《物聯(lián)網(wǎng)通信技術》課件-第七章 NB-IOT通信

物聯(lián)網(wǎng)通信技術7-1認識NB-IOT第七章NB-IOT通信此照片，作者:未知作者，許可證:CCBY-SA此照片，作者:未知作者，許可證:CCBY-NCNB-IOT—窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT有什么特點？01NB-IOT概述02NB-IOT與LTE03NB-IOT與5G一、NB-IoT，NarrowBandInternetofThings(窄帶物聯(lián)網(wǎng))起源:2014年5月華為和沃達豐共同提出NB-M2M技術,后進化為NB-CioT技術。2015年7月，Nokia、Ericsson、Intel提出了NB-LTE技術，隨后3GPP融合了兩種技術。1232016年7月確定了NB-IOT標準，至此NB-IoT正式誕生。NB-IOT概述一、NB-IOT概述NB-IOT定義NB-IoT射頻帶寬為200kHz。下行速率：大于160kbps，小于250kbps。上行速率：大于160kbps，小于250kbps(Multi-tone)/200kbps(Single-tone)NB-M2M/NB-CIoT（華為+沃達豐）+NB-LTE（諾基亞、愛立信、英特爾）=NB-IOTNB-IOT(窄帶物聯(lián)網(wǎng)）一、NB-IOT概述NB-IOT特點為什么選擇NB-IOT？無需網(wǎng)關設備直連運營商網(wǎng)絡廣深覆蓋20dB增益低功耗10年電池壽命大連接10萬連接數(shù)/小區(qū)低成本1$模組成本一、NB-IOT概述NB-IOT特點1.覆蓋廣覆蓋深窄帶功率譜密度提升在復雜環(huán)境下的覆蓋具有先天優(yōu)勢廣覆蓋一、NB-IOT概述NB-IOT特點2.海量連接200KHz的頻率帶寬連接每小區(qū)小包數(shù)據(jù)發(fā)送特征終端極低激活比大連接一、NB-IOT概述NB-IOT特點3.低功耗10年電池壽命簡化協(xié)議，芯片功耗低功放效率高發(fā)射/接收時間短低功耗一、NB-IOT概述NB-IOT特點4.成本低簡化射頻硬件簡化協(xié)議，降低成本減小基帶復雜度低成本傳輸速度低等2信號覆蓋困難。3終端較為分散1不能適用外接電源。4無太陽能5一、NB-IOT概述一、NB-IOT概述NB-IOT典型應用場景公共事業(yè)智能水表智慧水務智能氣表智能熱表智慧城市智能停車智能路燈智能垃圾桶智能井蓋消費電子獨立可穿戴設備智能自行車慢病管理系統(tǒng)老人小孩寵物管理設備管理設備狀態(tài)監(jiān)控白色家電管理大型公共基礎設施管道管廊安全監(jiān)控智能建筑環(huán)境報警系統(tǒng)中央空調(diào)監(jiān)管電梯物聯(lián)網(wǎng)人防空間覆蓋智慧物流冷鏈物流集裝箱跟蹤固定資產(chǎn)跟蹤金融資產(chǎn)跟蹤農(nóng)業(yè)與環(huán)境農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)畜牧業(yè)養(yǎng)殖空氣實時監(jiān)控水質實時監(jiān)控其他應用移動支付智慧社區(qū)智能家居文物保護二、NB-IOT和LTE在很多方面使用了LTE技術，所以NB-IOT可以和LTE共享網(wǎng)絡設備和資源。NB-IOT協(xié)議NB-IOTLTENB-IOT幀結構、下行OFDMA、上行SC-FDMA、信道編碼交織基站核心網(wǎng)LTE幀結構、下行OFDMA、上行SC-FDMA、信道編碼、交織等技術基站核心網(wǎng)沿用NB-IOT還有它的生命力嗎？三、NB-IOT和5GNB-IOT成為mMTC場景的核心技術。更長的生命周期全球統(tǒng)一的技術演進，給NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈吃下一顆“定心丸”。三、NB-IOT和5GEPC5GCNB載波LTE基站NB終端NB載波5G基站NB終端LTE終端5G終端三、小結NB-IOT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術，具備了覆蓋廣深、海量接入、低功耗、低成本的優(yōu)勢，主用應用于低速率、非實時、低功耗、接入量大的物聯(lián)網(wǎng)應用，目前被廣泛應用。在5G時代，NB-IOT納入了5G標準的大家庭，具備了更長久的生命力。階段總結思考題1串口調(diào)試助手如何連接和配置基本數(shù)據(jù)？2NB-IOT模組創(chuàng)建套接字和剛發(fā)送數(shù)據(jù)的AT指令是什么？物聯(lián)網(wǎng)通信技術7-2NB-IOT的技術特性第七章NB-IOT通信01技術特性之一：終端技術要求低成本低02技術特性之二：信令優(yōu)化業(yè)務處理效率高03技術特性之三：應用DRX和PSM技術耗電低04技術特性之四：超強覆蓋提升覆蓋廣/深度一、NB-IOT技術特性之一：終端技術要求低，成本低終端類型下行峰值速率天線數(shù)量雙工模式終端接受帶寬終端發(fā)送功率調(diào)制復雜性一、NB-IOT技術特性之一：終端技術要求低，成本低LTE控制面信令--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------LTE用戶面信令------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------NB-IOT控制面信令--------------------------------------------------------------------------------------------NB-IOT用戶面信令----------------------------------------------------------------------------------技術特性之二：信令優(yōu)化業(yè)務處理效率高信令用戶面信令控制面信令NB-IOT的技術特性之三：應用DRX和PSM技術耗電低。廣泛應用在手機里的一種尋呼方式。DRX三、NB-IOT技術特性之三-應用DRX和PSM技術耗電低廣泛應用在手機里的一種尋呼方式。DRX三、NB-IOT技術特性之三-應用DRX和PSM技術耗電低核心網(wǎng)定期或者有業(yè)務時尋找終端。有人想要給你打電話，怎么能保證接到這個電話呢？DRX—不連續(xù)接收。三、NB-IOT技術特性之三-應用DRX和PSM技術耗電低PSM—省電模式。三、NB-IOT技術特性之三-應用DRX和PSM技術耗電低三、NB-IOT技術特性之三-應用DRX和PSM技術耗電低缺點當設備進入PSM模式的休眠狀態(tài)時，平臺層所下發(fā)的指令無法將設備喚醒，只有當設備到時間之后自己將自己喚醒了之后，平臺側得知該設備已經(jīng)上線，才能將命令下發(fā)。此業(yè)務實際上是被延時了的。NB-IoT的技術特性之五——超強覆蓋。NB-IOT在覆蓋的廣度和深度兩個緯度是如何做到的？三、NB-IOT技術特性之四：超強覆蓋提升覆蓋廣度和深度多載波重傳編譯碼增益三、小結NB-IOT技術特性是產(chǎn)生NB-IOT競爭優(yōu)勢的主要原因：終端簡單可以保證低成本，系統(tǒng)信令簡潔可以接入和處理更多的終端和業(yè)務，eDRX和PSM使NB-IOT終端更省電，數(shù)據(jù)重復發(fā)送和子載波傳輸使信號覆蓋的更遠更深。階段總結思考題1一個實時性較強的物聯(lián)網(wǎng)應用是否可以使用NB-IOT的技術？為什么？2NB-IOT的信令簡潔對降低功耗有沒有作用？為什么？物聯(lián)網(wǎng)通信技術7-3NB-IOT組網(wǎng)第七章NB-IOT通信NB-IOT如何組網(wǎng)？01NB-IOT總體網(wǎng)絡架構02NB-IOT模組03NB-IOT基站04NB-IOT核心網(wǎng)05NB-IOT應用系統(tǒng)一、NB-IOT組網(wǎng)一、NB-IOT組網(wǎng)一、NB-IOT組網(wǎng)一、NB-IOT組網(wǎng)二、NB-IOT組網(wǎng)第一層：終端層終端具備信號感應、信號轉化、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。三、NB-IOT組網(wǎng)第二層：基站層共建站點三、NB-IOT組網(wǎng)第二層：基站層獨立站點三、NB-IOT組網(wǎng)第二層：基站層共建站點優(yōu)勢利用現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡資源，特別是基站和傳輸資源，因此不僅節(jié)省資源、而且建設周期也短，所以具備較大優(yōu)勢。三、NB-IOT組網(wǎng)第二層：基站層獨立站點適合于非運營商建設NB-IOT的獨立專網(wǎng)。NB-IOT的核心網(wǎng)需要新建四、NB-IOT組網(wǎng)第三層：核心網(wǎng)層五、NB-IOT第三層：NB-IOT平臺BSS-業(yè)務支持系統(tǒng)OSS-運營支持系統(tǒng)。M2Mplatform電信公司開發(fā)客戶業(yè)務、開通客戶業(yè)務、計費、結算等的綜合應用系統(tǒng)。包括基站運營管理系統(tǒng)、核心網(wǎng)運營和管理系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)等。五、NB-IOT第三層：NB-IOT平臺五、NB-IOT第三層：NB-IOT平臺三、小結物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)組成，包括終端層、基站層、核心網(wǎng)層和應用層，終端感應到的信號經(jīng)過數(shù)字化處理后或者直接采集到的數(shù)字信號經(jīng)過NB-IOT模組發(fā)送到基站，再從基站傳送到核心網(wǎng)，經(jīng)過核心網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)平臺的認證、路由、業(yè)務處理后，發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)的應用系統(tǒng)，處理的數(shù)據(jù)再原路返回發(fā)到終端，完成整個數(shù)據(jù)處理過程。階段總結思考題1NB-IOT基站有哪兩種？如果使用LTE基站開通NB-IOT業(yè)務，該怎么做？2物聯(lián)網(wǎng)平臺功能包括幾層？試著每層舉例一到二個功能。物聯(lián)網(wǎng)通信技術7-4NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)應用分析第六章5G通信NB-IOT的典型應用01NB-IOT應用分類02NB-IOT應用相似點03NB-IOT停車系統(tǒng)分析一、NB-IOT應用分類之一GSMA識別了7個大類共24個LPWA應用分類大類小類舉例公共事業(yè)表類智能水表，智能氣表給誰系統(tǒng)監(jiān)控

白電

工業(yè)應用工業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)控、工業(yè)控制、進程與安全監(jiān)控能源基礎設施、石油與天然氣監(jiān)控

自動販賣機

后勤保障工業(yè)資產(chǎn)、貨柜追蹤位置與狀態(tài)更新智慧建筑報警系統(tǒng)

采暖通風與空調(diào)系統(tǒng)

接入控制

一、NB-IOT應用分類之一GSMA識別了7個大類共24個LPWA應用分類大類小類舉例消費與醫(yī)療穿戴設備

大型家用電器

VOP追蹤老人、小孩、寵物等智能自行車

生活輔助

遠程臨床跟蹤

農(nóng)業(yè)與環(huán)境農(nóng)業(yè)應用農(nóng)林牧漁監(jiān)控，家畜監(jiān)控

環(huán)境監(jiān)控污染、噪音、雨、風、河流流速、健康危害、數(shù)據(jù)搜集與實時監(jiān)控智慧城市智能停車

智能垃圾桶

智能燈桿

NB-IOT的應用的共同點是什么？二、NB-IOT應用相似點智能停車公共事業(yè)環(huán)境監(jiān)控智能垃圾箱路燈監(jiān)測氣象站土壤監(jiān)測二、NB-IOT應用相似點智能停車監(jiān)測車位是否有車，將車位信息上報到平臺，通過引導屏和終端引導車主停車。行業(yè)應用:移動性:不要求時延:不敏感能耗:敏感業(yè)務特點:成本:敏感可靠性:>90定位:不要求。低速率小包業(yè)務為主二、NB-IOT應用相似點監(jiān)測風速、風向、溫度、濕度、雨量、雨強、土壤溫度等信息。行業(yè)應用:高率小包業(yè)務為主業(yè)務特點:氣象站土壤監(jiān)測成本:不敏感可靠性:>90定位:要求移動性:不要求時延:不敏感能耗:不敏感(太陽能）環(huán)境監(jiān)控二、NB-IOT應用相似點智能垃圾箱路燈監(jiān)測智能垃圾箱:太陽能供電，實時監(jiān)控垃圾箱是否滿城市路燈監(jiān)控:下發(fā)路燈配置信息，上報故障告警信息。行業(yè)應用:低速率小包業(yè)務為主業(yè)務特點:移動性：不要求能耗：不敏感（太陽能）可靠性：>90定位:不要求公共事業(yè)三、NB-IOT應用分析三、NB-IOT應用分析自動停車系統(tǒng)NB-IOT技術早期的典型應用項目。三、NB-IOT應用分析三、NB-IOT應用分析三、NB-IOT應用分析三、NB-IOT應用分析三、NB-IOT應用分析三、小結NB-IOT的各種類型的應用及共同點:典型的小包傳送數(shù)、對延時不敏感、可靠性要求不高，沒有充電條件的情況下功耗低NB-IOT智能停車業(yè)務的網(wǎng)絡建設和業(yè)務流程。階段總結思考題1NB-IOT是低速率的小包傳送，那么NB-IOT最低的下行和上行速率分別是多少？2智能停車系統(tǒng)中，計費時間信息可以從哪里獲得？物聯(lián)網(wǎng)通信技術7-5NB-IOT應用系統(tǒng)設計第七章NB-IOT通信01設計目標02終端設計02手機APP和云平臺設計一、NB-IOT項目設計目標基于NB-IOT技術的農(nóng)業(yè)環(huán)境采集系統(tǒng)采集農(nóng)業(yè)環(huán)境中的環(huán)境溫濕度、光照度、土壤濕度、土壤酸堿度和土壤氮磷鉀含量等參數(shù)，發(fā)送到云端服務器。云端服務器一方面記錄這些數(shù)據(jù)以供后續(xù)的數(shù)據(jù)分析；另一方面發(fā)送到手機App，當這些參數(shù)出現(xiàn)異常狀況時，手機App給用戶推送提醒。項目要求實現(xiàn)：通信模組使用NB-IOT技術。項目要求：NB-LOT模塊一、NB-IOT項目設計-總體架構設計云端服務器主控供電模塊光照度土壤濕度土壤ph值土壤碳酸鉀環(huán)境溫濕度二、NB-IOT設計-終端設計傳感終端傳感器組電池主控單元NB-IOT模組二、NB-IOT設計-終端設計環(huán)境溫濕度傳感器、光照強度傳感器（光敏電阻模塊）、土壤濕度傳感器、土壤PH值傳感器和土壤氮磷鉀傳感器二、NB-IOT設計-終端設計STM32NB-IOT模組2.鋰電池或者太陽能電池STM32單片機和NB-IOT模組單片機的選擇處理能力使用便捷程度擴展性可編程能力成本三、NB-IOT應用設計-主控單元ARMCortex-M3內(nèi)核內(nèi)核進階精簡指令集架構架構三、NB-IOT應用設計-主控單元ARMCortex-M3內(nèi)核內(nèi)核進階精簡指令集架構架構特點用固定長度的指令格式指令歸整、簡單基本尋址方變快捷用途通信設備控制設備圖像處理設備三、NB-IOT應用設計-主控單元處理各種傳感器感應的數(shù)據(jù)―嵌入式程序。2一般具備32k到128k的閃存，功耗很低，內(nèi)存寫入終端側的控制程序。1三、NB-IOT應用設計-主控單元NB-IOT天線NB-IOT模組速率調(diào)測難易功耗三、NB-IOT應用設計-主控單元可靠成本三、NB-IOT應用設計-NB-IOT模組NE1支持NB-IoT無線電通信協(xié)議（3GPPRel.14）。有一個高集成度的SocEC616，內(nèi)置了應用處理器、低功耗多波段窄帶物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器和電源管理單元PMU和少量外圍器件構成。NE1內(nèi)嵌低功耗32位Cortex-M3CPU。NB-IOT模組三、NB-IOT應用設計-NB-IOT模組NE1主要性能指標工作電壓范圍：2.2~4.5V，典型工作電壓：3.3VCatNB1/CatNB23GPPR14NB-IoT標準B3/B5/B8最大發(fā)射功率23dBm±2dB接收靈敏度＜-127.3dBm/15kHz（非重傳）50Ω特征阻抗，天線需第三方提供NB-IOT模組三、NB-IOT應用設計-NB-IOT模組NE1主要性能指標數(shù)據(jù)速率：NB-IOT模組網(wǎng)絡協(xié)議特性：UDP/TCP/CoAP/LWM2M/PPP*/SSL*/DTLS*/FTP*/HTTP*/MQTT*/HTTPS*正常工作溫度：-35°C~+75°C，擴展工作溫度：-40°C~+85°C，存儲溫度：-40°C~+90°CMulti-tone：102kbps（下行），157kbps（上行）R14：Single-tone：25.5kbps（下行），16.7kbps（上行）Multi-tone：25.5kbps（下行），62.5kbps（上行）R13：三、NB-IOT應用設計NB-IOT天線型號:CrossAirL01網(wǎng)絡類型:4G(全網(wǎng)通)/3G/2G/WCDMA/GSM/CDMA/NB-IoT(全網(wǎng)通)尺寸:23.0x3.5x1.6毫米CA-L01Specification工作頻率范圍WorkingFrequency700M-960MHz,1710M-2700MHz阻抗impedance50Ω增益Gain(dBi)低頻段700M-960MH3.3dBi（peak)中頻段1710M-2700MHz2.0dBi（peak)高頻段2300M-2700MHz2.0dBi（peak)駐波比VSWR＜3.5工作溫度OperationTemperature-40℃~+85℃可承受功率PowerCapacity4W三、NB-IOT應用設計手機APP查詢各種數(shù)據(jù)查詢功能：設置數(shù)據(jù)閾值設置功能：：三、NB-IOT應用設計-云平臺云平臺三、小結以物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域的一個應用案例，設計終端、網(wǎng)絡、云平臺和APP。其中重點是終端的設計，包括了單片機、NB-IOT模組、電池和感應器，單片機是主控單元，進行數(shù)據(jù)計算并控制傳感器和通信模組的工作。NB_IOT是傳輸單元，用來傳輸和接受數(shù)據(jù)，電池對終端供電，傳感器感應和搜集信號。對設備的選擇應該從性能、需求、功耗和成本上綜合考慮。階段總結思考題1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的STM32單片機的主要功能是什么？單片機的USB接口、USB轉串口用來做什么？2NB-IOT的模塊支持NB1和NB2標準，速率分別是多少？物聯(lián)網(wǎng)通信技術7-6NB-IOT模組調(diào)測實踐第七章NB-IOT通信如何將感應數(shù)據(jù)發(fā)送到云端平臺？01任務描述02調(diào)測過程一、通信模組調(diào)測任務說明將NB-IOT模組連接計算機，使用AT命令完成NB-IOT模組向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。任務說明完成任務需要計算機NB-IOT云服務器LTECat1模塊SIM卡串口調(diào)試助手二、任務實施第一步：硬件連接插好SIM卡，插好天線。1連接好串口轉USB工具。23電源供電。步驟：二、任務實施第二步：打開并設置串口助手打開串口調(diào)試工具，設置串口參數(shù)：波特率115200、8位數(shù)據(jù)、1位停止位、校驗位和流控制分別選“無”，單擊“打開”按鈕，打開串口。1二、