5G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)及挑戰(zhàn)

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摘要：當(dāng)前，4G網(wǎng)絡(luò)已被人們廣泛使用，它不僅用于人與人之間的通信，還應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT），并推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，不斷滿足未來物聯(lián)網(wǎng)需求。目前，人們對(duì)機(jī)器型通信（MTC）的需求造成了各種通信技術(shù)具有多種服務(wù)要求，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的愿景。盡管這樣，現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，如大量節(jié)點(diǎn)連接，安全性和隱私以及對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制訂等問題，并且由于4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的局限性，導(dǎo)致其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化程度比較差。隨著5g網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟，基于5G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)得到更大的性能提升，包括增強(qiáng)蜂窩網(wǎng)運(yùn)營容量，提高物聯(lián)網(wǎng)安全性以及網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)能力等。本文主要介紹了目前5GIoT的最新通信技術(shù)以及5GIoT的主要研究趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（IoT）；第五代物聯(lián)網(wǎng)（5GIoT）

0引言

作為一種很有市場(chǎng)前景和價(jià)值的技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)是一種通過互聯(lián)網(wǎng)連接大規(guī)模的低功耗交互式設(shè)備而實(shí)現(xiàn)技術(shù)，例如可穿戴設(shè)備、智能傳感器、智能電器、平板電腦、智能手機(jī)和智能交通系統(tǒng)等，這對(duì)我們的生產(chǎn)方式以及生活活動(dòng)產(chǎn)生了巨大的影響。研究還指出，這些設(shè)備中將有70億通過蜂窩技術(shù)連接，例如目前的2G、3G和4G。而5G網(wǎng)絡(luò)作為新一代移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它將會(huì)在2020年后開始部署商用。國際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)5G提出了8大指標(biāo)要求，分別是基站峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、頻譜效率、流量空間容量、移動(dòng)性能、網(wǎng)絡(luò)能效、連接密度和時(shí)延，具體表現(xiàn)在其傳輸速率將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提升10～100倍，峰值傳輸速率達(dá)到10Gbit/s，端到端時(shí)延達(dá)到ms級(jí)，連接設(shè)備密度增加10～100倍，流量密度提升1000倍，頻譜效率提升5～10倍，能夠在500km/h的速度下保證用戶體驗(yàn)。

1現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的一個(gè)全新技術(shù)領(lǐng)域，它最大程度地打破了時(shí)間和空間的局限，直接將“人與人”“人與物”“物與物”三者進(jìn)行有效的聯(lián)系。在考慮大規(guī)模部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，較低的部署成本和設(shè)備成本，較長(zhǎng)的電池壽命，可擴(kuò)展的覆蓋面積以及支持大規(guī)模連接設(shè)備的數(shù)量和隱私安全性等關(guān)鍵要素已成為當(dāng)前需要解決的主要問題。滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用未來需求最關(guān)鍵的便是推動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。目前，固定和短距離通信標(biāo)準(zhǔn)被用于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)連接。傳統(tǒng)的短程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在用于支持短距離的M2M通信應(yīng)用，包括藍(lán)牙、ZigBee和低功耗WiFi。但是這些短程連接技術(shù)具有很大的局限性，無法支持城市、工業(yè)以及其它大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。LPWA技術(shù)因具有廣泛的覆蓋面，較高的能源效率、信道帶寬和數(shù)據(jù)速率，以及較低的能耗等獨(dú)特的功能而非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。作為一種超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，LoRa基于擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、連接節(jié)點(diǎn)多和低成本的特點(diǎn)。SigFox以超窄帶技術(shù)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備專用的無線網(wǎng)絡(luò)，提供一個(gè)完整的端到端連接解決方案。NB-IoT和eMTC都是窄帶LTE技術(shù)，跟現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)比較，它們都通過較大程度降低傳輸速率的方式來實(shí)現(xiàn)低數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接。具體來說，NB-IoT使用的帶寬大約為200KHz，而eMTC技術(shù)使用1.4MHz帶寬；NB-IoT支持100Kbps以下速率傳輸較低的流量數(shù)據(jù)，而eMTC支持最高1Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率。

25G網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無線通信所依靠的技術(shù)主要包括高效能的無線傳輸技術(shù)和高密度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在無線通信系統(tǒng)中，采用多天線技術(shù)能夠顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。作?G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，濾波器組的載波器技術(shù)（FBMC），通過合成濾波器組來實(shí)現(xiàn)發(fā)射端的多載波調(diào)制，利用分析濾波器組來實(shí)現(xiàn)接收端的多載波解調(diào)。相較于OFDM（即正交頻分復(fù)用）技術(shù)，它在每個(gè)子載波上使用單獨(dú)的濾波器，以消除子載波間的干擾。在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，集中化的、協(xié)作的、“云”化的無線接入網(wǎng)（C-RAN）技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV技術(shù)、超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)UDN、自組織網(wǎng)絡(luò)SON、Multi-RAT技術(shù)、設(shè)備到設(shè)備D2D技術(shù)都是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的候選關(guān)鍵技術(shù)。C-RAN是基于集中化處理、協(xié)作式無線電和實(shí)時(shí)云計(jì)算架構(gòu)的綠色無線接入網(wǎng)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV技術(shù)通過軟硬件解耦及功能抽象，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不再依賴于專用硬件，實(shí)現(xiàn)資源充分的、靈活的共享，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)彈性和自適應(yīng)性。

35GIoT關(guān)鍵技術(shù)

作為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，NFV旨在為5GIoT應(yīng)用提供可擴(kuò)展的、靈活的網(wǎng)絡(luò)，這將使得基于分布式云的自定義網(wǎng)絡(luò)切片為5GIoT應(yīng)用創(chuàng)建可編程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。NFV能夠?qū)⒁粋€(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，其中設(shè)備可根據(jù)應(yīng)用需求重新配置來構(gòu)建多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在兩個(gè)設(shè)備（D2D）之間建立短程通信成為5GIoT數(shù)據(jù)傳輸?shù)男路绞?，這將降低5GIoT應(yīng)用的功耗，提高其負(fù)載的平衡，為邊緣用戶提供給更好的QoS。正因?yàn)槿绱?，D2D通信正在逐步成為領(lǐng)先的技術(shù)。D2D還可被用作NB-IoT上行鏈路的擴(kuò)展，可以通過NB-IoT建立路由蜂窩鏈路。并且在物聯(lián)網(wǎng)中，D2D可與移動(dòng)NB-IoT用戶設(shè)備配合使用。在未來5G系統(tǒng)中，MTC通信，毫米波，移動(dòng)邊緣計(jì)算，軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV和窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT等都將在IoT中扮演重要角色。

45GIoT挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)

5G可以滿足未來物聯(lián)網(wǎng)的需求，但是5GIoT的體系結(jié)構(gòu)也面臨著設(shè)備之間的可信通信，安全問題等一系列研究挑戰(zhàn)。雖然對(duì)5GIoT已經(jīng)做了很多的研究工作，但仍然存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。5GIoT體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。由于大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性成為一個(gè)主要問題，同時(shí)管理大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息也是一個(gè)需要考慮的問題。同時(shí)，還需要考慮到5GIoT的互操作性和異構(gòu)性。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫互連同樣也是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)，大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過通信技術(shù)與其它智能網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用連接進(jìn)行通信、傳播以及收集重要信息等活動(dòng)，它們之間的互操作性也是必須要解決的一個(gè)重要問題。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要考慮到5GIoT安全保障和隱私問題。無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)對(duì)于5G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的有效性來說也仍然是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。為了保證高度靈活的核心網(wǎng)絡(luò)，可擴(kuò)展的SD-CN對(duì)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，控制分離數(shù)據(jù)平面對(duì)于大多數(shù)SDN來說都比較困難。NFV與SDN高度互補(bǔ)，但不依賴于SDN，它運(yùn)行在第三方公共云上，因此安全跟隱私也成為一大問題。針對(duì)5GIoT，提出了大量物聯(lián)網(wǎng)解決方案，同時(shí)5GIoT的標(biāo)準(zhǔn)化也會(huì)使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)及開發(fā)變得更加容易。但是由于在5GIoT中網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的多樣性，IoT系統(tǒng)和應(yīng)用缺乏一致性和標(biāo)準(zhǔn)化，因此提出的物聯(lián)網(wǎng)解決方案仍存在很多障礙和挑戰(zhàn)。5GIoT涉及兩種標(biāo)準(zhǔn)。一是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括無線通信，數(shù)據(jù)匯總標(biāo)準(zhǔn)等；二是監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，例如通用數(shù)據(jù)保護(hù)法則（2018），安全解決方案，密碼原語等。對(duì)于5GIoT的研究目前還處在初級(jí)階段，除了要解決上述遇到的挑戰(zhàn)外，還應(yīng)對(duì)未來的研究趨勢(shì)進(jìn)行探索。由于物聯(lián)網(wǎng)的多樣性，5GIoT將會(huì)越來越分散，因此需要開發(fā)更加復(fù)雜的技術(shù)，例如NVFs來管理5GIoT。邊緣計(jì)算是5GIoT的另一個(gè)關(guān)鍵用例。邊緣計(jì)算結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)將推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備成為物聯(lián)網(wǎng)的核心，并且將顯著提升相關(guān)應(yīng)用計(jì)算能力，例如AR/VR。除此之外，在高設(shè)備密度的情況下，實(shí)現(xiàn)上下文感知解決方案將會(huì)有效增加物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體規(guī)模，增強(qiáng)移動(dòng)性和異構(gòu)性。

5結(jié)論

隨著5G技術(shù)的日漸成熟，5G網(wǎng)絡(luò)將在2020年得到部署并開始商用。5G網(wǎng)絡(luò)的很多關(guān)鍵技術(shù)就是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要而開發(fā)的，它解決了很多物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展受限的主要瓶頸和挑戰(zhàn)。但同時(shí)，5GIoT也仍然面臨著很多亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，只有很好地解決了這些現(xiàn)存的問題，5GIoT才能真正發(fā)揮它的巨大潛力，實(shí)現(xiàn)萬物智能互聯(lián)，徹底改變我們的生活，徹底改變整個(gè)世界。

作者：馬少杰 單位：中國移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司