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

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應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制訂等問題，并且由于4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的局限性，導(dǎo)致其對物聯(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5G IoT的最新通信技術(shù)以及5G IoT的主要研究趨勢和挑戰(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)（5G IoT）

中圖分類號：TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0195-03

Abstract：The current 4G network has been widely used by people，not only for human-to-human communication，but also for the Internet of Thing（IoT），and promotes the rapid development of related technologies to meet the needs of the future IoT applications. At present，the demand for Machine Type Communication（MTC）has led to a variety of communication technologies with diverse service requirements to achieve the modern IoT version. However，the existing IoT communication technologies are faced with many challenges，such as a large number of node connections，poor security and privacy，and the corresponding standard formulation and other issues. Besides，the 4G network has a poor ability to optimize the IoT due to its design limitations. With the maturing of 5G network technology，the 5G network-based IoT will achieve even greater performance improvements，including enhancing the operating capacity of cellular network，improving the IoT security and network challenge capabilities. This paper mainly introduces the latest communication technologies for 5G IoT research and the main research trends and challenges of 5G IoT.

Keywords：5G network；internet of things communication technology（IoT）；5G internet of things（5G IoT）

0 引 言

作為一種很有市場前景和價值的技術(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，這對我們的生產(chǎn)方式以及生活活動產(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)作為新一代移動無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它將會在2020年后開始部署商用。國際電信聯(lián)盟（ITU）對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、移動性能、網(wǎng)絡(luò)能效、連接密度和時延，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，端到端時延達(dá)到ms級，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)的一個全新技術(shù)領(lǐng)域，它最大程度地打破了時間和空間的局限，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，較低的部署成本和設(shè)備成本，較長的電池壽命，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。

2 5G網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)

5G移動網(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)時云計算架構(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。

3 5G IoT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5G IoT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5G IoT應(yīng)用創(chuàng)建可編程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。NFV能夠?qū)⒁粋€物理網(wǎng)絡(luò)分成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，其中設(shè)備可根據(jù)應(yīng)用需求重新配置來構(gòu)建多個網(wǎng)絡(luò)。

在兩個設(shè)備（D2D）之間建立短程通信成為5G IoT數(shù)據(jù)傳輸?shù)男路绞?，這將降低5G IoT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，移動邊緣計算，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。

4 5G IoT挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

5G可以滿足未來物聯(lián)網(wǎng)的需求，但是5G IoT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5G IoT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)。

5G IoT體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計本身就是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性成為一個主要問題，同時管理大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息也是一個需要考慮的問題。同時，還需要考慮到5G IoT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，它們之間的互操作性也是必須要解決的一個重要問題。同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計還需要考慮到5G IoT安全保障和隱私問題。

無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)對于5G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的有效性來說也仍然是一個重要挑戰(zhàn)。為了保證高度靈活的核心網(wǎng)絡(luò)，可擴(kuò)展的SD-CN對網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性提出了挑戰(zhàn)。同時，控制分離數(shù)據(jù)平面對于大多數(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5G IoT，提出了大量物聯(lián)網(wǎng)解決方案，同時5G IoT的標(biāo)準(zhǔn)化也會使得物聯(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5G IoT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)。5G IoT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。

對于5G IoT的研究目前還處在初級階段，除了要解決上述遇到的挑戰(zhàn)外，還應(yīng)對未來的研究趨勢進(jìn)行探索。由于物聯(lián)網(wǎng)的多樣性，5G IoT將會越來越分散，因此需要開發(fā)更加復(fù)雜的技術(shù)，例如NVFs來管理5G IoT。邊緣計算是5G IoT的另一個關(guān)鍵用例。邊緣計算結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)將推動物聯(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有效增加物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體規(guī)模，增強(qiáng)移動性和異構(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，5G IoT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，5G IoT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，徹底改變整個世界。

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作者簡介：馬少杰（1970.11-），男，漢族，河南鞏義人，中國共產(chǎn)黨黨員。研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)。