基于LTE技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析

徐振宇　虞呈祿

【摘要】受限于現(xiàn)有的通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)部署、應(yīng)用領(lǐng)域等方面的發(fā)展都受到了一定的阻礙，隨著LTE技術(shù)的提出和應(yīng)用，制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸被消除，建立端到端的物聯(lián)網(wǎng)體系成為可能。本文分析了LTE系統(tǒng)的系統(tǒng)特性和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而對(duì)基于LTE技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

【關(guān)鍵詞】通信技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)：LTE；應(yīng)用領(lǐng)域

【中圖分類號(hào)】TN929.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）04-0092-01

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要用于解決人與人之間的互聯(lián)問(wèn)題，而物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)則是用于解決物與物之間的互聯(lián)問(wèn)題。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐和拓展時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域和部署范圍將得到極大的擴(kuò)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)終端之間、終端與后臺(tái)之間的協(xié)同工作。

1 LTE系統(tǒng)

LTE是一種長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)可支持更多系統(tǒng)帶寬下的網(wǎng)絡(luò)部署，其空間信號(hào)覆蓋范圍和傳輸速率相較于3G技術(shù)而言，提高了數(shù)倍甚至是數(shù)十倍。通常20MHz帶寬下，應(yīng)用LTE技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)上行50Mbps，下行l(wèi)OOMbps的通信速率，且該移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)高速移動(dòng)環(huán)境下的通信同樣具有較好的支持性。

LTE系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)有兩個(gè)，分別為OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)。OFDM技術(shù)在頻域范圍內(nèi)將通信信道分為多個(gè)相互正交的子信道，應(yīng)用這些子信道同時(shí)對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，同樣多的數(shù)據(jù)可被并行編碼為多個(gè)低速的子數(shù)據(jù)流，在子信道內(nèi)進(jìn)行調(diào)制和傳輸，這樣，同樣多數(shù)據(jù)所需的傳輸時(shí)間就被壓縮到子信道個(gè)數(shù)分之一。應(yīng)用OFDM技術(shù)極大的提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，在高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸方面具有非常強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。MIMO技術(shù)則是在通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端同時(shí)應(yīng)用多根天線對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，可以獲得更高的通信容量和頻譜利用率。

2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用傳感器件將物品按照一定的通信協(xié)議連接起來(lái)進(jìn)行通信或者信息交換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的定位、應(yīng)用、管理等功能的一種特殊網(wǎng)絡(luò)。其實(shí)質(zhì)就是應(yīng)用射頻技術(shù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)物品進(jìn)行管理。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，可用于智能交通、智能家居、個(gè)人健康、公共管理等多個(gè)領(lǐng)域。其將整個(gè)人類社會(huì)與先進(jìn)的信息技術(shù)進(jìn)行了整合，運(yùn)用強(qiáng)大的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的接人物品進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和控制，進(jìn)而提高資源和物品的利用率，改善人們生活環(huán)境，增進(jìn)人與自然之間的關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有以下三部分：傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理與服務(wù)技術(shù)。

2.1傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的基礎(chǔ)，應(yīng)用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理世界的事物屬性的數(shù)字化和信息化轉(zhuǎn)換，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸和信息分析。傳感器技術(shù)主要包含兩方面技術(shù)，一方面是傳感技術(shù)，一方面是識(shí)別技術(shù)。其中傳感技術(shù)是將大量的傳感器組成多跳自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)對(duì)對(duì)象進(jìn)行感知；識(shí)別技術(shù)將已感知到的對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，對(duì)其特征、位置等進(jìn)行識(shí)別。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

該技術(shù)主要是指應(yīng)用一種統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)提高物聯(lián)網(wǎng)的適用性，同時(shí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端與控制端之間的海量數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行支持。該技術(shù)一方面涉及感知終端與骨干網(wǎng)絡(luò)的接入通信，另一方面涉及基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信。其中感知終端與骨干網(wǎng)絡(luò)的接入可以通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，但是目前應(yīng)用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，如WCDMA、TD-SCDMA等，在網(wǎng)絡(luò)容量、傳輸速率、通信協(xié)議等方面還無(wú)法完全滿足物聯(lián)網(wǎng)的通信要求。

2.3計(jì)算機(jī)處理與服務(wù)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)信息，對(duì)這些信息的處理將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中所需面對(duì)的重大挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)處理與服務(wù)技術(shù)必然為成為制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要瓶頸之一，為解決該問(wèn)題，必須發(fā)展基于通信網(wǎng)絡(luò)的云計(jì)算技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)中強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、并行處理、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)信息提供高效支撐。

不難看出，當(dāng)前時(shí)期的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展無(wú)論在傳感器層面、通信層面還是信息處理層面均存在諸多限制因素。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)若想得到更好的發(fā)展，必須應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)手段對(duì)這些限制因素進(jìn)行解決。在通信層面，LTE技術(shù)的成熟及應(yīng)用使得物聯(lián)網(wǎng)中的海量數(shù)據(jù)通信成為可能。下面著重就LTE技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)作用進(jìn)行分析。

3 基于LTE技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信特性為小包、高頻次，類似于當(dāng)前的微信通信方式，屬于一種實(shí)時(shí)在線業(yè)務(wù)，故其需要與基站之間產(chǎn)生大量的通信，很容易造成信令風(fēng)暴，在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信方式下，該問(wèn)題很難解決，依托LTE技術(shù)，則相對(duì)而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更易實(shí)現(xiàn)。

在基于LTE系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)方面，物聯(lián)網(wǎng)首先將傳感層中的大量傳感器和控制機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)自組建疊加，利用其使用的諸如FRID技術(shù)構(gòu)成小范圍局域網(wǎng)，然后在網(wǎng)絡(luò)層中以LTE通信網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)關(guān)接人，將自組織網(wǎng)絡(luò)采集到的大量通信數(shù)據(jù)通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。此時(shí)，LTE技術(shù)中的OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)即可發(fā)揮核心作用，其將高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行低速編碼，然后應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器等設(shè)備對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)大容量、高速率物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在應(yīng)用層，LTE技術(shù)的相干協(xié)議可以進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以滿足LTE通信標(biāo)準(zhǔn)。

在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)在線和系統(tǒng)配置方面，可以從LTE網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)和接入網(wǎng)兩個(gè)方面分別進(jìn)行討論。

在核心網(wǎng)層面，當(dāng)LTE網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的終端發(fā)起無(wú)線連接時(shí)，會(huì)通過(guò)NAS消息通知核心網(wǎng)并建立相應(yīng)的QC[無(wú)線承載，但是LTE網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)中不存在主動(dòng)釋放這種機(jī)制，即對(duì)無(wú)數(shù)據(jù)的連接進(jìn)行主動(dòng)釋放，只能在接收到接入網(wǎng)的釋放消息或者用戶通知后才會(huì)進(jìn)行釋放。這種通信特性就確定了一旦物聯(lián)網(wǎng)終端接入LTE無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端都存在一個(gè)固定的可用的IP地址，核心網(wǎng)、UE的NAS層都會(huì)保持在ATrACH狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線。

在接入網(wǎng)層面，3GPP定義的9cI可以再接入網(wǎng)層面實(shí)現(xiàn)參數(shù)的具體配置，物聯(lián)網(wǎng)用戶可通過(guò)接入網(wǎng)適配實(shí)現(xiàn)信道資源的共享，故應(yīng)用LTE技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)具有非常強(qiáng)的配置靈活度，其可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議達(dá)到資源的最優(yōu)占用。在資源配置方面，LTE技術(shù)同樣應(yīng)用OFDM技術(shù)進(jìn)行資源共享，應(yīng)用層二調(diào)度器進(jìn)行資源動(dòng)態(tài)調(diào)度。按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，只要信令資源不被釋放，物聯(lián)網(wǎng)終端可維持長(zhǎng)久在線狀態(tài)。

需要說(shuō)明的是，3GPP各版本協(xié)議中對(duì)諸如視頻、語(yǔ)音等多種業(yè)務(wù)形態(tài)均有嚴(yán)格的定義，但是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)形態(tài)還未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定義。在長(zhǎng)期研究的LTE技術(shù)中，若需要支持物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)則需要針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)形態(tài)中的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和通信特點(diǎn)進(jìn)行形態(tài)適配。

綜上所述，LTE技術(shù)可以為物聯(lián)網(wǎng)提供很好的通信支持，也能夠很好的滿足其發(fā)展需求，但是當(dāng)前時(shí)期，應(yīng)用LTE系統(tǒng)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)還需要將LTE系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)按照物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定和優(yōu)化才能夠保證物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的順利開(kāi)展和穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)形態(tài)中的小包、高頻次、常在線特性需要得到9c[的支持。

總結(jié)

雖然基于LTE技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究仍然處于初級(jí)階段，但是隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必然會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，其通信技術(shù)瓶頸也會(huì)隨著LTE技術(shù)的成熟而得到突破，發(fā)展LTE技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)融人大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)，必然會(huì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展。

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