基于NB-IoT数据传输的研究与应用

摘要

无线数据传输系统是人们信息获取的重要途径，随着通信技术的发展，无线通信技术在工业数据传输中得到了广泛的应用。但传统的数据传输系统在低功耗和远距离之间一直处于两难境地，在更远的距离和更低的功耗之间只能二取其一。本课题研究实现了基于NB-IoT的无线数据传输系统，使用当前运营商的授权频谱，发挥低功耗广域网的优势，为现有远距离通信系统提供一种低功耗的无线传输方式。
　　本文首先介绍了课题研究的背景和NB-IoT的基本理论，然后，在对非连续接收方式研究的基础上，提出NB-IoT数据传输系统两种控制能耗的方法，分别是基于PSM和eDRX的功耗控制方法、寻呼优化方法。在硬件设计方面，采用了STMicroelectronics公司的STM32L151C8T6作为主控芯片，Quecte公司的BC95作为NB-IoT通信模块，利用模块化的思想设计外围硬件电路，完成实现了NB-IoT无线数据传输终端。在软件设计方面，NB-IoT终端开发程序采用标准C编写，通过keil uVision4开发环境完成程序的编译、下载，上位机监控软件采用VisualBasic6.0设计实现，界面友好、使用方便，只需要输入本地端口号启动服务器，就能得到实时温度值。
　　经过终端功耗测试，eDRX和PSM模式均可以有效的降低终端功耗，PSM模式降低功耗效果更为明显，eDRX可以大幅度提升下行通信链路的可到达性。在综合考虑功耗和时延的基础，基于PSM和eDRX的功耗控制方法更具有实际应用意义。
　　最后将NB-IoT终端安装在STMP1000设备上，测试不同传输距离的准确传输率和时延。结果表明，在NB-IoT网络信号强度达到的情况下，不同的传输距离对准确传输率和时延基本没有影响，准确传输率和时延均达到了规定标准，成功实现了非连续数据的小批量远距离传输。这也将成为无线数据传输及工业远程控制等方面的发展趋势。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无线通信系统的发展及研究现状

1．2．2 3GPP NB-IoT演进过程

1．2．3 NB-IoT数据传输系统的发展前景

1．3 研究意义

1．4 研究内容和结构安排

1．4．1 研究内容

1．4．2 结构安排

2 NB-IoT及其数据传输系统设计

2．1．1 演进的核心系统(Evolved Packet Core，EPC)

2．1．2 基站(eNodeB，eNB)

2．1．3 用户终端(User Equipment，UE)

2．2．1 NB-IoT网络接口协议

2．2．2 NB-IoT物理层

2．3 NB-IoT数据传输系统设计的关键技术

2．3．1 系统消息的调度

2．3．2 寻呼过程

2．4 本章小结

3 NB．IoT数据传输系统能耗控制

3．1 低功耗非连续接收方式研究

3．1．1 DRX连接状态

3．1．2 DRX空闲状态

3．2 NB-IoT数据传输系统的功耗控制

3．2．1 基于PSM和eDRX的功耗控制方法

3．2．2 寻呼研究与优化方法

3．3 本章小结

4 数据传输系统的硬件系统

4．1 硬件系统总体结构

4．2 NB-IoT终端的主控模块

4．2．1 BC95模块

4．2．2 微处理器

4．3 NB-IoT终端硬件单元电路

4．3．1 串口电路

4．3．2 USIM／SIM接口电路

4．3．3 电源模块电路

4．3．4 状态指示电路

4．3．4 复位电路

4．4 本章小结

5 NB-IoT终端的软件设计

5．2 终端软件实现

5．2．1 主应用处理模块

5．2．2 参数设置模块

5．2．3 BC95初始化设计

5．3 上位机软件实现

5．3．1 Visual Basic 6．0

5．3．2 系统监控界面

5．4 本章小结

6 NB-IoT无线数据传输系统的测试

6．1．1 NB-IoT模块网络测试

6．1．2 定向IP数据传输测试

6．1．3 非定向IP数据传输测试

6．2 功耗测试

6．2．1 eDRX模式功耗测试

6．2．2 PSM模式功耗测试

6．3 NB-IoT数据传输系统实际应用情况

6．3．1 现场终端设备安装

6．3．2 现场系统总体架构

6．3．3 现场测试及分析

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介和科研成果