《智能物聯(lián)網導論》AIoT導論-第3章課件

智能物聯(lián)網導論吳功宜

吳英編著第3章

AIoT關鍵技術

3.1感知技術3.1.1傳感器的研究與應用

1.感知的基本概念與人類五大感覺器官相比擬的傳感器主要有：視覺—光敏傳感器聽覺—聲敏傳感器嗅覺—氣敏傳感器味覺—化學傳感器觸覺—壓敏、溫敏、流體傳感器從AIoT對感知需求的角度，傳感器的基本功能可以分為：對象感知：用于對象身份的識別與認證環(huán)境感知：用于獲取監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境參數(shù)與變化量位置感知：用于確定對象所在的地理位置過程感知：用于監(jiān)控對象的行為、事件發(fā)生與發(fā)展

的過程2.傳感器的基本概念傳感器（sensor）是一種能夠將物理量或化學量轉變成可以利用的電信號的器件。傳感器是實現(xiàn)信息感知、自動檢測與自動控制的首要環(huán)節(jié)，是人類五官的延伸傳感器是由敏感元件和轉換元件組成的一種檢測裝置。傳感器能感知到被測量的物體，并能將檢測到的信息，按一定規(guī)律變換和輸出用電壓、電流、頻率或相位表示的電信號，滿足感知信息的獲取、傳輸、處理、存儲、顯示、記錄與控制的要求3.傳感器接入AIoT的基本方法傳統(tǒng)的聲傳感器能夠感知周邊環(huán)境參數(shù)，但是自身并不具備通信能力，不能夠將感知信號主動傳送出來要想將聲傳感器接入到AIoT，就必須要采用嵌入式技術，將傳感器集成到電子設備中，構成一個既能產生感知信號，又具有一定的計算、存儲與通信能力的AIoT終端設備AIoT終端設備是一種典型的嵌入式計算設備，它在微控制單元MCU的控制下，將感知的數(shù)字數(shù)據通過通信接口傳送到AIoT高層；高層反饋的控制指令，通過通信接口與MCU傳送到執(zhí)行器4.傳感器的分類5.傳感器在AIoT中的應用3.1.2RFID與EPC技術1.自動識別技術的發(fā)展過程二維條碼應用的局限制：條碼掃描器、手機的鏡頭必須能夠“看到”“清晰”的條碼圖形。在有遮擋的不可視或黑暗環(huán)境中也能夠自動讀出數(shù)據的視頻標簽RFID技術應運而生RFID標簽基本概念RFID是利用無線射頻信號空間耦合的方式，實現(xiàn)無接觸的標簽信息自動傳輸與識別的技術3.RFID基本工作原理當無源RFID標簽接近讀寫器時，標簽處于讀寫器天線輻射形成的近場范圍內，RFID標簽天線通過電磁感應產生感應電流，感應電流驅動RFID芯片電路芯片電路通過RFID標簽天線將存儲在標簽中的標識信息發(fā)送給讀寫器，讀寫器天線再將接收到的標識信息發(fā)送給主機4.RFID標簽編碼標準EPC-96I編碼標準的EPC碼字段結構與意義版本號字段長度為8位用來表示編碼標準的版本，“01”表示編碼采用的是EPC-96I標準域名管理字段長度為28位，用來表示產品是由哪個廠家生產的對象分類字段長度為24位，用來表示一類產品序列號字段長度為36位，可以唯一地標識出每一件產品可以標識出2.68億個不同的生產廠商可以標識出每一個生產廠商提供1.68×107類產品的編碼可以標識出每一類產品中的687億件產品的編碼EPC-96I編碼可以標識出：

RFID的應用領域與項目3.1.3位置感知技術1.位置信息的基本概念位置信息在AIoT中的作用:位置信息是各種AIoT應用系統(tǒng)能夠實現(xiàn)基于位置服務功能的基礎位置信息涵蓋了空間、時間與對象三要素通過定位技術獲取位置信息是AIoT應用系統(tǒng)研究的一個重要問題2.GPS基本概念世界主要的衛(wèi)星導航系統(tǒng)：美國的全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）衛(wèi)星定位系統(tǒng)歐洲的伽利略（Galileo）衛(wèi)星定位系統(tǒng)我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）全球定位系統(tǒng)是將衛(wèi)星定位導航技術與現(xiàn)代通信技術相結合，具有全時空、全天候、高精度、連續(xù)實時地提供導航、定位和授時的功能全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）泛指所有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)3.GPS的基本工作原理北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的四大功能是：

定位、導航、授時與通信目前北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的主要技術參數(shù)為：全球范圍定位精度優(yōu)于10米測速精度優(yōu)于0.2米/秒時間同步精度優(yōu)于10納秒服務可用性優(yōu)于99％，亞太地區(qū)性能更優(yōu)“北斗”與“5G”—兩項“大國重器”將使我國具備構建基于自主知識產權“天羅地網”的能力“北斗+5G”的融合與應用的技術研究引起了學術界與產業(yè)界高度重視“北斗+5G”的融合加速了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用的“落地”與產業(yè)快速發(fā)展，也為我國AIoT產業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎3.2接入技術3.2.1接入技術分類3.2.2有線接入技術1.局域網接入通過以太網接入AIoT以太網的技術優(yōu)勢以太網數(shù)據傳輸速率從10Mbps到100Gbps，用戶可以根據具體的應用需求，選擇節(jié)點接入帶寬節(jié)點與交換機連接的傳輸介質可以是非屏蔽雙絞線，也可以是光纖傳輸介質的長度可以從十幾厘米到幾千米以太網的技術優(yōu)勢從局域網向城域網、廣域網擴展光纖逐漸取代傳統(tǒng)的雙絞線“高速以太網+光纖”已經成為組建云數(shù)據中心網絡的首選技術以太網網絡可以覆蓋AIoT從接入、匯聚、核心交換到云數(shù)據中心工業(yè)以太網成為智能工業(yè)網絡組建的主流技術之一2.電話交換網與ADSL接入技術數(shù)字用戶線（DigitalSubscriberLine，DSL）是指從用戶家庭、辦公室到本地電話交換中心的一對電話線能夠用數(shù)字用戶線實現(xiàn)通話與上網有多種技術方案；

非對稱數(shù)字用戶線（AsymmetricDSL，ADSL）

高速數(shù)據用戶線（HighSpeedDSL，HDSL）

甚高速數(shù)據用戶線（VeryHighSpeedDSL，VDSL）人們通常是用前綴x來表示不同的數(shù)據用戶線技術方案，統(tǒng)稱為“xDSL”隨著AIoT應用的推進，人們發(fā)現(xiàn)利用ADSL可以方便地將智能家居網關、智能家電、視頻探頭、智能醫(yī)療終端設備接入到AIoT3.廣播電視網與HFC接入技術有線電視網絡（CATV）是又一種覆蓋面、應用面最為廣泛的傳輸網絡，被視為解決互聯(lián)網寬帶接入“最后一公里”問題的最佳方案傳統(tǒng)的有線電視網絡技術只能提供單向的廣播業(yè)務，電視網絡以簡單共享同軸電纜的分支狀或樹形拓撲結構組建隨著交互式視頻點播、數(shù)字電視技術的推廣，用戶點播與電視節(jié)目播放必須使用雙向傳輸?shù)男诺?，因此產業(yè)界對有線電視網絡進行了大規(guī)模地雙向傳輸改造，光纖同軸電纜混合網（HybridFiberCoax，HFC）就是在這樣的背景下產生的與ADSL一樣，HFC已成為一種極具競爭力的寬帶接入技術。利用HFC技術可以將智能家居網關、智能家電、視頻監(jiān)控探頭、智能醫(yī)療終端設備接入到AIoT4.電力線接入技術由于只要有電燈的地方就有電力線，電力線覆蓋的范圍已經遠超過電話線，因此人們一直希望利用電力線實現(xiàn)數(shù)據傳輸，這項研究導致了電力線通信（PowerLineCommunication，PLC）技術的產生，并成為有線接入技術中的一種PLC技術將發(fā)送端載有高頻計算機、智能終端設備的數(shù)字信號載波調制在低頻（我國與歐洲的220V/50Hz，美國和日本的110V/60Hz）交流電壓信號上，接收端將載波信號解調出來，傳送給接收端的計算機或控制終端一般情況下，PLC連接節(jié)點的范圍限制在家庭內部的電力線覆蓋范圍內，信號傳輸不超過電表與變壓器，因此也叫做室內電力線利用PLC技術可以方便地將智能家居網關、智能家電、視頻監(jiān)控探頭、智能醫(yī)療終端設備接入到AIoT，因此PLC也是一種經濟、實用和有很好發(fā)展前景的接入技術之一5.光纖接入技術FTTx接入方式是將最后接入到用戶端的所用的電話線與同軸電纜全部用光纖取代。人們將多種光纖接入方式稱為FTTX，這里的X表示不同的光纖接入地點根據光纖深入到用戶的程度，光纖接入可以進一步分為：光纖到家（FiberToTheHome，F(xiàn)TTH）光纖到樓（FiberToTheBuilding，F(xiàn)TTB）光纖到路邊（FiberToTheCurb，F(xiàn)TTC）光纖到結點（FiberToTheNode，F(xiàn)TTN）光纖到辦公室（FiberToTheOffice，F(xiàn)TTO）由于光纖具有高帶寬、高抗干擾性、高安全性的優(yōu)點，因此光纖接入已經成為AIoT基本的接入方式之一3.2.3近場通信技術1.NFC技術的技術特點近場通信（NearFieldCommunication，NFC）是一種近距離、非接觸式的無線通信方式。NFC是一種在十幾厘米的范圍內實現(xiàn)無線數(shù)據傳輸?shù)募夹gNFC融合了非接觸式RFID射頻識別和無線互連技術，在單一芯片上集成了非接觸式讀卡器、非接觸式智能卡和“點-點”通信功能使用手持NFC手機或PDA等個人便攜式終端，在十幾厘米的短距離內不用登錄到網絡系統(tǒng)，可以方便地實現(xiàn)兩個設備之間“點-點”信息交換、內容訪問和服務交互NFC已經廣泛應用于在線購物、旅游、娛樂中的電子消費、電子票證、電子錢包之中，成為AIoT常用的一種接入方式2.UWB技術特點超寬帶（UltraWideBand，UWB）是一種利用納米至微米級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據的無線通信技術由于UWB采用“超寬帶”技術，發(fā)射端可以將微弱的脈沖信號分散到寬闊的頻帶上，輸出功率甚至低于普通設備的噪聲，UWB具有較強的抗干擾性、安全性與較高的QoS保證UWB最高數(shù)據傳輸速率可以達到55Mbps，而且發(fā)射功率、耗電、成本遠低于同類的近場通信技術，適用于近距離數(shù)字圖像、多媒體、可穿戴計算設備與無線自組網應用場景目前UWB的應用主要集中在智能醫(yī)療、智能交通應用、傳感器聯(lián)網與軍事等領域3.2.4近距離無線接入技術1.ZigBee技術特征低速率：速率為10～250kbps，滿足低速率數(shù)據傳輸?shù)膽眯枨?/p>

低功耗：發(fā)射信號功率僅為1mw，休眠模式低耗電待機模式下，兩節(jié)5號電池就可以維持節(jié)點6～24個月低成本：使用的免于申請的無線頻段，成本相對比較低

低延時：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的延時短，典型的設備發(fā)現(xiàn)

延時約為30ms，休眠激活為15ms，設備接入信道為15ms組網靈活：一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備

和一個主設備；一個區(qū)域內可以同時存在ZigBee網絡最

多為100個安全性好：ZigBee通過CRC校驗方式來的檢查數(shù)據包的完整性與

傳輸?shù)恼_性目前，ZigBee已作為近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據速率的無線接入技術，應用于智慧農業(yè)、智能交通、智能家居、智慧城市與工業(yè)自動化領域2.BLE藍牙研究背景早期的藍牙技術主要用于PC、手機與無線鍵盤、無線鼠標、無線耳機、MP3播放器、無線投影儀（筆）、無線音箱接入目前新版本的藍牙標準主要考慮AIoT低功耗、低成本、大規(guī)模接入的應用需求，尤其適用于智慧家居、智慧醫(yī)療、智慧城市等應用場景2010年，4.0版本之后藍牙技術向AIoT接入需要的低功耗方向發(fā)展。藍牙4.0包括兩個標準：一個是傳統(tǒng)藍牙標準，另一個是低功耗藍牙（BluetoothLowEnergy，BLE）標準傳統(tǒng)藍牙標準主要用于數(shù)據量較大的語音、音頻數(shù)據傳輸。BLE標準主要應用于實時性要求比較高，數(shù)據速率相對較低的傳感器與遙控器產品，手機和移動設備之間的通信，以及AIoT終端設備的接入2016年推出的藍牙5.0傳輸速率提高到2Mbps，傳輸距離提高到300米，并且功耗更低2017年推出的藍牙MESH支持無線自組網，更適用于AIoT接入3.6LoWPAN與IEEE802.15.42002年IEEE成立了802.15工作組，專門從事無線個人區(qū)域網（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）的標準化工作，任務是開發(fā)一套適用于短程無線通信的標準隨著IPv4地址的耗盡，由IPv6替代IPv4協(xié)議已是大勢所趨。低功耗無線個人區(qū)域網（Low-PowerWPAN，LoWPAN）將IPv6集成到IEEE802.15.4為底層協(xié)議的WPAN中與藍牙技術相比，IEEE802.15.4協(xié)議在設計上更加節(jié)能，一塊普通電池使用壽命可以達到2年或更長的時間；一個網絡可以接入100～150個節(jié)點，構成一個星型或簇型拓撲的網絡IEEE802.15.4協(xié)議具有低復雜度、低成本、低功耗、低速率、靈活組網的特點，在智能工業(yè)、智能農業(yè)、智能環(huán)保等領域有著廣泛的應用前景4.WBAN與IEEE802.15.6隨著AIoT智能醫(yī)療研究的深入，無線人體區(qū)域網（WirelessBodyAreaSensorNetwork，WBAN）成為研究的熱點WBAN是以人體為中心的，將與人體相關的設備（個人終端設備、可穿戴計算設備、分布在人體表面或植入人體的傳感器），以及人體附近3～5m范圍內的通信設備之間互聯(lián)，為個人醫(yī)療、保健、娛樂提供在任何時間、任何地點、任何方式，以及可移動、上下文感知、實時性、智能化與個性化服務，進一步向實現(xiàn)普適計算方向演進醫(yī)療類WBAN應用場景決定了WBAN要求節(jié)點體積小、功耗超低、可靠性高、安全性高與高智能的特點2012年3月，IEEE正式批準了WBAN的協(xié)議標準-802.15.6IEEE802.15.6確定的傳輸速率最高為10Mbps、最長傳輸距離為1米，可以取代藍牙與ZigBeeIEEE802.15.6除了應用于醫(yī)療保健與疾病監(jiān)控之外，也可以用于日常生活中的便攜播放器與無線耳機等人體身邊便攜式裝置之間的通信，以及消防、探險、軍事等特殊場合的應用3.2.5Wi-Fi接入技術無線局域網（WirelessLAN，WLAN）又稱為無線以太，它是支撐AIoT接入的關鍵技術之一。WLAN以微波、激光與紅外等無線信道作為傳輸介質，代替?zhèn)鹘y(tǒng)局域網Ethernet中的同軸電纜、雙絞線與光纖，實現(xiàn)WLAN的物理層與介質訪問控制MAC子層功能人們習慣將IEEE802.11無線局域網稱為“Wi-Fi”，將Wi-Fi接入點（AccessPoint，AP）設備稱為無線基站（basestation）或無線熱點（hotsport）Wi-Fi無線信道選用了免于申請的ISM頻段，可以免費使用，Wi-Fi已經成為與“水、電、氣、路”相提并論的“第五類社會公共設施”IEEE802.11協(xié)議標準有很多個并處于高速發(fā)展狀態(tài)，其中有代表性的是IEEE802.11n標準。IEEE802.11n工作在2.4GHz與5GHz兩個頻段，速率最高可達到600Mbps一個接入點AP覆蓋范圍一般在幾十米到幾百米的范圍，形成了一個以接入點AP為中心節(jié)點星形拓撲構型基本服務集BSS，多個BSS可以互聯(lián)成更大的擴展服務集ESS目前Wi-Fi正在從地面接入向空中無人機無線接入，構成空中無線自組網的方向發(fā)展3.2.6NB-IoT接入技術基于蜂窩移動通信網的窄帶物聯(lián)網（NarrowBandIoT，NB-IoT）接入技術僅需使用200kHz的授權頻段NB-IoT技術特點：廣覆蓋：與GPRS、LTE相比，信號強度增大100倍，可覆蓋地下車庫、地下室、地下管道等無線信號難以覆蓋的區(qū)域海量接入：單個NB-IoT扇區(qū)可支持超過5萬個用戶終端的連接，比傳統(tǒng)的3G/4G移動網絡的用戶容量提高50～100倍低功耗：NB-IoT允許終端設備永遠在線，通過減少不必要的信令、采用更長的尋呼周期與硬件節(jié)能機制，某些場景中終端模塊的電池供電時間長達10年低成本：低速率與低功耗可以使終端設備結構簡單，使用低成本、高性能的NB-IoT芯片，有助于降低用戶終端成本安全：支持雙向鑒權和空口加密機制，確保用戶終端在發(fā)送和接收數(shù)據時空口的安全性NB-IoT已經開始應用于AIoT的智慧城市、智能醫(yī)療、智能物流、智能工業(yè)等領域，將成為支撐5G、面向AIoT大連接場景應用中最合適的技術3.2.75G接入網技術5G作為AIoT的核心網絡技術在無線接入網架構上實現(xiàn)“通信與計算”融合，研究新型的無線接入網體系AIoT對5G接入的需求主要表現(xiàn)在以下兩個方面：數(shù)以千億計的感知與控制節(jié)點、智能機器人、可穿戴計算設備、智能網聯(lián)汽車、無人機需要接入AIoTAIoT的感知數(shù)據和控制指令傳輸，對網絡提出極高帶寬與極高高可靠性、極低延時的需求，4G網絡已經難以達到要求，只能寄希望于5G網絡為了適應AIoT應用需求，ITU明確了5G的三大應用場景：增強的移動寬帶通信、大規(guī)模機器類通信與超高可靠性低延時通信研究人員認識到：只有采用網絡功能虛擬化（NFV）與軟件定義網絡（SDN）的基本思路，將無線接入與云計算、邊緣計算相融合，才能夠解決5G面對AIoT應用中的大規(guī)模接入，以及低延時、低能耗、高可擴展性的需求產業(yè)界提出了云無線接入網C-RAN、異構云無線接入網H-CRAN與霧無線接入網F-RAN的接入網組網方案1.無線傳感網的基本概念3.2.8無線傳感網接入技術無線傳感網WSN是在無線自組網Adhoc的基礎上發(fā)展起來Adhoc網絡是一種特殊的自組織、對等、多跳的無線移動網絡Adhoc網絡的主要特點可以歸納成以下幾點：自組織與獨立組網、中心控制節(jié)點、多跳路由、動態(tài)拓撲、能量約束無線傳感器網絡是傳感器技術與Adhoc網絡交叉融合的產物2.WSN技術特點網絡規(guī)模大WSN規(guī)模大小與它的應用要求直接相關，大型WSN的節(jié)點多、分布的地理范圍廣靈活的自組織能力在WSN的實際應用中，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，這就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動配置和管理，通過路由和拓撲控制機制自動形成無線自組網拓撲結構的動態(tài)變化傳感器節(jié)點數(shù)量的動態(tài)增減與相對位置的改變，必然帶來網絡拓撲的動態(tài)變化，這就要求WSN系統(tǒng)具有動態(tài)系統(tǒng)重構能力以數(shù)據為中心WSN的設計者并不關心網絡拓撲是怎樣的，更關心的是接收到的傳感器感知的數(shù)據受攜帶能量的限制由于節(jié)點數(shù)量多、分布區(qū)域廣、環(huán)境復雜，傳感器節(jié)點難以通過更換電池來補充，因此WSN生存期主要受傳感器節(jié)點攜帶電池容量的限制AIoT在智能醫(yī)療、智能環(huán)保、智能安防、智能工業(yè)、智能農業(yè)、智能交通等領域的應用，為WSN在不同領域的應用研究提出了新的課題，目前出現(xiàn)很多新型的WSN：水下無線傳感網地下無線傳感網無線多媒體傳感網無線人體傳感網無線傳感器執(zhí)行器網無線納米傳感網3.WSN的應用與發(fā)展3.3邊緣計算技術3.3.1邊緣計算產生的背景移動云計算系統(tǒng)的“端-云”結構3.3.2邊緣計算的基本概念移動邊緣計算形成“端-邊-云”結構理解邊緣計算中“邊緣”的概念需要注意：相對于連接在網絡上的遠端云計算數(shù)據中心而言泛指從數(shù)據源經過核心交換網到達遠端云計算中心路徑中的任意一個或多個計算、存儲和網絡資源節(jié)點核心思想是“讓計算應該更靠近數(shù)據源，更貼近用戶”3.3.3邊緣云與云數(shù)據中心的關系邊緣計算與云計算各有所長，云計算適用于全局性、非實時、長周期的大數(shù)據處理與分析，能夠在長周期維護、業(yè)務決策支撐等領域發(fā)揮優(yōu)勢；邊緣計算更適用于局部性、實時、短周期數(shù)據的處理與分析，能更好地支撐本地業(yè)務的實時智能化決策與執(zhí)行邊緣計算與云計算之間不是替代關系，而是互補協(xié)同關系，“邊-云協(xié)同”將放大邊緣計算與云計算的應用價值。邊緣計算既靠近執(zhí)行單元，更是云端所需高價值數(shù)據的采集和初步處理單元，可以更好地支撐云端應用；反之，云計算通過大數(shù)據分析優(yōu)化輸出的業(yè)務規(guī)則或模型可以下發(fā)到邊緣側，邊緣計算基于新的業(yè)務規(guī)則或模型運行3.45G技術3.4.1AIoT對5G技術的需求AIoT終端設備大規(guī)模部署的需要隨著AIoT人與物、物與物互聯(lián)范圍地擴大，智能家居、智能工業(yè)、智能環(huán)保、智能醫(yī)療、智能交通應用的發(fā)展，數(shù)以億計的感知與控制設備、智能機器人、可穿戴計算設備、智能網聯(lián)汽車、無人機接入到AIoTAIoT實時性應用的需要AIoT涵蓋智能工業(yè)、智能農業(yè)、智能交通、智能醫(yī)療與智能電網等各個行業(yè)，有的節(jié)點之間的感知數(shù)據與控制指令傳輸必須保證是正確的，延時必須控制在ms量級AIoT應用系統(tǒng)中普遍會用到虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（VR/AR）技術。VR/AR要求移動通信網絡的峰值速率達到20Gbps、用戶體驗速率要達到100Mbps，延時要小于5~7ms，延時抖動要小于50ms。這些指標4G網絡都很難達到。因此，AIoT對超低實時性、超高帶寬、超過可靠性要求的應用對5G的需求格外強烈名稱定義ITU指標峰值速率在理想條件下，用戶能獲得的最大數(shù)據傳輸速率20Gbps用戶體驗速率在實際網絡負荷下，用戶普遍可獲得的最小數(shù)據傳輸速率100Mbps延時包括空口延時與端-端延時，這里是指空口延時1ms移動性在特定場景中，用戶可獲得體驗速率的最大移動速度500km/h流量密度單位地理面積上可達到的總數(shù)據吞吐量10Mbps/m2連接數(shù)密度單位地理面積上可支持的在線設備數(shù)量100000個/km2能效單位能耗下可達到的數(shù)據吞吐量4G的100倍頻譜效率單位頻譜資源上可達到的數(shù)據吞吐量4G的3倍ITU定義的5G關鍵性能指標3.4.25G的技術指標從用戶角度對5G關鍵指標的感性認知名稱ITU指標感性認知峰值速率20Gbps在單用戶理想情況下，1秒鐘可下載2.5GB的視頻用戶體驗速率100Mbps1.用戶可隨時隨地體驗4G峰值速率2.標清視頻、高清視頻、4K超高清視頻所占帶寬分別為1Mbps、4Mbps、50Mbps，5G網絡可提供足夠的用戶體驗速率空口延時1ms1.在普通場景中，如果電影畫面以24幀/s的速率播放，相當于延時41.6s，人的視覺感受流暢；如果聲音超前或滯后畫面小于40ms，人不會感到聲音與畫面不同步；2.在移動場景中，如果汽車以60km/h的速度行駛，1ms延時帶來的剎車距離為17m移動性500km/h國內已投入運營高鐵的最高時速為350km/h，5G網絡可支持用戶在高鐵行駛中的所有應用場景下的通信需求連接數(shù)密度100000個/km2深圳人口為1077.89萬，面積為1996.85平方公里，人口密度為每平方公里5398人，這是國內人口密度最高的城市。在這種人口密度下，5G網絡可支持每人平均接入18.5個終端設備3.4.55G的三大應用場景3.4.46G發(fā)展愿景ITU-R研究人員預測了6G的以下六種潛在應用場景以人為中心的沉浸式通信感知、定位與成像工業(yè)4.0及其演進智慧城市與智慧生活移動服務全球覆蓋分布式機器學習與互聯(lián)AI3.5基于IP協(xié)議的核心交換網3.5.1核心交換網與IP協(xié)議1.IP協(xié)議的基本概念AIoT核心交換網主要使用的是網絡層IP協(xié)議。IP協(xié)議分為IPv4與IPv6協(xié)議IPv4協(xié)議：制定于1981年，隨著應用的不斷擴展，IPv4協(xié)議一直處于不斷修訂和完善過程中；2011年IPv4地址全部分配，由IPv4向IPv6過渡迫在眉睫IPv6協(xié)議：IPv6協(xié)議的地址長度定為128位，可以提供多達超過3.4×1038個IP地址

以地球表面面積按5.11×1014平方米計算，則地球表面每平方

米平均可以獲得的IP地址數(shù)為6.65×1023個今后各類AIoT終端設備，如傳感器、執(zhí)行器、智能手機、可穿戴計算設備、智能機器人、智能網聯(lián)汽車、智能家電、工業(yè)控制設備等都可以獲得IP地址，接入AIoT的設備數(shù)量將可以不受限制。3.5.2AIoT核心交換網的組網方法AIoT核心交換網的基本方法可以分為兩種：第一種獨立組建AIoT核心交換網的方案需要自己鋪設或租賃光纜、購買路由器，招聘專職的網絡工程師維護專網系統(tǒng)。第二種方案是在公共數(shù)據網絡PDN之上，采用租用鏈路，用VPN技術來組建與公網用戶隔離的AIoT虛擬專網由于這種VPN是在PDN基礎上組建，因此它是一種“覆蓋網（overnet）”，顯然第一種方案的造價太高；第二種方案的造價低，但是網絡的安全性受到質疑。任何網絡系統(tǒng)的建設必須考慮到造價、安全性的平衡。除了政府大型電子政務網，以及一些對安全性要求極高的企事業(yè)大型AIoT應用系統(tǒng)，如智能電網、智能交通、智能醫(yī)療與智能工業(yè)的核心交換網采用獨立建網的方案之外，其他投資受限的AIoT應用系統(tǒng)會采用VPN的方式組建核心交換網傳統(tǒng)的路由器與其他網絡硬件設備傳統(tǒng)互聯(lián)網結構設計采用“分布控制、協(xié)同工作”的設計思路；網絡設備采用“軟硬一體”的“黑盒子”結構，這種固定結構的網絡設備，極大地限制了網絡功能的添加、協(xié)議更新與網絡應用的創(chuàng)新傳統(tǒng)組網方法與網絡設備的局限性3.5.3軟件定義網絡/網絡功能虛擬化SoftwareDefinedNetwork/NetworkFunctionsVirtualizationSDN/NFV1.SDN的基本概念SDN不是一種協(xié)議，而是一種開放的網絡體系結構SDN吸取了計算模式從封閉、集成、專用的系統(tǒng)進化為開放系統(tǒng)的經驗，通過將傳統(tǒng)封閉的網絡設備中數(shù)據平面與控制平面分離，實現(xiàn)網絡硬件與控制軟件分離，制定開放的標準接口，允許網絡軟件開發(fā)者與網絡管理員通過編程去控制網絡，將傳統(tǒng)的專用網絡設備變?yōu)榭赏ㄟ^編程定義的標準化通用網絡設備SDN的核心是網絡可編程性編程人員只要掌握網絡控制器API的編程方法，就可以寫出控制各種網絡設備（如路由器、交換機、網關、防火墻、服務器、無線基站）的程序，而無需知道各種網絡設備配置命令的具體語法、語義；控制器負責將API程序轉化成指令去控制各種網絡設備。新的網絡應用也可以方便地通過API程序添加到網絡中。開放的SDN體系結構將網絡變得通用、靈活、安全和支持創(chuàng)新2.NFV的基本概念NFV是利用虛擬化技術將現(xiàn)有網絡設備功能整合到標準的服務器、存儲器與交換機等設備，以軟件形式實現(xiàn)網絡功能，取代目前網絡中使用的專用、封閉的網絡設備3.6云計算技術3.6.1云計算的基本概念云計算是一種計算模式，它是將計算與存儲資源、軟件與應用作為“服務”，通過網絡提供給用戶3.6.2云計算基本特征云計算定義中提出的“五種基本特征、三種服務模型、四種部署模型”云計算的特征：泛在接入云計算作為一種利用網絡技術實現(xiàn)的隨時隨地、按需訪問、共享計算、存儲與軟件資源的計算模式按需服務云計算可根據用戶的實際計算量與數(shù)據存儲量，自動分配CPU數(shù)量與存儲空間大小快速部署云計算能同時運行多種不同的應用，用戶可以方便地開發(fā)各種應用軟件，快速、彈性地使用資源與部署業(yè)務量化收費云計算可監(jiān)控用戶使用的計算、存儲等資源，并根據資源的使用量進行計費資源池化云計算能夠通過虛擬化技術將分布在不同地理位置的資源整合成邏輯上統(tǒng)一的共享資源池。虛擬化技術屏蔽了底層資源的差異性，實現(xiàn)統(tǒng)一調度和部署所有的資源3.6.3云計算服務類型云計算提供的服務可以分為三種基本的類型：IaaS、PaaS、SaaS3.6.4云計算的部署模型公有云（publiccloud）公有云是屬于社會共享資源服務性質的云計算系統(tǒng)，“云”中的資源開放給社會公眾或某個大型行業(yè)團體使用，用戶可通過網絡免費或以低廉價格使用資源私有云（privatecloud）私有云是一個單一的組織或機構在其內部組建、運行與管理，內部員工可通過內部網或VPN訪問的云計算系統(tǒng)；私有云由其擁有者或委托第三方管理，云數(shù)據中心可以建在機構內部或外部社區(qū)云（communitycloud）社區(qū)云具有公有云與私有云的雙重特征。與私有云的相似之處是：社區(qū)云的訪問受到一定的限制；與公有云的相似之處是：社區(qū)云的資源專門給固定的一些單位內部用戶使用，這些單位對云端具有相同需求，如資源、功能、安全、管理要求。醫(yī)療云是一種典型的社區(qū)云3.7大數(shù)據技術3.7.1大數(shù)據技術的基本概念3.7.2大數(shù)據的特征數(shù)據量的大小不是判斷是否是“大數(shù)據”的唯一標準，判斷這個數(shù)據是不是“大數(shù)據”，要看它是不是具備“5H”的特征3.7.3大數(shù)據應用故障早期發(fā)現(xiàn)的重要性

AIoT大數(shù)據技術在飛機發(fā)動機日常維護中的應用3.8智能控制技術3.8.1智能控制與數(shù)字孿生控制技術發(fā)展的四個階段：第一階段發(fā)生在“二戰(zhàn)”前后，工程師認識世界與改造世界的“三論”是系統(tǒng)論、控制論與信息論。第二個階段是在機械化、電氣化快速發(fā)展時期，自動控制理論從經典控制逐步發(fā)展成現(xiàn)代控制、計算機控制。第三個階段是從計算機控制發(fā)展到智能控制。第四階段出現(xiàn)在“工業(yè)4.0”時代，數(shù)字孿生（DigitalTwin）將推動系統(tǒng)建模與仿真應用的快速發(fā)展。數(shù)字孿生“因感知控制而起，以新技術集成創(chuàng)新而興”數(shù)字孿生已經成為AIoT研究領域一個新的技術術語和研究的熱點3.8.2數(shù)字孿生基本概念航天領域數(shù)字孿生概念示意圖數(shù)字孿生概念模型理解數(shù)字孿生的基本概念需要注意以下幾個問題：“孿生體”是兩個一模一樣的物理實體，是一對“雙胞胎”，“數(shù)字孿生體”采用的是一個物理實體，一個是虛擬的數(shù)字孿生體“數(shù)字孿生體”引入虛擬空間，建立虛擬空間與物理空間關聯(lián)，彼此之間可以進行數(shù)據與信息交互數(shù)字孿生體根據傳感器傳送的數(shù)據，借助物理實體仿真軟件，預測物理實體的運行狀態(tài)，產生控制物理實體運行的操作指令“數(shù)字孿生體”的工作過程直觀地體現(xiàn)了“虛實融合，以虛控實”的