NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年,同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
移动通信正在从人和人的连接,向人与物以及物与物的连接迈进,万物互联是必然趋势。然而当前的4G网络在物与物连接上能力不足。事实上,相比蓝牙、ZigBee等短距离通信技术,移动蜂窝网络具备广覆盖、可移动以及大连接数等特性,能够带来更加丰富的应用场景,理应成为物联网的主要连接技术。作为LTE的演进型技术,45G除了具有高达1Gbps的峰值速率,还意味着基于蜂窝物联网的更多连接数,支持海量M2M连接以及更低时延,将助推高清视频、VoLTE以及物联网等应用快速普及。蜂窝物联网正在开启一个前所未有的广阔市场。
对于电信运营商而言,车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生海量连接,远远超过人与人之间的通信需求。
NB-IoT具备四大特点:一是广覆盖,将提供改进的室内覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的网络增益20dB,相当于提升了100倍覆盖区域的能力;二是具备支撑海量连接的能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;三是更低功耗,NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本,企业预期的单个接连模块不超过5美元。[1]
NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IOT)市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IOT使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式,与现有网络共存。[4]
因为NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势,使其可以广泛应用于多种垂直行业,如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。3GPP标准的首个版本预计在今年6月发布,到时候将有一批测试网络和小规模商用网络出现。
目前包括我国运营商在内诸多运营商在开展NB-IoT和研究。就NB-IoT的发展现状,余泉详细阐述了三个精彩观点:一是NB-IoT是蜂窝产业应对万物互联的一个重要机会。二是NB-IoT要成功必须要建立开放产业平台。三是2016年是NB-IoT产业非常关键的一年,标准、芯片、网络以及商用应用场景都会走向成熟。
转向窄带物联网
对于LPWA网络所用到的窄带物联网(NB-IoT),运营商业已达成共识,应使用授权频谱,采用带内、防护频带独立部署。这一新兴技术可以提供广域网络覆盖,旨在为吞吐量、成本、能耗都很低的海量物联网设备提供支撑。
2015年11月,数家全球主流运营商联合设备商、芯片厂商和相关国际组织,在香港举办NB-IoT论坛筹备会,旨在加速窄带物联网生态系统的发展,成员包括中国移动、中国联通、Etisalat、LG Uplus、意大利电信、Telefonica、沃达丰、GSMA、GTI、华为、爱立信、诺基亚、高通和英特尔。六家运营商成员还宣布,将在全球成立六个窄带物联网开放实验室,聚焦窄带物联网业务创新、行业发展、互 *** 作性测试和产品兼容验证。
目前,运营商已经在客户中展开预标准NB-IoT技术试点工作。例如,德国电信和沃达丰已经采取行动,利用现有基站进行预部署试点,预计试商用部署在2016年下半年进行,正式商用将从2017年初开始。
沃达丰的Ibbetson表示,对3GPP标准的整合充满信心,但他也指出这一过程缓慢而艰难。“希望窄带物联网能在2016年3月份前成为独立标准,同时我们需要尽快决定使用哪个频段。”
华为也希望相关标准能尽快得到确认,这样行业才能启动大规模的物联网部署。胡厚昆指出:“华为在技术方面已经准备就绪,希望能尽快抓住窄带物联网的机遇。”
窄带物联网具有四大优势:电池寿命长(超过十年)、成本低(每个模块不足5美元)、容量大(单个小区能支持10万连接)、覆盖广(能覆盖到地下)。
Ibbetson认为:“如果产业链不能将单模块成本降到两三美元以下,实现大规模应用,NB-IoT市场就做不起来。我们需要从全局角度出发,以极低的成本将物联网模块嵌入设备中。”
胡厚昆也认为,要想刺激NB-IoT大规模发展,通信模块成本必须低于5美元。如果成本降到1美元以内,则会带来爆发式增长。
即将步入爆发期
随着网络连接、云服务、大数据分析和低成本传感器等所有核心技术的就绪,物联网已经从萌芽期步入迅速发展的阶段,大多数分析师对此都表示认可。
埃森哲亚太区高科技和电子产业主管David Sovie指出,每个CIO都应尽快制定物联网发展策略,否则将会在竞争中落败。IBM研究院物联网全球战略计划主管Wei Sun表示,IBM各行各业的大客户都在探索物联网产品和服务。
越来越多的行业已经在使用物联网技术提高效率,提升客户满意度并降低运营成本。例如,汽车零部件、家用电器及安全系统制造商博世已经将很多产品线连接起来,并从移动互联技术,尤其是车联网领域的崛起中直接获益。
在医疗领域,飞利浦已经开发了多款电子医疗应用,包括一款供慢性病患者使用的贴片。该贴片使用传感器实时收集患者健康数据,并传输到云平台,医护人员可以对数据进行监控,并适时采取医疗干预措施。
飞利浦数字加速项目主管Alberto Prado指出,设备和系统的互 *** 作性是数字医疗行业崛起的关键。随着协作护理模式日益盛行,未来的医疗必然将整合所有资源,并以主动预防为主。
为了迎接物联网领域的巨大机遇,整个产业不仅需要推动技术创新,还需要推动商业模式创新和跨行业协作。由于用例、应用和商业模式纷繁多样,物联网市场将比移动市场更加碎片化。
胡厚昆表示:“这将有赖于产业链上不同的利益相关者精诚合作。在物联网时代,运营商需要将关注的重点由管理技术扩展至管理整个生态系统。整个行业正处在紧要关头,运营商需要立即行动起来,抓住这一新的蓝海机遇。”[4]
NB-IoT亟需开放的平台
“NB-IoT产业生态系统正在快速成长,它更需要运营商与IoT相关产业参与者精诚合作,携手共进。”谈及NB-IoT落地的挑战,余泉介绍。
就在MWC2016举办前一天,GSMA联合企业各方举办全球首届NB-IoT峰会,并在会上成立NB-IoT forum。该联盟成员包括全球主流运营商、网络设备厂家以及主要芯片模组厂家等诸多产业链企业。
余泉强调,有超过20家垂直行业企业参加了此次峰会,这是非常可喜的开端。“当然垂直行业供应商可能不是几十家,而是几千家,业界还有很多的工作要做。”余泉以智能抄表行业为例表示,目前家庭拥有水表、电表、煤气表以及暖气表等很多表,这些背后的企业很多。
如此多的参与方,会出现大量协同方面的问题,业界需要一个开放的平台加速产业的前进步伐。而且,新标准制定需要开放平台去推动。
对此,诸多运营商联合包括华为在内的电信设备商一起搭建了Open Lab。据悉,借助Open Lab,垂直行业厂家就能很轻松地在实际现网上验证自身的物联网应用、网络以及商业模式。物联网Nbiot的参数有基站小区标识、中心频点、物理小区标识、信噪比、信号与干扰加噪声比、参考信号接收质量、参考信号接收功率、信号强度、信号功率、总功率、终端发射功率、覆盖增强等级。
窄带物联网(Narrow_and_nternet_f_hings,_B-IoT),NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式,与现有网络共存。
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。
随着经济和 社会 的发展,城市公共照明已经成为城市现代化水平的重要标志之一,城市照明设施规模日益增大,用电量节节攀升, 社会 各方对城市公共照明的要求和希望越来越高。而目前国内城市照明的监控和管理方式相对简单、粗放,服务质量和节能水平有待提高,难以满足现代化城市照明的需要,主要表现在以下几个方面:
监控管理方式相对粗放。传统“三遥”系统只能实现回路级别的采集和控制,对单灯运行情况无法实时、准确监控,不能实现智能化监控和精细化管理;部分城市仍停留在“时控”时代,缺少基本的信息化管理手段。
运行维护效率低、成本高。现有的照明设施故障发现机制主要采用人工巡查模式,工作量巨大,需要投入大量的人力物力,并且还可能留有盲区,运维效率低、成本高,难以实现主动服务、保障服务质量。
照明能耗偏大。缺少灵活有效的节能控制手段,过度照明和照明不足的矛盾难以调和,无法实现按需照明,从而在保障照明质量的前提下有效降低照明能耗设施安全难以保障。缺少实时监管措施,设施被盗时有发生,给照明管理部门造成直接的经济损失,严重影响城市照明的正常运行,同时带来安全隐患。
1 设计与实现
本系统由3大部分组成:NB-IoT通信模块、云端控制系统、手机端APP。
图1
11 NB-IoT通信模块
基于高通MDM9206平台高性能、低功耗的CAT-M1/CAT-NB1/GSM三模无线通信模块,支持全球各主流定位系统GNSS,不仅支持当前运营商的主流物联网频段,对未来可能会部署的频段也最大可能性的支持 ,其尺寸仅 为 225mm265mm27mm,能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求,
通过该模块实现路灯信息传输、调光、降功率、按需开关灯等管理方式,减少过度照明节约电能,真正实现节能、环保、安全、舒适的照明,减少对大气的污染,建设资源节约型、环境友好型 社会 。
12 云端控制中心
是根据路灯管控开发的一款远程 *** 作与监控管理平台,方便了管理人员的管理与维护。通过灯联网集中监控管理平台可以远程控制每一个回路的开、关状态,也可以实时监测每个设备的当前信息,并根据采集到的参数的情况,实时判断线路情况,给用户直观的解析。系统同时还具备短消息报警和声音报警的功能。
13 手机端APP
一种基于智能手机APP应用的城市路灯控制方法,包括将智能手机APP应用与路灯管理系统相关联,形成APP调节城市路灯的架构,构建智能手机 APP 节点,每个 APP 节点代表一个APP 注册用户;当用户登录 APP 应用时,APP 应用将包含用户地理位置、行进方式的 APP 应用信息传送到路灯管理系统;路灯管理系统根据APP应用信息,查询用户所属路段的路灯实时状态,并对路灯进行调节控制。采用NB-IoT物联网概念,通过手机 APP 应用按照用户实际需求开启路灯、调节路灯亮度,合理分配路灯照明资源,降低了路灯能耗、节约了路灯使用成本。
2 测试与分析
硬件调试:分为电源电路、通信链路、LED驱动电路调试。
21 电源电路
图2 电源电路
图 2 中,EUP3420 是一款恒定频率,采用电流模脉宽调制(PWM)架构的降压型变换器。芯片集成了主开关和同步整流开关,可以获得更高的效率。本系统采取5V适配器输入,转化给NB-IoT无线通讯模块VBAT网络33V供电。
C1000:适配器的输入端,用万用表或者示波器测试该点电压是否为5V。
L1000:开关电源 buck 电感输出端,用万用表或者示波器测试该点电压是否为33V,通过调整R1000和R1007阻值调整VBAT输出的大小。
22 通信链路
NB-IoT模块上电后sim卡状态测试。
图3 NB-IoT模块Sim卡状态查询
23 LED驱动电路
图4 LED驱动电路
上图中,三极管驱动电路由Q11、R128、D30、J26(焊接LED模组)组成,NB-IoT通信模块通过GPIO口控制三极管的基集,使三极管Q11工作在开关状态,实现对LED的开断。
3 软件测试
安卓手机端可以控制指定路灯的亮与灭以及全开全灭。
图5 手机控制端界面
PC端实现对各个端口的控制。
图6 云端控制端界面
4 控制系统特性
41 管道NB-IoT设计
一是广覆盖:NB-IoT 覆盖能力强,在同样的频段下,NB-IoT 比现有的网络增益 20dB,覆盖面积扩大 100 倍。它不仅可以满足广覆盖需求,对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。因此不只是道路照明,在室内、工业照明领域的应用前景也十分广阔。
二是强链接:在同一基站的情况下,NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。这将意味着,基于 NB-IoT 通信技术的照明控制系统,将能够管控更多的终端设备,满足未来智慧城市中大量设备联网需求。
三是低功耗:低功耗特性是智慧照明应用一项重要指标,NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用,因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小,终端模块的待机时间可长达10年,特别适用于智能家居的应用。
四是低成本:低速率、低功耗、低带宽同样给 NB-IoT 芯片以及模块带来低成本优势。单个接连模块预期价格不超过 5美元,最终低至 1 美元,这对降低智慧照明应用的成本起到关键性作用。
42 云端智能管理
采用单灯控制技术,构建路灯物联网,精准控制每一盏路灯,在保证照明需求的前提下,根据季节、路段、天气、特殊场合等条件设定路灯运行方案,真正实现“按需照明”,深化节能减排。因本项目范围内 LED 路灯电源不具备调光接口,单灯节能方式采用开关灯控制方式。
通过单灯“在线巡测”,及时发现路灯故障并在地图上进行精准定位,转变“人工巡检、热线报修”的传统运维方式,实现定向运维、主动服务,减轻劳动强度,提高路灯运维效率,降低运维成本。
43 客户端APP
智慧公共照明管理平台具有全面和优化的路灯智能控制功能,为路灯管理人员提供更高效的管理和维护手段,主要体现为:实时监控:可以对任意一盏、一路或任意自定义组的路灯进行开关灯、调光。同时支持多终端,支持基于 Android *** 作系统的移动终端远程控制,可采用平板电脑、手机等终端下发开关灯、调光等控制命令等。
5 应用前景分析
对于 NB-IoT 产业的发展,中国移动、中国联通、中国电信三大运营商皆就NB-IOT发布了各自的发展计划。工信部也发文要求加快 NB-IoT 在国内落地,到今年年底建成基站规模 40万个,到 2020 年建成基站规模 150 万个。中国 NB-IoT 产业加速布局,将是全球 NB-IoT 产业领跑者。目前在上海、广州、江
门、鹰潭、长沙落地了NB-IoT智慧路灯项目,实现了到处开花、处处结果。
6 结束语
城市智慧照明是智慧能源的开端,以 NB-IoT 新一代通信技术为支撑,实现整个城市一张网,对城市道路每盏灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合,在满足市民正常照明需求的前提下,通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式,减少过度照明,电能节约率可达30% 60%,真正实现节能减排,减少对大气的污染,建设资源节约型、环境友好型 社会 。同时通过对城市照明设施实现精细化管理,通过对城市道路每个灯具的运行状态进行准确分析和故障报警,并根据故障等级启动相应的处置流程,将被动巡检改为定点维护,反应更加敏捷处置效率更高,将使城市的灯光管理水平与现代化的大都市相适应,提高亮灯率,减少各种故障,合理照明,美化照明,安全照明,营造出现代城市科学和艺术完美结合的照明效果,树立和提升城市的品牌形象。
本文主要是给大家梳理一下目前市面上常用的一些无线通讯协议标准,帮助大家了解一下不同的无线网络技术由来和各自特点。首先说一下IEEE 802154,IEEE 802154是一种技术标准,目前常用的无线通讯协议大多数是在802154标准规定的底层协议基础上,开发的上层协议而演变出来的,它规定了低速率无线个域网 (LR-WPAN)的 物理层 和 媒体访问控制 ,并由 IEEE 80215 工作组维护,该工作组在2003年定义了该标准。它是 Zigbee 的基础,另外像诸如 ISA10011a , WirelessHART ,WIA-PA , 6LoWPAN 和 SNAP 规范,每个标准规范都是通过开发IEEE 802154中未定义的上层进一步扩展了标准。类似于以上几种协议标准,Lora是基于IEEE802154g标准进行了上层标准的扩展定义,而IEEE802154g是在IEEE802154基础上对物理层和MAC层做了调整。除此之外wifi是基于IEEE80211b标准创建的一种无线局域网技术,通常使用24G UHF或者5G SHF ISM射频频段。IEEE 802151是由 IEEE 制定的一种蓝牙无线通信规范标准,应用于无线个人区域网(WPAN)。可以说原版IEEE802151来源于蓝牙规范并与蓝牙11完全兼容使用。
接下来我们详细说一下目前在工业物联网和消费电子领域应用比较广泛的几种无线技术,有ZigBee、WirelessHart、WIA-PA、Lora、WiFi、蓝牙bluetooth、NB-IOT、BeeLPW-T。
ZigBee是基于IEEE802154标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802154标准的规定。在工业领域的典型应用是中国油气田生产物联网自动化采集控制设备规范中明确物理层、链路层、网络层采用ZigBee通讯协议,应用层通讯采用A11-GRM通讯协议。
WirelessHART是第一个专门为过程工业而设计的开放的可互 *** 作的无线通讯标准,满足了工业工厂对于可靠、强劲、安全的无线通讯方式的迫切需求。作为HART7技术规范的一部分,除了保持现有HART设备、命令和工具的能力,它增加了HART协议的无线能力。国际电工委员会于2010年4月批准发布了完全国际化的WirelessHART标准IEC 62591(Ed10),是第一个过程自动化领域的无线 传感器 网络国际标准。该网络同样使用运行在24GHz频段上的无线电IEEE802154标准,采用直接序列扩频(DSSS)、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址同步、网络上设备间延控通信等技术,WirelessHART标准协议主要应用于工厂自动化领域和过程自动化领域,弥补了高可靠、低功耗及低成本的工业无线通信市场的空缺。典型应用以Emerson为例,从2010年就已经开始供应WirelessHART兼容产品,从压力、流量、液位、温度、振动、pH测量等各类仪表变送器到网关节点等,逐渐有了品类齐全的无线类工业仪表产品系列。
WIA-PA标准是具有我国自主知识产权、符合我国工业应用国情的一种无线标准体系,2008年10月,该规范获得了国际电工委员会(IEC)全体成员国96%的投票,成为与Wireless HART被同时承认的两个国际标准化文件之一。WIA-PA同样基于IEEE802154标准,通讯速率250kbps,频段24GHz,工业室内通讯距离200m,室外环境可达800m,数据可靠性大于99%,自适应跳频技术,避免干扰,冗余路由技术,自组织修复网络。同时支持HART命令,兼容WirelessHART标准。典型应用是中科院沈阳自动化研究所提供技术支持参与合作的在国内辽河油田、吉林油田、大庆油田、新疆油田等现场的远程油井监测控制系统。
LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线协议,基于IEEE 802154g标准,它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远,实现了低功耗和远距离的统一,它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。Lora的工作频率在ISM 频段,包括433、868、915 MHz。
WiFi俗称无线宽带,又叫80211b标准,工作在24GHz或者5GHz频段,最高传输速率能达到11Mbps,网络覆盖范围最高可达300m,适合办公室和楼内区域使用。由于WiFi技术在结构上与以太网完全一致,所以能够将WLAN集成到已有的宽带网络中,也能够将已有的宽带业务集成到WLAN中,这样,就可以利用已有的宽带有线接入资源,迅速地部署WLAN网络,形成无缝覆盖。
蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范,它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线线缆连接。在制定蓝牙规范之初,就建立了统一全球的目标,向全球公开发布工作频段为全球统一开放的24GHz工业、科学和医学(ISM)频段。从目前的应用看,蓝牙体积小、功率低,其应用早已不局限于计算机外设,可以集成到任何数字设备中,尤其是对数据传输速率要求不高的移动设备。蓝牙有几大特点,一是全球范围适用,无需申请许可证,二是同时可传输语音和数据,三是可以建立临时性对等连接,四是具有很好的抗干扰能力。
窄带物联网(NB-IOT)是国际移动通信标准化组织为了应对日渐强烈的物联网需求,制订的一个新的蜂窝物联网的标准(CIOT),这个新标准要实现超强覆盖、超低功耗、超低成本、超大连接。NB-IOT是一个空中接口标准,主要是用在终端与基站之间的约定,包括物理层和数据链路层的一些设计规定。NB-IoT构建于 蜂窝网络 ,只消耗大约180kHz的带宽,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。
BeeLPW-T是必创科技聚焦工业场景应用,基于IEEE802154标准自主开发的一种无线通信协议,具有同步精度高、功耗低、网络自恢复等优点。大容量的同步网络节点数量和多跳能力,可为工业现场的网络覆盖及节点架设提供强大的网络协议支撑。该协议具有的天然物联网基因,能以更优的功耗将传感器的感知层数据传输至云端,较往代产品效率提高近四倍。
1、更高速灵敏的反馈
基于高精度的网络同步性能,所有设备可以工作在最优的功耗状态下,保持全网秒级的响应速度,可以满足绝大多数尤其是具有边缘计算能力低功耗设备的需求。
2、更丰富的应用方式
同步网络下的节点,真正实现协同工作,赋予数据在无线应用中时间的属性,无论星型,树状等网络模式,均可满足各种设备密度、覆盖距离的应用要求。
3、更低的维护成本
协议可以随意切换周期采样及大数据采集状态 ,针对不同工况及应用需要,兼容有线状态分析系统的采集需求;时间同步及低功耗设计,在确保网络运行精准的同时,降低了设备的无效工作时间,使得设备整体更加简练、高效。更低的功耗,可改善设备的维护周期,降低维护难度和平均维护成本,为客户提供一个安心可靠并几近无感的防护体验。
最后附表总结一下几种典型无线技术标准的特点区别:
NB-IOTLoRaZigbeeWIFIbluetoothBeeLPW-TWIAPA
组网方式基于现有蜂窝组网基于LoRa网关基于Zigbee网关基于无线路由器基于蓝牙Mesh网关基于BeeLPW-T网关基于WIA-PA网关
网络部署方式节点节点+网关
受现场遮挡影响
节点+网关节点+路由器节点-节点节点+中继+网关节点+中继+网关
传输距离远距离,基站覆盖10公里以上远距离,可达十几公里短距离
10-100m
短距离50米10米不含中继200m不含中继200m
单网接入节点容量约20万理论约6万,实际500-5000理论6万,一般200-500个约50个理论6万理论5000通道理论6万,一般200-500个
电池续航理论10年/AA电池理论10年/AA电池理论约2年/AA电池数小时数天理论约2年/AA电池理论约2年/AA电池
成本30-70元30-40元5-15元模块约7-8s小于10元
频段License频段
运营商频段
unLicense频段
Sub-GHZ(433/868/915MHz)
unLicense频段
24GHz
24G和5G24GunLicense频段
24GHz
unLicense频段
24GHz
传输速度理论160kbps-250kbps
实际小于100kbps
03-50kbps理论250kbps,实际小于100kbps24G:1-11Mbps
5G:1-500Mbps
1M理论250kbps理论250kbps
网络时延6-10sTBD<1s<1s<1s<1s<1s
适合领域户外户外,工厂工厂,室内办公室,工厂移动设备工厂,车间工厂,车间
联网所需时间3 30ms3s10s3s3s5G技术带来的绝不仅仅是更快的网速,而是将万物智能互联成为可能其实,而NB-IoT是5G商用的前奏和基础,因此,NB-IoT的演进更加重要,例如支持组播、连续移动性、新的功率等级等等,只要NB-IOT等基础建设完整,5G才有可能真正实现。
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网),属于5G技术的窄带部分,基于蜂窝网络构建,消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,因其低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点备受关注。
Cat-NB1精简的更为彻底,基本上把LTE的能力压缩到极致了,追求最低的成本,最长的续航时间,没有移动性、没有语音通讯能力、数据速率非常低,适合对成本很敏感但是终端数量级大,同时单个能力要求比较弱的应用,比如各种表计类(水表、电表、气表等),定期上传数据。
3典型场景网络覆盖不足 ,例如深井、地下车库等覆盖盲点,4G室外基站无法实现全覆盖。而在广覆盖方面,eMTC比LTE增强15dB(可多穿一堵墙),比GPRS增强了11dB,信号可覆盖至地下2-3层。我国模拟蜂窝移动通信曾使用890—905MHz(移动台发,基站收)和935—950MHz(基站发,移动台收)工作频段,现已逐步将部分频率让给GSM
我国数字蜂窝移动通信使用905—915MHz(移动台发,基站收)和950—960MHz(基站发,移动台收)工作频段,其中中国移动通信公司GSM系统使用905—909MHz和950—954MHz工作频段,中国联通公司GSM系统使用909—915MHz和954—960MHz工作频段。此外中国移动通信公司还使用了1800MHz频段的10MHz的带宽。
805~1880(基站发、移动台收)
双工间隔为95MHz,工作带宽为75 MHz,载频间隔为200 kHz。
中国联通频点分配 其中我国的800M频段,规定的频带为824MHz—894MHz,其中我国的CDMA网络主要使用上行825MHz—835MHz、下行870MHz—880MHz的800M A段频带,每载波宽度为125MHz。
在A端频带中中心频点频率的计算公式为:上行链路: 82500MHz+003MHz(N-1023);下行链路: 87000MHz+003MHz(N-1023);其中分配给联通的频点为283、242、201、160、119、78、37共七个频点,联通现网使用了283、242、201三个频点。
对于800M CDMA网络除A段外其它频带内中心频点频率的计算公式为:上行链路: 82500MHz+003MHzN
下行链路: 87000MHz+003MHzN。
\移动通信技术
移动通信概述
第一代移动通信:模拟移动通信
第二代移动通信:数字移动通信
移动数据通信
第三代移动通信
移动通信概述
综述
蜂窝技术的基本概念
提高容量
蜂窝技术不是分割频率而是分割地理区域
蜂窝系统的优势:频率复用
蜂窝移动通信的频率分配
我国模拟蜂窝移动通信曾使用890—905MHz(移动台发,基站收)和935—950MHz(基站发,移动台收)工作频段,现已逐步将部分频率让给GSM
我国数字蜂窝移动通信使用905—915MHz(移动台发,基站收)和950—960MHz(基站发,移动台收)工作频段,其中中国移动通信公司GSM系统使用905—909MHz和950—954MHz工作频段,中国联通公司GSM系统使用909—915MHz和954—960MHz工作频段。此外中国移动通信公司还使用了1800MHz频段的10MHz的带宽。
第三代移动通信工作在2000MHz频段上。
第一代移动通信:模拟移动通信
第一代模拟移动通信系统主要制式
AMPS
TACS
第一代的主要缺陷:
容量有限
保密性差,容易发生盗码并机
制式不统一,互不兼容,妨碍漫游,限制了服务覆盖面等
数字蜂窝系统的优势
能有效地利用无线频率资源,系统容量大
呼叫质量高
能向用户提供话音以外的多种非话业务
制式比较统一,能方便地提供自动漫游业务(包括国际漫游)
易于加密,提供较完善的保密方法(如话音、接入加密等)
数字网要求的功率较低
第二代数字移动通信系统主要制式
GSM(全球移动通信系统)
DCS-1800
TDMA IS—136(最初被称为D—AMPS)
CDMA IS—95(QCDMA)
PDC(个人数字蜂窝)
GSM系统组成
网络交换子系统(NSS)
移动交换中心(MSC)
归属位置寄存器(HLR)
访问位置寄存器(VLR)
鉴权中心(AUC)
设备识别寄存器(EIR)
基站子系统(BSS)
基站控制器(BSC)
基站收发信台(BTS)
*** 作维护中心(OMC)
移动台(MS)
GSM系统的主要优点
标准化程度高,接口开放,联网能力强,能国际漫游
能提供准ISDN业务:电信业务、承载业务、补充业务
使用SIM卡,实现机卡分离,手机通用,适合未来个人通信的需要
保密安全性能好,具有鉴权、加密功能
频谱利用率比模拟系统好,系统容量大,比模拟网大三倍以上
价格便宜
路由选择原则
固定用户呼叫移动用户,应尽可能快的就近进入移动网查询路由,由移动网进行接续。
移动用户呼叫固定用户,应立即进入固定网,由固定网进行接续。
移动通信系统主要采用的多址方式
频分多址(FDMA)
时分多址(TDMA)
码分多址(CDMA)
在码分多址系统中,各发送端用各不相同的、相互(准)正交的地址码调制其所发送的信号。在接收端利用码型的(准)正交性,通过地址识别(相关检测),从混合信号中选出相应的信号
实现码分多址的必备条件 (实现码分多址的三大关键技术)
足够多的地址码,且要有良好的自相关特性和互相关特性
在各接收端,必须产生本地地址码,其不但在码型结构上与对端发来的地址码一致,而且在相位上也要完全同步。用本地码对收到的全部信号进行相关检测,从中选出所需要的信号
码分系统必须与扩展频谱(简称扩频)技术相结合
采用CDMA技术的优点
系统容量大
语音激活技术
扇区划分技术
软容量
软切换
特有的分集形式
与窄带系统(模拟系统)共存
保密性强
发射功率低
频率分配和管理简单
移动数据通信技术
传输承载平台技术
短消息(SMS)
非结构化补充业务(USSD)
电路交换数据业务(CSD)
高速电路交换数据业务(HSCSD)
通用分组无线业务(GPRS)
增强型分组数据业务(EDGE)
第三代技术(3G)
应用开发平台技术
SIM卡应用工具(SIM Toolkit)
无线应用协议(WAP)
移动数据业务
电路型数据业务
CSD(接入速率96 kbit/s)
HSCSD (576 kbit/s)
分组型数据业务
GPRS(1712 kbit/s)
EDGE (384 kbit/s)
第三代数据业务(2 Mbit/s)
高速电路交换数据业务(HSCSD)
采用了新的信道编码方式,使每个时隙的传输速率从96 kbit/s提高到144 kbit/s
可实现1—4时隙捆绑,使传输速率最高可达到576 kbit/s
上下行数据传输可采用不同速率
通用分组无线业务(GPRS)的特点
传输速率快
支持4种编码方式,并采用多时隙(最多8个时隙)合并传输技术,使数据速率最高可达1712kbit/s
可灵活支持多种数据应用
网络接入速度快
可长时间在线连接
计费更加合理
高效地利用网络资源,降低通信成本
支持多用户共享一个信道的机制(每个时隙允许最多8个用户共享)
利用现有的无线网络覆盖,提高网络建设速度,降低建设成本
在无线接口,GPRS采用与GSM相同的物理信道,定义了新的用于分组数据传输的逻辑信道。可设置专用的分组数据信道,也可按需动态占用话音信道
GPRS的核心网络顺应通信网络的发展趋势,为GSM网向第三代演进打下基础
增强型数据业务(EDGE)
采用一种改进的GSM调制技术,每时隙的速率提高到48 kbit/s
允许集中使用多达8个时隙,此时速率可达到384 kbit/s
属于增强型GPRS数据业务
WAP系统组成
WAP网关(或WAP代理服务器)
功能:协议转换;内容编解码;用户认证、用户管理、计费功能等
WAP终端
WAP终端安装有支持WAP协议的微型浏览器作为用户接口,完成类似于Web浏览器的功能
无线网络
应用服务器
IMT-2000的特点
全球无缝覆盖和漫游
高速传输,提供窄带和宽带多媒体业务
无缝业务传递
支持系统平滑升级和现有系统的演进
适应多种运行环境
第三代移动通信地面无线接口主要技术
IMT—2000 CDMA DS(直接序列)
UTRA/WCDMA
cdma2000DS
IMT—2000 CDMA MC(多载波)
cdma2000MC(包括1x,3x并可扩展至6x,9x,12x)
IMT—2000 CDMA TDD(时分双工)
TD-SCDMA
UTRA TDD
IMT—2000 TDMA SC
UWC-l36
IMT—2000 TDMA MC
EP DECT
实施第二代网络向第三代演进时应该考虑的关键问题
投资
技术的可用性与成熟性
*** 作的灵活性
过渡要求
第二代向第三代过渡的方案
GSM网络向第三代的演进
GPRS
EDGE
窄带CDMA网络向第三代的演进
cdma2000-1x人口红利消逝和流量营收“剪刀差”下,物联网成为运营商新的收入增长源泉。以沃达丰为例,其2015财年移动用户数增幅仅3%,物联网连接数增幅则达到335%,相关业务收入增长亦达247%。但传统2G、3G、4G技术并不能充分满足物联网设备低功耗、低成本的连接需求。NB-IOT的诞生并非偶然,寄托着电信行业对物联网市场的憧憬。其前身可以追溯至华为与沃达丰于2014年5月共同提出的NB-M2M。由这两家公司首倡的窄带蜂窝物联网概念一经提出即得到了业界的广泛认可,随后高通、爱立信等越来越多的行业巨头加入到这一方向的标准化研究中。为了促进标准的统一有利于产业发展,最终3GPP在2015年9月RAN全会达成一致,确立NB-IoT为窄带蜂窝物联网的唯一标准,并立项为Work Item开始协议撰写,预计将于2016年6月的3GPP R13冻结。NB-IoT在物联网应用中的优势显著,为传统蜂窝网技术及蓝牙、Wi-Fi等短距离传输技术所无法比拟。首先其覆盖更广,在同样的频段下,NB-IOT比现有网络增益20dB,覆盖面积扩大100倍。其次是对海量连接的支撑能力,NB-IOT一个扇区能够支持10万个连接。目前全球有约500万个物理站点,假设全部部署NB-IOT、每个站点三个扇区,那么可以接入的物联网终端数将高达4500亿个。同时NB-IOT的功耗更低,仅为2G的1/10,终端模块的待机时间可长达10年。在成本上也将更低,模块成本有望降至5美元之内。未来随着市场发展带来的规模效应和技术演进,功耗和成本还有望进一步降低。此外,在支持大数据方面,NB-IoT连接所收集的数据可以直接上传云端,而蓝牙、Wi-Fi等技术则没有这样的便利。NB-IOT实践与成果尽管标准制定尚未完成,NB-IOT应用已经逐渐铺开,并在实践中得到了各方肯定。2015年世界移动通信大会(MWC 2015)期间,沃达丰与华为就联合展示了智能抄表业务。广东联通积极响应国家“互联网+”战略,与华为针对NB-IOT合作,成立物联网联合创新项目组。结合联通在平台、网络和运营的强项与华为在标准、芯片和模组成本的优势,共同探索并实施可落地的物联网业务,通过真实的业务需求和场景将NB-IOT技术与之相融合,推进物联网产业发展。双方选择了社会价值较大、产业链相对成熟的智能停车等为切入点。随着国内生活水平的提高,汽车已经进入寻常百姓家,但也带来“停车难”等问题——据调查,平均每位司机有20%的时间用在寻找停车位上,而广东作为国内发达省份之一,这一现象更为突出。在深圳,智能停车业务已经开始推行,用户只要安装看APP即可通过收据查找附件停车位,并可支持导航等功能。与传统的停车方案相比,这一基于NB-IOT的试点改变了需要通过中继网关收集信息再反馈给基站所存在的复杂网络部署、多网络组网、高成本等诸多问题,真正实现整个城市一张网,便于维护和管理。与智能停车类似,NB-IoT在智慧农业、智能制造等低功耗广域网领域也具有着广泛的应用前景。由于应用场景特殊带来的高技术要求,这些应用一直缺乏专有的无线技术,NB-IOT可以很好地填补这一市场空白,从而支撑物联网向更广大的领域发展。共建生态拥抱万物互联一项技术由纸面到商用离不开一个强大生态系统的支撑。长期以来,物联网连接技术各自为战,从芯片到系统各方采用的规范不一,造成大规模部署的瓶颈。如今,围绕NB-IOT的生态已初步成型,并在持续扩大中,拥抱万物互联的条件开始成熟。在网络设备供应商层面,华为、爱立信等领导者均已推出了基于NB-IOT的端到端解决方案。运营商层面,中国移动、中国联通以及沃达丰、德国电信、阿联酋电信、意大利电信、AT&T等全球顶尖运营商皆就NB-IOT发布了各自的发展计划,并试点。垂直行业中,越来越多厂商开始采用NB-IOT技术来提升竞争力。比如具备智能追踪、超距告警、电子锁控制、电池监控等功能的智能拉杆箱,还有厂商推出了具备位置定位防盗功能及信息上传、跟踪功能的智能自行车。此外,在市政的路灯和垃圾管理、环境监测和畜牧养殖灌溉等领域,NB-IOT的部署亦日益增多。
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