物联网科技导论-李梅-第6章长距离无线通信之移动通信网络
浅析无线移动通信与物联网的应用
浅析无线移动通信与物联网的应用无线移动通信和物联网是两个不同但密切相关的概念。
无线移动通信是指通过无线电波进行通信的技术，主要应用于手机、广播、微波通信、导航等方面。
而物联网是指通过互联网连接各种智能设备的技术，主要应用于智能家居、智能城市、智能交通等方面。
本文将针对无线移动通信和物联网的应用进行浅析。
首先，无线移动通信在物联网中发挥了重要的作用。
物联网需要传输海量的数据，而传统的有线传输方式面临着传输数据量大、安装维护困难等问题。
无线移动通信则可以通过网络覆盖广、安装简便等特点满足物联网对数据传输的需求。
同时，无线移动通信支持各种传输方式，如GSM、CDMA、WCDMA、LTE等，可以满足不同场景的应用需求，从而进一步促进物联网的发展。
其次，物联网应用于无线移动通信中也有很多实际的应用案例。
如智能家居可以通过手机APP实现智能控制，智能城市可以通过智能停车场管理实现“找车难”问题的解决，智能交通可以通过车辆联网实现实时交通信息的共享等。
这些应用案例充分说明了物联网在无线移动通信中的实际应用及其重要性。
最后，无线移动通信和物联网在未来的发展也有很大的潜力。
随着5G时代的到来，无线传输速率将得到进一步提升，这将为物联网的发展提供更好的网络基础。
同时，5G也将支持更多的设备连接和更丰富的应用场景，使得物联网的应用更加普及和便捷。
综上所述，无线移动通信和物联网在现代社会中的应用越来越广泛，将会促进人们日常生活的智能化，提高社会运作效率，同时也对无线通信产业和物联网厂商提出了更高的要求。
只有通过不断地技术创新和应用创新，才能实现无线移动通信和物联网更加优质高效的应用，为人类带来更多价值。
物联网科技导论-李梅-第6章 长距离无线通信之移动通信网络
f1
A
f2
B
f3
C
f4
D
•
组网时需确定重叠区及载波/同频干扰比：
– 重叠区
• 重叠区太大，越区干扰大
f1 A
a
f2 B
•
重叠区小，弱电场区可能多。 a
f1 A f2 B
面状服务区
• 指服务区不呈条状而是一个宽广的平面
• 小区形状：应该是规则结构：圆形（全向天线）， 三角形，正方形，六边形
r
• 按基站对小区的覆盖方式：
– 中心激励：
• 基站位于小区中心，有 时会有辐射阴影。
顶点激励：
• 在顶点上设置基站，并采 用三个互成120°的定向天 线，以避免辐射阴影。
• 簇（区群）：
– 共同使用全部可用频率的 N个小区叫做一簇 ( 区群 )） – 若N越小，则系统中区群复制得越多，系统容量越 大，频率的利用率越高。
GSM系统的无线传输
• 语音传输 • GSM内部的传输
语音传输
2.5G-GPRS
GPRS是通用分组无线业务的简称，是在GSM系 统上发展出来的一种新的承载业务，目白是为GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同 样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以 及同样的TDMA帧结构。GPRS允许用户在端到端分 组模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换 模式的网络资源，从而 提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。 和GSM通信网络相比，技术特点如：1、资源利用率 高；2、传输速率高（64-128Kbps）；3、接入时间 短；4、支持IP协议和X.25 协议；5、低成本，以通 信的数据量为主要依据进行计费；
– N叫做区群的大小，典型值3、4、7、9、12 、……
物联网中的无线通信技术研究
物联网中的无线通信技术研究随着科学技术的不断发展，物联网技术如火如荼地发展起来。
物联网是将日常生活中的物品通过互联网连接起来，形成一种智能的服务系统。
无线通信技术是物联网的基础，是实现物联网互联互通的必要手段。
因此，无线通信技术的发展和研究尤为重要。
一、物联网中的无线通信网络物联网中的无线通信网络能够实现物品之间的互相通信和数据传输。
无线通信技术包括蜂窝通信、短距离无线通信、蓝牙、Wi-Fi等多种技术。
这些技术可以分为两大类：长距离通信技术和短距离通信技术。
长距离通信技术主要指移动通信网络，如2G、3G、4G等。
这些通信技术通过网络连接，可实现不同地区和国家之间的数据传输。
这种通信方式具有覆盖面广、数据传输速度快、稳定性强等优点，更适合于需要大数据传输和远距离通信的场景。
短距离通信技术包括蓝牙、ZigBee、UWB等技术。
它们主要用于建筑内局部通信、低速低功率通信和低延迟通信等场景。
比如，街头的电子显示屏、家庭的智能家居系统、车辆的无线充电等。
二、物联网中的移动通信网络物联网中的移动通信网络是最基本的通信方式。
在移动通信网络中，物品通过无线信号连接到网络，实现数据传输和互联互通。
随着物联网的发展和进步，对移动通信网络的要求也越来越高，通信速度、网络覆盖、信号强度等等成为了更为重要的因素。
现在，物联网中的移动通信网络主要有4G和5G两种。
4G能够实现一些简单数据的传输，但是在受限制的环境下（如高山、深入建筑）也容易断线。
5G网络是一种全新的移动通信技术，最大特点是高速率、低时延。
目前，5G网络已经开始部署，并且在大型会展、体育赛事等场景中得到了广泛的应用。
三、物联网中的短距离通信技术短距离通信技术是指在较小范围内，物品之间通过无线技术实现数据传输和互联互通。
这种技术有着覆盖范围小、速率不高的特点。
但是，它也可以做到低功耗、低延迟，成为建筑物内、城市街道、个人消费设备中最常用的通信方式。
蓝牙是一种最常见的短距离通信技术，广泛应用于手机、耳机、手表等智能设备。
《物联网通信技术》课件第6章
(6.1.1)
从图6.1.1(b)中可以看出， 调制后， 基带信号的频谱分别 搬移到了ωc的两边，分布在ωc的上边和下边。 如果基带信号 是一个带限信号， 则在ωc的两边分别形成了上边带信号和下 边带信号。
图6.1.1 乘法调制与调制后的频谱
已调信号经信道传输后到达接收端， 接收端须对已调信 号进行解调， 即通过变换还原出原始的基带信号。 对于上述 已调信号， 最简单的解调器依然是一个乘法器和一个低通滤 波器（或带通滤波器）组成的解调器。 其基本原理如图6.1.2 所示。
图6.1.2 调制与解调原理图
解调时， 已调信号sm(t)与高频信号c(t)相乘， 得到
(6.1.2)
通过低通滤波器， 滤掉高频成分cos(2ωc+ω0)t和
cos(2ωc－ω0)t, 便得到原始的基带信号
。
6.1.2 数字调制系统的基本原理
由于数字基带信号是离散的， 即数字基带信号的每个码 元仅表示一个状态， 因此， 数字基带信号就像一个开关的 “键”一样， 尤其二进制数字基带信号， 它仅有“1”和“0” 两个状态， 可表示“开”、 “关”， 所以数字调制采用的方 法是“键控”的调制方法。
相干解调法是利用乘法器来实现的， 其原理图如图6.2.4 所示。
图6.2.4 相干解调原理图
在图6.2.4中， 已调信号sASK(t)=s(t) cosωct, 与乘法器的 cosωct相乘， 得到
(6.2.2)
在式(6.2.2)中， 等式右端含有一高频成分(1/2)s(t) cos2ωct及基 带信号成分(1/2)s(t)， 通过低通滤波器滤掉高频成分(1/2)s(t) cos2ωct, 保留基带信号成分(1/2)s(t), 再经过抽样判决后恢复 原始的基带信号s(t)。2. 频移键控法又称为频率转换法， 该方法使用数字基带信 号控制电子开关在两个载波信号发生器间的转换， 从而输出 不同频率的载波信号， 其原理图如图6.3.3所示。
物联网导论课件第7章长距离无线通信之Internet
UDP协议
UDP协议的全称是用户数据包协议，在网络中它 与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接 的协议。
TCP协议
UDP 协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性 较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到。
为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP 协议就诞生了。这 个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的 UDP 协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失， 就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了
HFC（CABLEMODEM）：是一种基于有线电视网络铜线 资源的接入方式。具有专线上网的连接特点，允许用 户通过有线电视网实现高速接入因特网。
光纤宽带接入：通过光纤接入到小区节点或楼道，再 由网线连接到各个共享点上（一般不超过100米），提 供一定区域的高速互联接入。
无源光网络（PON）：PON（无源光网络）技术是一种 点对多点的光纤传输和接入技术，局端到用户端最大 距离为20公里，接入系统总的传输容量为上行和下行 各155Mbps/622M/1Gbps，由各用户共享，每个用户使 用的带宽可以以64kbps步进划分。
灵活多样的入网方式是Internet获得高速发展的重要原 因。任何计算机只要采用TCP/IP协议与Internet中的任 何一台主机通信，就可以成为Internet的一部分。
加入Internet也是自愿的，似乎可以笼统的说，Internet 是由它的所有成员自愿组成的。
Internet基本功能
② 127.X.X.X是保留地址，用做循环测试用 的。
传输层
有了 MAC 地址和 IP 地址，我们已经可以在因特网 上任意两台主机上建立通信。接下来的问题是，同 一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如，你 一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据 包从因特网上发来的时候，你怎么知道，它是表示 网页的内容，还是表示在线聊天的内容？
《物联网导论》第9章_移动通信网络v1.1
GSM系统
GSM是一种蜂窝网络系统，蜂窝单元按照半径可以分为：
宏蜂窝：覆盖面积最广，基站通常在较高的位置，例如山峰 微蜂窝：基站高度普遍低于平均建筑高度，适用于市区内 微微蜂窝：室内，影响范围在几十米以内 伞蜂窝：填补蜂窝间的信号空白区域 GSM后台网络系统包括以下模块系统： 基站系统，包括基站和相关控制器 网络和交换系统，也称为核心网，负责衔接各个部分 GPRS核心网，可用于基于报文的互联网连接，为可选部分 身份识别模块，也称为SIM卡，主要用于保存手机用户数据
•支持传统语音通信、文字和多媒体短信 •支持一些无线应用协议 •900/1800MHz GSM移动通信 工作在900/1800MHz频段 无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议
•800MHz CDMA移动通信 工作在800MHz频段，核心网移动性管理协议采用IS-41协议 无线接口采用窄带码分多址（CDMA）技术
本章内容
9.1 移动通信发展历史 9.2 3G通信技术和标准 9.3 移动互联网 9.4 关于4G
三代移动通信技术的代表有哪些？
9.1 第一代移动通信：模拟语音
• 1928年，美国普渡(Purdue University)大学的学生发明了超外差无线电 接收机，随后被美国底特律警察局利用并建立了世界上第一个移动通信 系统(车载无线电系统)。 • 1946年，贝尔系统在圣路易斯建立起了第一个可用于汽车的电话系统。 • 西德、法国和英国分别于1950年、1956年和1959年完成了公用移动电话 系统的研制。
Multiplexing, FDM）技术，解决了公用移动通信系统所需要的大容量要求 和频谱资源限制的矛盾。
• 100km范围之内，IMTS每个频率上只允许一个电话呼叫；AMPS以允许
《现代移动通信》课件第6章
图6-2 小区的形状比较
图6-3 中心激励方式
图6-4 顶点激励方式
3. 蜂窝小区的分类 1) 宏蜂窝 2) 微蜂窝 3) 微微蜂窝
6.1.2 频率复用 1. 频率复用的概念 频率复用就是相同频率的重新使用。
2. 区群 1) 区群的结构 区群是由若干小区构成的，而且各小区要求邻接，因此同 一区群内各小区均要求使用不同的频率组，而任一小区所使用 的频率组在其他区群相应的小区中还可以再次使用，这就是频 率复用。区群是频率复用的基本单位。
或 (6.7)
则用户之间是正交的。满足以上正交化过程的多址方式分 别是TDMA、FDMA和CDMA。但一般很难达到数学上如此理 想的实现方式，在实际应用中，三种多址方式有着各自的实现 方法。
图6-15 三种基本多址方式示意图
6.3.2 三种多址方式的特点 1. FDMA方式的特点 (1) 每个信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足
1. 区域覆盖的发展 在蜂窝概念出现之前， 移动通信系统采用的网络覆盖方 式是大区制，蜂窝小区就是相对于大区制而言的，大区制移动 通信系统通过使用大功率发射机(50～200 W)、架设很高的天 线(>30 m)而获得一个大面积的覆盖范围。大区制具有覆盖面 积大、网络结构简单且无需移动交换机(直接与PSTN相连)等优 点，但也有服务性能较差、频谱利用率低及用户容量有限等缺 点。
6.2 移 动 性 管 理
6.2.1 位置管理 位置管理就是移动通信网络跟踪移动台的位置变化，对移
动台位置信息进行登记、删除和更新的过程。
1. 位置登记 蜂窝网的覆盖区域分为若干个位置区LA，每个LA与一个 MSC相连并有一个位置区识别码LAI。MS从一个位置区移到 另一个位置区时，必须在对应LA的VLR中进行登记。也就是 说，一旦MS发现其存储器中的位置识别码LAI与接收到的LAI 发生了变化，便执行登记。
浅析无线移动通信与物联网的应用
浅析无线移动通信与物联网的应用
无线移动通信是指利用无线技术进行移动通信的方式，使用户能够在任何时间、任何地点实现通信。
物联网是指通过互联网将各种物体与互联网进行连接，实现物体之间的信息交换和共享。
无线移动通信与物联网在应用方面有许多共同点和互补性，如下所述：
1.远程监测与控制：无线移动通信和物联网技术可以实现对远程设备、设施和环境的监测和控制。
通过传感器和无线网络，可以实现对工厂设备、交通信号灯、环境温度等的远程监控和控制，提高生产效率和资源利用效率。
2.智能家居与智慧城市：无线移动通信和物联网技术可以使家庭和城市更加智能化。
通过利用传感器、无线网络和云计算等技术，可以实现家庭电器、照明、安防系统的远程控制和管理，以及城市交通、能源、环境等的智能化管理。
3.医疗健康：无线移动通信和物联网技术可以实现医疗设备、健康监测设备与医疗机构之间的信息共享和远程监护。
通过将医疗设备、健康监测设备与移动通信网络相连，可以实现患者的健康数据实时监测和远程医疗服务，提高医疗资源的利用效率和疾病的预防控制水平。
4.智能交通与物流：无线移动通信和物联网技术可以实现交通管理、车辆定位、货物追踪等方面的智能化。
通过利用移动通信网络和物联网技术，可以实现车辆定位、交通信号优化控制、货物追踪等功能，提高交通运输和物流的效率和安全性。
无线移动通信和物联网技术在各个领域都有广泛的应用前景。
通过将无线移动通信和物联网技术相结合，可以实现更加智能、高效、安全和可持续的社会发展。
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• 缺点：网络构成复杂
• 按服务区形状分：条状服务区、面状服务 区
条状服务区
– 用户的分布呈条状（或带状），如铁路、公路、沿海水域 等。 小区
条状服务区
可采用多个频率复用
➢ 二频复用
r
r
r
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f2
f1
A
B
A
➢ 三频复用
r
r
r
f2
f1
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B
A
B
r f1
r f2
r f3
– 如图, 设置分集接收台 – 基站发射用全向天线，接
收用定向天线 – 提高基站接收灵敏度
Rd Rd
BS MS1
MS2
Rd
大区制设置分集接收台示 意图
• 小区制网构成方式基本概念
– 小区制：利用频率复用的概念，将整个服务区域 划分成若干个小区，每个小区分别设置一个低发 射功率的基站，负责本小区的通信。
第6章 长距离无线通信之
移动通信网络
蜂窝网络
对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所 需的小区数最少，无重叠区，故所需的频率组数也最少， 最经济。仅有理论分析和设计意义。
把移动电话的服务区分为一个个正六边形的子区，每 个小区设一个基站。形成了形状酷似“蜂窝”的结构， 因而把这种移动通信方式称为蜂窝移动通信方式。
– 频率复用：
• N个相邻的小区组成一个区群(簇) • 将可供使用的频道划分成N组 • 区群内的每个小区使用不同的频率组 • 相邻区群重复使用相同的频率组分配模式
• 基本小区有：（r0：小区半径）
– 超小区：r0 ＞20km（农村） – 宏小区：r0 ＝1～20km（人口稠密地区） – 微小区：r0 ＝0.1～1km（城市繁华区） – 微微小区：r0 ＜0.1km（办公室、家庭）
一般用户几十～几百个，一般用于专网。
• 提高覆盖半径是大区制需解决的问题 • 决定覆盖半径的因素：
– 地球的曲率限制了传输的极限范围 – 地形环境影响，信号传播可能产生盲区 – 多径反射限制了传输距离 – 移动台发射功率小，上行信号传输距离有限（上下
行传输增益差可达6～12dB）
• 解决上行问题的办法：
• 大区制
– 在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站， 并由它负责移动通信的联络和控制。
MS1
BS MS2
MS3
大区制移动通信网
• 早期的移动通信网一般是大区制 • 主要特点：
– 基站天线很高，几十～几百米 – 基站发射功率大：50～200W – 覆盖半径：30～50km
• 优点：网络结构简单，成本低 • 缺点：频谱利用率低，服务性能差，容量小，
r
• 按基站对小区的覆盖方式：
– 中心激励：
• 基站位于小区中心，有 时会有辐射阴影。
➢ 顶点激励： • 在顶点上设置基站，并采 用三个互成120°的定向天
线，以避免辐射阴影。
• 簇（区群）：
– 共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇(区群)） – 若N越小，则系统中区群复制得越多，系统容量越
大，频率的利用率越高。 – N叫做区群的大小，典型值3、4、7、9、12 、…… – 构成蜂窝网的二次几何图形
r
r
f1
f2
r f3
A
B
C
A
B
C
➢ 四频复用
r f1
rr
f2
f3
r
r
r
f4
f1
f2
rr
ห้องสมุดไป่ตู้
f3
f4
A
B
C
D
A
B
C
D
• 组网时需确定重叠区及载波/同频干扰比：
– 重叠区
• 重叠区太大，越区干扰大
a
f1
f2
A
B
• 重叠区小，弱电场区可能多。
a
f1
f2
A
B
面状服务区
• 指服务区不呈条状而是一个宽广的平面
• 小区形状：应该是规则结构：圆形（全向天线）， 三角形，正方形，六边形
• 设蜂窝移动系统共有 S个不同的双向信道
• 其簇的大小为N
C
• 簇内每个小区分配有 A
K个信道，小区间信
B
道分配各不相同
• 簇在系统中复制M次
•则
– S=KN
– C=MKN=MS
C
A
B
C
C
A
A
B
B
• 簇内同频小区位置的确
定
沿着任意一条六边形 边的垂线方向移动a 个小区，并逆时针方 向旋转60°，再移动b 个小区。
A
b D
A
a
图 2.3 确定同频小区的方法
A B
C
N=3,a=1,b=1
A
C
B
D
E
F
G
B
A
D
C
N=4,a=0,b=2
N=7,a=1,b=2
常见正六边形小区群的图案
1G - 模拟蜂窝移动技术
出身
1946年 移动电话服务在美国出现 1947年 贝尔实验室提出蜂窝移动概念 50至60年代 贝尔实验室发展了蜂窝无线电话原 理 美国 AMPS， 英国TACS，北欧NMT 1981 (Nokia/Mobira, Erricson)
1987年TACS进入中国运营 2001年12月31日我国关闭模拟移动网络
特点
多址方式：FDMA 无数据传输能力
频分多址
FDMA （Frequency Division Multiple Access/Address），有许多 不同技术可以用来实现信道共享。把信道频带分割为若干更 窄的互不相交的频带（称为子频带），把每个子频带分给一 个用户专用（称为地址）。这种技术被称为“频分多址”技 术。频分复用（FDM）是指载波带宽被划分为多种不同频带 的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。 频分复用技术下，多个用户可以共享一个物理通信信道，该 过程即为频分多址复用（FDMA）。FDMA 模拟传输是效率最 低的网络，这主要体现在模拟信道每次只能供一个用户使用， 使得带宽得不到充分利用。
第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语 音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。Nordic移动电话 （NMT）就是这样一种标准，应用于Nordic国家、东欧以及 俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS）， 英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Netz，法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI。模拟蜂窝 服务在许多地方正被逐步淘汰。
应用原因
蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学结论，即 以相同半径的圆形覆盖平面, 当圆心处于正六边形网格的 各正六边形中心，也就是当圆心处于正三角网格的格点 时所用圆的数量最少。
虽然使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形即使要 求结点在一个如同晶格般有平移特性的网格上也仍是有 待求解的未知问题，但在通讯中，使用圆形来表述实践 要求通常是合理的，因此出于节约设备构建成本的考虑， 正三角网格或者也称为简单六角网格是最好的选择。这 样形成的网络覆盖在一起，形状非常象蜂窝，因此被称 作蜂窝网络。