LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用

呂占杰

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050000）

0 引 言

將長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE） 無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，能夠有效提升數(shù)據(jù)傳輸量與傳輸速率，在具體行業(yè)與領(lǐng)域中能有效提升服務(wù)質(zhì)量。LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用需要注意擴(kuò)展訪問限制、改進(jìn)限制與接入類別限制，確保二者結(jié)合的整體效果滿足實際應(yīng)用需求。

1 LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 LTE無線通信技術(shù)

LTE是3G向4G演變過程中的主流技術(shù)，能夠替代原有的2G通信技術(shù)與3G通信技術(shù)。LTE無線通信技術(shù)的核心是正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）與多輸入多輸出（Multi-Input & Multi-Output，MIMO），上行運行速率為50 Mb/s，下行運行速率為100 Mb/s。LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)可以分為兩部分，分別是演進(jìn)的通用路基無線接入網(wǎng)（Evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN）與分組核心演進(jìn)（Evolved Pocket Core，EPC）。管理實體、業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)是EPC的組成部分。LTE無線通信技術(shù)主要包括多載波技術(shù)、多天線技術(shù)、同步技術(shù)等，能夠滿足用戶的個性化需求，實現(xiàn)高效應(yīng)用[1]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，物品與物品間的有效連接是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵，可以利用信息的傳輸實現(xiàn)定位與監(jiān)控物品。為了不斷滿足人們的個性化需求，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中也出現(xiàn)很多高頻率、小規(guī)模的特殊業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型。感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層共同組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠在應(yīng)用中提供智能識別、定位、監(jiān)控等多種功能。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用中，應(yīng)用層能在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，為行業(yè)的智能化、信息化發(fā)展提供保障，同時也能實現(xiàn)信息資源的高效開發(fā)與利用。網(wǎng)絡(luò)層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，可以優(yōu)化與改進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特征，形成協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)[2]。感知層則可通過其全面的感知能力，解決功耗等各類問題，同時確保技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。

2 LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合

接入率與接入的可靠性等是設(shè)備運行期間的重點，將LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，就必須確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。機(jī)器類型通信（Machine Type Communication，MTC）設(shè)備在運行期間，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)的發(fā)送被允許延長時間后，就要對切入式陣列塊（Embedded Array Block，EAB）進(jìn)行檢查。對于一個模塊中的EAB方案，在對MTC設(shè)備常規(guī)接入時，接入等級需劃分為0～9級，這樣就能實現(xiàn)過載狀態(tài)。由于突發(fā)狀況下在系統(tǒng)中接入MTC設(shè)備會造成一定影響，因此要及時更新數(shù)據(jù)信息。所有用戶在選擇數(shù)據(jù)信息更新方案時，都要及時告知廣播信息將會改變，通知方法為尋呼指示。按照這樣的變化，對于規(guī)定的接入容量邊界，可以對廣播信息設(shè)備進(jìn)行修改[3]。

時間競爭的主動機(jī)制是改進(jìn)限制的基礎(chǔ)，接收端服務(wù)器的消息接收需要基于發(fā)送端的設(shè)備發(fā)送消息實現(xiàn)，消息發(fā)送失敗時不再發(fā)送請求。在信道空閑還沒有接入數(shù)據(jù)消息時，要主動接入請求信息，并將信息發(fā)送到發(fā)送端設(shè)備，這樣可以通過網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)送端設(shè)備。用戶在使用智能電網(wǎng)計量系統(tǒng)時，就可以將形成的電能使用報告發(fā)送給電站。在月末時，智能電表會主動發(fā)送請求，并在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上主動接入請求。在智能電表發(fā)送信息時，如果設(shè)備過多，會讓信息在傳輸?shù)交具^程中出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)過載，這樣發(fā)送請求接入消息就會中斷。當(dāng)基站在網(wǎng)絡(luò)容量空閑狀態(tài)時，基站會向電表發(fā)送網(wǎng)絡(luò)空閑信息。電表數(shù)據(jù)在沒有發(fā)送時，需要重新接入請求，從而讓電表能與網(wǎng)絡(luò)重新連接[4]。

對于接入類別限制與擴(kuò)展訪問限制的補(bǔ)充為改進(jìn)限制，可以限制所有類型的MTC設(shè)備，對網(wǎng)絡(luò)中改進(jìn)限制過載控制方案有一定效果。與擴(kuò)展訪問限制相比，接入類別限制也有明顯優(yōu)勢，就是在接入請求發(fā)送過程中不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多次連接失敗的問題，且所需傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備可在系統(tǒng)中動態(tài)選擇，這樣可以解決資源浪費和設(shè)備限制問題[5]。

3 LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用場景

3.1 智慧城市

在智慧城市建設(shè)中，LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著重要作用。在智慧城市建設(shè)中，除了智能電網(wǎng)之外，還能在全城范圍內(nèi)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)連接，覆蓋城市的每一個角落，實現(xiàn)對城市每個角落的監(jiān)控。在城市地鐵、地下隧道等區(qū)域，通過LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合能實現(xiàn)對周圍各類設(shè)施與設(shè)備的監(jiān)控。在智慧城市中所使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有ZigBee、藍(lán)牙等，但由于覆蓋的區(qū)域較小、傳輸間距不夠長，因此還要結(jié)合其他技術(shù)。例如，可以使用MIMO技術(shù)提高傳輸效率，讓智慧城市在不同場景下都具有較強(qiáng)的通信能力[6]。

3.2 智能電網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中也具有重要作用。在智能電網(wǎng)建設(shè)期間，采用簡化端口接入方式能實現(xiàn)精細(xì)化、智能化管理，提高對覆蓋端的管理質(zhì)量與效率。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表業(yè)務(wù)，可以使用智能電表。在網(wǎng)絡(luò)終端平臺匯集全部監(jiān)測數(shù)據(jù)，對電力使用流量進(jìn)行分析期間可以使用集成化信息監(jiān)控控制系統(tǒng)，調(diào)整智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與用戶端的負(fù)荷，保證電力系統(tǒng)具有穩(wěn)定、高效的電能供應(yīng)水平。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中得到廣泛運用，電表遠(yuǎn)程查抄基本實現(xiàn)，而且還能對設(shè)備的運行全過程進(jìn)行有效監(jiān)測，確保設(shè)備的穩(wěn)定、安全運行[7]。將LTE技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，能提升智能電網(wǎng)的整體運行質(zhì)量，強(qiáng)化對智能電網(wǎng)的維護(hù)，確保供電的安全與可靠。

為了有效掌握設(shè)備的物理位置信息，可以通過地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）實現(xiàn)。在輸變電監(jiān)測系統(tǒng)中融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、定位裝置等，確保信息在傳輸期間的連續(xù)性，保證在傳輸海量數(shù)據(jù)信息的前提下，輸變電設(shè)備依然能對設(shè)備信息進(jìn)行高效、實時監(jiān)測。設(shè)備在運行期間一旦出現(xiàn)故障，可以通過GIS監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用精準(zhǔn)定位，在電子前端顯示設(shè)備的詳細(xì)信息，并記錄本次的檢測與應(yīng)急全過程。檢修維護(hù)人員能及時定位故障設(shè)備，并結(jié)合具體情況進(jìn)行故障設(shè)備的檢修，縮短檢修時間。

3.3 智能家居

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，智能家居也開始受到人們的重視，并在人們的生活中扮演著重要角色。在智能家居給人們帶來極大便利的同時，要求智能家居開發(fā)者不斷更新技術(shù)，滿足人們更多的個性化需求。家庭控制網(wǎng)關(guān)可起到連接樞紐作用，在Wi-Fi無線網(wǎng)協(xié)議下可與多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）智能終端進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳遞，從而有效控制家居設(shè)備。家庭控制網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)由主控系統(tǒng)模塊、Wi-Fi模塊、射頻（Radio Frequency，RF）模塊等組成，不僅能存儲大量數(shù)據(jù)，而且還能對使用的電源、電流等進(jìn)行調(diào)節(jié)[8]。安卓系統(tǒng)是IMS智能控制終端的操作系統(tǒng)，通過軟件應(yīng)用可以通過相關(guān)操作對家居場景進(jìn)行控制。智能家居系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)

3.4 智能網(wǎng)聯(lián)汽車

智能網(wǎng)聯(lián)汽車并非單個運輸個體，是由多個移動終端組成。為了確保駕駛者的安全行駛，保證通信的質(zhì)量與效率，要求智能網(wǎng)聯(lián)汽車能強(qiáng)化與道路、行人之間的信息交流。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，使用車用無線通信技術(shù)（Vehicle to X，V2X）。V2X通信可以對道路異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，讓駕駛者能及時了解異常狀況，避免發(fā)生交通事故。道路異常狀態(tài)預(yù)警如圖2所示。

圖2 道路異常狀態(tài)預(yù)警

此外，V2X通信也可以應(yīng)用于道路濕滑預(yù)警、道路施工預(yù)警、道路標(biāo)識標(biāo)牌顯示、主動安全控制以及盲區(qū)碰撞預(yù)警等不同模塊中。LTE-V通信系統(tǒng)由用戶終端、路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）、基站共同組成，能有效運用于動態(tài)信息服務(wù)、車輛安全駕駛等方面。

4 結(jié) 論

LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合是時代發(fā)展的主要趨勢，也是提升通信質(zhì)量與效率的關(guān)鍵所在。目前兩者的結(jié)合運用主要集中在智慧城市、智能電網(wǎng)、智能家居與智能網(wǎng)聯(lián)汽車等方面，應(yīng)用效果良好，能夠為人們提供更加高效與便捷的服務(wù)。未來隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合將更加緊密，能夠充分滿足人們的實際需求，推動行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。