《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》 課件 第6章 4G通信技術(shù)

第6章4G技術(shù)本章目標(biāo)熟悉4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熟悉移動(dòng)設(shè)備通信流程理解4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行-3-6.14G網(wǎng)絡(luò)的概述6.24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及交換技術(shù)6.33G和4G的比較6.44G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和發(fā)展前景6.5遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用實(shí)例6.14G網(wǎng)絡(luò)概述4G技術(shù)含義4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景4G網(wǎng)絡(luò)即第四代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，指的是第四代移動(dòng)通信技術(shù)。4G是集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像，它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比目前的撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達(dá)到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。4G可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴(kuò)展到整個(gè)地區(qū)。很明顯，4G有著不可比的優(yōu)越性。6.1.14G技術(shù)含義最早的移動(dòng)通信電話用的模擬蜂窩通信技術(shù)，接著使用GSM通信技術(shù)然而緊接著出現(xiàn)新的通信技術(shù)GPRS在這之后，通信運(yùn)營商們又推出EDGE技術(shù)在新興通信技術(shù)的不斷推動(dòng)之下，象征著3G通信的標(biāo)志技術(shù)WCDMA也成為了通信技術(shù)的主流，此外WCDMA和MPEG-4技術(shù)結(jié)合起來還可以處理真實(shí)的動(dòng)態(tài)圖像。在上述通信技術(shù)的基礎(chǔ)之上，無線通信技術(shù)最終邁向4G通信技術(shù)時(shí)代。6.1.24G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景6.1.24G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景1G語音2G語言、短信2.5G通訊、娛樂3G通訊、娛樂、商務(wù)4G9.6K100M模擬115K2M6.1.24G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景6.24G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4G網(wǎng)絡(luò)幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)物理網(wǎng)絡(luò)層中間環(huán)境層應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層中間環(huán)境層的功能有QoS映射、地址變換和完全性管理等。

物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能，它們由無線和核心網(wǎng)的結(jié)合格式完成。

物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的接口是開放的，它使發(fā)展和提供新的應(yīng)用及服務(wù)變得更為容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務(wù)，并運(yùn)行于多個(gè)頻帶。這一服務(wù)能自適應(yīng)多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端能力，跨越多個(gè)運(yùn)營者和服務(wù)，提供大范圍服務(wù)。

6.2.14G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1、實(shí)現(xiàn)了控制與承載的分離，MME負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理、信令處理等功能，S-GW負(fù)責(zé)媒體流處理及轉(zhuǎn)發(fā)等功能;2、核心網(wǎng)取消了CS(電路域)，全I(xiàn)P的EPC(EvolvedPacketCore，移動(dòng)核心網(wǎng)演進(jìn))支持各類技術(shù)統(tǒng)一接入，實(shí)現(xiàn)固網(wǎng)和移動(dòng)融合(FMC)，靈活支持VoIP及基于IMS多媒體業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P化;3、取消了RNC，原來RNC功能被分散到了eNodeB和網(wǎng)關(guān)(GW)中，eNodeB直接接入EPC，LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加扁平化，降低了用戶可感知的時(shí)延，大幅提升用戶的移動(dòng)通信體驗(yàn);6.2.14G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4、接口連接方面，引入S1-Flex和X2接口，移動(dòng)承載需實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，X2是相鄰eNB間的分布式接口，主要用于用戶移動(dòng)性管理;S1-Flex是從eNB到EPC的動(dòng)態(tài)接口，主要用于提高網(wǎng)絡(luò)冗余性以及實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡;5、傳輸帶寬方面：較3G基站的傳輸帶寬需求增加10倍，初期200-300Mb/s，后期將達(dá)到1Gb/s。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括信道傳輸；抗干擾性強(qiáng)的高速接入技術(shù)、調(diào)制和信息傳輸技術(shù)；高性能、小型化和低成本的自適應(yīng)陣列智能天線；大容量、低成本的無線接口和光接口；系統(tǒng)管理資源；軟件無線電、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)議等。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以正交頻分復(fù)用（OFDM）為技術(shù)核心。OFDM技術(shù)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，可以提供比目前無線數(shù)據(jù)技術(shù)質(zhì)量更高（速率高、時(shí)延?。┑姆?wù)和更好的性能價(jià)格比，能為4G無線網(wǎng)提供更好的方案。例如無線區(qū)域環(huán)路（WLL）、數(shù)字音訊廣播（DAB）等，都將采用OFDM技術(shù)。6.2.24G網(wǎng)絡(luò)幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)，實(shí)際上是MCM多載波調(diào)制的一種，其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。軟件無線電(SoftwareDefinedRadio，簡稱SDR)，就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來定義實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各部分功能。智能天線，為波束間沒有切換的多波束或自適應(yīng)陣列天線。多波束天線與固定波束天線相比，天線陣列的優(yōu)點(diǎn)是除了提供高的天線增益外，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。4.IPv6，4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。選擇IPv6協(xié)議主要基于以下幾點(diǎn)的考慮：巨大的地址空間、自動(dòng)控制、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、移動(dòng)性。5.MIMO(多輸入多輸出技術(shù))技術(shù)，是近年來熱門的無線通訊技術(shù)之一。4G系統(tǒng)采用了MIMO技術(shù)，即在基站端放置多個(gè)天線，在移動(dòng)臺(tái)也放置多個(gè)天線，基站和移動(dòng)臺(tái)之問形成MIM0通信鏈路。6.33G和4G的比較

系統(tǒng)參數(shù)的比較通信格局的變化核心技術(shù)的不同6.3.1系統(tǒng)參數(shù)的比較3G的網(wǎng)絡(luò)是嚴(yán)格的分層結(jié)構(gòu),一般包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和用戶設(shè)備三部分。4G將采用單一的全球范圍的蜂窩核心網(wǎng)來取代3G中密密麻麻的蜂窩網(wǎng)絡(luò),其采用全數(shù)字全I(xiàn)P技術(shù)。這是從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)智能化及網(wǎng)絡(luò)邊緣智能化向全網(wǎng)智能化的發(fā)展。3G移動(dòng)通信系統(tǒng)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)6.3.2通信格局的變化3G系統(tǒng)主要以CDMA為核心技術(shù)。CDMA是將相互正交的不同的碼分配給不同用戶調(diào)制信號(hào),實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)使用同一頻率接入系統(tǒng)。4G系統(tǒng)的核心技術(shù)OFDM屬于多載波調(diào)制(MCM),它將指配的信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸,同時(shí)要求信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。6.3.3核心技術(shù)的不同4G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

2、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬活

3、通信更加靈，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的多媒體通信，4、智能性能更高頻率，使用效率更高5、兼容性能更平滑6、提供各種增值服務(wù)，通信費(fèi)用更加便宜1、通信速度更快6.44G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和發(fā)展前景

全球4G發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)運(yùn)營商發(fā)展現(xiàn)狀4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢截至目前，全球新增6個(gè)商用網(wǎng)絡(luò)，商業(yè)網(wǎng)總數(shù)達(dá)到24個(gè)，其中包括11個(gè)TDD+FDD雙模網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)eRelay網(wǎng)絡(luò)。而在建的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)新增11個(gè)，總數(shù)達(dá)到39個(gè)。并有超過40個(gè)運(yùn)營商明確將于今、明兩年內(nèi)推出TD-LTE商用服務(wù)。6.4.1

4G發(fā)展現(xiàn)狀今年第三季度，中國移動(dòng)公布了2013年4G網(wǎng)絡(luò)工（即中國移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)一期工程）無線主設(shè)備招標(biāo)結(jié)果，全國共計(jì)劃建設(shè)20.7萬個(gè)TD-LTE基站，約55萬個(gè)載頻，計(jì)劃覆蓋全國344個(gè)城市。聯(lián)通目前已建成的3G網(wǎng)絡(luò)，簡單升級(jí)就是4G，部分城市已經(jīng)升級(jí)至HSPA＋，實(shí)際上已是準(zhǔn)4G（國際電聯(lián)ITU認(rèn)定HSPA＋就是4G），這個(gè)技術(shù)具備無限演進(jìn)的能力，將來可輕松升至84M、168M，甚至更高，全球運(yùn)營商基本都采用LTE-FDD，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，這個(gè)才是全球主流，也是世界共識(shí)。中國電信，無論選擇哪個(gè)，都將大大落后。6.4.2

國內(nèi)運(yùn)營商發(fā)展現(xiàn)狀1、4G標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在國際并未確立，WIMAX和LTE也僅僅能說得上是3.9G，準(zhǔn)4G而已。

2、移動(dòng)正在做TD-LTE的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，而聯(lián)通可以發(fā)展為更快速的R7版本HSPA+，電信僅會(huì)停留于CDMA20001x-evdo。

3、WIMAX有點(diǎn)類似于城域網(wǎng)，覆蓋范圍較廣，1-6英里，對于移動(dòng)通話來說會(huì)造成容量超載等，局部過大的干擾不易解決?，F(xiàn)階段3G站基本都幾百米一個(gè)。

4、4G尚未確立，更談不上運(yùn)作，現(xiàn)階段國內(nèi)3G也仍是起步階段，4G仍舊遙遠(yuǎn)。6.4.2

4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢6.5遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用實(shí)例

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)分層方法將該系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層位于智能大棚，主要是通過一體化傳感器(集成各類傳感器、處理模塊、采集模塊、發(fā)射模塊等)以及高清網(wǎng)絡(luò)攝像球等設(shè)備實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別、信息采集等功能。一體化傳感采集器包含ZigBee無線射頻模塊，可通過ZigBee短距離無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)后，再通過4G路由器與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的嵌入式監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信。6.5.1

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)傳輸層是系統(tǒng)的中樞以及信息采集后進(jìn)行傳遞和處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳輸層設(shè)備包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及4G路由器。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)一方面通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接一體化傳感器采集數(shù)據(jù)，另一方面則通過RJ45連接4G路由器，實(shí)現(xiàn)對串口格式數(shù)據(jù)的傳遞，并將其轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)格式。應(yīng)用層是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)邏輯的管理端，嵌入式監(jiān)控主機(jī)上的信息安全運(yùn)行保障集中管理系統(tǒng)即該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理終端，對各無線傳感器節(jié)點(diǎn)及攝像頭所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分別管理、分析和匯總，實(shí)現(xiàn)智能化、精細(xì)化的管理。6.5.2系統(tǒng)架構(gòu)6.5.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）硬件設(shè)計(jì)一體化無線采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)無線采集節(jié)點(diǎn)采用一體化設(shè)計(jì)，整合了多種傳感器模塊、處理模塊以及射頻模塊。由于使用模塊化設(shè)計(jì)，該節(jié)點(diǎn)可根據(jù)所需的傳感器種類進(jìn)行選擇，具有較大的可調(diào)整性及擴(kuò)展性。在一體化無線采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，選取的芯片必須支持2.4GHz、IEEE802.15、Zigbee協(xié)議并自帶有RF收發(fā)器。因此在該節(jié)點(diǎn)中，選擇了CC2530芯片。CC2530整合了存儲(chǔ)器和8051微控制內(nèi)核，具有極高的接受靈敏度和抗干擾能力，只需要一個(gè)晶振就可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要。（2）嵌入式主機(jī)嵌入式監(jiān)控主機(jī)在該系統(tǒng)中是核心設(shè)備，需要3G／4G模塊接口以及所有監(jiān)控功能，能夠通過與果園4G路由器通信實(shí)現(xiàn)對大棚前端傳感器(二氧化碳濃度傳感器、光照傳感器及溫濕