码码:可可变变长长度度正正交交Walsh码码;基基站站(小小区区)扩扩频频码码:,m m序序列且列且I I与与Q Q用不同序列用不同序列 (在码字受限时,采用准正交函数(在码字受限时,采用准正交函数QoF QoF)扩频码扩频码(上行上行)用户扩频码:用户扩频码:(不同时间偏移并截短用于用户不同时间偏移并截短用于用户)切换切换扇区间,小区间软切换,频段间硬切换扇区间,小区间软切换,频段间硬切换发分
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