物聯(lián)網(wǎng)運營管理中的云服務(wù)應(yīng)用研究

李 攀，高春庚

（濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟源 459000）

1 云服務(wù)技術(shù)相關(guān)概念綜述

云服務(wù)技術(shù)是基于云計算技術(shù)的一種全新升級技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)框架也是在云計算相關(guān)技術(shù)框架上建立的[1]。之所以稱為“云”，是因為計算設(shè)施不在本地而在網(wǎng)絡(luò)中。目前，寬帶已經(jīng)廣泛普及，且網(wǎng)格計算、虛擬化、SOA以及容錯技術(shù)等已經(jīng)成熟，因此云服務(wù)技術(shù)已經(jīng)完全具備應(yīng)用條件。通過云服務(wù)，用戶可以利用云計算供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)設(shè)施以按需和易擴展的方式獲得所需服務(wù)，且不需要投資類似的物理資源，極大地降低了成本。此外，云服務(wù)提供的應(yīng)用通過一個中央位置來管理，這使得員工能夠通過Web來遠程訪問應(yīng)用，而不需要訪問單獨的站點或工作站，操作也更為便捷。而在開發(fā)者方面，云應(yīng)用的更新和維護更為高效。在以往的開發(fā)過程中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用升級需要手工升級，而云服務(wù)中云應(yīng)用的升級只需要升級集中的應(yīng)用程序，就可以快速完成應(yīng)用特征的更新，極大提升了工作效率。

深入探索云服務(wù)技術(shù)可從云應(yīng)用著手，首先研究云物聯(lián)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是指物物連接的互聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)仍然是從互聯(lián)網(wǎng)延伸出的一種網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)延伸擴展背景下，可以實現(xiàn)物與物之間的信息交換。其次則是云儲存技術(shù)，該技術(shù)同樣是由云計算技術(shù)延伸而出，具有分布式文件存儲和集群應(yīng)用等各類職能。云計算應(yīng)用過程中需要配備對應(yīng)的存儲技術(shù)，繼而使得云計算系統(tǒng)延伸出云存儲系統(tǒng)。在云計算基礎(chǔ)上建立起以數(shù)據(jù)儲存和管理為核心的計算系統(tǒng)即是云存儲，例如常用的百度云盤或360盤等均屬于云存儲類別。云存儲系統(tǒng)作為全新存儲計算服務(wù)技術(shù)，由服務(wù)器、交換機以及傳感器等核心設(shè)備共同構(gòu)成，該系統(tǒng)可利用虛擬化分布技術(shù)實現(xiàn)物理資源擴展，進一步實現(xiàn)資源共享[2]。

2 云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)運營管理中的應(yīng)用

2.1 云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用范圍及方式

物聯(lián)網(wǎng)的運營中心可以看做是為客戶提供資源儲存的一類硬件設(shè)備，輔助用戶尋找性價比更高的服務(wù)接口。物聯(lián)網(wǎng)運營管理中心的核心是可根據(jù)用戶需求構(gòu)建信息服務(wù)平臺，繼而為內(nèi)容提供商打造信息網(wǎng)絡(luò)存儲平臺。該技術(shù)可將不同類型的服務(wù)器硬件通過光纖緊密連接，繼而將各類設(shè)備資源進行有效整合，顯著提高各類服務(wù)硬件設(shè)備的使用效率。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)硬件設(shè)備的互相連接，并且傳感器網(wǎng)絡(luò)會征集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，繼而通過傳感器將其發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。通過傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，可以保證物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備正常運行。隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量的增加，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運行過程中生成海量信息，這些信息亟需有效整合與利用。使用云服務(wù)并運用云計算模式，能夠解決數(shù)據(jù)存儲、檢索以及使用等關(guān)鍵問題，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)以兆計的各類物品的實時動態(tài)管理和智能分析。云服務(wù)將成為物聯(lián)網(wǎng)運營管理中的重要環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)的結(jié)合必將通過對各種資源共享或信息價值深度挖掘等帶動整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的升級，推動人類生活與科學(xué)技術(shù)全面結(jié)合并發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)架構(gòu)

2.2 云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中的實踐應(yīng)用

近年來，隨著人們對物聯(lián)網(wǎng)認知程度的不斷加深，云服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合應(yīng)用已不再是新鮮概念，各類物聯(lián)網(wǎng)公司不斷開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)的產(chǎn)品，例如智能冰箱、智能電視以及智能熱水器等。2017年，中國電信公開發(fā)布物聯(lián)網(wǎng)公司發(fā)展基準(zhǔn)，并同時啟動江蘇、廣州等7個城市和12個規(guī)模外場開展研究活動。隨后，中國移動開始著手物聯(lián)網(wǎng)測試部署，且在多個城市設(shè)置試點。中國3大網(wǎng)絡(luò)運營商不斷增加物聯(lián)網(wǎng)商用資源投入，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展呈現(xiàn)一片藍海。物聯(lián)網(wǎng)基于其容量較大、覆蓋范圍較廣以及成本較低的特點，持續(xù)在智能化城市建設(shè)和智能化產(chǎn)品研發(fā)方面取得良好效果。雖然物聯(lián)網(wǎng)研究尚處于初級萌芽階段，但由于其良好的發(fā)展前景，國內(nèi)諸多A股上市企業(yè)及高新技術(shù)企業(yè)已經(jīng)深入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進行研究開發(fā)，例如華為企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)芯片在2017年就已經(jīng)開始規(guī)模化量產(chǎn)。同時，相關(guān)元器件制造商也針對物聯(lián)網(wǎng)不斷更新自身技術(shù)，促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)進一步發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用將全新的通信技術(shù)引入到人們的生活中，并與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合形成“互聯(lián)網(wǎng)+”的新網(wǎng)絡(luò)時代。

在云服務(wù)虛擬化技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，可通過單一虛擬化工具保證用戶賬號的單一性。用戶可通過單一賬號登錄系統(tǒng)，在云端桌面進行操作。云服務(wù)技術(shù)在虛擬化技術(shù)使用時，用戶需要構(gòu)建鏈接中間件，通過中間件進行網(wǎng)絡(luò)通信，以此實現(xiàn)硬件資源分配并處理邏輯業(yè)務(wù)[3]。

3 優(yōu)化云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)運營管理中應(yīng)用的技術(shù)建議

為擴展云服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)融合合服務(wù)范圍，需要在技術(shù)升級的基礎(chǔ)上不斷探索新型應(yīng)用，以此擴大物聯(lián)網(wǎng)的傳播和應(yīng)用范圍。

3.1 完善部署技術(shù)

針對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)部署的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可通過不同方式與多種媒介實現(xiàn)信息傳輸和儲存，并保證信息在傳輸過程中的效率與完整度。在此過程中，可使用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)硬件設(shè)備之間信息的快速傳播。NB-IoT也被稱為信息共戰(zhàn)部署，是IoT領(lǐng)域的一個新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接。NB-IoT支持待機時間長，對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高的設(shè)備的高效連接。該技術(shù)不僅使用成本較低，而且還具備相當(dāng)高的傳播效率，可以實現(xiàn)更廣范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，極大程度擴大了信息的擴散范圍[4-6]。

在物聯(lián)網(wǎng)運營管理中，NB-IoT可以有3種部署方案，分別是獨立部署、保護帶部署以及帶內(nèi)部署，如圖2所示。不同部署方案對頻率規(guī)劃的要求不同，其中獨立部署方面，隨著國內(nèi)2G網(wǎng)絡(luò)退頻退網(wǎng)節(jié)奏，使用GSM頻段的重耕獨立頻率資源，替代目前的一個或多個GSM載波，例如中國電信在CDMA的800 M頻段上開辟了獨立的200 KHz帶寬。保護帶部署是將NB-IoT放置在LTE保護帶中，使用的是LTE載波上當(dāng)前沒有使用的資源塊。需要注意的是，保護帶部署需要做好保護帶規(guī)劃。而帶內(nèi)部署方面可靈活利用LTE載波資源塊部署，需考慮與LTE的兼容，同時也要避開特殊信號位置。

圖2 NB-IoT的3種部署方案

3.2 規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為感知終端側(cè)、無線網(wǎng)基站側(cè)、核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）側(cè)、物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺5部分。

3.2.1 感知終端側(cè)

感知終端側(cè)主要是通過空口連接到基站。終端側(cè)主要包含行業(yè)終端與NB-IoT模塊，行業(yè)終端包括芯片與傳感器接口等，NB-IoT模塊則包括無線傳輸接口、軟SIM裝置以及傳感器接口等。

3.2.2 無線網(wǎng)基站側(cè)

無線網(wǎng)基站側(cè)包括兩種組網(wǎng)方式，一種是Single RAN解決方案，組網(wǎng)方式是基于軟件定義的無線電（Software Defined Radio，SDR）的多模與多制式解決方案；另一種是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)獨立新建，主要承擔(dān)空口接入處理等功能，并通過S1接口與NB-IoT核心網(wǎng)進行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。

3.2.3 核心網(wǎng)側(cè)

核心網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)元包括兩種組網(wǎng)方式，分別是整體式的演進分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）與物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)。核心網(wǎng)側(cè)通過IoT EPC網(wǎng)元以及GSM、UITRAN、LTE共用的EPC來支持NB-IoT用戶接入。

3.2.4 物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺

物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺主要包括歸屬位置寄存器（Home Location Register，HLR）、策略控制和計費規(guī)則功能單元（Policy and Charging Rule Function，PCRF）以及機器對機器（Machine-To-Machine，M2M）平臺。

3.2.5 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺是NB-IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點，可以部署各類應(yīng)用服務(wù)器，并根據(jù)客戶的需求進行數(shù)據(jù)處理等操作。

3.3 優(yōu)化管理技術(shù)

NB-IoT技術(shù)的使用大多基于共站組網(wǎng)，在該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下需要完成與其他網(wǎng)絡(luò)通信的信息傳遞。由于要構(gòu)建共主控方式與觸控方式，因此在網(wǎng)絡(luò)搭配過程中將NB-IoT技術(shù)和其他網(wǎng)絡(luò)匹配設(shè)置，避免IP地址產(chǎn)生沖突，從而影響工作效率。通過研究云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)運營管理中的應(yīng)用，建議使用主控方式。NBIoT技術(shù)布置基站依據(jù)區(qū)域等級不同進行劃分，在數(shù)據(jù)搭配過程中也需要根據(jù)等級進行相應(yīng)劃分。對于信息傳輸和切換，需要對應(yīng)更改路徑，避免出現(xiàn)信息交互錯誤。此外，需要對新接收的信息實施全方位控制管理，以此實現(xiàn)資源合理分配。同時還需要限制部分新用戶同一時間加入網(wǎng)絡(luò)，以此保證系統(tǒng)穩(wěn)定可持續(xù)運行[7-10]。

3.4 強化信號覆蓋

可通過強化符號擴頻技術(shù)與Burst重復(fù)技術(shù)的交互性實現(xiàn)信號覆蓋增強。如此，可在不更改原有頻率符號的基礎(chǔ)上通過對特殊信號重復(fù)增強的方式實現(xiàn)頻譜增強預(yù)期效果，這是基于符號擴頻的主要方式。Burst重復(fù)技術(shù)則是將原本的符號序列進行擴充，通過信號反復(fù)接收傳遞等方式使接收到的信息能夠?qū)崿F(xiàn)信號完善，以此實現(xiàn)信號增強效果。與此同時，將信息加密技術(shù)應(yīng)用其中，窄化原有信息頻率，促使海量信息同時集中發(fā)射，進而使NB-IoT技術(shù)能夠獲取更高的功率譜密度。以典型IoT設(shè)備（功率23 dBm）為例，上行3.75 kHz子載波，相對于LTE 上行180 kHz，提升7 dB 功率譜密度。除此之外，還可以通過放寬性能要求、部署Small Cell 基站以及設(shè)計新的信號和信道結(jié)構(gòu)來擴大覆蓋范圍，強化信號覆蓋。

4 結(jié) 論

作為一種新興互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)可利用現(xiàn)階段發(fā)達的移動技術(shù)建構(gòu)涵蓋傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)以及各類硬件設(shè)備的全覆蓋系統(tǒng)。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的云服務(wù)中心可利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)物理資源和虛擬資源的共享，強化對各類軟件資源和硬件資源的控制及分配，促使資源配置均衡化發(fā)展，顯著提升資源使用效率。此外，目前物聯(lián)網(wǎng)運營管理中的云服務(wù)應(yīng)用研究仍面臨著很多挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)的安全性問題、隱私的保護問題以及數(shù)據(jù)的容錯性問題等，因此相關(guān)研究人員需要不斷創(chuàng)新實踐，為云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)運營管理中的應(yīng)用奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。