NB-IoT技术原理与应用开发 -课件 1.5.2 网络层技术

第1章物联网概述天津职业大学电子信息工程学院崔雁松第1章物联网概述1.1物联网的诞生1.2物联网发展概况1.3物联网分层架构1.4物联网协议架构1.5物联网关键技术1.5物联网关键技术一、平台层技术二、网络层技术三、终端层技术四、物联网安全技术二、网络层技术1、技术分类2、三种中距离无线通信技术3、四种LPWA技术4、几种物联网网络层技术的比较WiFi蓝牙ZigBeeLoRaSigfoxeMTCNB-IoT二、网络层技术1、技术分类按照传输距离：按照使用频谱的性质：按照是否需要使用接入网关设备：近距离——NFC、RS232、RFID中距离——WiFi、ZigBee、BlueTooth、Z-Wave远距离——eMTC、LoRa、NB-IoT、Sigfox、2G/3G/4G使用授权频谱——eMTC、NB-IoT、2G/3G/4G使用非授权频谱——LoRa、WiFi、ZigBee、Sigfox需要使用网关——LoRa、Sigfox、WiFi需要使用基站——eMTC、NB-IoT、2G/3G/4G免许可频谱二、网络层技术1、技术分类按照数据传输速率：二、网络层技术2、三种中距离无线通信技术ISM——工业的(Industrial)、科学的(Scientific)和医学的(Medical)应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902-928MHz、2400-2484.5MHz及5725-5850MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部分用于GSM通信。

而2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网（IEEE802.11b/IEEE802.11g），WiFi，蓝牙，ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。二、网络层技术2、三种中距离无线通信技术——WiFiWi-Fi是Wireless-Fidelity的简称，基于IEEE802.11标准，是一种无线保真的局域网通信技术。Wi-Fi使用以太网通信协议，其组网只需要一个无线接入点（AP）或无线路由器即可。早期的Wi-Fi技术采用2.4GHz或5GHz的高频频段，因此在传输距离、数据速率、功耗等多方面都不能满足物联网的需求。二、网络层技术2、三种中距离无线通信技术——WiFi2016年Wi-Fi联盟发布的IEEE802.11ah标准——Wi-FiHaLow是专门针对物联网而设计的。HaLow采用900MHz频段，覆盖范围最高1000米，设备连接数可达数千个，可采用BPSK、QPSK或QAM的调制方式，支持OFDM和MIMO，具有低功耗、干扰小等特点。针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi技术是IEEE802.11af标准，也称超级Wi-Fi。它旨在使用从几十MHz到几百MHz范围内的电视频率的白色空间（为电视频道保留的缓冲频段，随着电视的数字化而逐渐失去存在的意义），为人烟稀少地区提供无线高速物联网业务。这些白色空间频段具有良好的衍射能力，可以大大提高Wi-Fi的覆盖范围。802.11af采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM调制技术，单空间流的最大数据速率可达35.6Mbps，覆盖范围在室内可达数百米、室外可达上千米。二、网络层技术2、三种中距离无线通信技术——蓝牙蓝牙（Bluetooth）是一种基于数据包传输，采用高速跳频（FH）技术，可支持点对点的语音和数据业务的中距离无线通信技术，常用于固定设备、移动设备和楼宇个域网（PAN）之间的通信连接。蓝牙采用GFSK调制，占用2.4~2.485GHz的ISM频段的特高频（UHF）无线电波，通信距离可达一百米左右，最大数据传输速率为2Mbps。蓝牙曾被列为IEEE802.15.1标准，后由蓝牙技术联盟（SIG）管理。4.0版本后性能得到很大增强，最新的5.2版本中的功率控制技术可将蓝牙电池使用寿命延长至五年以上。二、网络层技术2、三种中距离无线通信技术——蓝牙蓝牙在物联网中的应用主要存在以下两种场景：通过蓝牙网关部署网络。这种场景下，由于蓝牙点对点的通讯方式，所以需要考虑如下问题：蓝牙设备不需要一直在线，而只在某些特殊情况下需要连接服务器。这种场景下，可以通过控制终端开启/关闭蓝牙功能来实现。蓝牙网关的容量问题：一个蓝牙网关能够接入多少蓝牙设备；蓝牙设备的配对问题：蓝牙设备如果不能实现自动配对，大规模部署将是一个很麻烦的事情。二、网络层技术2、三种中距离无线通信技术——ZigBeeZigBee是IEEE802.15.4标准的代称，是一种采用局域网协议，支持固定、便携或移动设备使用的无线通信技术。ZigBee名称的由来有着仿生学的意味：蜜蜂（Bee）通过“嗡嗡”（Zig）地抖动翅膀飞翔的方法来向同伴传递消息，这样就形成了蜂群的通信网络。ZigBee技术具有如下特点：

ZigBee是专门针对低功耗无线传感器网络而设计的，适用于对一些数据传输速率要求不高的中距离通信物联网场景。大连接：受网关的硬件配置限制，一般可以支持数百个终端。短距离：单点传输距离在10-100米的范围内。工作频段灵活：典型频段包括2.4GHz的ISM非授权频段、欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段。低速率：对应上述这三个频段，最高速率依次分别为250kbps、20kbps和40kbps。低功耗：电池工作时间可以长达2年左右，在休眠模式下可达10年。自组织：节点间自动通信进行组网，采用动态路由的网状网结构。安全性高：采用跳频技术，支持数据完整性检查和加密，支持鉴权和认证。二、网络层技术2、三种中距离无线通信技术——ZigBeeZigBee终端二、网络层技术2、三种中距离无线通信技术几种中距离无线通信技术对比二、网络层技术3、四种LPWA技术LPWAN：低功耗广覆盖网络传统的移动通信系统（2G、3G、4G等）主要为人和人之间通信而设计，相对于物联网应用来说，协议过于复杂，终端功耗过高，数据传输速率对某些物联网场景纯属浪费，因此并不直接适用于物联网应用。二、网络层技术3、四种LPWA技术——LoRa远距离（LongRange）二、网络层技术3、四种LPWA技术——LoRaLoRaWAN接口协议分层架构图三类设备基本覆盖了物联网所有的应用场景二、网络层技术3、四种LPWA技术——LoRaLoRaWAN网络架构基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。空口采用基于Aloha协议的异步通信，上行可以多点接收。二、网络层技术3、四种LPWA技术——LoRaLoRa采用线性Chirp扩频调制，射频脉冲信号的载波频率做线性变化，这种方式具有功耗低、抗干扰能力强、接收灵敏度高和传输距离远的特点，已经在军事和航天通信方面应用多年。关键技术1：扩频技术LoRa支持低功率大频率范围的收发，频率范围137MHz~1020MHz，接收灵敏度-148dbm，接收电流10.3mA，包长最大256个字节。二、网络层技术3、四种LPWA技术——LoRaLoRa采用ADR技术，具有很大的数据速率范围（0.3kbps~50kbps），网络服务器根据链路质量，独立地管理每个终端设备的数据速率和发射功率，这就实现了网络容量和速率的平衡，使终端可以获得更低的功耗，最大化电池使用寿命（长达十年以上），通过增加网关可以轻松实现扩容。关键技术2：自适应数据速率（ADR，AdaptiveDataRate）LoRa允许用户自行设定扩频调制的带宽（7.8~500kHz）、扩频因子（6~12）和编码效率（1/2、4/7、4/6和4/5），从而可以在带宽占用、数据速率、链路预算改善以及抗干扰性能之间达到更好的平衡。二、网络层技术3、四种LPWA技术——LoRaLoRa采用异步空口结构，将空口的MAC处理上移，站点网关只做数据转发，用户调度都在机房的网络服务器上完成，这就大大简化了空口操作。关键技术3：空口简化二、网络层技术3、四种LPWA技术——LoRaLoRa采用基于TDOA（精度500米）、RSS（精度1000米）和DRSS（精度500米）免GPS定位技术。只需每个网关通过GPS进行同步，以获得共同的时间基准。再通过更多的信道（获得50%的频率分集增益）、更多的网关（获得25%的网关分集增益）、更多的天线以及使用统计技术，来提高定位精度。LoRa还开放了其API接口，以允许系统集成商使用可用的第三方算法以提高位置精度。关键技术4：免GPS定位TDOA：TimeDifferenceofArrival，到达时间差

双曲定位法RSS：Received

Signal

Strength，接收信号强度

三边定位法DRSS：DifferentialReceived

Dignal

Strength，差分接收信号强度二、网络层技术3、四种LPWA技术——SigfoxSigfox技术由同名的法国Sigfox公司设计研发，是专为微小上行链路数据容量的传感器网络而设计的、技术成熟度最高的远距离物联网通信技术。Sigfox的最大特点是采用非授权频谱的超窄带（UNB，UltraNarrowBand）技术。超窄带技术就是利用极窄的物理带宽（采用FDMA技术，子信道仅为100~几百赫兹）进行通信。

由于信号本身带宽小，带内的随机噪声功率很低，因而灵敏度非常高，相比于其他系统能够传输更远的距离，具有更强的穿透能力。二、网络层技术3、四种LPWA技术——Sigfox优势：终端成本低：在现有遥控器或者中距离传输的芯片硬件的基础上更新软件即可，其芯片价格可低至1美元。功耗低：对于低频率使用的业务，终端电池的使用寿命可达十年以上。覆盖性能优：在链路预算为162dB前提下，在城市环境，可传输3~10千米；在农村环境，可传输30~50千米。抗干扰能力强：采用UNB技术使其在单位频带有更高的功率谱密度，再加上跳频、帧重复和多基站连接功能，使其具有强大的抗干扰能力。网络容量大：可支持三百万左右的终端连接数。劣势：终端通信能力有限：使用非授权频谱会受到某些限制，如在Sigfox应用最广的欧洲地区，其管理法规要求868MHz频段每个终端的发射占空比必须小于1%。数据传输速率低：Sigfox可支持的数据传输速率为10~1000bps，但是对于有极高功耗要求的物联网来说，100bps的速率更合适。空口安全性差：采用非授权频谱本身就易受到干扰，Sigfox空口设计过于简单，无法采用有效的加密和认证，存在数据被伪基站窃听并破解的风险。下行传输能力有限且无法支持软件升级更新：Sigfox支持上下行双向通信，但通信必须总是由终端发起。二、网络层技术3、四种LPWA技术——SigfoxLTN（低吞吐率网络）网络架构图二、网络层技术3、四种LPWA技术——SigfoxSigfox空中接口协议分层架构图无线电（RF）层：负责终端设备和基站/网关的频率分配和收发功率要求。物理层：负责前导码插入（发送端）和移除（接收端）。Sigfox在上行链路中使用BPSK调制，下行链路中使用GFSK调制。MAC层：负责MAC消息的管理。按照定义的格式要求为上/下行链路准备数据帧，主要是用于纠检错的帧校验序列（FCS，FrameCheckSequence）。应用层：支持SNMP，HTTP，MQTT，IPv6等各种接口协议，以支持不同的应用。二、网络层技术3、四种LPWA技术——eMTCeMTC是增强的机器类通信（EnhancedMachineTypeCommunication）的简称，是在LTE协议基础上，专门为满足中速率（上下行峰值速率可达1Mbps）物联网业务而进行了裁剪和优化的蜂窝物联网技术，所以也称为LTE-M（LTE-Machine-to-machine）。相比于原有的LTE系统，窄带的eMTC具有如下几个特性：系统复杂度大幅度降低，成本得到了极大的优化（eMTC芯片目标成本在1～2美金左右）。功耗极度降低，电池续航时间大幅度增强。网络的覆盖能力大大加强。网络覆盖的密度增强。eMTC端到端网络架构和LTE保持一致，不需要网络改造，只需要升级软件即可支持。从网络设备数量最多的基站角度来看，eMTC可以重用LTE频谱资源，重用LTE射频、天馈等硬件资源，只需软件升级即可。eMTC的用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE网络。二、网络层技术3、四种LPWA技术——eMTC关键技术1：15dB增益的深度覆盖技术在连续的子帧中的相同资源块中调度相同数据的时域重传技术，这样在接收端通过HARQ（混合自动重传请求）合并这些数据就可以获得12dB左右的合并增益；通过跳频技术，可以获得2~3dB的频域分集增益。141062二、网络层技术3、四种LPWA技术——eMTC关键技术2：节电技术延长电池使用寿命eMTC通过PSM（省电模式）和eDRX（扩展不连续接收）来延长终端电池的使用寿命。其中，99%的待机时间处于PSM，所消耗的电量小于1%。电池使用寿命可以长达十年。二、网络层技术3、四种LPWA技术——eMTC关键技术3：无GPS的定位技术eMTC采用UTDOA（上行到达时间差）技术，无需GPS也可实现定位。UTDOA通过三个基站构成的不同圆的交点估算终端位置，测试基站越多定位精度越高。而且，UTDOA的实现无需终端新增定位芯片。二、网络层技术3、四种LPWA技术——eMTC关键技术4：无缝切换技术eMTC支持无缝切换以保证用户体验的平滑连续。具体来讲，eMTC支持连接态的移动性管理，给用户提供连续的业务体验。无缝切换技术是eMTC与NB-IoT的最大区别之一。eMTC还支持灵活的组网策略，满足运营商业务分层、负载平衡等需求。eMTC通过自动频率控制来校正终端的频率偏差，以降低多普勒频移对解调的影响，从而能够支持终端在高速移动场景下的业务性能。多普勒频移二、网络层技术3、四种LPWA技术——eMTC典型应用：智慧物流二、网络层技术3、四种LPWA技术——NB-IoT标准化进程NB-IoT是窄带物联网（NarrowBandInternetofThings）的简称，是3GPP在LTE协议基础上针对低速率（100kbps~1Mbps）物联网业务而制定的蜂窝物联网技术标准。二、网络层技术3、四种LPWA技术——NB-IoT二、网络层技术3、四种LPWA技术——NB-IoT华为海思华为收购的英国公司Neul美国高通美国英特尔瑞士优北罗上海移远芯片