物聯網時代信息通信技術的發展應用

趙若涵,張 丹,王甜甜

(國網電力科學研究院有限公司實驗驗證中心 江蘇 南京 211106)

0 引言

物聯網通過互聯網、通信技術和智能終端將各類物品連接在一起,實現數據交換與共享,從而為人類生活和社會發展帶來了前所未有的便利。信息通信技術是物聯網發展的基礎,其不斷演進與完善為物聯網的廣泛應用提供了強大的支持。本文將探討物聯網時代信息通信技術的發展及應用,重點關注了物聯網時代信息通信技術面臨的挑戰與未來趨勢,如物聯網通信中的安全與隱私問題、物聯網通信系統可擴展性與可靠性以及6G通信技術及其應用前景等,為從業者、研究者和政策制定者提供了對物聯網時代信息通信技術發展的全面了解,有助于推動相關領域的發展與創新。

1 研究背景與研究意義

1.1 物聯網時代的來臨及其對信息通信技術的影響

物聯網的普及使得信息通信技術面臨著更大的數據量處理需求,隨著設備數量的急劇增長,大量的數據從各種傳感器、監控設備、智能家居設備等源源不斷地傳輸到數據中心,對信息通信技術的處理能力和傳輸速率提出了更高的要求。為滿足這一需求,研究者和企業致力于發展更高效的通信技術,如5G、大規模MIMO技術等,以提升數據傳輸速率和系統處理能力。物聯網推動了信息通信技術的多樣化。物聯網涉及各行各業,不同場景下對通信技術的要求也有所不同。例如,一些追求低功耗和低成本的應用場景更適合使用低功耗廣域網絡(low power wide area network, LPWAN)技術,而對于實時性要求較高的場景,則需采用高速寬帶網絡等技術,信息通信技術需要針對不同的應用場景進行優化和創新,以滿足多樣化的需求。在物聯網時代,通信技術不僅需要確保高效傳輸,還要保障信息的安全性,這一市場需求促進了加密技術、身份驗證技術等方面的發展,以提高信息通信技術在物聯網環境下的安全性。

1.2 信息通信技術在物聯網應用中的關鍵作用

信息通信技術在物聯網應用中扮演著至關重要的角色,為實現智能化、高效的生產與生活提供了強大支持[1]。信息通信技術是實現物聯網設備互聯的基礎。物聯網涉及眾多設備和傳感器,如智能家居設備、工業自動化設備、醫療設備等。信息通信技術通過網絡將這些設備連接在一起,形成一個龐大的互聯網體系,使得各種類的設備能夠實時交流信息、共享資源。隨著物聯網應用的普及,設備產生的數據量呈現爆炸式增長。信息通信技術需要具備高效的數據處理與傳輸能力,以確保物聯網系統的正常運行。

2 物聯網時代的無線通信技術的發展現狀

2.1 5G與6G網絡技術

5G技術是目前正在全球范圍內廣泛部署的移動通信技術。相較于4G網絡,5G技術具有更高的數據傳輸速率、更低的延遲以及更大的設備連接能力。目前,多個國家和地區已經開始商用5G網絡,部署了大量的5G基站,并推出了支持5G的智能手機和其他終端設備。5G技術的應用領域包括智能家居、自動駕駛、工業自動化、遠程醫療等,為各個行業帶來了極大的發展機遇[2]。6G網絡技術是未來通信技術的發展方向,預計將在2030年左右實現商用。6G技術將在5G的基礎上實現更高的數據傳輸速率(預計可達每秒1 Tbps)、更低的延遲(預計可達亞毫秒級)以及更高的頻譜和能源利用效率。

在6G網絡技術的研究中,有幾個關鍵技術領域備受關注。首先是子毫米波與太赫茲通信,6G網絡將開發更高頻率的無線通信波段,利用子毫米波和太赫茲通信實現更高速的數據傳輸;其次是無線光通信,無線光通信技術利用光的傳輸特性,將光信號轉換為無線信號進行傳輸,具有高速、低延遲、高安全性等優點,有望在6G網絡中得到應用;最后是網絡切片技術,6G網絡將采用網絡切片技術,實現網絡資源的靈活調度和分配,滿足不同應用場景的需求[3]。

2.2 蜂窩物聯網

蜂窩物聯網(Cellular IoT)是指利用蜂窩移動通信網絡技術實現物聯網設備之間的連接。相較于傳統的Wi-Fi、藍牙等短距離通信方式,蜂窩物聯網具有覆蓋范圍廣、數據傳輸穩定、安全性高等優點,逐漸成為物聯網領域的主要通信手段。目前蜂窩物聯網技術已在全球范圍內得到廣泛應用。通信技術的快速發展,特別是4G、5G網絡的普及,為蜂窩物聯網的推廣奠定了基礎。多個國家和地區已經部署了基于蜂窩網絡的物聯網系統,支持大量設備的連接。同時眾多企業和研究機構也在積極研究和開發蜂窩物聯網相關技術,如NB-IoT、LTE-M等,以滿足不同應用場景的需求。隨著物聯網設備數量的持續增長,未來蜂窩物聯網將面臨更高的連接密度需求。因此蜂窩網絡技術將會進一步優化,以支持大量設備的同時連接。隨著物聯網設備在各個領域的廣泛應用,安全性和隱私保護將成為更加緊迫的問題。未來蜂窩物聯網將需要加強對數據安全和隱私的保護,防止信息泄露和惡意攻擊。圖1介紹了當前蜂窩物聯網的基本架構。

圖1 蜂窩物聯網的基本架構

2.3 Wi-Fi和藍牙技術

Wi-Fi(wireless fidelity)是一種基于無線局域網(WLAN)的通信技術,使用2.4 GHz和5 GHz頻段,支持設備間的高速數據傳輸。Wi-Fi技術已成為智能手機、筆記本電腦等消費電子設備的標配,同時也在企業和家庭網絡中發揮著重要作用。隨著Wi-Fi 6(802.11ax)的推出,Wi-Fi技術實現了更高的速率、更低的延遲和更好的能效。Wi-Fi 6已經開始在新款的智能設備中應用,提供更好的網絡性能。此外Wi-Fi通信服務在公共場所的覆蓋范圍不斷擴大。

藍牙是一種短距離無線通信技術,使用2.4 GHz頻段,具有低功耗、低成本等優點。藍牙技術主要用于各種設備之間的數據傳輸和通信,如智能手機、耳機、鍵盤、鼠標等。藍牙技術經歷了多次升級,目前已發展到藍牙5.2版本。新一代藍牙技術具有更遠的傳輸距離、更高的速率和更低的功耗。隨著物聯網和智能家居的發展,藍牙技術在各種設備之間的應用越來越廣泛。

3 物聯網時代信息通信技術的未來應用

3.1 高速寬帶網絡的普及

物聯網時代,高速寬帶網絡的普及對信息通信技術的發展和應用具有重要意義。隨著物聯網設備數量的不斷增長,以及各類應用對數據傳輸速率、實時性和穩定性要求的提高,高速寬帶網絡成為實現這些需求的關鍵技術。在企業領域,高速寬帶網絡為企業提供了快速的數據傳輸能力,降低了信息傳遞的成本,提高了生產效率[4]。在公共服務領域,高速寬帶網絡為公共服務提供了有力的技術支持,使得國家可以更加高效地為人們提供便捷的服務;在教育領域,高速寬帶網絡使得遠程教育成為可能,讓更多地域的學生能夠獲得優質的教育資源。

3.2 低功耗廣域網絡技術的發展

LPWAN是一種適用于物聯網應用的無線通信技術,其特點是低功耗、長傳輸距離、低成本。近年來,隨著物聯網設備的快速增長以及各類應用場景的多樣化需求,LPWAN技術得到了廣泛關注和快速發展。LPWAN技術在遠程監測、智能家居、智能農業、物流跟蹤等領域發揮了重要作用。這些領域的應用場景通常要求設備具有低功耗、長傳輸距離的特性,以滿足遠程監控和管理的需求。LPWAN技術的低功耗特性可以大大延長設備的使用壽命,減少設備維護成本。其長傳輸距離特性則有助于覆蓋廣泛、設備分布分散的應用場景。

3.3 大規模MIMO技術及其在物聯網中的應用

近年來,隨著物聯網的快速發展,大規模MIMO技術在物聯網領域的應用越來越受到關注。在物聯網設備連接方面,大規模MIMO技術可以顯著提高網絡的容量和連接質量。由于物聯網設備數量龐大,數據傳輸需求多樣化,傳統的MIMO技術難以滿足這些需求。而大規模MIMO技術通過部署大量天線,實現對多個用戶和設備同時進行高質量的數據傳輸,有效解決了這一問題;在物聯網覆蓋范圍擴展方面,大規模MIMO技術有著顯著的優勢。物聯網設備通常分布在廣泛的地理區域[5],大規模MIMO技術可以實現對信號的聚焦傳輸,提高信號傳播的距離,從而擴大物聯網設備的覆蓋范圍。

3.4 無線傳感器網絡的優化與發展

無線傳感器網絡(wireless sensor networks, WSN)是由大量分布在特定區域的微型傳感器節點組成的網絡,通過無線通信技術實現信息的收集、傳輸和處理。WSN在環境監測、智能交通、醫療保健等領域具有廣泛的應用。提高WSN的數據處理能力也是優化發展的重要方向:針對傳感器節點的計算能力和存儲空間有限的問題,可以采用邊緣計算技術,在離數據源較近的邊緣節點進行部分數據處理,降低中心節點的計算負擔。擴大通信范圍是WSN發展的關鍵需求,通過引入LPWAN技術,可以實現遠距離、低功耗的通信,從而擴大WSN的覆蓋范圍。圖2詳細介紹了無線傳感器網絡的基本結構。

圖2 無線傳感器網絡的基本結構

4 物聯網時代信息通信技術的挑戰與未來趨勢

4.1 物聯網通信中的安全與隱私問題

隨著物聯網設備數量的不斷增長,越來越多的設備相互連接并互相通信,安全與隱私問題逐漸凸顯。物聯網設備涉及多個領域,如智能家居、醫療健康、工業自動化等,這些設備在提高生活便利性的同時,也可能帶來安全隱患和隱私泄露。物聯網設備產生大量數據,這些數據往往包含用戶的個人信息和敏感數據,如位置信息、生活習慣等。若數據在傳輸、存儲和處理過程中沒有得到足夠的保護,就可能被黑客利用,導致信息泄露和用戶隱私的侵犯。因此,保證數據在物聯網通信中的安全至關重要。物聯網設備往往采用無線通信技術,可能受到信號干擾和惡意攻擊。此外,許多物聯網設備采用低功耗設計,可能忽略了安全防護措施。設備制造商應確保設備具備足夠的安全防護,防范潛在風險。物聯網系統涉及多個層次,如設備、網絡、云端等,各層次之間的安全問題可能會影響整個系統的安全性。

4.2 6G通信技術及其應用前景

6G通信技術是繼5G之后的下一代無線通信技術,預計將在2030年左右實現商用。當前,6G技術尚處于研究和開發階段,但其潛在的應用前景已經引起了廣泛關注。6G通信技術將實現每秒傳輸速率達到Tbps級別,這將使得無線傳輸擁有更快的速度和更大的容量。這種超高速率傳輸可以為高清視頻、虛擬現實、增強現實等高帶寬應用提供更好的支持,同時也將使得大數據、云計算等技術得到更廣泛的應用。6G通信技術將使得通信延遲降低至亞毫秒級別,這將為實時性要求較高的應用場景提供重要支持,如自動駕駛、遠程手術、工業自動化等。

5 結語

綜上所述,隨著5G網絡的廣泛部署,物聯網領域迎來了新的發展契機。6G通信技術將在5G的基礎上實現更高的數據傳輸速率、更低的延遲以及更大的設備連接能力,預計將在2030年左右實現商用。無線傳感器網絡、低功耗廣域網絡、大規模MIMO技術等在物聯網領域均有廣泛的應用前景。在物聯網時代,高速寬帶網絡、低功耗廣域網絡、大規模MIMO技術的普及及無線傳感器網絡的優化與發展將對信息通信技術產生深遠影響。然而,隨著物聯網設備數量的不斷增長,通信系統面臨著安全與隱私、可擴展性與可靠性等方面的挑戰。6G通信技術將為未來社會帶來更高速、低延遲、大規模連接的通信環境,為高清視頻、虛擬現實、增強現實等高帶寬應用提供更好的支持,同時也將使得物聯網、智能城市等應用得到更廣泛的推廣。