基于5G網絡的物聯網通信技術及挑戰

摘 要：當前，4G網絡已被人們廣泛使用，它不僅用于人與人之間的通信，還應用于物聯網（IoT），并推動物聯網相關技術的快速發展，不斷滿足未來物聯網需求。目前，人們對機器型通信（MTC）的需求造成了各種通信技術具有多種服務要求，從而實現現代物聯網的愿景。盡管這樣，現有物聯網通信技術仍然面臨諸多挑戰，如大量節點連接，安全性和隱私以及對應標準制訂等問題，并且由于4G網絡設計的局限性，導致其對物聯網的優化程度比較差。隨著5G網絡技術的日趨成熟，基于5G網絡的物聯網將會得到更大的性能提升，包括增強蜂窩網運營容量，提高物聯網安全性以及網絡挑戰能力等。本文主要介紹了目前5G IoT的最新通信技術以及5G IoT的主要研究趨勢和挑戰。

關鍵詞：5G網絡；物聯網通信技術（IoT）；第五代物聯網（5G IoT）

中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：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，物聯網是一種通過互聯網連接大規模的低功耗交互式設備而實現技術，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，這對我們的生產方式以及生活活動產生了巨大的影響。研究還指出，這些設備中將有70億通過蜂窩技術連接，例如目前的2G、3G和4G。

而5G網絡作為新一代移動無線網絡技術，它將會在2020年后開始部署商用。國際電信聯盟（ITU）對5G提出了8大指標要求，分別是基站峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、流量空間容量、移動性能、網絡能效、連接密度和時延，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的速度下保證用戶體驗。

1 現有物聯網通信技術

物聯網是基于現有的互聯網技術而實現的一個全新技術領域，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”三者進行有效的聯系。在考慮大規模部署物聯網應用時，較低的部署成本和設備成本，較長的電池壽命，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鍵要素已成為當前需要解決的主要問題。

滿足物聯網應用未來需求最關鍵的便是推動蜂窩網絡技術的發展。目前，固定和短距離通信標準被用于大多數網絡連接。傳統的短程無線網絡技術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具有很大的局限性，無法支持城市、工業以及其它大規模物聯網應用。

LPWA技術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網應用。作為一種超遠距離無線傳輸方案，LoRa基于擴頻技術實現，具有傳輸距離遠、功耗低、連接節點多和低成本的特點。SigFox以超窄帶技術建設物聯網設備專用的無線網絡，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，跟現有的LTE網絡比較，它們都通過較大程度降低傳輸速率的方式來實現低數據速率的物聯網設備的連接。具體來說，NB-IoT使用的帶寬大約為200KHz，而eMTC技術使用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。

2 5G網絡主要技術

5G移動網絡無線通信所依靠的技術主要包括高效能的無線傳輸技術和高密度的無線網絡技術。在無線通信系統中，采用多天線技術能夠顯著提高無線網絡系統的頻譜效率和數據傳輸的可靠性。作為5G網絡的關鍵技術之一，濾波器組的載波器技術（FBMC），通過合成濾波器組來實現發射端的多載波調制，利用分析濾波器組來實現接收端的多載波解調。相較于OFDM（即正交頻分復用）技術，它在每個子載波上使用單獨的濾波器，以消除子載波間的干擾。

在無線網絡技術方面，集中化的、協作的、“云”化的無線接入網（C-RAN）技術、軟件定義網絡SDN、網絡功能虛擬化NFV技術、超密集網絡技術UDN、自組織網絡SON、Multi-RAT技術、設備到設備D2D技術都是5G網絡架構的候選關鍵技術。C-RAN是基于集中化處理、協作式無線電和實時云計算架構的綠色無線接入網架構。網絡功能虛擬化NFV技術通過軟硬件解耦及功能抽象，使網絡設備不再依賴于專用硬件，實現資源充分的、靈活的共享，增強了網絡彈性和自適應性。

3 5G IoT關鍵技術

作為5G網絡的關鍵技術之一，NFV旨在為5G IoT應用提供可擴展的、靈活的網絡，這將使得基于分布式云的自定義網絡切片為5G IoT應用創建可編程網絡環境。NFV能夠將一個物理網絡分成多個虛擬網絡，其中設備可根據應用需求重新配置來構建多個網絡。

在兩個設備（D2D）之間建立短程通信成為5G IoT數據傳輸的新方式，這將降低5G IoT應用的功耗，提高其負載的平衡，為邊緣用戶提供給更好的QoS。正因為如此，D2D通信正在逐步成為領先的技術。D2D還可被用作NB-IoT上行鏈路的擴展，可以通過NB-IoT建立路由蜂窩鏈路。并且在物聯網中，D2D可與移動NB-IoT用戶設備配合使用。

在未來5G系統中，MTC通信，毫米波，移動邊緣計算，軟件定義網絡SDN，網絡功能虛擬化NFV和窄帶物聯網NB-IoT等都將在IoT中扮演重要角色。

4 5G IoT挑戰及發展趨勢

5G可以滿足未來物聯網的需求，但是5G IoT的體系結構也面臨著設備之間的可信通信，安全問題等一系列研究挑戰。雖然對5G IoT已經做了很多的研究工作，但仍然存在一些技術挑戰。

5G IoT體系結構的設計本身就是一個巨大的挑戰。由于大量物聯網設備，網絡可擴展性成為一個主要問題，同時管理大量物聯網設備的狀態信息也是一個需要考慮的問題。同時，還需要考慮到5G IoT的互操作性和異構性。異構網絡之間的無縫互連同樣也是一項重大的挑戰，大量物聯網設備通過通信技術與其它智能網絡或應用連接進行通信、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，結構設計還需要考慮到5G IoT安全保障和隱私問題。

無線軟件定義網絡對于5G數據網絡的有效性來說也仍然是一個重要挑戰。為了保證高度靈活的核心網絡，可擴展的SD-CN對網絡可擴展性提出了挑戰。同時，控制分離數據平面對于大多數SDN來說都比較困難。NFV與SDN高度互補，但不依賴于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題。

針對5G IoT，提出了大量物聯網解決方案，同時5G IoT的標準化也會使得物聯網應用實現及開發變得更加容易。但是由于在5G IoT中網絡和設備的多樣性，IoT系統和應用缺乏一致性和標準化，因此提出的物聯網解決方案仍存在很多障礙和挑戰。5G IoT涉及兩種標準。一是技術標準，包括無線通信，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外，還應對未來的研究趨勢進行探索。由于物聯網的多樣性，5G IoT將會越來越分散，因此需要開發更加復雜的技術，例如NVFs來管理5G IoT。邊緣計算是5G IoT的另一個關鍵用例。邊緣計算結合5G網絡將推動物聯網設備成為物聯網的核心，并且將顯著提升相關應用計算能力，例如AR/VR。除此之外，在高設備密度的情況下，實現上下文感知解決方案將會有效增加物聯網實體規模，增強移動性和異構性。

5 結 論

隨著5G技術的日漸成熟，5G網絡將在2020年得到部署并開始商用。5G網絡的很多關鍵技術就是為了滿足物聯網應用需要而開發的，它解決了很多物聯網發展受限的主要瓶頸和挑戰。但同時，5G IoT也仍然面臨著很多亟待解決的關鍵挑戰，只有很好地解決了這些現存的問題，5G IoT才能真正發揮它的巨大潛力，實現萬物智能互聯，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，中國共產黨黨員。研究方向：無線網絡。