物联网技术与应用第4章288

第4章物联网通信第4章物联网通信移动通信网络4.1短距离无线通信4.2无线传感器网络4.34.1移动通信网络4.1.1移动通信基本原理4.1.2宽带移动通信移动通信系统在生活中的应用移动通信的特点：覆盖广建设成本低部署方便具备移动性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接起来，发送或者接收数据。移动通信网是适合物联网组网特点的通信和联网方式。物联网的组网特点方便性：不需要数据线连接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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移动通信网络将是物联网主要的接入手段章节设置移动通信的基本原理移动通信的特点移动通信网络的发展历程宽带移动通信系统的标准演进、网络架构和技术特点4.1.1移动通信基本原理早期移动通信发展历程1897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1928年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始1946年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网，1960s，实现无线频道自动选择域公用电话网自动拨号连接。1974年，美国Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念1、移动通信特点（1）移动性。（2）电波传播条件复杂。（3）噪声和干扰严重。（4）系统和网络结构复杂。（5）要求频带利用率高，设备性能好。无线电传播环境携带信息的电磁波的传输是扩散的；地理环境复杂多变，用户移动随机不可预测，所有这些都造成了无线电波传输的损耗。多径传播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。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，这将导致接收信号的时延扩展和角度扩展。多普勒效应三类损耗和四种效应三类损耗路径传播损耗大尺度衰落损耗小尺度衰落损耗四种效应阴影效应远近效应多径效应多普勒效应2．移动通信的发展蜂窝系统的概念和理论在20世纪60年代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20世纪70年代才大规模实现。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主要经历了三个阶段第一代移动通信系统第二代移动通信系统第三代移动通信系统（1）第一代移动通信系统解决了用户移动性的基本问题蜂窝小区系统设计:频率复用---解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾多址方式：FDMA模拟系统---FM调制、模拟电路交换、模拟语音信号业务功能：单一通话第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间是20世纪70年代中期至80年代中期。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；保密性差，易被窃听和盗号；设备成本高；体积大，重量大。（2）第二代移动通信系统数字化通信语音信号数字化、数字式电路交换、数字式调制多址方式：TDMA，CDMA微蜂窝小区结构：提高用户数量采用了一系列数字处理技术来有效提高通信质量纠错编码、交织、自适应均衡、分集等业务类型：以通话为主，还有低速数据业务GSMIS-54PDCIS-95引入年代1990199119931993使用频谱(MHz)890～915(反向)935～960(前向)824～849(反向)869～894(前向)810～830(反向)1429～1453(反向)940～960(前向)1477～1501(前向)824～849(反向)869～894(前向)调制方式GMSK(BT=0.3)p/4DQPSKp/4DQPSKOQPSK(反向)QPSK(前向)成形滤波器高斯开方升余弦开方升余弦开方升余弦载波带宽200kHz30kHz25kHz1250kHz信道数据速率270.8kbps48.6kbps42kbps1228.8kbps语音编码方式RELP-LTPVSELPVSELPQCELP语音编码速率13kbps8kbps6.7kbps8kbps信道编码CRC+卷积码(r=1/2，K=5)CRC+卷积码(r=1/2，K=6)CRC+卷积码CRC+卷积码(r=1/3，K=9反向)(r=1/2，K=9前向)均衡器类型自适应自适应自适应以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统，时间是从20世纪80年代中期开始从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5G移动通信系统，如GPRS和IS-95B。CDMA应用于数字移动通信的优点系统容量大：比模拟网大10倍，比GSM大4.5倍系统通信质量更佳：软切换技术频率规划灵活适用于多媒体通信系统：多CDMA信道方式、多CDMA帧方式（3）第三代移动通信系统以多媒体(Multi-media)综合服务业务为主要特征会话型、数据流型、互动型、后台类型主要以宽带CDMA技术为基础WCDMA、CDMA2000、TD－SCDMA、WiMax等多址方式：TDMA/CDMA/OFDMA电路交换分组交换引入多种新技术智能天线、发端分集、空时码、OVSF多址码等第三代移动通信系统的目标能实现全球漫游能提供多种业务能适应多种环境足够的系统容量4.1.2宽带移动通信第三代移动通信系统的概念是国际电联（ITU）早在1985年就提出的，当时称为未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）,1996年更名为IMT-2000，在欧洲称其为个人移动通信系统（UMTS）。IMT-2000的宗旨是建立全球的综合性个人通信网，提供多种业务，尤其是多媒体和高比特率分组数据业务并实现全球无缝覆盖。演变历程2000年5月举行的ITU-T2000年全会上，被正式命名为IMT-2000无线接口技术规范2007年10月，ITU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带技术WiMAX成为3G标准2008年全球移动大会上，主流设备厂商不约而同地发布了LTE的研究成果和后续演进策略IMT-2000无线传输技术分类IMT-2000CDMAFDDDSWCDMAFDDMCcdma2000TDDTD-SCDMATD-CDMAIMT-2000TDMATDMAMCUWC-136TDMASCEP-DECT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、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提供服务工业和信息化部领导在2009年“全国工业和信息化工作会议”上指出，2010年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（1）WCDMA的演进过程1985：FPLMTS，1996更名为IMT-20001992：WRC92大会分配频谱230MHz1999.3：完成IMT-2000RTT关键参数1999.11：完成IMT-2000RTT技术规范2000：完成IMT2000全部网络标准成立3GPP(1998.12)、3GPP2(1999)等标准化组织WCDMA技术特点信道带宽5MHz双工方式FDD或TDD码元速率3．84Mchip/s帧长10ms下行链路和RF信道结构直扩扩频调制方式上行：双信道QPSK；下行：平衡QPSK；复扩频电路数据调制方式上行：BPSK；下行：QPSK信道编码交织或turbo码相干检测上/下行：用户专用的时间复用导频；下行：共用导频上行信道复用控制和导频信道时分复用；数据和控制信道I&Q复用下行信道复用数据和控制信道时分复用多速率可变扩频和多码扩频因子4～256功率控制开环和快速闭环(1.6KHz)下行扩频码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，218－1的Gold序列码区分小区和用户上行扩频码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，241－1的Gold序列区分用户切换软切换，频率间切换R99网络结构R99网络特点接入部分全新的5MHz/载频的宽带码分多址接入网；功率控制；软切换；更软切换核心网电路域与GSM完全兼容；相对于GPRS，增加了服务级别的概念系统采用分组域和电路域分别承载与处理的方式目前的商业部署全都采用了R99R4网络结构R4网络改进加入低码片速率TDD模式（LCRTDD），即由我国提出的TD-SCDMA引入直放站来解决复杂地形覆盖问题引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以提高容量通过NodeB同步减少系统邻近小区的交调干扰，降低传输网络的成本引入Iub和Iur上的AAL2连接的QoS优化R4网络特点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域可以承载在一个公共的分组骨干网上主要实现了话音、数据、信令承载统一提高了组网的灵活性R5网络结构R5网络改进高速下行分组接入（HSDPA）的功能，下行理论峰值数据速率可高达14.4Mbit/s涉及的关键技术自适应编码调制HARQ快速蜂窝选择（FCS）MIMOR5网络特点R5协议引入了IP多媒体子系统（IMS）由CSCF、MGCF、MRF和HSS功能实体组成为多媒体业务提供支持呼叫控制功能与传统网络进行互通实现其他资源密集型功能信令实体（CSCF）与媒体处理是完全分离的R6（HSUPA）引入高速上行分组接入(HSUPA）提供多媒体广播和多播业务（MBMS）进入IMS第二阶段支持WLAN-UMTS互通增强QoS（2）WCDMA系统结构通用移动通信系统（UMTS）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统UMTS系统由陆地无线接入网（UTRAN）和核心网络（CN）构成WCDMA系统结构WCDMA系统结构①UEUE是用户终端设备UE从逻辑上包括移动设备（ME）和用户身份模块（SIM）②UTRAN由基站（NodeB）和无线网络控制器（RNC）组成NodeB是WCDMA系统的基站RNC是无线网络控制器WCDMA系统结构③CNCN即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理MSC/VLR是CS域功能节点GMSC是CS域与外部网络之间的网关节点SGSN（服务GPRS支持节点）是PS域功能节点GSN（网关GPRS支持节点）是PS域功能节点HLR（归属位置寄存器）是CS域和PS域共有的功能节点WCDMA系统结构④ExternalNetworks外部网络，可以分为电路交换网络（CSNetworks）和分组交换网络（PSNetworks）两类2．cdma2000美国TIA提出，可从IS-95和IS-95B平滑过渡，升级简单cdma20001x采用1.25M的带宽cdma20001xEVDO可支持2.4Mb/s的数据速率，cdma20001xEVDV可支持话音和数据cdma20003x采用3个1.25M的带宽进行传输。cdma2000演进CDMA20001XCDMA20003X信号带宽1.25MHZ3×1.25=3.75MHz下行链路RF信道结构直接扩频多载波扩频码片速率上/下行：1.2288Mcps下行：1.2288Mcps，上行：3.6864Mcps定时同步(定时驱动，例如从GPS来的定时)帧长20ms/5ms可选扩频调制下行：平衡QPSK，上行：具有混合相移链控的双信道QPSK数据调制下行：QPSK，上行：BPSK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，即导频和功控以及EIB时分复用上行信道复用控制、导频、基本和辅助码复用，I和Q复用数据与控制信道多速率可变扩频增益和多码扩频因子4～256功率控制开环和快速闭环(800Hz，1.25ms)扩频码(下行)信道扩频码：可变长度正交Walsh码；基站(小区)扩频码：，m序列且I与Q用不同序列（在码字受限时，采用准正交函数QoF）扩频码(上行)用户扩频码：(不同时间偏移并截短用于用户)切换扇区间，小区间软切换，频段间硬切换发分集正交发分集，空时扩展发分集载波解复用，用不同天线发射①cdmaOnecdmaOne是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称，IS-95B可提供实现64kbit/s②cdma20001xcdma20001x具有3G系统的部分功能，c