基于LTE 系統的物聯網架構設計策略

和 乾

（鐵人學院，黑龍江 大慶 163000）

隨著現代信息時代的快速發展，物聯網技術已經成為人們生活中的重要組成部分，在人們的工作、學習、生活中具有十分重要的作用，而且物聯網技術也成為社會經濟發展的重要組成部分，物聯網技術的發展，需要將通信網絡作為承載其基礎網絡，將移動終端與物聯網終端的融合聯系在一起，才能提高物聯網數據的傳輸速度。[1]由于早期物聯網應用在部署范圍、應用領域等方面受到通信網絡的限制，導致終端與終端之間、后臺軟件之間難以有效地協同工作，這就需要建立新型的無線物聯網鏈接技術，實現無線網與物聯網終端的融合，采用LTE 無線通信網絡可以將傳感器網絡、因特網、通信網（有線或無線）和云計算平臺結合在一起，形成多元化、智能化的物聯網控制環境，并將智能感知、識別與物質控制等技術融入通信網絡中，大大提高了物聯網數據處理的效率。

1 物聯網與LTE 系統分析

1.1 物聯網概述

物聯網是由多個感知系統、智能傳感網絡體系構成，再輔以智能化的計算、信息處理與泛在互聯技術作為信息共享的支撐網絡，來實現通信信息的匯聚、協同整合、泛在聚合、交互共享等數據處理的過程，從而能夠形成綜合性的智慧通信網絡。物聯網的應用主要涉及智能電網、智能交通、電子政務技術、智能建筑控制、智能工業生產、智能農業與遠程醫療等多個方面，物聯網的工業價值遠遠大于與其連接的互聯網的價值，其核心技術主要包括前端的透徹感知技術（處理物聯網前端的數據）、中端的泛在接入技術（通信過程中產生的數據）和后端的數據智能處理、分析技術（對數據進行聚合分析處理），在整個系統架構中主要分為智能感知層、泛在接入層和個性應用層，在不同的層級中采用不同的關鍵技術等，共同實現物聯網數據的識別、采集、傳輸與智能化處理。[2-4]

感知層對物理層的數據進行采集、識別與處理，一般采用RFID、條形碼、傳感器等技術設備來獲取物理層的數據，將其轉換統一標準的數據編碼進行傳輸。泛在接入層主要采用各種通信技術，如無線/有線接入技術、感知網絡技術、2G/3G/4G/5G、無線WI-FI 網絡等，重點解決的是如何將感知設備接入核心網絡層。感知層要實現對物體的信息進行智能化處理與傳播，為了提高物聯網數據應用的有效性，還需要對智能感知層的數據進行個性化的分析，在個性化應用層需要對這些數據進行分析處理，將云計算技術、數據挖掘技術、云存儲技術、智能數據處理技術等作為物聯網數據處理的核心關鍵技術。

1.2 LTE 技術

LTE（Long Term Evolution）技術結合當前的移動通信技術，LTE 系統可以運行在其具備較強的適應性、實用性，具備網絡高速通信的功能，提供了高速的數據網絡下載能力。在物聯網與LTE 系統結合時，使得下行峰值速率為100Mb/s，而網絡的下行速率能夠達到50Mb/s，網絡的頻譜效率在下行鏈路能夠達到5b/s/Hz，是HSDPA 網絡的3-4 倍，上行鏈路為2.5b/s/Hz，是HSUPA 的2-3 倍。在LTE 網絡通信中，主要包括正交頻分復用技術（OFDM）與多輸入多輸出（MIMO0兩項十分關鍵的技術。

OFDM 技術是物聯網網絡技術傳輸之一，其功能是在給定的通信信道內生成多個正交子信道，可以將高速通信的數據信號轉換成并行、子波后，進行信號調制后傳輸。[5]OFDM 技術采用的是頻分復用技術，主要差別在于不同的載波頻譜可以相互交疊使用，從而能獲得較高的不同載波頻率，提高無線通信地方頻譜利用效率。多輸入多輸出（MIMO）天線技術是無線通信的關鍵，在多個天線之間建立通信通道，在不增加網絡通信帶寬的基礎上，可以快速地改善物聯網的通信質量，或者提高網絡通信的效率，MIMO 技術的實質是為物聯網通信提供空間復用增益和空間分集增益，增強網絡通信的可靠性，降低網絡通信的誤碼率。

2 LTE 與物聯網融合的策略分析

2.1 LTE 系統與物聯網的融合架構分析

物聯網技術與LTE 系統的融合，需要將LTE 技術作為通信的技術，利用物聯網技術來識別與采集數據信息，采用LTE 技術進行數據傳輸，結合物聯網數據處理的要求。

整體通信網絡架構主要分為3 個部分，物聯網服務/應用中心、LTE 傳輸網絡（負責應用層與物聯網設備的通信數據處理）作為中間架構，以及物聯網設備網絡（功能是采集、識別數據）。[6]對象命名服務器（ONS）作為應用中心服務器，主要包括服務器與中間件兩個部分，實現數據的存儲、加工處理與分類，由物聯網服務器存儲數據，內部中間件功能是對各種數據處理，它與互聯網中的域名解析系統（DNS）的功能類似，能快速地物聯網設備的信息進行處理，用于對相應的物聯網服務器和應用服務器定位，便于LTE 系統進行數據的傳輸與處理，同時也能夠實現點對點的通信。物聯網服務器是系統的關鍵，實現不同用戶之間的數據交換，外界用戶或應用主要是通過LTE 系統通信，從而服務器中讀取相關的數據，以獲得各種物聯網數據的應用，內部中間件的功能是提供物聯網服務器和LTE核心網絡之間的接口，主要保障物理層數據的收集、識別，并保障網絡通信的安全。

在該系統架構中，LTE 傳輸網絡的功能是完成通信基礎層的數據與控制信令傳輸，它由eNB 和移動管理實體（MME）/服務網關（S-GW）共同組成，負責對物聯網絡通信的數據處理。管理實體MME 根據物聯網通信的要求，為物聯網用戶提供uE 和LTE 核心網絡的信令交互，快速地實現數據的交換，S-GW 的功能是對物理網設備的數據包、移動終端的數據處理，以達到優化物聯網通信的目標。物聯網網關功能是解決數據通信的轉發問題，它從所有傳感器、識別設備等收集數據信息，并結合外部用戶的需求，進行數據轉發。外部用戶與物聯網的數據處理，通過中間件實現數據的交換，以獲得物聯網數據并通過網關控制物聯網設備，以精準的控制物聯網通信中出現的問題。利用LTE 通信網絡將用戶接入物聯網中，登錄服務器，查詢相關設備的使用情況，還能通過LTE 網絡控制物聯網設備，針對不同用戶的需求，提供不同的應用服務。

2.2 LTE 系統與物聯網融合優化策略

2.2.1 網絡通信地址標識處理

LTE 網絡通信技術與IPV6 技術的相互融合，大大提高了物聯網通信的技術，在LTE 系統與物聯網通信融合中，LTE 通過系統需要在數據標準建立、通信網絡的設施構建、網絡搭建、通信標準等方面，需要綜合對IPV6 的市場進行綜合性分析與全方位進行綜合性考慮。妥善處理物聯網通信地址標識處理，便于用戶能夠快速地訪問物理設備。由于IPV4 通信網絡，只能給物聯網設備提供40 億個物理地址，在物聯網規模擴大的情況下，就會導致整個物聯網地址受到限制，而IPV6 幾乎不受IP 地址的限制，可以為所有物聯網設備提供IP 地址。因此，在物聯網系統可以借助LTE 網絡通信數據進行處理，并實現對物理設備的檢測，并能支持IPV6，動態地為物聯網的物理設備、終端等提供IP 地址，并結合物聯網工作的要求，為各項物理設備、終端設備提供所需的物理標識。[7]

2.2.2 擁塞控制問題

在互聯網絡中，網絡通信擁塞控制的問題一直是用戶關注的問題，物聯網對各項業務的數據處理開展精細化服務質量，結合物聯網工作處理要求，劃分業內的數據共同標準，對提高網絡通知質量具有十分重要的作用。在物聯網通信中也需要解決通信擁塞的問題，將LTE 通信技術應用到物聯網中，將4G/5G 通信網絡綜合在一起，采用通過下策略控制和計費（PCC）功能，為物聯網的運營商提供業務控制支持服務，方便運營商部署PPC 系統，并利用LTE 網絡的QCI（Qos Class Identifier）通信質量控制功能，為物聯網通信網絡提供服務質量控制，保障物聯網網絡通信的安全、網絡通信的穩定性、容錯性等，在提高物聯網通信質量的同時，還有利于對物聯網的通信質量進行控制，以有效地解決物聯網通信中的擁塞問題。

2.2.3 滿足物聯網高帶寬需求

LTE 通信系統為無線網的通信提供了足夠的通信帶寬與較強的數據傳送效率，能滿足物聯網海量數據傳輸的要求，LTE 通信系統可以將峰值速率控制在下行速率在100Mbps，上行速率控制在145Mbps 的范疇內，大大地延伸了物聯網的應用功能，為用戶、運營服務商提供了足夠的通信帶寬。為了解決網絡通信的要求，LTE 通信網絡不僅要為物聯網提供足夠的帶寬，還需降低物聯網通信的成本。針對物聯網通信的要求，LTE通信系統還需具有如下的特征，才能滿足物聯網高帶寬的要求。

1.低時延。在物聯網通信中，要求為用戶提供低時延的服務，才能提高用戶的體驗效果，利用LTE 通信系統，將通信的單向傳輸時延降低到5ms 以下，大大提高了網絡的通信效率，利用LTE 通信系統的這一個特征，可以為物聯網實時性傳送物聯網數據提供便利條件，通過網絡還具有自動檢測的功能，網絡管理人員能及時發現網絡遠端通信故障，有利于系統管理人員對物聯網系統進行控制與管理。

2.每兆比特成本低。由于LTE 通信網絡的靈活性比較強，且LTE 通信網絡節點數量比較少，LTE 通信網絡還能支持與2G/3G/4G/5G 網絡的共站址構建，降低物聯網網絡通信的成本。[8]除此之外，LTE 通信網絡和WCDMA 通信網絡相比，頻譜效率比較高，能夠提供更好的通信頻譜，這就給運營商節約了一定量的頻譜資源，降低了通信成本。因此，相比于傳統的通信網絡，采用LTE 網絡通信系統的每兆比特成本大大降低，為物聯網通信提供了基礎通信系統，也擴大了物聯網的應用范圍。

3.物聯網通信的信號強度控制。物聯網要求為用戶提供高速率的通信服務，也需要為用戶提供良好的信號強度，便于用戶在服務的通信環境中，能夠獲得良好的物聯網通信效果，此特性課應用到多種海量數據的通信應用中，如車聯網、智能電網的發展，都需要良好的通信信號強度控制，才能為用戶提供良好的體驗服務。

4.核心網不主動釋放連接。物聯網在通信的過程中，需要長時間占用IP 通信地址，LTE 通信系統核心網絡不具備釋放IP 地址的功能，只要設備占用一個網址資源，如果沒有特殊的條件，就不會主動釋放，這一特征為物聯網設備的永久入網通信提供了基礎條件，從而能有效解決物聯網通信中的“信令風暴”現象，降低了網絡通信的擁塞現象。[9]在LTE通信網絡系統中，只有終端設備或eNodeB 設備接入物聯網的核心層，核心網才會釋放與終端的連接，這就為物聯網的通信提供了網絡鏈接的基礎，如果通信連接沒有建立，網絡通信的IP 地址將不會發生改變，也提高了物聯網通信的效率。[10]

3 結語

借助LTE 核心的傳輸網絡將物聯網的信息快速傳遞給用戶端，增強了用戶對物聯網的體驗效果，對提升物聯網的應用十分有益。物聯網通信和人們的生活息息相關，特別是在智慧城市的建設中，對物聯網技術提出了更高的要求，特別是在遠程醫療、衛生環保、智能制造等應用領域，將LTE 通信系統作為物聯網通信的支持網絡，可以為物聯網通信提供更佳的通信網絡服務，在解決網絡通信質量、通信速率等方面具有十分重要的作用，也有利于降低網絡通信的成本。