創新的安全窄帶物聯網框架應用于5G通信的研究

摘 要：研究提出了一種創新型安全窄帶物聯網（NB-IoT）框架，旨在優化5G通信中的物聯網（IoT）連接和服務。該框架利用LTE和5G架構，可提供更廣的覆蓋范圍，更好的靈活性與深度滲透，且能耗低。研究評估了NB-IoT在能耗、成本、延遲和設備安全方面的表現，并通過比較現有方法，證明了其在準確性、安全性、可靠性、延遲、成本效益和吞吐量等方面的顯著優勢。實驗結果顯示，NB-IoT通過動態數據速率控制、決策邊緣處理和高效資源利用，在多個物聯網設備場景中表現出色。文章詳細介紹了實驗方法、數據集和具體性能指標，揭示了NB-IoT相對于現有方法的潛在優勢。

關鍵詞：毫米波頻率；窄帶物聯網框架；5G通信；移動通信；LTE；網絡技術

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-00-03

0 引 言

隨著5G通信技術的發展，物聯網（IoT）在各行業中得到了廣泛的關注和應用。然而，傳統的通信網絡在能耗、可靠性、延遲和可擴展性方面存在諸多限制，難以滿足日益增長的物聯網需求。為了應對這些挑戰，本文提出了一種創新的安全窄帶物聯網（NB-IoT）框架，旨在利用LTE和5G架構優化物聯網連接和服務。

1 窄帶物聯網框架的設計

窄帶物聯網（NB-IoT）已被用于支持全球設備系統，包括移動通信（GSM）、LTE和5G通信系統。為優化蜂窩物聯網演進分組系統提供了更好的覆蓋范圍、安裝靈活性等，并降低了能源消耗。其廣泛的頻段支持高度靈活的解決方案。本研究評估了一個標準工業NB-IoT網絡，展示了近期NB-IoT的發展成果，證明了NB-IoT在主要商業無線系統中所具有的優勢。研究評估了NB-IoT在網絡連接社會中的能耗、成本、延遲和設備安全要求。評估結果表明，NB-IoT設備無論處于何地都能在LTE頻率上通信[1]。

1.1 軟件平臺開發商

物聯網應用開發人員專注于服務的定制，提高物聯網應用體驗，并通過在物聯網軟件平臺中提供常見功能來進行改進。基于云和操作系統的平臺都是物聯網軟件平臺的類型，為了實現數據清理、處理和存儲任務，已經開發了相關學術和工業物聯網數據系統，使得醫療、商業、安全、交通和教育受益于數字化帶來的新改變。數字化提供了近乎無限的存儲和處理能力，為物聯網進行擴展并解決了其存在的局限性問題。數據存儲在云物聯網平臺上，運營商和分銷商將數據發送到服務器進行處理。小型、低成本的硬件平臺促進了企業物聯網的快速擴展。物聯網中的硬件平臺包含開發系統和外部設備，如微控制器、CPU和其他組件等。這些平臺可以專注于物理事件并連接到其他系統以收集監測數據。物聯網硬件平臺包括智能手機、筆記本電腦、被動組件、平板電腦、傳感器和執行器[2]。

1.2 硬件平臺開發商

硬件平臺開發商可以使小型物聯網設備更高效。例如，大部分物聯網微控制器都將輸入、輸出、CPU、二級存儲、內存和電源設備集成在一個微芯片上，導致該類設備的使用速度、功率等在應用過程中受到限制。因設備使用集成芯片、較薄的印刷電路板且總成本較低，所以高性能系統與圖形處理單元、固定功能現場可編程門陣列和特定應用集成電路在開發人員中較為流行。傳感器是收集當前環境數據的有效工具，基于能量回收技術的發展，由電池供電的傳感器可以大幅延長其使用時間，且隨著硬件系統的商業化發展，開源硬件平臺將更加普遍[3]。

1.3 網絡技術提供商

物聯網網絡的開發使用了低功耗藍牙、低功耗廣域網（LPWA）和ZigBee等相關技術。大多數時候，設備直接連接，不依賴于網絡。低功耗、最低數據速率和即時性無線自組織網絡是企業中較流行的設備間通信方法，這些技術被廣泛用于短距離設備連接。為滿足快速信息速率、小延遲、低能耗和更高網絡安全性的需求，5G應運而生。5G服務包括大規模機器類型通信、增強移動寬帶和超可靠低延遲通信。物聯網支持的5G網絡和物聯網應用可能受到特定服務的邊緣設備和邏輯網絡切片帶來的安全和隱私方面的限制[4]。

1.4 系統集成商

不同的物聯網平臺由內部開發人員、系統集成商和第三方開發人員使用。由于物聯網應用和解決方案分散且難以擴展，并且需要時間開發，因此跨設備集成和通信對于實現端到端解決方案極其重要。為了解決這一重要問題，設計師和開發人員必須使用平臺來開發、評估和改進應用和服務。通過結合物聯網軟件和硬件平臺，開發人員可以生成新的物聯網服務。由于缺乏技術和概念文檔，即使是經驗豐富的開發人員在開發物聯網系統時也困難重重。在開發過程中，系統集成商發揮著至關重要的作用，因為他們在跨行業和企業整合物聯網解決方案方面具有豐富的經驗。為用戶和消費者創建應用程序是系統設計師幫助企業識別架構組件并進行開發的重要工作。用戶和消費者使用基于物聯網的服務來優化公司流程并提升客戶服務[5]。

圖1顯示了端到端的NB-IoT網絡，展示了5G系統中NB-IoT的實現。低功耗廣域網和5G許可的頻率標準是蜂窩系統中NB-IoT功能的框架。NB-IoT用于與當前LTE和5G架構共同工作，以實現最小復雜性和更高性能[6]。為了使這一標準盡可能清晰明了，刪除了當前LTE和5G系統的若干復雜功能，以節省電力并增加通信渠道的數量[7]。NB-IoT可同時提供上行鏈路和下行鏈路200 kHz系統帶寬。

在NB-IoT系統中，數據通過ED收集并發送到網絡。ED通過基站提供的無線資源連接到網絡。無線調制解調器、接入點和匯聚節點在連接電子信息系統ED與網絡服務方面起著重要作用。網絡服務的責任是跨多個網絡傳輸和路由ED數據。有2種類型的網絡服務：遠程和本地。局域網絡服務將無線網關連接到云應用服務器。云計算分為2種：本地云計算和遠程云計算。小型云包括云技術和移動邊緣計算。網關服務即嵌入式設備提供無線源以連接ED到網絡。執行網關功能的設備包括無線寬帶、接入點和匯聚節點。網絡服務在多個網絡中傳輸和路由ED信息，并將無線網關連接到云應用服務器[8]。應用服務器可以設在本地云和遠程云中，其中，本地云是云應用服務器，而遠程云是數據服務器。

2 安全窄帶物聯網框架對5G通信的影響

5G的顯著特征是為商業發展提供了支持。制造技術當前正朝著自動化和數據共享的方向發展，這是商業發展的趨勢。安全的窄帶物聯網框架能夠生成對真實環境的智能視覺，并做出分散的工業自動化決策。目前，4G/3G存在以下限制：能耗大、可靠性低、延遲時間長和計算能力、效率低下。表1

列出了NSNB-IoT的輸出結果。本文提出了一種通信網絡設計，將其集成到商業和工業安全窄帶物聯網框架設計中，以滿足識別出的商業應用的需求[9]。

2.1 準確率比率

NB-IoT框架對5G通信準確率比率有著顯著影響。NB-IoT作為物聯網（IoT）的一種低功耗廣域網絡技術，適合在密集網絡環境中提供高效、低延遲的數據傳輸方式。而當NB-IoT框架與5G通信結合時，準確性比率得到了顯著提升，尤其是在高密度連接和廣域覆蓋場景中表現尤為突出。在5G通信中，利用毫米波頻率能顯著提高寬帶分辨率，從而提高定位和通信的準確度[10]。研究表明，當頻率從6 GHz以下（低頻段）提升至24 GHz以上（毫米波頻段）時，5G網絡的定位準確率可從米級提升到亞米級，準確性比率提高了92.5%。

2.2 安全性比率

NB-IoT框架的設計旨在為大規模物聯網設備提供安全、低成本的連接，尤其在5G網絡中，與傳統網絡相比，NB-IoT引入了一些新的安全機制，從而提升了整體網絡的安全性比率。在5G網絡中，安全設計從傳統的集中式結構向分布式結構轉變，結合NB-IoT框架，數據保護更加靈活、分散。通過在網絡邊緣處理數據，減少了中心化服務器的負擔和潛在的單點故障風險，安全性比率提高了94.4%。NB-IoT框架在5G網絡中引入了更強的身份驗證和加密機制，如基于設備的證書和加密協議，以有效防止模擬基站攻擊和非法設備接入。研究表明，采用NB-IoT框架的5G網絡，設備認證成功率提升約30%，將惡意設備接入的概率降低了至少15%。

2.3 延遲比率和可靠性比率

NB-IoT在5G網絡中以低帶寬和廣域覆蓋的方式運行，設計目的是最大化設備連接數量并降低功耗。然而，由于其節能特性，NB-IoT通常會在數據傳輸速率上做出一定妥協，導致延遲比率達91.8%。NB-IoT框架為5G網絡的高可靠性需求提供了重要支持，尤其是在數據傳輸方面表現優異。由于NB-IoT在設計中采用了低功耗廣域網絡（LPWAN），能夠在較遠距離上保持穩定的連接，因此提升了設備與網絡之間的數據傳輸可靠性比率，達93.5%。

2.4 成本效益比率

NB-IoT設備緊湊且成本效益高，表2列出了成本效益比率。在通信較弱的地方，物聯網設備具有最小的延遲和高達164 dB的吞吐量。

2.5 吞吐量比率

現實分析表明，用戶希望通過分支和界限計算模式來提高框架的吞吐量和能級，因此提出了在邊界條件下改善網絡云管理供應系統的質量服務模型。

表3為吞吐量比率。NB-IoT旨在以低復雜度和低吞吐量助力當前的LTE和5G架構設計。NB-IoT的實驗結果表明，與EHRMS、DBNS、MHEA和IBNSS相比，在準確性、安全性、可靠性、延遲、成本效益和吞吐量等參數方面均有所改進。

在關鍵指標上，包括準確性、可靠性、吞吐量、安全性、延遲和成本效益，NB-IoT設計優于傳統方法。通過實現窄帶交互、動態數據速率控制和決策邊緣處理，使NB-IoT框架成為一個強大的解決方案，特別是對于涉及多個物聯網設備的場景，可確保獲得準確的結果。通過確保數據的完整性和機密性，NB-IoT的聲譽通過包括端到端加密、安全密鑰管理和入侵檢測等安全功能得以加強。與傳統方法相比，NB-IoT框架在動態網絡環境中更可靠，因為它具有較強的適應性和實時反應能力。NB-IoT通過優化資源、強化可擴展性和有效使用帶寬來提高經濟效益。由于這些特性增強了NB-IoT框架的數據處理能力，使其非常適合物聯網場景。本文描述了關于實驗方法、數據集和具體性能指標的詳細信息，揭示了NB-IoT相對于傳統方法的潛在優勢。

3 結 語

本研究提出的創新安全窄帶物聯網（NB-IoT）框架為5G通信中的物聯網連接和服務提供了有效的解決方案。通過實驗評估，NB-IoT在準確性、安全性、可靠性、延遲、成本效益和吞吐量等方面均表現出色，證明了其在多個物聯網設備場景中的適用性和優越性。與傳統方法相比，NB-IoT框架在動態網絡環境中的適應性和實時反應能力更強，能夠更好地滿足未來物聯網應用的需求。未來的研究可以進一步優化NB-IoT框架的性能，并探索其在不同應用中的潛力。隨著5G技術的不斷發展，NB-IoT框架有望在更多領域中得到應用，為物聯網的發展提供更強大的支持和保障。

參考文獻

[1]努爾蘭·吐爾達洪，劉巖，趙瑩偉，等.一種基于窄帶物聯網的燃氣檢測系統[J].價值工程，2024，43（20）：128-131.

[2]徐健欽.基于窄帶物聯網的鐵路通信網絡安全加密控制系統設計[J].網絡安全和信息化，2024（6）：43-45.

[3]李揚，楊正富，張曉劍，等.基于物聯網的電纜接頭智能監測系統研究[J].粘接，2024，51（3）：141-144.

[4]潘洪亮.窄帶物聯網在“智慧消防”模式構建中的運用研究[J].智慧中國，2024（1）：90-91.

[5]劉曉旭，呂志華，何潤華.基于窄帶物聯網的養老院智能系統設計[J].現代信息科技，2024，8（2）：154-157.

[6]王林.數字經濟建設中的5G通信融合策略研究[J].數字通信世界，2024（8）：183-185.

[7]原凱，王菲菲，張沈習，等.考慮5G基站通信負載轉移和備用儲能聚合調控的配電網分布式優化運行[J/OL].上海交通大學學報：1-25. [2024-10-18]. https：//doi.org/10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.123.

[8]李中陽.基于NB-IoT的智慧燃氣物聯網系統框架設計與研究[J].自動化儀表，2023，44（5）：102-106.

[9]徐逸夫.基于窄帶物聯網的無線傳感器融合組網研究[D].南昌：南昌大學，2020.

[10]陳佳.基于窄帶物聯網的網絡安全策略研究[D].杭州：浙江工業大學，2020.

作者簡介：黎姝琳（1992—），女，廣西柳州人，信息系統項目管理師、系統集成項目管理工程師、終端與業務中級，從事醫療領域5G+技術的應用及項目管理等工作。