5G網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)通信技術及挑戰(zhàn)
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摘要：當前，4G網(wǎng)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(lián)網(wǎng)（IoT），并推動物聯(lián)網(wǎng)相關技術的快速發(fā)展，不斷滿足未來物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的愿景。盡管這樣，現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)通信技術仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，如大量節(jié)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(wǎng)絡設計的局限性，導致其對物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化程度比較差。隨著5g網(wǎng)絡技術的日趨成熟，基于5G網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)將會得到更大的性能提升，包括增強蜂窩網(wǎng)運營容量，提高物聯(lián)網(wǎng)安全性以及網(wǎng)絡挑戰(zhàn)能力等。本文主要介紹了目前5GIoT的最新通信技術以及5GIoT的主要研究趨勢和挑戰(zhàn)。
關鍵詞：5G網(wǎng)絡；物聯(lián)網(wǎng)通信技術（IoT）；第五代物聯(lián)網(wǎng)（5GIoT）
0引言
作為一種很有市場前景和價值的技術，物聯(lián)網(wǎng)是一種通過互聯(lián)網(wǎng)連接大規(guī)模的低功耗交互式設備而實現(xiàn)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(tǒng)等，這對我們的生產(chǎn)方式以及生活活動產(chǎn)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(wǎng)絡作為新一代移動無線網(wǎng)絡技術，它將會在2020年后開始部署商用。國際電信聯(lián)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(wǎng)絡能效、連接密度和時延，具體表現(xiàn)在其傳輸速率將在現(xiàn)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(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)通信技術
物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術而實現(xiàn)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(lián)系。在考慮大規(guī)模部署物聯(lián)網(wǎng)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(guī)模連接設備的數(shù)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(lián)網(wǎng)應用未來需求最關鍵的便是推動蜂窩網(wǎng)絡技術的發(fā)展。目前，固定和短距離通信標準被用于大多數(shù)網(wǎng)絡連接。傳統(tǒng)的短程無線網(wǎng)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(yè)以及其它大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)速率，以及較低的能耗等獨特的功能而非常適合于物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)，具有傳輸距離遠、功耗低、連接節(jié)點多和低成本的特點。SigFox以超窄帶技術建設物聯(lián)網(wǎng)設備專用的無線網(wǎng)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(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡比較，它們都通過較大程度降低傳輸速率的方式來實現(xiàn)低數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)，而eMTC支持最高1Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率。
25G網(wǎng)絡主要技術
5G移動網(wǎng)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(wǎng)絡技術。在無線通信系統(tǒng)中，采用多天線技術能夠顯著提高無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。作?G網(wǎng)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(xiàn)發(fā)射端的多載波調制，利用分析濾波器組來實現(xiàn)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(wǎng)絡技術方面，集中化的、協(xié)作的、“云”化的無線接入網(wǎng)（C-RAN）技術、軟件定義網(wǎng)絡SDN、網(wǎng)絡功能虛擬化NFV技術、超密集網(wǎng)絡技術UDN、自組織網(wǎng)絡SON、Multi-RAT技術、設備到設備D2D技術都是5G網(wǎng)絡架構的候選關鍵技術。C-RAN是基于集中化處理、協(xié)作式無線電和實時云計算架構的綠色無線接入網(wǎng)架構。網(wǎng)絡功能虛擬化NFV技術通過軟硬件解耦及功能抽象，使網(wǎng)絡設備不再依賴于專用硬件，實現(xiàn)資源充分的、靈活的共享，增強了網(wǎng)絡彈性和自適應性。
35GIoT關鍵技術
作為5G網(wǎng)絡的關鍵技術之一，NFV旨在為5GIoT應用提供可擴展的、靈活的網(wǎng)絡，這將使得基于分布式云的自定義網(wǎng)絡切片為5GIoT應用創(chuàng)建可編程網(wǎng)絡環(huán)境。NFV能夠將一個物理網(wǎng)絡分成多個虛擬網(wǎng)絡，其中設備可根據(jù)應用需求重新配置來構建多個網(wǎng)絡。在兩個設備（D2D）之間建立短程通信成為5GIoT數(shù)據(jù)傳輸?shù)男路绞?，這將降低5GIoT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(lián)網(wǎng)中，D2D可與移動NB-IoT用戶設備配合使用。在未來5G系統(tǒng)中，MTC通信，毫米波，移動邊緣計算，軟件定義網(wǎng)絡SDN，網(wǎng)絡功能虛擬化NFV和窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT等都將在IoT中扮演重要角色。
45GIoT挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢
5G可以滿足未來物聯(lián)網(wǎng)的需求，但是5GIoT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(zhàn)。雖然對5GIoT已經(jīng)做了很多的研究工作，但仍然存在一些技術挑戰(zhàn)。5GIoT體系結構的設計本身就是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于大量物聯(lián)網(wǎng)設備，網(wǎng)絡可擴展性成為一個主要問題，同時管理大量物聯(lián)網(wǎng)設備的狀態(tài)信息也是一個需要考慮的問題。同時，還需要考慮到5GIoT的互操作性和異構性。異構網(wǎng)絡之間的無縫互連同樣也是一項重大的挑戰(zhàn)，大量物聯(lián)網(wǎng)設備通過通信技術與其它智能網(wǎng)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5GIoT安全保障和隱私問題。無線軟件定義網(wǎng)絡對于5G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的有效性來說也仍然是一個重要挑戰(zhàn)。為了保證高度靈活的核心網(wǎng)絡，可擴展的SD-CN對網(wǎng)絡可擴展性提出了挑戰(zhàn)。同時，控制分離數(shù)據(jù)平面對于大多數(shù)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5GIoT，提出了大量物聯(lián)網(wǎng)解決方案，同時5GIoT的標準化也會使得物聯(lián)網(wǎng)應用實現(xiàn)及開發(fā)變得更加容易。但是由于在5GIoT中網(wǎng)絡和設備的多樣性，IoT系統(tǒng)和應用缺乏一致性和標準化，因此提出的物聯(lián)網(wǎng)解決方案仍存在很多障礙和挑戰(zhàn)。5GIoT涉及兩種標準。一是技術標準，包括無線通信，數(shù)據(jù)匯總標準等；二是監(jiān)管標準，包括數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，例如通用數(shù)據(jù)保護法則（2018），安全解決方案，密碼原語等。對于5GIoT的研究目前還處在初級階段，除了要解決上述遇到的挑戰(zhàn)外，還應對未來的研究趨勢進行探索。由于物聯(lián)網(wǎng)的多樣性，5GIoT將會越來越分散，因此需要開發(fā)更加復雜的技術，例如NVFs來管理5GIoT。邊緣計算是5GIoT的另一個關鍵用例。邊緣計算結合5G網(wǎng)絡將推動物聯(lián)網(wǎng)設備成為物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)上下文感知解決方案將會有效增加物聯(lián)網(wǎng)實體規(guī)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(wǎng)絡將在2020年得到部署并開始商用。5G網(wǎng)絡的很多關鍵技術就是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應用需要而開發(fā)的，它解決了很多物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展受限的主要瓶頸和挑戰(zhàn)。但同時，5GIoT也仍然面臨著很多亟待解決的關鍵挑戰(zhàn)，只有很好地解決了這些現(xiàn)存的問題，5GIoT才能真正發(fā)揮它的巨大潛力，實現(xiàn)萬物智能互聯(lián)，徹底改變我們的生活，徹底改變整個世界。
作者：馬少杰 單位：中國移動通信集團河南有限公司