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5G網(wǎng)絡(luò )的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)及挑戰論文
摘要：當前，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(mǎn)足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)需求。目前，人們對機器型通信（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)現現代物聯(lián)網(wǎng)的愿景。盡管這樣，現有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)仍然面臨諸多挑戰，如大量節點(diǎn)連接，安全性和隱私以及對應標準制訂等問(wèn)題，并且由于4G網(wǎng)絡(luò )設計的局限性，導致其對物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化程度比較差。隨著(zhù)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，包括增強蜂窩網(wǎng)運營(yíng)容量，提高物聯(lián)網(wǎng)安全性以及網(wǎng)絡(luò )挑戰能力等。本文主要介紹了目前5GIoT的最新通信技術(shù)以及5GIoT的主要研究趨勢和挑戰。
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(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接大規模的低功耗交互式設備而實(shí)現技術(shù)，例如可穿戴設備、智能傳感器、智能電器、平板電腦、智能手機和智能交通系統等，這對我們的生產(chǎn)方式以及生活活動(dòng)產(chǎn)生了巨大的影響。研究還指出，這些設備中將有70億通過(guò)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它將會(huì )在2020年后開(kāi)始部署商用。國際電信聯(lián)盟（ITU）對5G提出了8大指標要求，分別是基站峰值速率、用戶(hù)體驗速率、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，具體表現在其傳輸速率將在現有基礎上提升10～100倍，峰值傳輸速率達到10Gbit/s，端到端時(shí)延達到ms級，連接設備密度增加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(hù)體驗。
1現有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)是基于現有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而實(shí)現的一個(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。在考慮大規模部署物聯(lián)網(wǎng)應用時(shí)，較低的部署成本和設備成本，較長(cháng)的電池壽命，可擴展的覆蓋面積以及支持大規模連接設備的數量和隱私安全性等關(guān)鍵要素已成為當前需要解決的主要問(wèn)題。滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應用未來(lái)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準被用于大多數網(wǎng)絡(luò )連接。傳統的短程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)正在用于支持短距離的M2M通信應用，包括藍牙、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(wú)法支持城市、工業(yè)以及其它大規模物聯(lián)網(wǎng)應用。LPWA技術(shù)因具有廣泛的覆蓋面，較高的能源效率、信道帶寬和數據速率，以及較低的能耗等獨特的功能而非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應用。作為一種超遠距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案，LoRa基于擴頻技術(shù)實(shí)現，具有傳輸距離遠、功耗低、連接節點(diǎn)多和低成本的特點(diǎn)。SigFox以超窄帶技術(shù)建設物聯(lián)網(wǎng)設備專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)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)，跟現有的LTE網(wǎng)絡(luò )比較，它們都通過(guò)較大程度降低傳輸速率的方式來(lái)實(shí)現低數據速率的物聯(lián)網(wǎng)設備的連接。具體來(lái)說(shuō)，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據，而eMTC支持最高1Mbps數據傳輸速率。
25G網(wǎng)絡(luò )主要技術(shù)
5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)通信所依靠的技術(shù)主要包括高效能的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)和高密度的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。在無(wú)線(xiàn)通信系統中，采用多天線(xiàn)技術(shù)能夠顯著(zhù)提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統的頻譜效率和數據傳輸的可靠性。作為5G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(guò)合成濾波器組來(lái)實(shí)現發(fā)射端的多載波調制，利用分析濾波器組來(lái)實(shí)現接收端的多載波解調。相較于OFDM（即正交頻分復用）技術(shù)，它在每個(gè)子載波上使用單獨的濾波器，以消除子載波間的干擾。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)方面，集中化的、協(xié)作的、“云”化的無(wú)線(xiàn)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)、設備到設備D2D技術(shù)都是5G網(wǎng)絡(luò )架構的候選關(guān)鍵技術(shù)。C-RAN是基于集中化處理、協(xié)作式無(wú)線(xiàn)電和實(shí)時(shí)云計算架構的綠色無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)架構。網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化NFV技術(shù)通過(guò)軟硬件解耦及功能抽象，使網(wǎng)絡(luò )設備不再依賴(lài)于專(zhuān)用硬件，實(shí)現資源充分的、靈活的共享，增強了網(wǎng)絡(luò )彈性和自適應性。
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應用提供可擴展的、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應用創(chuàng )建可編程網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。NFV能夠將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )分成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò )，其中設備可根據應用需求重新配置來(lái)構建多個(gè)網(wǎng)絡(luò )。在兩個(gè)設備（D2D）之間建立短程通信成為5GIoT數據傳輸的新方式，這將降低5GIoT應用的功耗，提高其負載的平衡，為邊緣用戶(hù)提供給更好的QoS。正因為如此，D2D通信正在逐步成為領(lǐng)先的技術(shù)。D2D還可被用作NB-IoT上行鏈路的擴展，可以通過(guò)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(hù)設備配合使用。在未來(lái)5G系統中，MTC通信，毫米波，移動(dòng)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。
45GIoT挑戰及發(fā)展趨勢
5G可以滿(mǎn)足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的需求，但是5GIoT的體系結構也面臨著(zhù)設備之間的可信通信，安全問(wèn)題等一系列研究挑戰。雖然對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。5GIoT體系結構的設計本身就是一個(gè)巨大的挑戰。由于大量物聯(lián)網(wǎng)設備，網(wǎng)絡(luò )可擴展性成為一個(gè)主要問(wèn)題，同時(shí)管理大量物聯(lián)網(wǎng)設備的狀態(tài)信息也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。同時(shí)，還需要考慮到5GIoT的互操作性和異構性。異構網(wǎng)絡(luò )之間的無(wú)縫互連同樣也是一項重大的挑戰，大量物聯(lián)網(wǎng)設備通過(guò)通信技術(shù)與其它智能網(wǎng)絡(luò )或應用連接進(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(wèn)題。同時(shí)，結構設計還需要考慮到5GIoT安全保障和隱私問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò )對于5G數據網(wǎng)絡(luò )的有效性來(lái)說(shuō)也仍然是一個(gè)重要挑戰。為了保證高度靈活的核心網(wǎng)絡(luò )，可擴展的SD-CN對網(wǎng)絡(luò )可擴展性提出了挑戰。同時(shí)，控制分離數據平面對于大多數SDN來(lái)說(shuō)都比較困難。NFV與SDN高度互補，但不依賴(lài)于SDN，它運行在第三方公共云上，因此安全跟隱私也成為一大問(wèn)題。針對5GIoT，提出了大量物聯(lián)網(wǎng)解決方案，同時(shí)5GIoT的標準化也會(huì )使得物聯(lián)網(wǎng)應用實(shí)現及開(kāi)發(fā)變得更加容易。但是由于在5GIoT中網(wǎng)絡(luò )和設備的多樣性，IoT系統和應用缺乏一致性和標準化，因此提出的物聯(lián)網(wǎng)解決方案仍存在很多障礙和挑戰。5GIoT涉及兩種標準。一是技術(shù)標準，包括無(wú)線(xiàn)通信，數據匯總標準等；二是監管標準，包括數據的安全性和隱私性，例如通用數據保護法則（2018），安全解決方案，密碼原語(yǔ)等。對于5GIoT的研究目前還處在初級階段，除了要解決上述遇到的挑戰外，還應對未來(lái)的研究趨勢進(jìn)行探索。由于物聯(lián)網(wǎng)的多樣性，5GIoT將會(huì )越來(lái)越分散，因此需要開(kāi)發(fā)更加復雜的技術(shù)，例如NVFs來(lái)管理5GIoT。邊緣計算是5GIoT的另一個(gè)關(guān)鍵用例。邊緣計算結合5G網(wǎng)絡(luò )將推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設備成為物聯(lián)網(wǎng)的核心，并且將顯著(zhù)提升相關(guān)應用計算能力，例如AR/VR。除此之外，在高設備密度的情況下，實(shí)現上下文感知解決方案將會(huì )有效增加物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體規模，增強移動(dòng)性和異構性。
5結論
隨著(zhù)5G技術(shù)的日漸成熟，5G網(wǎng)絡(luò )將在2020年得到部署并開(kāi)始商用。5G網(wǎng)絡(luò )的很多關(guān)鍵技術(shù)就是為了滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應用需要而開(kāi)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。但同時(shí)，5GIoT也仍然面臨著(zhù)很多亟待解決的關(guān)鍵挑戰，只有很好地解決了這些現存的問(wèn)題，5GIoT才能真正發(fā)揮它的巨大潛力，實(shí)現萬(wàn)物智能互聯(lián)，徹底改變我們的生活，徹底改變整個(gè)世界。
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