物联网相关网络技术.ppt

P1 物联网相关网络技术 赋予万物生命 物联网向我们走来 前言 前言 在路上 也许你的需要买一些东西 只要你的手机就可以支付账单了 前言 当你出门的时候 你不需要带车钥匙 用你的身份证或者你的银行卡就可以开车门了 也许简单一点 用你的指纹就开动了座驾 最关键的是在路上的时候 已经有车载终端的为你提醒今天走哪一条路不堵车 晚上回来 你吃饭完 要去溜溜你的狗 也许昨天你没有带它出去 会有信息提醒你 这个狗今天需要的多远的距离比较适合 狗狗 身体情况 前言 这一切在将来都在慢慢变成现实 实现这些的就是 物联网 全球物联网应用增长态势明显 万物互联时代开启 物联网简介 1 1 1物联网一 物联网的定义物联网的英文名称是 InternetofThings 它的概念最早是在1999年 由麻省理工学院Auto ID研究中心提出的 它是指利用产品电子代码EPC 射频识别技术 通过网络 当时网络的概念还仅限于通过互联网 实现在任何的时候 任何地点对任何物品识别和管理 即物品的互联互通 物联网是在互联网 传感网等概念上衍生出来的一种满足人们更多需求的新型网络 从电子信息技术角度来说 物联网是计算机 网络与传感器技术及软件的综合技术 国际电信联盟 ITU 的定义 物联网主要解决物品到物品 ThingtoThing T2T 人到物品 HumantoThing H2T 人到人 HumantoHuman H2H 之间的互联 这里与传统互联网不同的是 H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接 H2H是指人之间不依赖于个人电脑而进行的互连 物联网 中国政府工作报告的定义 物联网是通过传感设备按照约定的协议 把各种网络连接起来 进行信息交换和通信 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 1 1 1物联网 物联网 与互联网相比 有如下主要特征 海量信息 接入设备繁杂 网络架构繁杂 网络管理自治 智能物物互联 物理安全威胁 能量获取多样 设备制造的小型微型化 物联网 中国移动定义的物联网的体系结构 物联网的体系结构 网络技术 5 3 2计算机网络的分类 按网络覆盖范围进行分类 互联网 物联网与接入 互联网 物联网的传输通信保障 1 2互联网 物联网与接入 从端系统接入的角度看互联网的结构 从端系统接入的角度看物联网的结构 17 从网络数据采集与传输内容的角度看互联网与物联网的区别与联系 1 2 3互联网 物联网与接入技术 1 互联网主要是实行人与人之间的信息交互与共享 因此在互联网端结点之间传输的文本文件 语音文件 视频文件都是由人输入的 即使是通过扫描和文字识别OCR技术输入的文字或图形 图像文件 也都是在人的控制之下完成的 2 物联网的端系统采用的是传感器 RFID 因此物联网感知的数据是传感器主动感知或者是RFID读写器自动读出的 由此可见 在网络端系统数据采集方式上 互联网与物联网是有区别的 物联网与互联网在数据采集 传输内容上的区别 计算机网络发展的三条主线 互联网的形成与发展起源于ARPANET 集中式和非集中式拓扑构型分布式网络的拓扑构型 技术的基本设计思路 网络中没有一个中心控制节点 联网计算机独立地完成数据接收 转发 接收的功能发送数据的主机预先将待发送的数据封装成多个短的 有固定格式的分组如何发送主机与接收主机之间没有直接连接的通信线路 那么分组就需要通过中间节点 这种中间转发节点就是目前广泛使用的路由器每个路由器可以根据链路状态与分组的源地址 目的地址 通过路由选择算法为每个分组选择合适的传输路径当目的主机接收到属于一个报文的所有分组之后 再将分组中多个短的数据字段组合起来 还原成发送主机发送的报文 ARPANET设计思想 通信子网结构与分组交换原理示意图 存储转发 5 2 3NSFNET对互联网发展的影响 从ARPANET到Internet的发展过程 互联网的形成 互联网是一个全球范围的信息资源网 接入互联网的主机可以是信息服务的提供者 也可以是信息服务的使用者传统的互联网应用主要有E mail TELNET FTP BBS与Web互联网的全球性与开放性 使人们愿意在互联网上发布和获取信息 浏览器 搜索引擎 IPTV IP电话等P2P技术的产生 对互联网的发展产生重要的作用 使互联网中的信息更丰富 使用更方便 互联网的高速发展与信息高速公路的建设 20世纪90年代 世界经济的发展带动了信息产业的发展 信息技术与网络应用已成为衡量21世纪综合国力与企业竞争力的重要标准1993年9月美国公布了国家信息基础设施 NII 建设计划 NII被形象地称为信息高速公路各国政府开始认识到信息产业发展对经济发展的重要作用 开始制定信息高速公路建设计划1995年2月全球信息基础设施委员会成立 目的是推动与协调各国信息技术与信息服务的发展与应用 广域网与三网融合技术的发展 1 广域网技术发展的背景广域网建设投资很大 管理困难 通常由电信运营商负责组建 运营与维护 因此广域网是一种公共数据网络 广域网需要保证数据交换的服务质量 QoS 因此广域网研究的重点是宽带核心交换技术 互联网的广泛应用推动电信网技术的高速发展 电信运营商的服务业务也从以语音服务为主逐步向数据业务方向发展 三网融合 三网融合 实质上是计算机网络 电信通信网与电视传输网技术的融合 业务的融合 互联网中边缘部分与核心交换部分结构示意图 IP网络 从IPv4到IPv6 互联网的核心技术是TCP IP协议 它的网络层使用的是IP协议核心交换网中所示的所有路由器都必须支持IP协议 因此互联网核心交换网也称为IP网络其他的通信网络 如移动通信网不使用IP协议 因此将不支持IP协议的网络称为非IP网络由于IP网络与非IP网络的网络层协议不同 属于异构的网络 异构网络的互联需要通过具有协议变换功能的网关 gateway 来实现 从IPv4到IPv6 IP协议共出现过6个版本 正式形成国际标准 被采用的是IPv4与IPv6协议IPv4协议是在1981年制定的 地址长度为32位2011年2月3日最后5块IPv4地址被分配给全球5大区域互联网注册机构之后 IPv4地址全部分配完毕IPv6协议具有地址空间大 能够自动配置地址 安全性与服务质量好的优点从IPv4向IPv6的过渡已经是大势所趋 31 接入技术 接入技术类型 接入技术分类 33 ADSL接入技术 ADSL可以在现有的用户电话线上通过传统的电话交换网 以不干扰传统模拟电话业务为前提 同时能够提供宽带互联网接入服务 HFC接入技术 HFC技术用光纤取代有线电视网络中干线同轴电缆光纤接到居民小区的光纤节点之后 小区内部接入用户家庭仍然使用同轴电缆 形成了光纤与同轴电缆混合使用的传输网络在保证正常电视节目播放与交互式视频点播VOD节目服务的同时 为家庭用户计算机接入互联网提供服务 HFC结构示意图 光纤到路边 FTTC 光纤到小区 FTTZ 光纤到大楼 FTTB 光纤到办公室 FTTO 光纤到户 FTTH 无线接入 不同技术的操作范围 802 16无线宽带城域网结构 38 无线城市 WiFi接入点标志与应用情景 39 5 5 7电力线接入技术 电力线通信PLC PowerLineCommunication 智能家居中的PLC网络结构示意图 无线网络标准 WWAN WMAN WLAN WPAN 传输范围 0 01 10 1 0 1 100 1000 数据传输率 Mbps IEEE802工作组 UWB Zigbee 无线网络标准的比较 无线网络标准 ZigBee ZigBee技术是一种短距离 低功耗的无线通信技术 又称紫蜂协议 来源于蜜蜂的八字舞 由于蜜蜂 bee 是靠飞翔和 嗡嗡 zig 地抖动翅膀的 舞蹈 来与同伴传递花粉所在方位信息 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络 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IEEE802 15 4标准的规定 ZigBee联盟 ZigBee联盟是由全球多家知名科技公司而组成 通过开放的专业标准 致力推动及研发可靠 有效 及低功率的无线智能网络和监控产品 ZigBee联盟现有的理事公司包括BMGroup Ember公司 飞思卡尔半导体 Honeywell 三菱电机 摩托罗拉 飞利浦 三星电子 西门子 及德州仪器 华为等 ZigBee 802 15 4协议结构 物理层 MAC层 网络层 应用层 IEEE802 15 4定义 ZigBee联盟定义 ZigBee协议栈 ZigBee网络应用 PERSONALHEALTHCARE ZigBeeLOWDATA RATERADIODEVICES HOMEAUTOMATION CONSUMERELECTRONICS TVVCRDVD CDRemotecontrol securityHVAClightingclosures PC PERIPHERALS consolesportableseducational TOYS GAMES INDUSTRIAL COMMERCIAL monitorssensorsautomationcontrol mousekeyboardjoystick monitorsdiagnosticssensors IEEE802 15 4基础 802 15 4是为轻量级无线网络设计的一个简单的数据包传输协议 信道接入方法采用CSMA CA机制 CarrierSenseMultipleAccesswithcollisionavoidance 和可选的时隙 timeslotting 机制 消息确认机制和可选的信标帧结构 多层次安全机制 AES 128加密 能够在电池供电的情况下长时间运行 IEEE802 15 4设备类型 802 15 4中将设备分为两类 全功能设备 fullfunctiondevice FFD 简化功能设备 reducedfunctiondevice RFD FFD能够在网络中承担三种角色普通设备协调器 或路由器 PAN协调器RFD在网络中只能承担一种角色 普通设备 FFDvsRFD 全功能设备 FFD 可以用来构建任意拓扑结构的网络能够担任网络协调器既能与RFD通信 也能与其它FFD通信简化功能设备 RFD 只能用来构建星型网络无法担任网络协调器只能与FFD进行通信实现起来非常简单 适合于能量和资源受限的设备 设备地址 每个无线个域网 WPAN 至少需要包含一个FFD 担任PAN协调器 每个独立的个域网将选定一个唯一的PANID 16位 网络中的每个设备 其自身都携带一个64位的全球唯一地址 IEEEMAC扩展地址 也称为长地址 该地址可用于个域网内的直接通信 当设备成功入网后 将会被分配一个16位的短地址 16位短地址只能保证在个域网内部是唯一的 所以在使用16位短地址通信时需要结合16位的个域网网络标识符才有意义 ZigBee网络拓扑结构 星型 网型 树型 协调器 路由器 终端设备 星型拓扑结构 全功能设备 FFD 简化功能设备 RFD 数据流 主 从关系 网络协调器 网络实例 FFD RFD RFD RFD FFD FFD RFD FFD RFD RFD RFD FFD FFD RFD PAN协调器 Zigbee芯片 主要ZigBee芯片提供商 2 4GHZ 有 TI 德州仪器 CHIPCON 已被TI收购 EMBER ST意法半导体 JENNIC 捷力 FREESCALE 飞思卡尔 MICROCHIP 微芯 ZigBee技术提供方式有三种 1 ZigBeeRF MCUTI的CC2420 2530 MSP430FREESCLAE的MC13XX GT60MICROCHIP的MJ2440 PICMCU 2 单芯片集成SOCTI的CC2430 2530 8051内核 Freescale的MC1321XEMBER的EM250 3 单芯片内置ZIGBEE协议栈 外挂芯片JENNIC的SOC EEPROMEMBER的260 MCU CC2530芯片 TI09年推出的 在CC2430的基础上做了一些改进 缓存加大了 存储容量最大支持到256K CC2530的通信距离可以达到400m CC2530的主要特点 高性能和低功耗的8051微控制器核 集成符合IEEE802 15 4标准的2 4GHz的RF无线电收发机 在休眠模式时仅1 A的流耗 外部的中断或RTC能唤醒系统在待机模式时少于0 4 A的流耗 外部的中断能唤醒系统优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性 硬件支持CSMA CA功能 较宽的电压范围 2 0 3 6V 数字化的RSSI LQI支持和强大的DMA功能 具有电池监测和温度感测功能 集成了14位模数转换的ADC 集成AES安全协处理器 带有2个强大的支持几组协议的USART 以及2个常规的16位计时器和2个8位计时器 强大和灵活的开发工具 硬件连接图 Z Stack协议栈 TI公司开发的Z Stack是ZigBee协议栈 并且经过了ZigBee联盟的认可而为全球众多开发商所广泛采用 TI公司的Z Stack协议栈装载在一个基于IAR开发环境的工程里 Z Stack采用操作系统的思想来构建 采用事件轮循机制 当各层初始化之后 系统进入低功耗模式 当事件发生时 唤醒系统 开始进入中断处理事件 结束后继续进入低功耗模式 如果同时有几个事件发生 判断优先级 逐次处理事件 这种软件构架可以极大地降级系统的功耗 NB IOT介绍NarrowBandInternetofThings 窄带蜂窝物联网 目前 众消费市场 趋饱和 导致运营商盈利增长趋缓 亟待寻求新的盈利增长点 据市场调研机构预测 未来5 10年物联网连接数和市场规模将发 规模井喷式发展 物联网市场潜 巨 即将进 规模井喷式发展 LPWA LowPowerWideArea 低功耗广覆盖 类业务 物联网世界存在 量的传感类 控制类连接需求 这些连接速率要求很低 但对功耗和成本 常敏感 且分布很广 海量 现有3G 4G技术从成本上 法满 需求 目前2G虽然已在承担 部分对功耗要求相对不 的业务需求 但明显还有 量需求 法满 也不是长期发展的 案 物联网业务种类繁多 难以 单 技术满 注 使 5Wh电池 2G终端待机 概2个 左右 LPWA类业务连接是全球产业关注的重要市场 也是公司 向 连接战略应当考虑满 的场景之 但现有2G 3G 4G网络难以承担这类业务 中国移动现有网络难以承担LPWA的重任 LPWA开启低功率广覆盖物联网市场 NBIoT具备技术比较优势 移动物联网技术的不同定位 NBIoT相对短距通信 私有技术优势明显 NB IOT四大优势 专门定位 低频 小包 时延不敏感 物联网业务 20dB增益 5 模组成本 10年电池寿命 50K连接数每小区 窄带功率谱密度提升重传次数 16次编码增益 简化射频硬件简化协议降低成本减小基带复杂度 简化协议 芯片功耗低功放效率高发射 接收时间短 频谱效率高小包数据发送特征终端极低激活比 低功耗 NBIoT标准立项 2016年6月冻结 3GPPR13 联合提出NBM2M 提出NBOFDMA 提出NBLTE NB IOT工作组 NBCIOT 报告发起者 NB IOT 2016 6冻结 2015 9 2015 5 2014 5 2014 7 2015 7 融合入 融合入 2017年为NB IOT的元年 NB IOT技术定义 FDD LTE与TD LTE的对比 NB IOT技术定义 目前 仅FDDLTE系统支持NB IoT技术 TD LTE系统不支持NB IoT技术 NB IoT是在基于FDDLTE技术上改造而来的 物理层设计大部分沿用LTE系统技术 如上行采用SC FDMA 下行采用OFDM 高层协议设计沿用LTE协议 针对其小数据包 低功耗和大连接特性进行功能增强 核心网部分基于S1接口连接 支持独立部署和升级部署两种方式 结论 NB IOT可以理解为一种简化版的FDDLTE技术 优点 NB IoT在覆盖 功耗 成本 连接数等 性能最优 最符合LPWA类业务需求 缺点 NB IoT 法满 对移动性及速率要求较 数据量 需要语 业务的应 需求 可考虑eMTC Cat1等候选技术 TDD LTE与FDD LTE主要对比 TDD LTE与FDD LTE技术在用户应用层面是一样的 应用场景一样 区别在于调度资源的方式不同 用户感知上 上行速率比现网TD LTE快 5M带宽下 FDD是TDD的2倍左右 下行速率比现网TD LTE慢 5M带宽下 FDD是TDD的约1 3 NB IOT组网框架 Device to Cloud 国内外运营商对NB IoT的频段的划分 全球大多数运营商使用900MHz频段 有些运营商部署在800MHz频段 中国联通的NB IoT部署在900MHz 1800MHz频段 目前只有900MHz可以试验 中国移动将会获得FDD牌照 并且允许重耕现有的900MHz 1800MHz频段 中国电信的NB IoT部署在800MHz频段 频率只有5MHz NB IOT智能抄表 智能抄表的需求 基本诉求 低成本 海量规模 低功耗 水表 气表 5年 深度覆盖 安装位置诉求 业务诉求 上报频次增加 阶梯收费 大数据分析诉求 监控告警 故障发现 实时上报 故障诊断 基于NB IOT抄表的优势和价值 面向未来的技术 垂直行业也都预期2G网络都将于2018至2020年退网 低成本 南方电网考虑用4G替代2G模块 每个表成本高超过100元 一张网一个技术 当前因为2G覆盖问题 技术碎片化 安装维护方便 水务 燃气 电力企业 运营商 稳定的收入