【物联网通信技术】——蜂窝通信

概述

我们谈到物联网通信无法绕开的一个技术就是蜂窝技术，我们每天每时每刻就在与蜂窝网络形成接触，蜂窝网络已经成为我们生活中的一部分。蜂窝网络是一种移动的通信构架，从传输的数据又分为模拟蜂窝和数字蜂窝，当我们通过手机打电话、发送信息和视频交流时，手机与附近的蜂窝基站进行无线连接，基站通过有限的方式与其他基站或互联网进行连接。

蜂窝物联网为什么成为物联网主要的技术，第一是蜂窝网络广泛普及，覆盖全球90％以上的人口；第二是运营商已经在蜂窝网络上进行了大规模投资，以便为尽可能多的客户提供安全可靠的服务。通过利用现有的基础设施和成熟的技术，蜂窝物联网可以连接数百万物联网设备，而只需很少的额外投资；第三，借助蜂窝物联网，我的智能手机可以连接到几十公里外的基站，而物联网设备也可以。

发展历史

1G 第一代蜂窝移动通信技术

20世纪70年代，移动电话业务系统也就是AMPS系统被美国贝尔实验室率先研发成功，这是第一次人们能够真正使用的具有随时通信能力的较大容量的蜂窝移动通信。手机始于 1980 年代的 1G 技术。1G 是第一代无线蜂窝技术。1G 支持纯语音通话,是模拟技术，使用它的手机电池寿命和语音质量差，安全性差，容易掉线。FDMA（频分多址，Frequency Division Multiple Access ）是数据通信中主要的技术之一，也就是将移动用户放置在时间间隔相同而频率不同的信道中

1G 技术的最高速度为 2.4 Kbps

2G 第二代蜂窝移动通信技术

从 1G 升级到 2G 时，手机获得了第一次重大升级，通过工作在900/1800MHz频段之间的GSM（Global System for Mobile communication）移动通信网络为移动用户提供相应的语音服务以及数据业务。2G 电话技术引入了通话和文本加密，以及 短信、图片信息和彩信等数据服务。尽管 2G 取代了 1G 并被后来的技术版本所取代，但它仍在全球范围内使用。

使用通用分组无线服务 (GPRS-General Packet Radio Service) 的 2G 的最大速度为 50 Kbps。最大理论速度为 384 Kbps，具有增强的GSM 演进数据速率 (EDGE)。EDGE+ 最高可达 1.3 Mbps

从 2G 到 3G 无线网络实现重大飞跃之前，鲜为人知的 2.5G 和 2.75G 的临时标准。2.5G 引入了一种比 2G 技术更高效的新分组交换技术。AT&T 是美国第一个通过 EDGE(全球演进增强数据 Enhanced Data for Global Evolution ) 支持 2.75G 的 GSM 网络。

3G 第三代蜂窝移动通信技术

1998 年 3G 网络的引入带来了更快的数据传输速度，因此您可以将手机用于更多数据需求的方式，例如视频通话和移动互联网访问。“移动宽带”一词首先应用于 3G 蜂窝技术。第三代移动通信系统采用宽带CDMA技术，并为移动用户同时提供语音以及数据服务的移动通信系统。

第一代蜂窝通信使用的FDMA（频分多址，Frequency Division Multiple Access ）技术指的是不同的移动台占据不同的频率。第二代蜂窝通信使用的是TDMA（时分多址，Time Division Multiple Access）指的是不同的移动台占据相同的频率，但占据的时间段略有不同。第三代蜂窝通信使用的CDMA（码分多址 Code Division Multiple Access）指的是不同的移动台占据相同的频率，但是各个移动台带有不同的随机码序，所以同一个频率所服务的移动台数目则是由随机码的数量来确定的。宽带CDMA性能更优越，其运行宽带较广，抵抗信号干扰的能力也更强，信号的传递功能也有所提高。

非移动设备的 3G 最大速度约为 2 Mbps，移动车辆的最大速度为 384 Kbps。

4G 第三代蜂窝移动通信技术

2008年发布的第四代网络是4G。它支持像 3G 一样的移动网络访问，还支持游戏服务、高清移动电视、视频会议、3D 电视和其他需要高速的功能。4G在前三代通信技术的基础上进行创新增强无线通信的业务功能以及上网速率。4G技术分为两大类别，一个是TD-LTE（分时长期演进Time Division Long Term Evolution），另外一个是FDD-LTE（频分双工长期演进Time Division Duplexing Long Term Evolution）。其中TD-LTE指的就是3G技术改进并提高了空中接入技术，使用正交频分复技术标准以及多入多出技术标准。

设备移动时 4G 网络的最大速度为 100 Mbps。对于低移动性通信，例如呼叫者静止或行走时，速度为 1 Gbps

5G 第五代蜂窝移动通信技术

5G 承诺显着更快的数据速率、更高的连接密度、更低的延迟和节能以及其他改进。

5G 连接的预期理论速度高达每秒 20 Gbps

5G通信的特点

• 5G的速度比4G速度要快，5G峰值下载速度20 Gbps；而4G则只有1G Gbps；5G比4G快20倍。
• 5G 支持巨大的快速数据容量 使用独特的无线电频率来实现 4G 网络无法实现的功能，4G 使用低于 6 GHz 的频率，而一些 5G 网络使用更高的频率，例如大约 30 GHz 或更高，
• 5G的干扰性较好，由于高频信号的方向性也很强，可以在其他无线信号旁边使用而不会造成干扰
• 5G 每米可以支持的设备比 4G 支持的设备多 1,000 多个，5G 使用更短的波长，天线可以比现有天线小得多，同时仍提供精确的方向控制。
• 由于一个基站可以使用更多定向天线，5G 网络可以以高精度和低延迟向更多用户广播超快数据。
• 5G传输不会像4G那么远，由于超高频只有在天线和接收信号的设备之间有清晰、直接的视线时才能工作，另外其中一些高频很容易被湿度、雨水和其他物体吸收。正是由于这些原因，当您走几米远的时候，您所在位置的强大 5G 连接可能会降低到 4G 速度。解决这个问题的一种方法是使用战略性放置的天线，可以是建筑物中的小型天线，也可以是遍布整个城市的大型天线。
• 5G这种较新的网络可以更容易地了解所请求的数据类型，可以在不使用或向特定设备提供低速率时切换到低功耗模式，再切换到更高的- 用于高清视频流等的供电模式，5G 的能源效率比 4G 等旧网络高 90%。

关于3GPP

3GPP（第三代合作伙伴计划3rd Generation Partnership Project）作为目前全球最大最重要的国际通信标准组织，联合了被称为“组织合作伙伴”的七个电信标准开发组织ARIB（Association of Radio Industries and Businesses 日本无线工业及商贸联合会）、ATIS（The Alliance for Telecommunications Industry Solutions 美国电信行业解决方案联盟）、CCSA（China Communications Standards Association 中国通信标准化协会）、ETSI（The European Telecommunications Standards Institute 欧洲电信标准协会）、TSDSI（Telecommunications Standards Development Society 印度电信标准发展协会）、TTA（Telecommunications Technology Association, Korea 韩国电信技术协会）、TTC（Telecommunication Technology Committee 日本电信技术委员会），并为其成员提供了一个稳定的环境来制作报告和规范定义 3GPP 技术，在蜂窝移动通信技术标准的制定及商业化的推进过程中功不可没。

1998年成立最初范围是为基于演进的 GSM 核心网络及其支持的无线电接入技术（即通用陆地无线电接入 (UTRA) 和频分双工 ( FDD）和时分双工（TDD）模式），随后对范围进行了修改，以包括为 3G 之外的演进 3GPP 技术维护和开发技术规范和技术报告。

3GPP 中的三个 技术规范组是：

• 无线电接入网络 ( Radio Access Networks -RAN ),
• 服务和系统方面 ( Services & Systems Aspects-SA ),
• 核心网络和终端 ( Core Network & Terminals-CT )

5G蜂窝移动应用场景

根据华为5G时代应用场景白皮书，蜂窝移动通信继续发展，5G产业未来有很多现在所无法实施的机会。

• 虚拟现实（VR）与增强现实（AR）是能够彻底颠覆传统人机交互内容的变革性技术
• 车联网，远程驾驶、编队行驶、自动驾驶只有在5G可以满足现场的需要
• 智能制造，无线机器人云端控制让生产更加精益化、智能化、数字化和生产柔性化
• 智慧能源，将可以再生能源整合到能源电网中提高可靠性，降低运维成本
• 远程医疗，远程诊断、远程手术、远程监控在5G的技术下有所保障
• 无线家庭娱乐，超高清8K视频和云游戏在5G技术下有很高的品质
• 无人驾驶飞行器，在专业巡检和安防领域大放异彩
• 社交网络，由于5G的带宽和低延迟，让直播视频行业更加快速发展
• 个人AI辅助设备可以为制造业和仓库人员提供面体式信息服务
• 智慧城市，视频监控和各种感知信息及时疏通交通堵塞及社区安全的保障