物聯(lián)網技術導論 -課件 第8章 移動通信網絡

物聯(lián)網

技術導論數(shù)字經濟系列教材第

8章

移動通信網絡物聯(lián)網

技術導論01028.2M2M和D2D技術目錄CONTENTS8.13G/4G/5G移動通信技術8.13G/4G/5G移動通信技術移動通信是移動體之間的通信，或移動體與固定體之間的通信。也就是說，移動通信的雙方至少有一方處于移動中。移動體可以是人，也可以是汽車或輪船等移動的物體。移動通信起源于19世紀末，意大利電氣工程師馬可尼完成了陸地與一只拖船之間的無線電通信。從第一代(FirstGeneration,1G)移動通信系統(tǒng)開始，移動通信已經歷了從1G到2G、3G和4G,并演進到5G的發(fā)展歷程。移動通信8.13G/4G/5G移動通信技術第一代(1G)移動通信是以模擬技術為基礎的蜂窩無線電話系統(tǒng)。1978年年底，美國貝爾試驗室研制成功了全球第一個移動蜂窩電話系統(tǒng)：先進移動電話系統(tǒng)(AdvancedMobilePhoneSystem,AMPS)。同一時期，歐洲各國也不甘示弱，紛紛建立起自己的第一代移動通信系統(tǒng)。瑞典等北歐4國在1980年研制成功了NMT-450移動通信網：聯(lián)邦德國在1984年完成了C網絡(C-Netz)；英國則于1985年開發(fā)出全接入通信系統(tǒng)(TACS)。在各種1G移動通信系統(tǒng)中，美國的AMPS在全球的應用最為廣泛，它曾經在超過72個國家和地區(qū)運營。同時，也有近30個國家和地區(qū)采用英國TACS制式的1G系統(tǒng)。我國的1G移動通信系統(tǒng)于1987年11月18日開通，采用的是英國TACS制式，到2001年12月底關閉，用戶數(shù)最高曾達到了660萬。如今，1G時代那像磚頭一樣的手持終端(大哥大)已經成為很多人的回憶。由于采用的是模擬技術，1G移動通信系統(tǒng)在設計上只能傳輸語音，系統(tǒng)容量也十分有限。此外，安全性和穩(wěn)定性也存在較大的問題。1G移動通信系統(tǒng)的先天不足，使得它無法真正大規(guī)模普及和應用，價格更是非常昂貴。與此同時，不同國家的1G移動通信的技術標準各不相同，即只有“國家標準”，沒有“國際標準”，國際漫游成為個突出的問題。第一代移動通信（1G）8.13G/4G/5G移動通信技術第二代(2G)移動通信系統(tǒng)以數(shù)字化為主要特征，以傳輸語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務為目的，因此又稱為窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)，典型代表是歐洲的GSM和美國的IS-95。1982年，北歐4國向歐洲郵電主管部門大會(CEPT)提交了一份建議書，要求建立歐洲統(tǒng)一的蜂窩移動通信系統(tǒng)。同年，成立了歐洲“移動通信特別小組，后來演變成“全球移動通信系統(tǒng)(GlobalSystemforMobileCommunication,GSM)”。隨后，美國制定了數(shù)字先進移動電話服務(Digital-AdvancedMobilePhoneService,D-AMPS)和IS-95碼分多址(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)，其中IS-95是由高通公司(Qualcomm)發(fā)起的全球第一個基于CDMA的數(shù)字蜂窩標準。2G可以進行語音通信，還可以收發(fā)短信(短消息、SMS)、彩信(MMS、多媒體簡訊)等。2G提供更高的網絡容量，改善了語音質量和保密性，還引入了無縫的國際漫游。第二代移動通信（2G）8.13G/4G/5G移動通信技術第三代(3G)移動通信是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信。相對于1G的模擬移動通信和2G的數(shù)字移動通信，3G的代表特征是提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務。3G將無線通信與互聯(lián)網相結合，使網絡移動化成為現(xiàn)實。2000年5月，國際電信聯(lián)盟(ITU)正式公布了3G標準，我國提交的TD-SCDMA與WCDMA、CDMA2000一起成為3G的三大主流標準。2001年10月，3G網絡首次商用，日本運營商NTTDoCoMo的WCDMA正式運營。2007年10月，ITU在日內瓦舉行無線通信全體會議，WiMAX被批準為全球3G標準。2009年4月20日，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《第三代移動通信服務規(guī)范(試行》通知，我國開始建設3G網絡。第三代移動通信（3G）8.13G/4G/5G移動通信技術世界很多組織給4G下了不同的定義，而國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義代表了傳統(tǒng)移動運營商對4G的看法。ITU認為:4G是基于IP協(xié)議的高速蜂窩移動網，無線通信技術從現(xiàn)有的3G演進而來，4G的傳輸速率可以達到100Mbit/s。4G的特點通信速度快移動通信數(shù)據(jù)傳輸速率為基礎進行比較。1G移動通信僅提供語音服務；2G移動通信數(shù)據(jù)傳輸速率也只有9.6kb/s；3G移動通信數(shù)物傳輸速率可達到2Mb/s

；而4G移動通信數(shù)據(jù)傳輸速率可達到100Mb/s。通信靈活從嚴格意義上說，4G手機已不能簡單劃歸為“電話機”的范疇，語音的傳輸只是4G手機的功能之一而已。4G手機更應該算是個小型計算機，4G使人們不僅可以隨時隨地通信，還可以雙向傳遞下載資料、圖畫、視頻，當然更可以和從未謀面的陌生人網上聯(lián)線對打游戲。智能性高4G移動通信的智能性更高，不僅表現(xiàn)在4G通信的終端設備具有操作智能化，更重要的是4G手機可以實現(xiàn)更多的功能。兼容性好4G移動通信具備全球漫游功能，接口開放，能跟多種網絡互聯(lián)，終端多樣化。費用便宜4G通信解決了與3G通信的兼容性問題，4G通信部署起來就容易迅速得多。4G通信的無線即時連接等服務會比3G通信更加便宜。第四代移動通信（4G）8.13G/4G/5G移動通信技術5G是4G之后的延伸，5G具有更高速率、更大帶寬和更強空中接口技術，是面向用戶體驗和業(yè)務應用的智能無線網絡。5G移動數(shù)據(jù)流量為“Gbit/s用戶體驗速率”，5G網絡正朝著多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發(fā)展，5G各種智能終端將不斷增長和普及。5G網絡不僅承載人與人之間的通信，還要承載人與物、物與物之間的通信，既可支撐大量終端，又使個性化、定制化的應用成為常態(tài)。第五代移動通信（5G）8.13G/4G/5G移動通信技術第五代移動通信（5G）5G技術的發(fā)展過程自2012年ITU通過了4G標準之后，通信業(yè)界開始研究5G,各國成立了專門組織推進5G研究，爭搶新一輪技術和標準的影響力和制高點。例如，歐盟啟動了METIS、5GNOW等多個5G預研項目，并成立了5GPPP；韓國成立了5GForum等；美國和日本也啟動了5G研究；我國則成立了IMT-2020(5G)推進組。2013年2月，歐盟宣布加快5G移動技術的發(fā)展，計劃到2020年推出成熟標準。2013年2月，我國發(fā)起成立了IMT-2020(5G)推進組，目標是在“3G突破、4G同步”的基礎上，實現(xiàn)“5G引領”全球。2014年5月，日本六家廠商合作，開始測試現(xiàn)有4G網絡1000倍承載能力的高速5G網絡，并期望于2020年開始運作。2017年12月，在國際電信標準組織第78次全體會議上，第一個5G標準5GNR首發(fā)版本正式凍結并發(fā)布，NR是指新空口(NewRadio)。2018年2月，中國移動公布了2018年5G計劃：將在杭州、上海、廣州、蘇州、武漢五個城市開展外場測試。2019年6月6日，我國工信部向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通、中國廣電四家運營商發(fā)放5G商用牌照。2019年10月31日，我國5G正式商用。8.13G/4G/5G移動通信技術第五代移動通信（5G）5G的技術特點(1)5G是萬物互聯(lián)、連接場景的一代移動通信從1G到4G主要是以人與人通信為主，5G則是跨越到人與物、物與物通信的時代。5G是萬物互聯(lián)和連接場景的時代，從業(yè)務和應用的角度，5G具有大數(shù)據(jù)、海量連接和場景體驗3大特點，滿足未來更廣泛的數(shù)據(jù)和連接業(yè)務需要。(2)5G是電信IT化、軟件定義的一代5G將是全新一代的移動通信技術，5G網絡呈現(xiàn)軟件化、智能化、平臺化趨勢，5G是通信技術(CT)與信息技術(IT)的深度融合。5G通過軟件定義網絡(SDN)網絡功能虛擬化(NFV)以及軟件定義無線電的無線接入空口，實現(xiàn)5G可編程的核心網和無線接口。(3)5G是云化的一代5G的云化趨勢包括：基帶處理能力的云化(C-RAN)、采用移動邊緣內容與計算(MECC）和終端云化。8.13G/4G/5G移動通信技術第五代移動通信（5G）5G的技術特點(4)5G是蜂窩結構變革的一代從1G到4G都是基于傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)，即形狀規(guī)則(多為六邊形)的蜂窩小區(qū)組網。傳統(tǒng)單層規(guī)則的蜂窩小區(qū)概念已不存在，5G移動通信首次出現(xiàn)了去蜂窩的趨勢。(5)5G足承前啟后和探索的一代移動通信技術更新約10年一代。1G的目的是要解決語音通信，但語音質量與安全性都不好；到2G時，GSM和CDMA在解決語音通信方面達到極致；1998年提出的3G最初目標是解決多媒體通信(如視頻通信)，但2005年后出現(xiàn)移動互聯(lián)網接入的重大應用需求，不過解決得不好；LTE對移動互聯(lián)網接入需求的解決是到位的，但又面臨語音通信(VoLTE)問題。5G的目標是要解決萬物互聯(lián)。因此，5G將是有探索價值的一代，是移動通信歷史上邁向萬物互聯(lián)的承前啟后的一代。8.13G/4G/5G移動通信技術第五代移動通信（5G）5G的關鍵技術無線傳輸關鍵技術網絡關鍵技術8.13G/4G/5G移動通信技術5G與物聯(lián)網第一，物聯(lián)網規(guī)模的發(fā)展對5G技術的需求面對物聯(lián)網不同的應用場景，系統(tǒng)對網絡傳輸延時要求從1ms到數(shù)秒不等，每個小區(qū)在線連接數(shù)從幾十個到數(shù)萬個不等。智能家居、智能工業(yè)、智能環(huán)保、智能醫(yī)療、智能交通應用的發(fā)展，數(shù)以千億計的感知與控制設備、智能機器人、可穿戴計算設備、無人駕駛汽車、無人機將接入物聯(lián)網；物聯(lián)網控制指令和數(shù)據(jù)實時傳輸，對移動通信與移動通信網提出了高帶寬、高可靠性與低時延的迫切需求。物聯(lián)網規(guī)模的超常規(guī)發(fā)展，大量的物聯(lián)網應用系統(tǒng)將部署在山區(qū)、森林、水域等偏僻地區(qū)。很多物聯(lián)網感知與控制節(jié)點將密集部署在大樓內部、地下室、地鐵與隧道中，4G網絡與技術已難以適應這種場景，只能寄希望于5G網絡與技術。移動互聯(lián)網與物聯(lián)網作為未來移動通信發(fā)展的兩大驅動力，推動著移動通信技術從4G向5G的發(fā)展，同時5G技術的成熟和應用也將使物聯(lián)網應用的帶寬、可靠性與時延瓶頸得到解決。5G與物聯(lián)網的關系可以從以下兩個方面去認識。8.13G/4G/5G移動通信技術5G與物聯(lián)網移動互聯(lián)網與物聯(lián)網作為未來移動通信發(fā)展的兩大驅動力，推動著移動通信技術從4G向5G的發(fā)展，同時5G技術的成熟和應用也將使物聯(lián)網應用的帶寬、可靠性與時延瓶頸得到解決。5G與物聯(lián)網的關系可以從以下兩個方面去認識。第二，物聯(lián)網性能的發(fā)展對5G技術的需求物聯(lián)網涵蓋智能工業(yè)、智能農業(yè)、智能交通、智能醫(yī)療與智能電網等各個行業(yè)、業(yè)務類型多、業(yè)務需求差異性大。尤其是在智能工業(yè)的工業(yè)機器人與工業(yè)控制系統(tǒng)中，節(jié)點之間的感知數(shù)據(jù)與控制指令傳輸必須保證是正確的，延時必須在毫秒量級，否則就會造成工業(yè)生產事故。無人駕駛汽車與智能交通控制中心之間的感知數(shù)據(jù)與控制指令傳輸尤其要求準確性，延時必須控制在毫秒量級，否則就會造成車毀人亡的重大交通事故。8.2M2M和D2D技術M2M是指不在人的控制下的一種通信方式；M2M（Machine-to-Mchine,M2M）中的“機器”可以是傳統(tǒng)意義上的機器，也可以是物聯(lián)網智能硬件或軟件。移動通信網主要是為人與人之間在移動狀態(tài)下打電話和訪問互聯(lián)網而設計的。在研究物聯(lián)網應用時，我們自然會希望利用無處不在的移動通信網，實現(xiàn)物聯(lián)網“萬物互聯(lián)”的目的。也就是說，我們希望將移動通信網的使用對象，由人擴大到感知與執(zhí)行設備、移動終端設備，將“人與人”通信擴大到“機器與機器”的通信。無線M2M協(xié)議(WMMP)是支持移動通信網中機器與機器交互的通信協(xié)議。用戶、出租車司機發(fā)送給服務器的數(shù)據(jù)，以及服務器發(fā)送給用戶與司機的數(shù)據(jù)，在移動通信網中都按照WMMP通信協(xié)議的格式被封裝成M2M數(shù)據(jù)包進行傳輸。M2M的基本概念M2M示意圖8.2M2M和D2D技術終端直通(DevicetoDevice，D2D)技術是指鄰近的終端距離較近，可以采取不通過小區(qū)的基站，直接在相鄰終端之間建立無線通信鏈路的方式，實現(xiàn)終端之間的直接通信。D2D對于物聯(lián)網應用系統(tǒng)來說是一種非常有用的技術。因為在物聯(lián)