第九章 移动通信新技术应用

Mobile Communication Theory
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9.2.1 物联网---近距离无线通信技术
➢ 基本信息： • 在组网方式上：蓝牙规范支持和两种组网模式。 ✓微微网（Piconet） ：一个主设备所支持的活跃从设备最多不超过7个。 ✓散射网（Scatternet）：多个Piconet可以通过节点桥接的方式构成 Scatternet，但蓝牙规范并没有对散射网构成的细节进行定义。
移动通信
第九章 移动通信新技术应用
目录
9.1
概述
9.2
移动通信新型技术应用
9.2.1物联网
9.2.2车联网
9.2.3工业互联网
9.2.4无人机通信
9.3
移动通信技术发展趋势
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学习重点与要求
了解移动通信的各种新型技术应用； 了解未来移动通信技术的发展趋势。
窄带物联网通信技术（NB-IoT） 基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是万物互
联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，占用180KHz带宽，可直接部 署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
窄带广域/LPWAN
宽带广域/WWAN WNAN（邻域） WLNAN（局域） WFAN（工业） WHAN（家庭） WPAN（个域）
NFC（近场）
3GPP NB-IoT SIGFOX LoRa Telensa OnRamp/INGENU Weightless-P
3GPP LTE-MTC, eMTC/Cat M, LTE-V 3GPP GSM, WCDMA, EC-GPRS 3GPP2 CDMA2000, WiMAX
LTE载波
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9.2.1 物联网---远距离无线通信技术
➢NB-IoT多址技术 •上行采用SC-FDMA多址技术，下行采用OFDMA多址技术。 •下行发射功率为43 dBm，上行为23 dBm，调制方式采用QPSK和 BPSK。
➢NB-IoT的最大特点是低功耗 •除了本身的传输速率比较低外，NB-IoT还引入了eDRX（extended Discontinuous Reception）省电技术和PSM（Power Saving Mode） 省电模式，是省电的主要原因。 − eDRX能够延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少信号接收 单元不必要的工作，使得终端的睡眠时间更长，从而功耗也就 更低。 − 在PSM模式下，NB-IoT终端仍然注册在网，但不接收信令，从 而使终端更长时间处在深睡眠以达到省电的目的。
联 网
可以纳入物联网的范畴。
无
在物联网中将计算机、物体以
线 通
及动物相连的无线通信方式有
信 技
哪些呢？
术
➢ 一类是以ZigBee、WiFi、 蓝牙为代表的近距离无线通 信技术；
➢ 另一类是远距离广域网无线 通信技术。
远距离无线广域网 近距离无线局域网
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PDA、无线耳机、笔记本电脑等众多设备之间进行高效的无线信息交换。
➢ 基本信息： • 在业务支持上，蓝牙规范支持数据业务和话音业务的传输； • 在工作模式上，蓝牙设备可以有两种选择，即主设备（Master）方式和 从设备（Slave）方式，主设备负责设定调频序列以及控制主从设备之间 的业务传输时间与速率，从设备必须与主设备保持同步；
Wi-SUN (6LoWPAN) Zigbee NAN (6LoWPAN) Wireless M-bus
802.11a/b/g/n/ac (WiFi) 802.11ah (WiFi HaLow 1km) 802.11p (V2X) 802.11af (white space) ISA100.11a (6LoWPAN) WirelessHART Zigbee Z-Wave Thread (6LoWPAN) EnOcean Bluetooth/BLE ANT+ MiWi ISO/IEC 18092 GSMA NFC
➢在增强型MTC（eMTC：enhanced MTC）： •进一步降低设备成本； •扩展MTC设备的覆盖范围，使其能够在增加至少15dB耦合损耗的情况下 也能工作。
➢未来MTC标准将会持续发展并给行业带来挑战，其某些属性（如成本、覆 盖率、移动性和安全性）相对其他技术来说具有优势，但任何技术都有其特 定的使用场景，可以预见的是MTC将与其他的物联网通信技术实现共存。
➢特点：覆盖范围广、电池寿命长、且节点可达百万级，这些显著的特点使 得LaRa技术非常适用于要求功耗低、远距离、大量连接的物联网应用。
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9.2.1 物联网---近距离无线通信技术
低功耗蓝牙 蓝牙（Bluetooth）是一种短距离通信无线通信技术，支持包括移动电话、
• 树状网络：由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，终端设备除了 能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通信外，其他只能通过树状路 由完成消息传输。
• 网状网络：是在树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它允许网 络中所有具有路由功能的节点直接互连，由路由器中的路由表实现消息的 网状路由。该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要 更多的存储空间开销。
S
S
M
S
S
微微网
S S
S S
S
S
M
M S S
S
S S
S
散射网
M S S
S
S S
S
M: Master， 主设备
S: Slave， 从设备
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9.2.1 物联网---近距离无线通信技术
➢ 短距离、低成本、高效、使用简单是蓝牙技术兴起的原 ❖蓝牙4.0
物联网的定义：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定 位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物 品通过物联网域名相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化 识别、定位、跟踪、监控和管理。
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9.2.1 物联网
物联网在具有广泛的用途，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、 平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、农业栽培、水系监 测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域，以至于在各行业都被冠以 “智能”，如图所示。
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9.1 概述
上世纪80年代-至今：1G4G，正向5G迈进; ➢引入新技术系统性能快速提升。 ➢4G数据传输速率数百Mbps， ➢移动网络能力提升推动了各种新型应用发展。
移动通信连接 方便、无缝接 入、数据通信 能力强
在移动互联网方面，移动视频、社交 网络、在线游戏等应用领域不断出现 颠覆式创新，
适用于LTE频段，利用LTE频段边缘的保护频带来部署NB-IoT。
• 带内部署（In-band operation）
适用于LTE频段，直接利用LTE载波中间的资源块来部署NB-IoT。
独立部署
保护带Байду номын сангаас署
带内部署
NB-IoT NB-IoT NB-IoT
GSM载波
LTE载波
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➢NB-IoT有三种可能的部署方式：
• 独立部署（Stand alone operation）
适 用 于 重 耕 GSM 频 段 。 GSM 的 信 道 带 宽 为 200KHz ， 这 对 NB-IoT
180KHz的带宽来说足够，两边还能留出10KHz的保护间隔。
• 保护带部署（Guard band operation）
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9.2.1 物联网---远距离无线通信技术
➢降低复杂度的低成本MTC技术： •将数据的最大带宽减少到3MHz或5MHz的较窄带宽； •将接受天线的数量减少到1，这也限制了对某些MIMO传输模式的支持； •并将设备支持的峰值数据速率降低至1 Mbps。
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9.2.1 物联网---远距离无线通信技术
低功耗远距离通信技术（LoRa） LoRa的全称是“Long Range”，是一种基于扩频技术的低功耗远距离无线通
信技术。
➢基本特征： • LoRa无线技术使用全球免授权频段，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等； • 基站或者网关有很强的穿透能力，在郊区连接传感器的距离可达15~30km ； • LoRa使用异步通信协议，节点可以根据完成任务的不同进行长短不一的 休眠，辅以较低的数据速率，使得电池的寿命可达3~10年。
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9.2.1 物联网---近距离无线通信技术
➢ ZigBee适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种联网 设备中。
➢ 主要特性：
•低功耗 •低成本 •低速率 •近距离
•短时延 •高容量 •高安全 •免授权频段
➢ 主要应用
•智能家居 •工业控制 •自动抄表 •医疗监护
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9.2.1 物联网---远距离无线通信技术
机器类型通信技术（MTC/eMTC） MTC是机器类型通信（Machine-Type Communication）的简称，它能够以自
主、可靠和经济高效的方式实现机器之间的连接。
➢核心网和RAN的过载控制和拥塞控制： • 当部署大量MTC设备时，网络容易出现过载的问题，因为当大量 MTC设备同时触发注册网络（例如网络断电后重启），可能会发生信 号浪涌现象。通过将MTC UE设备标记为“低访问优先级”，标识这 种设备能够容忍时延，进而能够防止和控制信令浪涌的出现。 • 当核心网向RAN指示过载时，RAN将拒绝来自“低访问优先级”UE 的连接请求，扩展重新连接等待时间长达30分钟。
而且还能够与无人机、无人驾驶汽车、 机器人等新型移动载体相结合，开创 出全新的应用领域。
面向2020年及未来，移动通信还将与 物联网及各类垂直行业应用广泛结合， 从而迎来更加广阔的发展空间。
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9.2.1 物联网
物联网（Internet of Things，IoT）：就是物物相连的网络。
➢ ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议。
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9.2.1 物联网---近距离无线通信技术
➢ ZigBee网络拓扑结构
星状网络
网状网络 协调器
终端设备
树（簇）状网络
• 星状网络：由一个协调器和多个终端设备组成，只存在协调器与终端之间 的通信，终端设备间的通信都需通过协调器的转发。
该版本具有低功耗、高速率的主要特点
❖蓝牙4.1
把所有设备都联网
❖蓝牙5.0
新版蓝牙传输速率上限为2Mbps，是蓝牙4.2的两倍。 改进是提高了有效传输距离，为上一版本的4倍。
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9.2.1 物联网---近距离无线通信技术
ZigBee
➢ 蓝牙的问题：在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙尽管有许多优点， 但仍存在许多缺陷，尤其对工业、家庭自动化控制和遥测遥控领域而言， 蓝牙技术显得太复杂、功耗大、传输距离近，且组网规模太小。随着工业 自动化对无线通信的需求越来越强烈，ZigBee技术应运而生。
智能商业
智能工业
智能农业
智能安防 智慧医疗
物联网
智慧城市 智能家居
智能物流
智能抄表
智能交通 智能建筑
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9.2.1 物联网
物联网实现了物与物、物与人
之间的相互连接沟通，以及环
境与信息状态的实时共享与智
能化的收集、处理、传递、执
行
物
只要涉及到信息技术的应用都
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9.2.1 物联网---远距离无线通信技术
远距离通 信技术
• 窄带物联网通信 技术 • 机器类型通信技术 • 低功率远距离通信技术
近距离通 信技术
• 低功耗蓝牙
• ZigBee • 低频段、低功耗无线局域网
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