《无线传感网技术》 课件 第6章 4G通信技术

第6章4G技术本章目标熟悉4G网络结构熟悉移动设备通信流程理解4G网络系统设计与运行-3-6.14G网络的概述6.24G网络结构及交换技术6.33G和4G的比较6.44G网络现状和发展前景6.5远程监控应用实例6.14G网络概述4G技术含义4G网络的发展背景4G网络即第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术。4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比的优越性。6.1.14G技术含义最早的移动通信电话用的模拟蜂窝通信技术，接着使用GSM通信技术然而紧接着出现新的通信技术GPRS在这之后，通信运营商们又推出EDGE技术在新兴通信技术的不断推动之下，象征着3G通信的标志技术WCDMA也成为了通信技术的主流，此外WCDMA和MPEG-4技术结合起来还可以处理真实的动态图像。在上述通信技术的基础之上，无线通信技术最终迈向4G通信技术时代。6.1.24G网络的发展背景6.1.24G网络的发展背景1G语音2G语言、短信2.5G通讯、娱乐3G通讯、娱乐、商务4G9.6K100M模拟115K2M6.1.24G网络的发展背景6.24G网络结构4G网络结构4G网络几个关键的技术指标物理网络层中间环境层应用网络层中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。

物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。

物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。

6.2.14G网络结构1、实现了控制与承载的分离，MME负责移动性管理、信令处理等功能，S-GW负责媒体流处理及转发等功能;2、核心网取消了CS(电路域)，全IP的EPC(EvolvedPacketCore，移动核心网演进)支持各类技术统一接入，实现固网和移动融合(FMC)，灵活支持VoIP及基于IMS多媒体业务，实现了网络全IP化;3、取消了RNC，原来RNC功能被分散到了eNodeB和网关(GW)中，eNodeB直接接入EPC，LTE网络结构更加扁平化，降低了用户可感知的时延，大幅提升用户的移动通信体验;6.2.14G网络结构4、接口连接方面，引入S1-Flex和X2接口，移动承载需实现多点到多点的连接，X2是相邻eNB间的分布式接口，主要用于用户移动性管理;S1-Flex是从eNB到EPC的动态接口，主要用于提高网络冗余性以及实现负载均衡;5、传输带宽方面：较3G基站的传输带宽需求增加10倍，初期200-300Mb/s，后期将达到1Gb/s。第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供比目前无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，都将采用OFDM技术。6.2.24G网络几个关键的技术指标OFDM(正交频分复用)技术，实际上是MCM多载波调制的一种，其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。软件无线电(SoftwareDefinedRadio，简称SDR)，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能。智能天线，为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。多波束天线与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供相应倍数的分集增益。4.IPv6，4G通信系统选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑：巨大的地址空间、自动控制、服务质量(QoS)、移动性。5.MIMO(多输入多输出技术)技术，是近年来热门的无线通讯技术之一。4G系统采用了MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之问形成MIM0通信链路。6.33G和4G的比较

系统参数的比较通信格局的变化核心技术的不同6.3.1系统参数的比较3G的网络是严格的分层结构,一般包括核心网、接入网和用户设备三部分。4G将采用单一的全球范围的蜂窝核心网来取代3G中密密麻麻的蜂窝网络,其采用全数字全IP技术。这是从网络内智能化及网络边缘智能化向全网智能化的发展。3G移动通信系统4G移动通信系统6.3.2通信格局的变化3G系统主要以CDMA为核心技术。CDMA是将相互正交的不同的码分配给不同用户调制信号,实现多用户同时使用同一频率接入系统。4G系统的核心技术OFDM属于多载波调制(MCM),它将指配的信道分成许多正交子信道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,同时要求信号带宽小于信道的相关带宽。6.3.3核心技术的不同4G网络的优势

2、网络频谱更宽活

3、通信更加灵，实现更高质量的多媒体通信，4、智能性能更高频率，使用效率更高5、兼容性能更平滑6、提供各种增值服务，通信费用更加便宜1、通信速度更快6.44G网络现状和发展前景

全球4G发展现状国内运营商发展现状4G网络的发展趋势截至目前，全球新增6个商用网络，商业网总数达到24个，其中包括11个TDD+FDD双模网络，1个eRelay网络。而在建的TD-LTE网络新增11个，总数达到39个。并有超过40个运营商明确将于今、明两年内推出TD-LTE商用服务。6.4.1

4G发展现状今年第三季度，中国移动公布了2013年4G网络工（即中国移动4G网络一期工程）无线主设备招标结果，全国共计划建设20.7万个TD-LTE基站，约55万个载频，计划覆盖全国344个城市。联通目前已建成的3G网络，简单升级就是4G，部分城市已经升级至HSPA＋，实际上已是准4G（国际电联ITU认定HSPA＋就是4G），这个技术具备无限演进的能力，将来可轻松升至84M、168M，甚至更高，全球运营商基本都采用LTE-FDD，产业链成熟，这个才是全球主流，也是世界共识。中国电信，无论选择哪个，都将大大落后。6.4.2

国内运营商发展现状1、4G标准现在国际并未确立，WIMAX和LTE也仅仅能说得上是3.9G，准4G而已。

2、移动正在做TD-LTE的实验网，而联通可以发展为更快速的R7版本HSPA+，电信仅会停留于CDMA20001x-evdo。

3、WIMAX有点类似于城域网，覆盖范围较广，1-6英里，对于移动通话来说会造成容量超载等，局部过大的干扰不易解决。现阶段3G站基本都几百米一个。

4、4G尚未确立，更谈不上运作，现阶段国内3G也仍是起步阶段，4G仍旧遥远。6.4.2

4G网络的发展趋势6.5远程监控应用实例

系统网络分层结构系统架构系统设计根据物联网分层方法将该系统分为感知层、网络层和应用层。感知层位于智能大棚，主要是通过一体化传感器(集成各类传感器、处理模块、采集模块、发射模块等)以及高清网络摄像球等设备实现物体识别、信息采集等功能。一体化传感采集器包含ZigBee无线射频模块，可通过ZigBee短距离无线传输技术将数据传递至物联网网关后，再通过4G路由器与远程监控中心的嵌入式监控主机进行通信。6.5.1

系统网络分层结构传输层是系统的中枢以及信息采集后进行传递和处理的关键环节。传输层设备包括物联网网关以及4G路由器。物联网网关一方面通过ZigBee网络连接一体化传感器采集数据，另一方面则通过RJ45连接4G路由器，实现对串口格式数据的传递，并将其转换为以太网格式。应用层是系统实现具体业务逻辑的管理端，嵌入式监控主机上的信息安全运行保障集中管理系统即该系统的远程管理终端，对各无线传感器节点及摄像头所采集的数据进行分别管理、分析和汇总，实现智能化、精细化的管理。6.5.2系统架构6.5.3系统设计（1）硬件设计一体化无线采集节点的设计无线采集节点采用一体化设计，整合了多种传感器模块、处理模块以及射频模块。由于使用模块化设计，该节点可根据所需的传感器种类进行选择，具有较大的可调整性及扩展性。在一体化无线采集节点的设计中，选取的芯片必须支持2.4GHz、IEEE802.15、Zigbee协议并自带有RF收发器。因此在该节点中，选择了CC2530芯片。CC2530整合了存储器和8051微控制内核，具有极高的接受灵敏度和抗干扰能力，只需要一个晶振就可满足网状网络系统的需要。（2）嵌入式主机嵌入式监控主机在该系统中是核心设备，需要3G／4G模块接口以及所有监控功能，能够通过与果园4G路由器通信实现对大棚前端传感器(二氧化碳浓度传感器、光照传感器及温湿