從技術(shù)角度看移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng) - 全文

　　物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)上來說可以分為三層：傳感層、通信層和應(yīng)用層。在通信層，需要將傳感層采集的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行安全可靠地通信和傳輸，在《常見物聯(lián)網(wǎng)近距離無線通信技術(shù)解析》一文中已經(jīng)介紹了短距離無線通信技術(shù)，本文將介紹移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)。

　　近距離無線通信對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言固然重要，不過，由于物聯(lián)網(wǎng)是建立在多種網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)之上的，它的信息節(jié)點(diǎn)具有廣泛性和移動(dòng)性的特點(diǎn)，因此移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)于聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展同樣關(guān)鍵。移動(dòng)通信是指通信的雙方，至少有一方是在移動(dòng)中進(jìn)行的通信，包括固定點(diǎn)與移動(dòng)點(diǎn)、移動(dòng)點(diǎn)與移動(dòng)點(diǎn)之間的通信。

　　物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念與其它網(wǎng)的關(guān)系

　　首先科普一下1G到4G的發(fā)展

　　1G

　　1986年，第一套移動(dòng)通訊系統(tǒng)在美國芝加哥誕生，采用模擬訊號(hào)傳輸，模擬式為代表在無線傳輸采用模擬式的FM調(diào)制。1G主要系統(tǒng)為AMPS，另外還有NMT及TACS，有著A網(wǎng)和B網(wǎng)之分。大塊頭的“大哥大”風(fēng)靡一時(shí)。

　　2G

　　相較于只能應(yīng)用于一般語音傳輸，且語音品質(zhì)低、訊號(hào)不穩(wěn)定、涵蓋范圍不夠全面的1G網(wǎng)絡(luò)，第二代移動(dòng)通信則具備高度的保密性，系統(tǒng)的容量也在增加，同時(shí)從這一代開始手機(jī)也可以上網(wǎng)了。隨著2G的誕生，移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)爭奪也開始了。2G主流的幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)制式GSM：全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System forMobile Communication），是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)，較之以前的標(biāo)準(zhǔn)最大的不同是它的信令和語音信道都是數(shù)字式的。TDMA：時(shí)分多址（TimeDivision Multiple Access），則是把時(shí)間分割成周期性的幀（Frame），每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以分別在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)終端的信號(hào)而不混擾。

　　3G

　　隨著人們對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增加，第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)開啟了行動(dòng)通訊新紀(jì)元。3G網(wǎng)絡(luò)的高頻和穩(wěn)定的傳輸使得影像電話和大量的數(shù)據(jù)傳送更為普遍。其中，CDMA是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。CDMA系統(tǒng)以其頻率規(guī)劃簡單、系統(tǒng)容量大、頻率復(fù)用系數(shù)高、抗多徑能力強(qiáng)、通信質(zhì)量好、軟容量、軟切換等特點(diǎn)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　4G

　　4G無線蜂窩電話協(xié)議是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達(dá)到20Mbps。4G的主要網(wǎng)絡(luò)制式LTE是基于OFDMA技術(shù)、由3GPP組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，包括TDD（時(shí)分雙工）和FDD（頻分雙工）兩種模式，二者相似度達(dá)90%，差異較小。

　　移動(dòng)通信系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用方式

　　移動(dòng)通信系統(tǒng)一般由移動(dòng)終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)等部分組成， 因此移動(dòng)通信在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

　?。?）移動(dòng)通信系統(tǒng)的移動(dòng)終端具有網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)移動(dòng)并實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的通信，與物聯(lián)網(wǎng)的感知終端有著共通性，移動(dòng)通信終端完全可以成為物聯(lián)網(wǎng)信息節(jié)點(diǎn)終端的通信部件。

　　（2）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具有成熟的技術(shù)，廣泛地覆蓋面，可以作為物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)使用。

　　（3）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)平臺(tái)具有成熟的管理和維護(hù)功能，可確保傳輸安全和信息安全。物聯(lián)網(wǎng)可以使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)管理維護(hù)功能。

　　3G與物聯(lián)網(wǎng)

　　通用移動(dòng)通信系統(tǒng)，簡稱UMTS（Universal Mobile Telecommunications System），UMTS作為一個(gè)完整的3G移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，UMTS并不僅限于定義空中接口。除WCDMA作為首選空中接口技術(shù)獲得不斷完善外，UMTS還相繼引入了TD-SCDMA和HSDPA技術(shù)。

　　3G作為第三代通信技術(shù)與2G的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能夠在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)，同時(shí)也要考慮與已有第二代系統(tǒng)的良好兼容性。為了提供這種服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，也就是說在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少2Mbps（兆比特/每秒）、384kbps（千比特/每秒）以及144kbps的傳輸速度（此數(shù)值根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境會(huì)發(fā)生變化）。移動(dòng)通信技術(shù)的提升對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)帶來了更大的可能。

　　在我國，2009年3G技術(shù)得到了較大的關(guān)注，2010年物聯(lián)網(wǎng)成為了明星，其中有不小的推動(dòng)力是來自于電信運(yùn)營商。借著3G的“東風(fēng)”，運(yùn)營商開始不斷推出3G行業(yè)應(yīng)用，布局物聯(lián)網(wǎng)。

　　中國電信積極進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)手機(jī)市場，發(fā)力手機(jī)與RFID芯片融合的終端，并推出了部分定制手機(jī)，以及“翼機(jī)通”、“翼支付”等業(yè)務(wù)。 中國移動(dòng)則在無錫成立無錫物聯(lián)網(wǎng)研究院，據(jù)悉，該研究院將以物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和行業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)為主要研發(fā)方向，全力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究和應(yīng)用普及。中國聯(lián)通與重慶市政府簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，計(jì)劃在重慶投入100億元，提高3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平，加速“智能重慶”建設(shè)。

　　回顧3G時(shí)代運(yùn)營商的大力布局不難看出運(yùn)營商對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的期待，3G之后的4G時(shí)代，運(yùn)營商布局物聯(lián)網(wǎng)的競爭更加激烈。

　　4G技術(shù)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)走向“現(xiàn)實(shí)”

　　4G是集3G與WLAN于一體，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量、音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100Mbps以上的速度下載，比家用寬帶ADSL（4兆）快25倍，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無線服務(wù)的要求。

　　從現(xiàn)有的角度來看，4G具有以下三大優(yōu)勢，高速率，低延時(shí)，大容量。就是對(duì)應(yīng)剛才講的快速，優(yōu)質(zhì)和低價(jià)，就是便宜，大容量。

　　首先是高速率，超過10倍于3G網(wǎng)絡(luò)的用戶帶寬高速的網(wǎng)絡(luò)上傳下載速率。二是一級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)的扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證數(shù)據(jù)交互類業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。最后，靈活的頻道使用提供更大的用戶容量和網(wǎng)絡(luò)使用并發(fā)數(shù)，這是它的大容量。

　　4G網(wǎng)絡(luò)具有更高的效率，更小的延時(shí)，使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊之間更加迅速，逐漸實(shí)現(xiàn)移動(dòng)寬帶化，寬帶移動(dòng)化?？梢杂酶呒軜虺隹谔幎氯囕v的案例做對(duì)比，以前的無線是堵塞的瓶頸，采用4G以后，這個(gè)瓶頸有望完全消失。

　　物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用和4G網(wǎng)絡(luò)之間的訴求，具體體現(xiàn)在下面三個(gè)方面：

　　一、海量數(shù)據(jù)的傳輸。我們知道物聯(lián)網(wǎng)是物與物之間建立信息網(wǎng)絡(luò)連接，隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，接入的終端設(shè)備數(shù)量是呈幾何級(jí)數(shù)增長，3G網(wǎng)絡(luò)的局限性已經(jīng)越來越明顯。4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)來臨。

　　二、網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化，物聯(lián)網(wǎng)體系的運(yùn)轉(zhuǎn)需要終端設(shè)備的持續(xù)工作及數(shù)據(jù)通信的持續(xù)保持，海量的數(shù)據(jù)傳輸必然面臨巨額的通信成本，網(wǎng)絡(luò)通信成本優(yōu)化是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用普及的必經(jīng)之路。

　　三、應(yīng)用接入。物聯(lián)網(wǎng)要使任何人，任何時(shí)間，任何地點(diǎn)可以了解任何事務(wù)的任何信息具有理論上的可行性，這需要物聯(lián)網(wǎng)對(duì)接入終端的接入形式的多樣。

　　物聯(lián)網(wǎng)諸多分支的應(yīng)用，以智慧城市，從智慧城市到智能也，智慧夾具，智慧交通，無不在積極改變和影響我們的生活。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)來說，大量的信息收集的過程當(dāng)中，把各終端進(jìn)行有機(jī)的相聯(lián)再把相關(guān)信息傳回?cái)?shù)據(jù)中心，在此環(huán)節(jié)中，無線網(wǎng)絡(luò)將是最佳選擇。4G網(wǎng)絡(luò)高速率，低時(shí)延，大容量的技術(shù)優(yōu)勢為此需求提供了有力的保障。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)方式帶來的工作量非常大，而2G、3G的通訊通訊效率制約了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，在這樣的情況下4G網(wǎng)絡(luò)的推廣，無疑提高了打破發(fā)展瓶頸，為市場化的普及起到強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。

　　5G技術(shù)讓物聯(lián)網(wǎng)成為可能

　　從字義上看，5G指的是第五代移動(dòng)通信，是繼4G之后的延伸。但與4G、3G和2G不同的是，5G并不是一個(gè)單一的無線接入技術(shù)，而是多種新型無線接入技術(shù)和現(xiàn)有無線接入技術(shù)演進(jìn)集成后的解決方案的總稱。

　　5G的技術(shù)特點(diǎn)可以用幾個(gè)數(shù)字來概括：1000x的容量提升、1000億+的連接支持、10GB/s的最高速度、1ms以下的延遲。速度更快也許是5G最明顯的標(biāo)志，但如果認(rèn)為5G帶來的只是更快的網(wǎng)速，那就太小瞧它了。在白皮書中，推進(jìn)組專家將5G的特點(diǎn)歸納為連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠四個(gè)方面。而這四個(gè)方面正能夠滿足不同用戶、不同行業(yè)對(duì)于通信的復(fù)雜需求。

　　具體來說，連續(xù)廣域覆蓋意味著5G能夠使人們?cè)谄h(yuǎn)地區(qū)、高速移動(dòng)等惡劣環(huán)境下仍可以高速上網(wǎng)。熱點(diǎn)高容量則使5G能夠滿足人們?cè)谌藛T密集、流量需求大的區(qū)域依然可以享受到極高網(wǎng)絡(luò)速度的要求。低功耗大連接的特點(diǎn)使5G可以在智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景中發(fā)揮作用。而對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、工業(yè)控制等對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高要求的領(lǐng)域，低時(shí)延高可靠的特點(diǎn)或許可以使5G能夠應(yīng)對(duì)自如。

　　和4G相比，5G的優(yōu)勢很明顯，4G和之前的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要側(cè)重于原始帶寬的提供，而5G旨在提供無所不在的連接，為快速彈性的網(wǎng)絡(luò)連接奠定基礎(chǔ)，無論用戶身處的是摩天大樓還是地鐵站;5G設(shè)計(jì)初衷是支持多種不同的應(yīng)用，比如物聯(lián)網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)可穿戴設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和沉浸式游戲; 5G還會(huì)率先利用感知無線電技術(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)決定提供頻段的類型，分辨移動(dòng)和固定設(shè)備，在特定時(shí)間內(nèi)適配當(dāng)前狀況，換句話說，5G網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)服務(wù)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和Facebook應(yīng)用。