从技术角度看移动通信技术发展与物联网 - 全文

　　物联网从技术上来说可以分为三层：传感层、通信层和应用层。在通信层，需要将传感层采集的数据和信息进行安全可靠地通信和传输，在《常见物联网近距离无线通信技术解析》一文中已经介绍了短距离无线通信技术，本文将介绍移动通信技术的发展与物联网。

　　近距离无线通信对于物联网而言固然重要，不过，由于物联网是建立在多种网络融合的基础之上的，它的信息节点具有广泛性和移动性的特点，因此移动通信技术对于联网技术对物联网发展同样关键。移动通信是指通信的双方，至少有一方是在移动中进行的通信，包括固定点与移动点、移动点与移动点之间的通信。

　　物联网的相关概念与其它网的关系

　　首先科普一下1G到4G的发展

　　1G

　　1986年，第一套移动通讯系统在美国芝加哥诞生，采用模拟讯号传输，模拟式为代表在无线传输采用模拟式的FM调制。1G主要系统为AMPS，另外还有NMT及TACS，有着A网和B网之分。大块头的“大哥大”风靡一时。

　　2G

　　相较于只能应用于一般语音传输，且语音品质低、讯号不稳定、涵盖范围不够全面的1G网络，第二代移动通信则具备高度的保密性，系统的容量也在增加，同时从这一代开始手机也可以上网了。随着2G的诞生，移动通信标准争夺也开始了。2G主流的几个网络制式GSM：全球移动通信系统（Global System forMobile Communication），是当前应用最为广泛的移动电话标准，较之以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的。TDMA：时分多址（TimeDivision Multiple Access），则是把时间分割成周期性的帧（Frame），每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。

　　3G

　　随着人们对移动网络需求的不断增加，第三代移动通信网络开启了行动通讯新纪元。3G网络的高频和稳定的传输使得影像电话和大量的数据传送更为普遍。其中，CDMA是第三代移动通信系统的技术基础。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

　　4G

　　4G无线蜂窝电话协议是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps。4G的主要网络制式LTE是基于OFDMA技术、由3GPP组织制定的全球通用标准，包括TDD（时分双工）和FDD（频分双工）两种模式，二者相似度达90%，差异较小。

　　移动通信系统在物联网中的应用方式

　　移动通信系统一般由移动终端、传输网络和网络管理维护等部分组成， 因此移动通信在物联网的应用主要包括以下几个方面：

　　（1）移动通信系统的移动终端具有网络信息节点移动并实现随时随地的通信，与物联网的感知终端有着共通性，移动通信终端完全可以成为物联网信息节点终端的通信部件。

　　（2）移动通信网络具有成熟的技术，广泛地覆盖面，可以作为物联网的信息传输网络使用。

　　（3）移动网络管理维护平台具有成熟的管理和维护功能，可确保传输安全和信息安全。物联网可以使用移动网络管理平台以实现对物联网的相关管理维护功能。

　　3G与物联网

　　通用移动通信系统，简称UMTS（Universal Mobile Telecommunications System），UMTS作为一个完整的3G移动通信技术标准，UMTS并不仅限于定义空中接口。除WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外，UMTS还相继引入了TD-SCDMA和HSDPA技术。

　　3G作为第三代通信技术与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特/每秒）、384kbps（千比特/每秒）以及144kbps的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化）。移动通信技术的提升对于物联网的实现带来了更大的可能。

　　在我国，2009年3G技术得到了较大的关注，2010年物联网成为了明星，其中有不小的推动力是来自于电信运营商。借着3G的“东风”，运营商开始不断推出3G行业应用，布局物联网。

　　中国电信积极进军物联网手机市场，发力手机与RFID芯片融合的终端，并推出了部分定制手机，以及“翼机通”、“翼支付”等业务。 中国移动则在无锡成立无锡物联网研究院，据悉，该研究院将以物联网业务和行业应用业务为主要研发方向，全力推进物联网技术研究和应用普及。中国联通与重庆市政府签署战略合作框架协议，计划在重庆投入100亿元，提高3G网络的覆盖水平，加速“智能重庆”建设。

　　回顾3G时代运营商的大力布局不难看出运营商对于物联网的期待，3G之后的4G时代，运营商布局物联网的竞争更加激烈。

　　4G技术推动物联网走向“现实”

　　4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比家用宽带ADSL（4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

　　从现有的角度来看，4G具有以下三大优势，高速率，低延时，大容量。就是对应刚才讲的快速，优质和低价，就是便宜，大容量。

　　首先是高速率，超过10倍于3G网络的用户带宽高速的网络上传下载速率。二是一级转发的扁平化网络结构保证数据交互类业务的实时性。最后，灵活的频道使用提供更大的用户容量和网络使用并发数，这是它的大容量。

　　4G网络具有更高的效率，更小的延时，使移动网络通讯之间更加迅速，逐渐实现移动宽带化，宽带移动化。可以用高架桥出口处堵塞车辆的案例做对比，以前的无线是堵塞的瓶颈，采用4G以后，这个瓶颈有望完全消失。

　　物联网业务应用和4G网络之间的诉求，具体体现在下面三个方面：

　　一、海量数据的传输。我们知道物联网是物与物之间建立信息网络连接，随着物联网产业发展，接入的终端设备数量是呈几何级数增长，3G网络的局限性已经越来越明显。4G网络已经来临。

　　二、网络通信优化，物联网体系的运转需要终端设备的持续工作及数据通信的持续保持，海量的数据传输必然面临巨额的通信成本，网络通信成本优化是物联网技术应用普及的必经之路。

　　三、应用接入。物联网要使任何人，任何时间，任何地点可以了解任何事务的任何信息具有理论上的可行性，这需要物联网对接入终端的接入形式的多样。

　　物联网诸多分支的应用，以智慧城市，从智慧城市到智能也，智慧夹具，智慧交通，无不在积极改变和影响我们的生活。对物联网来说，大量的信息收集的过程当中，把各终端进行有机的相联再把相关信息传回数据中心，在此环节中，无线网络将是最佳选择。4G网络高速率，低时延，大容量的技术优势为此需求提供了有力的保障。传统的网络方式带来的工作量非常大，而2G、3G的通讯通讯效率制约了物联网发展，在这样的情况下4G网络的推广，无疑提高了打破发展瓶颈，为市场化的普及起到强有力的推动作用。

　　5G技术让物联网成为可能

　　从字义上看，5G指的是第五代移动通信，是继4G之后的延伸。但与4G、3G和2G不同的是，5G并不是一个单一的无线接入技术，而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术演进集成后的解决方案的总称。

　　5G的技术特点可以用几个数字来概括：1000x的容量提升、1000亿+的连接支持、10GB/s的最高速度、1ms以下的延迟。速度更快也许是5G最明显的标志，但如果认为5G带来的只是更快的网速，那就太小瞧它了。在白皮书中，推进组专家将5G的特点归纳为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个方面。而这四个方面正能够满足不同用户、不同行业对于通信的复杂需求。

　　具体来说，连续广域覆盖意味着5G能够使人们在偏远地区、高速移动等恶劣环境下仍可以高速上网。热点高容量则使5G能够满足人们在人员密集、流量需求大的区域依然可以享受到极高网络速度的要求。低功耗大连接的特点使5G可以在智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景中发挥作用。而对于车联网、无人驾驶、工业控制等对时延和可靠性具有极高要求的领域，低时延高可靠的特点或许可以使5G能够应对自如。

　　和4G相比，5G的优势很明显，4G和之前的移动网络主要侧重于原始带宽的提供，而5G旨在提供无所不在的连接，为快速弹性的网络连接奠定基础，无论用户身处的是摩天大楼还是地铁站;5G设计初衷是支持多种不同的应用，比如物联网、联网可穿戴设备、增强现实和沉浸式游戏; 5G还会率先利用感知无线电技术，让网络基础设施自动决定提供频段的类型，分辨移动和固定设备，在特定时间内适配当前状况，换句话说，5G网络可同时服务于工业网络和Facebook应用。