物联网技术应用-智能家居-第3版教学课件第2章-家庭网络通信技术

第2章家庭网络通信技术本章要点2了解家庭网络的规划设计及布线。了解家庭网络的国家标准。熟悉家庭组网技术。熟悉移动通信技术。掌握物联网的关键技术。32.1家庭网络概述

家庭网络是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台，是在家庭范围内实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安(监控)装置及水电气热表设备、家庭求助报警等设备互连和管理，以及数据和多媒体信息共享的系统。涉及了电信、家电、IT等行业。

当前家庭网络可以分为“有线”和“无线”两大类。有线家庭网络主要由双绞线、同轴电缆、光纤连接组网，或由电力线连接组网；无线家庭网络主要包括基于WiFi6技术、蓝牙Mesh技术或ZigBee技术组网等。42.1家庭网络概述2.1.1家庭网络规划设计

家庭网络的设备主要有光纤猫、POE路由器、千兆交换机、嵌入式无线AP等。一般的中小户型网络系统由于房间数量少，可省略千兆交换机。图2-1家庭网络架构示意图52.1家庭网络概述1.华为H6分布式路由器

华为H6分布式路由器由一个POE主路由器和三个面板AP子路由器组成。POE主路由器为长方形，体积小，便于放进接入光纤的弱电箱中。主路由器有6个千兆LAN接口，1个千兆WAN接口，还有1个IPTV接口。

每个子路由器可以提供70m2左右的有效信号覆盖。子路由器只有一个按键，这个按键既是Reset功能，也是WiFi开关，散热孔一侧是LAN网口，可以通过网线连接一台设备。图

2-2华为H6路由器62.1家庭网络概述2.华为OptiXstarWiFi6光纤猫

华为OptiXstarWiFi6光纤猫是目前性能领先的家庭宽带通信设备，与上代产品相比，速度更快，实际测速达千兆以上；覆盖更广，一台光纤猫即可完美解决120m2以下中小户型的WiFi覆盖问题；同时还具有延时更低、容量更大、更安全、更省电的特点。图2-3华为OptiXstarWiFi6光纤猫的外形72.1家庭网络概述华为OptiXstarWiFi6光纤猫具备如下3大特点，可以助力实现极致的家庭网络体验。

（1）WiFi真千兆，速率有保障。速率超过1000Mbit/s，采用了华为自研的支持160MHz的WiFi6技术，而业界其他光纤猫产品普遍采用的80MHz频宽商业套片。

（2）更广覆盖，信号满屋。支持全向高增益天线和动态窄频宽技术，全方位覆盖提升，借助优化算法，WiFi信号较业界产品多穿一堵墙，实现信号满屋。还可以支持超过100个终端连接，满足更多的用户并发场景，为云VR、在线办公、电竞、在线教育等高品质业务保驾护航。

（3）更简组网，智能运维。光纤猫和路由器二合一，告别复杂组网结构，对于很多中小户型家庭而言，可以做到不外挂任何路由器产品即可实现全屋千兆覆盖。82.1家庭网络概述2.1.2家庭网络布线施工家庭网络的布线一般釆用管子预埋方式，按设计施工图将电源线与弱电线（网线、光纤、同轴电缆）分别穿入不同的塑料管，然后将管线预埋在墙壁上或地面上。在布线施工时要注意：强电、弱电管子最少相距15cm;在所有的网络终端一定要放置电源插座;每根PVC管子中最好只穿2根网线，最多不能多于3根网线（针对直径DN20的管子）;每根网线的长度最好不要大于30m;厨房间因油烟太大，不宜布网络线；卫生间因湿气太大，也不宜布网络线，但可在卫生间布置电话线。(a)墙壁上(b)地面92.1家庭网络概述2.1.3家庭网络的国家标准简介

早在2005年我国就颁布的6项家庭网络的标准，构成了家庭网络标准体系的基础协议。这六项标准分别为：SJ/T11312-2005《家庭主网通信协议规范》SJ/T11313-2005《家庭主网接口一致性测试规范》SJ/T11314-2005《家庭控制子网通信协议规范》SJ/T11315-2005《家庭控制子网接口一致性测试规范》SJ/T11316-2005《家庭网络系统体系结构及参考模型》SJ/T11317-2005《家庭网络设备描述文件规范》102.1家庭网络概述2013年颁发了我国的国家标准《家庭网络》(GB/T30246-2013)，该标准分为11个部分。是由我国工业和信息化部提出。第1部分：系统体系结构及参考模型(GB/T30246.1-2013)。第2部分：控制终端规范(GB/T30246.2-2013)。第3部分：内部网关规范(GB/T30246.3-2013)。第4部分：终端设备规范音视频及多媒体设备(GB/T30246.4-2013)。第5部分：终端设备规范家用及类似用途电器(GB/T30246.5-2013)。第6部分：多媒体与数据网络通信协议(GB/T30246.6-2013)。第7部分：控制网络通信协议(GB/T30246.7-2013)。第8部分：设备描述文件规范XML格式(GB/T30246.8-2013)。第9部分：设备描述文件规范二进制格式(GB/T30246.9-2013)。第10部分：多媒体与数据网络接口一致性测试规范(GB/T30246.10-2013)。第11部分：控制网络接口一致性测试规范(GB/T30246.11-2013)。112.2家庭有线组网技术2.2.1总线技术

总线技术是指将所有设备的通信与控制都集中在一条总线上，是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程。

典型的总线技术采用双绞线总线结构，各网络节点可以从总线上获得供电（24V/DC），亦通过同一总线实现节点间无极性、无拓扑逻辑限制的互联和通信，信号传输速率和系统容量则分别为10kbit/s和4GB。

总线型技术比较适合于楼宇和小区智能化等大区域范围的控制，现开始部分应用于别墅智能化，但一般设置安装比较复杂，造价较高，工期较长，只适用新装修用户。

122.2家庭有线组网技术图2-5采用总线控制技术的智能家居网络示意图132.2家庭有线组网技术1.RS-485总线

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485总线布线的规范如下：(1)RS-485信号线不可以和电源线一同走线。(2)RS-485信号线可以使用屏蔽线作为布线，也可以使用非屏蔽线作为布线，一般可选择普通的超五类屏蔽双绞线即网线作为信号线。(3)RS-485布线时必须要手牵手的布线，但是可以借助RS-485集线器和RS-485中继器，可以任意布设成星形接线与树形接线。(4)RS-485总线必须要接地。142.2家庭有线组网技术2.KNX总线KNX总线是目前世界上唯一的适用于家居和楼宇自动化控制领域的开放式国际标准，是由欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHSA合并发展而来。KNX系统采用的是开放式通信协议，可以轻松的与第三方系统/设备实现的对接。例如：ISDN、电力网、楼宇管理设备等等。主要的对接方式有：(1)通过输入、输出模块，采用接点信号进行连接；(2)通过USB接口进行连接；(3)采用符合通信协议的接口---即网关连接，实现数据的双向交换。KNX总线的传输介质除双绞线、同轴电缆外，还支持使用无线电来传输KNX信号。通过这种方式，LAN网络和互联网也可以用来发送KNX信号。152.2家庭有线组网技术3.LonWorks总线

在各种现场总线中，LonWorks总线技术以其在技术先进性、可靠性、开放性、拓扑结构灵活性等方面独特的优势，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。特别适合于建筑的楼宇自动化系统。LonWorks总线使用48位ID神经元芯片，节点数量没有限制，传输距离较远（约2.7km），传输速率快（300～2.25Mbit/s）；传输可靠性较高，对于单个节点，电路成本很高，设计难度较大，维护费用较高。162.2家庭有线组网技术4.CAN总线

CAN总线是一种支持分布式控制和实时控制的对等式现场总线网络。在目前已有的几种现场总线方式中，具有较高的性能价格比。

其网络特性使用差分电压传输方式；总线节点数有限，使用标准CAN收发器时，单条通道的最大节点数为110个，传输速率范围是5kbit/s至1Mbit/s，传输介质可以是双绞线和光纤等，任意两个节点之间的传输距离可达10km。对于单个节点，电路成本高于RS-485，设计时需要一定的技术基础；传输可靠性较高，界定故障节点十分方便，维护费用较低。172.2家庭有线组网技术2.2.2电力线载波技术

电力线载波(英文简称PLC)技术是指利用现有电力线作为信息传输媒介，通过载波方式将语言或数据信号进行高速传输的一种通信方式。PLC技术是利用1.6~30MHz频带范围在电力线路上传输信号。在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制、线路耦合，然后在电力线上进行传输。在接收端，先经过耦合、滤波，将调制信号从电力线路上滤出，再经过解调，还原成原信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5~45Mbit/S之间。182.2家庭有线组网技术1.PLC的优点实现成本低，可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，不用进行额外布线范围广，电力线是覆盖范围最广的网络高速率，其传输速率依设备厂家的不同而在4.5~45Mbit/s之间，比ADSL更快永远在线，“即插即用”，接入电源就等于接入网络便捷，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可拥有PLC的高速网络享受

要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决各种因素对数据传输的影响。高效可靠的调制编码技术是高速PLC的关键。192.2家庭有线组网技术PLC技术按频段可分为窄带、中频带和宽带技术。

窄带PLC：使用的带宽通常为几十kHz，且频段一般位于500kHz以下，可应用于自动抄表、配用电自动化、能源控制、电网监测等低速数据通信场合。

中频带PLC技术：发源于中国，基于国家电网公司HPLC规范的中频带技术，广泛用于国内用电信息采集领域，并于2018年在IEEE完成标准化，发布了IEEE1901.1国际标准。PLC-IoT(PowerLineCommunicationInternetofThings)：是基于HPLC/IEEE1901.1结合华为特有技术，且面向物联网场景的中频带电力线载波通信技术。通过将数字信号调制在高频载波上，实现数据在电力线介质的高速长距离传输。通过多级组网可将传输距离扩展至数公里，基于IPv6可承载丰富的物联网协议，使能末端设备智能化、实现设备全连接。202.2家庭有线组网技术2019年8月9日，在华为开发者大会上推出海思PCL-IoT电力线载波方案，该方案采用树形网络架构。CCo树根主节点，创建并维护电力载波通信网络；STA树枝节点或叶子节点；PSTA中继节点。图

2-6PCL树形网络架构212.2家庭有线组网技术2.海思PLC-IOT

（1）提供更远的传输距离和更高的传输速率

无须担心建筑物遮挡造成的无线信号衰减；理论传输距离5Km。提供100Kbit/s~2Mbit/s应用层传输速率，保障IoT类产品通讯即时性。

（2）提供便捷的施工、运维，有电即能用

无须关注拓扑，只要保障设备供电，即可实现通讯。无须考虑部署中继节点，只要在同一电力变压器供电环境下，即可进行通讯。

（3）能够使用简单、经济的方案隔离通讯区域

可以通过简单的并接电容隔离通讯区域，避免通讯区域间干扰。实现同一通讯区域内的无感知自组网。222.2家庭有线组网技术3.PLC智能家居系统图

2-7PLC智能家居系统结构图智能家居系统主要由3部分组成，即发射器、接收器和被控设备。

发射器：主要作用是通过电力线发射PLC-BUS控制信号给接收器，通过对接收器的控制，从而达到间接控制灯及电器设备的目的。接收器：主要作用是接收来自电力线的PLC-BUS控制信号，并执行相关控制命令，从而达到灯及电器控制的目的。被控设备：主要有各种电器和各类灯具。还需要一些配套设备，辅助实现控制目的，例如：三相耦合器、信号转换器、信号强度分析仪、滤波器等。232.3家庭无线组网技术

无线智能家居网络是指在家庭内部将各种电气设备和电气子系统通过无线电连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享，对外通过网关与外部网互联进行信息交换的无线局域网。

目前使用较多的无线组网技术有：ZigBee、蓝牙Mesh和WiFi6。2.3.1ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。非常适用于智能家居的无线控制指令传输。ZigBee技术是一种无线连接技术，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250Kbit/s、20Kbit/s和40Kbit/s的传输速率。它的传输距离在10~75m的范围内，但可以继续增加。

242.3家庭无线组网技术ZigBee采用自组网的方式进行通信，也是无线传感器网领域最为著名的无线通信协议。在无线传感器网络中，当某个传感器的信息从某条通信路径无法顺畅的传递出去时，动态路由器会迅速的找出另外一条近距离的信道传输数据，从而保证了信息的可靠传递。

到目前为止，ZigBee技术主要是基于两个标准，一个是ZigBee联盟所制定的3.0标准，另一个是IEEE802.15.4工作组所制定的低速、近距离的无线个域网标准。3.0标准是基于IEEE802.15.4标准基础之上的，两个规范都满足OSI参考模型。252.3家庭无线组网技术

ZigBee技术的特点：

功耗低，ZigBee模块非常省电，2节5号干电池可支持1个模块工作6～24个月

成本低，普通网络模块硬件只需8位微处理器，4～32KB的ROM，且软件实现也很简单，ZigBee协议免专利费

可靠性高，采用了CSMA/CA碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突

时延短，搜索设备时延30ms，休眠激活时延为15ms

数据传输速率低，工作在20~250Kbit/s的较低速率

网络容量大，最多可组成65000个模块的大网，网络容量大，组网灵活

安全性好，提供了三级安全模式

有效范围小，有效覆盖范围10～75m之间

兼容性好，与现有的控制网络标准无缝集成262.3家庭无线组网技术采用ZigBee技术的国内三家智能家居品牌：绿米联创、欧瑞博和紫光物联。图

2-8

采用ZigBee技术的智能家居系统272.3家庭无线组网技术2.3.2蓝牙Mesh技术

“蓝牙”(Bluetooth)是一种短距离无线通信技术规范，使得一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，随时随地进行信息的交换与传输。

蓝牙技术在亚马逊、阿里巴巴、谷歌、百度和小米等语音控制前端设备中的应用日益增长，并在智能照明、智能家电、门锁、传感器以及许多其他各类设备领域也在不断增加。

蓝牙Mesh技术规格的制定是120家蓝牙技术联盟企业会员共同努力的成果，因此才能满足全球对于蓝牙网状网络产业标准的要求。282.3家庭无线组网技术2.3.2蓝牙Mesh技术蓝牙技术的特点：(1)低成本，全球范围适用。蓝牙技术使用的是2.4GHz的ISM频段。(2)便于使用。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙技术比其他系统都更稳定。(3)安全性高和抗干扰能力强。蓝牙无线收发器采用扩展频谱跳频技术。把2.402～2.480MHz以1MHz划分为79个频点，根据主单元调频序列，采用每秒1600次快速调频。跳频是扩展频谱常用的方法之一，在一次传输过程中，信号从一个频率跳到另一个频率发送，而频率点的排列顺序是伪随机的，这样蓝牙传输不会长时间保持在一个频率上，也就不会受到该频率信号的干扰。292.3家庭无线组网技术2.3.2蓝牙Mesh技术(4)低功耗。蓝牙设备在通信连接状态下，有4种工作模式：激活模式、呼吸模式、保持模式和休眠模式。激活模式是正常的工作状态，另外3种模式是为了节能所规定的低功耗模式。呼吸模式下的从设备周期性地被激活；保持模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活成员地址；休眠模式下的主从设备仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。(5)开放的接口标准。蓝牙特别兴趣小组(SIG)为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。(6)全双工通信和可靠性高。蓝牙技术是采用时分双工通信，实现了全双工通信。采用FSK调制，CRC、FEC和ARQ，保证了通信的可靠性。(7)网络特性好。由于蓝牙支持一点对一点及一点对多点通信，利用蓝牙设备也可方便地组成简单的网络(微微网)。302.3家庭无线组网技术2.3.2蓝牙Mesh技术图2-9蓝牙无线网络结构示意图图中BAP为蓝牙接入点，LAN为局域网312.3家庭无线组网技术2.3.3WiFi6技术WiFi是英文无线保真（WirelessFidelity）的缩写，俗称无线宽带。是无线局域网(WLAN)中的一个标准(IEEE802.11b)。随着技术的发展，以及IEEE802.11a及IEEE802.11g等标准的出现，现在IEEE802.11这个标准已被统称为WiFi。WiFi6（原称：IEEE802.11.ax）即第六代无线网络技术。WiFi6将允许与多达8个设备通信，最高速率可达9.6Gbit/s。WiFi6的最重要改进是减少拥塞并允许更多设备连接到网络。WiFi6主要使用了OFDMA、MU-MIMO等技术，MU-MIMO（多用户多入多出）技术允许路由器同时与多个设备通信，而不是依次进行通信。WiFi6还利用其他技术，如OFDMA（正交频分多址）和发射波束成形，两者的作用分别提高效率和网络容量。322.3家庭无线组网技术2.3.3WiFi6技术相比于前几代的WiFi技术，新一代WiFi6主要特点在于：1速度快相比于上一代802.11ac的WiFi5，WiFi6最大传输速率由前者的3.5Gbit/s，提升到了9.6Gbit/s，理论速度提升了近3倍。2延时低WiFi6不仅仅是上传下载速率的提升，还大幅改善网络拥堵的情况，允许更多的设备连接至无线网络，并拥有一致的高速连接体验。3频段兼容频段方面WiFi5只涉及5GHz，WiFi6则覆盖2.4/5GHz，完整涵盖低速与高速设备。4数据容量高调制模式方面，WiFi6支持1024-QAM，高于WiFi5的256-QAM，数据容量更高，意味着更高的数据传输速度。332.3家庭无线组网技术5带宽利用率好WiFi5标准即支持MU-MIMO（多用户多入多出）技术，仅支持下行，只能在下载内容时体验该技术。而WiFi6则同时支持上行与下行MU-MIMO，这意味着移动设备与无线路由器之间上传与下载数据时都可体验MU-MIMO，进一步提高无线网络带宽利用率。6空间数据流多WiFi6最多可支持的空间数据流由WiFi5的4条提升至8条，也就是可最大支持8×8MU-MIMO，这也是WiFi6速率大幅提升的重要原因之一。7传输技术新WiFi6采用了OFDMA（正交频分多址）技术，它是WiFi5所采用的OFDM技术的演进版本，将OFDM和FDMA技术结合，在利用OFDM对信道进行父载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术，允许不同用户共用同一个信道，允许更多设备接入，响应时间更短，延时更低。342.3家庭无线组网技术协议发布日期频

带最大传输速率802.1119972.4~2.5GHz2Mbit/s802.11a19995.15~5.35/5.47~5.725/5.725~5.875GHz54Mbit/s802.11b19992.4~2.5GHz11Mbit/s802.11g20032.4~2.5GHz54Mbit/s802.11n20092.4GHz或5GHz600Mbit/s(4×4MIMO，40MHz)802.11ac20115GHz3.2Gbit/s(4×4MIMO，160MHz)802.11ad201360GHz7Gbit/s802.11ah2016900MHz7.8Mbit/s802.11ax20175GHz11Gbit/sIEEE802.11工作组研究和标准化了完整的WiFi技术体系，涵盖从物理层核心标准到频谱资源、管理、视频车载应用多方面等一系列标准。表2-21EEE802.11标准化进程352.4移动通信技术2.4.1移动通信概述

移动通信属于无线通信，它是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，又称为无线移动通信。

它采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。图

2-10蜂窝移动通信网络结构示意图362.4移动通信技术移动通信与固定通信相比，具有以下特点：1移动性

移动性就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。移动通信的传播信道是无线信道，也称无线移动信道。2电磁波传播环境复杂

因移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。另外，移动台相对于基地台距离远近变化会引起接收信号场强的变化，即存在远近效应。3噪声和干扰严重

除去一些常见的外部干扰和噪声，如天电干扰、工业干扰、信道噪声等，在城市环境中还有汽车噪声等，移动用户之间的相互干扰、邻里干扰、同频干扰等。372.4移动通信技术4系统和网络结构复杂

移动通信是一个多用户通信系统网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互联，整个网络结构很复杂。5用户终端设备、管理和控制要求高

用户终端设备除技术含量很高外，对于手持机还要求体积小、质量轻、防振动、省电、操作简单、携带方便；对于载台还应保证在高低温变化等恶劣环境下也能正常工作。

由于移动通信系统中用户的终端可移动，为了确保与指定的用户进行通信，移动通信系统必须具备很强的管理和控制功能，如用户的位置登记和定位、呼叫链路的建立和拆除、信道的分配和管理、越区切换和漫游的控制、鉴权和保密措施、计费管理等。382.4移动通信技术2.4.2移动通信技术的发展1第一代移动通信技术（1G）

1G（firstgeneration）表示第一代移动通信技术，起源于20世纪80年代，主要采用的是模拟调制技术与频分多址接入（FDMA）技术。1G主要代表有：美国的先进的移动电话系统（AMPS）、英国的全球接入通信系统（TACS）和日本的电报电话系统（NMT）。1G移动通信基于模拟传输技术，其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。1G主要基于蜂窝结构组网，直接使用模拟语音调制技术，传输速率约2.4Kbit/s。1G无线系统在设计上只能传输语音流量，并受到网络容量的限制。392.4移动通信技术2第二代移动通信技术（2G）

第二代移动通信技术起源于90年代初期，主要采用数字的时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术。第二代移动通信数字无线标准主要有：欧洲的GSM和美国高通公司推出的IS-95CDMA等，我国主要采用GSM，美国、韩国主要采用CDMA。

为了适应数据业务的发展需要，在第二代技术中还诞生了2.5G，也就是GSM系统的GPRS和CDMA系统的IS-95B技术，大大提高了数据传送能力。

数字移动通信相对于模拟移动通信，提高了频谱利用率，支持多种业务服务，并与ISDN等兼容。改善了语音质量，增加了网络容量，加强了通话的保密性，并且为用户提供了无缝的国际漫游服务。

第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。402.4移动通信技术3第三代移动通信技术（3G）

国际电信联盟（ITU）于2000年5月公布了第三代移动通信标准，正式命名为国际移动通信2000。欧洲电信标准协会（ETSI）称其为通用移动通信系统（UMTS）。众多3G系统都利用到了CDMA相关技术，CDMA系统以其频率规划简单、频率复用系数高、系统容量大、抗多径能力强、软容量、软切换等特点，显示出巨大的发展潜力。

我国国内采用国际电联确定三个无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的W—CDMA，中国移动的TD—SCDMA。

第三代移动通信提供的业务包括语音、传真、数据、多媒体娱乐和全球无缝漫游等。与第一代和第二代移动通信技术相比，3G有更宽的带宽，其传输速率最低为384Kbit/s，最高为2Mbit/s，带宽可达5MHz以上。它不仅能传输语音，而且能传输数据，能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务。412.4移动通信技术4第四代移动通信技术（4G）

第四代移动通信是真正意义的高速移动通信系统，能够以100Mbit/s的速率下载，上传的速率也能达到20Mbit/s，可满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G支持交互多媒体业务、高质量影像、3D动画和宽带互联网接入，是宽带大容量的高速蜂窝系统。

第四代移动通信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。

第四代移动通信主要是以正交频分复用(OFDM)为技术核心。OFDM技术的特点是对网络结构可高度扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供更高质量的无线数据技术(速率高、时延小)服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。422.4移动通信技术5第五代移动通信技术（5G）5G是最新一代蜂窝移动通信技术，也是4G系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。图

2-11移动通信技术的五代发展进程432.4移动通信技术2.4.35G通信技术4G时代的终端以智能设备为主，而在5G时代绝大多数消费产品、工业品、物流等都可以与网络连接，海量“物体”将实现无线联网。5G物联网还将与云计算和大数据技术结合在一起，使得整个社会充分物联化和智能化。

国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大类应用场景：

增强移动宽带（eMBB）：主要面向移动互联网流量爆炸式增长，为移动互联网用户

提供更加极致的应用体验；

超高可靠低时延通信(uRLLC)：主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和

可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求；

海量机器类通信(mMTC)：主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据

采集为目标的应用需求。ITU定义了5G八大关键性能指标，其中高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1Gbit/s，时延低至1ms，用户连接能力达100万连接/km2。442.4移动通信技术

在2020全球移动宽带论坛期间，华为提出的5.5G概念，是在原有的大带宽、多连接、低时延三个应用场景的基础上，进一步扩展三个应用场景，即：上行超宽带(UCBC)、宽带实时通信(RTBC)和通信感知融合(HCS)。

UCBC场景：在5G能力基线，实现上行带宽能力10倍提升，满足企业生产制造等场景下，

机器视觉、海量宽带物联等上传需求，加速千行百业智能化升级。

RTBC场景：支持大带宽和低交互时延，目标是在给定时延下和一定的可靠性要求下的

带宽提升10倍，打造人与虚拟世界交互时的沉浸式体验。

HCS：主要使能的是车联网和无人机两大场景，支撑自动驾驶是关键需求。通过将蜂窝

网络MassiveMIMO的波束扫描技术应用于感知领域，使得HCS场景下既能够提供通

信，又能够提供感知；如果延展到室内场景，还可提供定位服务。452.4移动通信技术2019年6月6日，工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照。同年11月1日，三大运营商宣布首批在50个城市开通5G商用，同时正式启用5G商用套餐。2021年7月5日，我国工信部等10个部门联合印发了《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，提出以打造IT（信息技术）、CT（通信技术）、OT（运营技术）深度融合新生态为发展目标，部署了“5G应用生态融通行动”，目的就是构建统一的5G应用生态。《行动计划》中指出：推进5G与智慧家居融合，深化应用感应控制、语音控制、远程控制等技术手段，发展基于5G技术的智能家电、智能照明、智能安防监控、智能音箱、新型穿戴设备、服务机器人等，不断丰富5G应用载体。在2021年7月13日举行的2021中国互联网大会上，工信部副部长刘烈宏称，中国已建成全球最大光纤网络、4G和5G独立组网网络，目前5G已建成基站91.6万个，占全球70%，5G连接数已经超过3.65亿，占全球80%。462.4移动通信技术技术指标4G参考值5G参考值提升效果峰值速率1Gbit/s10~20Gbit/s10~20倍用户体验速率10Mbit/s0.1~10Gbit/s10~100倍流量密度0.1Tbps/km210Tbps/km2100倍端到端时延10ms1ms10倍连接数密度105/km2106/km210倍移动通信支持速度350km/h500km/h1.43倍能效1倍100倍提升100倍频谱效率1倍3~5倍提升3~5倍表2-35G与4G的区别472.5物联网技术“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。1.定义1

1999年，美国麻省理工学院Auto-ID中心教授Ashton在研究RFID时最早提出物联网概念：把所有物品通过射频识别(RFID)和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2.定义22005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会峰会(WSIS)上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。报告提出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷，从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换，射频识别(RFID)技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。2.5.1物联网的定义482.5物联网技术3.定义3

2009年9月15日欧盟第7框架下RFID和物联网研究项目簇

(CERP-IOT)在发布的《InternetofThingsStrategicResearchRoadmap》研究报告中对物联网的定义：物联网是未来因特网(Internet)的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和可互操作的通信协议且具有自配置能力的动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”都具有标识、物理属性和实质上的个性，使用智能接口，实现与信息网络的无缝整合。

通过这些年的发展，物联网基本可以定义为：

通过无线射频识别、无线传感器等信息传感设备，按传输协议，以有线和无线的方式把任何物品与互联网相连接，运用“云计算”等技术，进行信息交换和通信等处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的一种网络。492.5物联网技术1.全面感知

利用无线射频识别（RFID）、传感器、定位器和二维码等手段随时随地对物体进行信息采集和获取。传感器属于物联网的神经末梢，成为人类全面感知自然的最核心元件，各类传感器的大规模部署和应用是构成物联网不可或缺的基本条件。2.可靠传递

通过各种电信网络和因特网融合，对接收到的感知信息进行实时远程传送，实现信息的交互和共享，并进行各种有效的处理。这一过程通常需要用到有线和无线网络。3.智能处理

利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对随时接收到的跨地域、跨行业、跨部门的海量数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。2.5.2物联网的基本特征502.5物联网技术2.5.3物联网的体系结构图2-12物联网的体系结构

物联网的体系结构通常被认为有3个层次，从下到上依次是感知层、网络层和应用层。

物联网的突出特征是通过各种感知方式来获取物理世界的各种信息，结合互联网、有线网、无线移动通信网等进行信息的传递与交互，再采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提升人们对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。

512.5物联网技术

1.感知层

物联网的感知层主要完成信息的采集、转换和收集。可利用射频识别(RFID)、二维码、GPS、摄像头、传感器等感知、捕获、测量技术手段，随时随地地对感知对象进行信息采集和获取。

感知层包含两个部分：

传感器(或控制器)：用来进行数据采集及实现控制

短距离传输网络：将传感器收集的数据发送到网关，或将应用平台的控制指令发送到控制器。

感知层的关键技术主要为传感器技术和短距离传输网络技术，例如物联网智能家居系统中的感知技术，包括无线温湿度传感器，无线门磁、窗磁，无线燃气泄漏传感器等；短距离无线通信技术(包括由短距离传输技术组成的无线传感网技术)。522.5物联网技术

2.网络层

物联网的网络层主要完成信息传递和处理。网络层包括两个部分：

接入单元：接入单元是连接感知层的网桥，汇聚从感知层获得的数据，并将数据发送到接入网络。

接入网络：接入网络即现有的通信网络，包括移动通信网、有线电话网、有线宽带网等。通过接入

网络，将数据最终传入互联网。

例如物联网智能家居系统中的网络层还包括家居物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。网络层不但要具备网络运营的能力，还要提升信息运营的能力，如对数据库的应用等。

网络层的关键技术既包含现有的通信技术，如移动通信技术、有线宽带技术、公共交换电话网(PSTN)技术、无线联网(WiFi)通信技术等；又包含终端技术，如实现传感网与通信网结合的网桥设备、为各种行业终端提供通信能力的通信模块等。532.5物联网技术

3.应用层

物联网的应用层主要完成数据的管理和数据的处理，并将这些数据与各行业应用相结合。

应用层也包括两部分：

物联网中间件：物联网中间件是一种独立的系统软件或服务程序。中间件将许多可以公用的

能力进行统一封装，提供给丰富多样的物联网应用。统一封装的能力包括通

信的管理能力、设备的控制能力、定位能力等。

物联网应用：物联网应用是用户直接使用的各种应用，种类非常多，包括家庭物联网应用(如家用电器智能控制、家庭安防等)，也包括很多企业和行业应用(如石油监控

应用、电力抄表、车载应用、远程医疗等)。

应用层主要基于软件技术和计算机技术实现，其关键技术主要是基于软件的各种数据处理技术，此外云计算技术作为海量数据的存储、分析平台，也将是物联网应用层的重要组成部分。542.5物联网技术2.5.4物联网的关键技术1.感知层技术

感知层技术是指能够用于物联网底层感知信息的技术，它包括射频识别(RFID)技术、传感器技术、无线传感器网络技术、蓝牙技术、遥感技术、GPS定位技术、多媒体信息采集与处理技术及二维码技术等。

2.传输层技术

传输层技术是指能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括互联网技术、地面无线传输技术、卫星通信技术、移动通信技术、有线宽带网络技术以及短距离无线通信技术等。

3.支撑层技术

支撑层技术是物联网应用层的分支，它是指用于物联网数据处理和利用的技术，包括云计算技术、嵌入式技术、人工智能技术、数据库与数据挖掘技术、分布式并行计算和多媒体与虚拟现实等。4.应用层技术

应用层技术是指用于直接支持物联网应用系统运行的技术，应用