5G通信技術(shù)的IoT架構(gòu)設(shè)計分析

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摘要：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是工業(yè)4.0的重要組成部分，由于用戶需求復(fù)雜度不斷增加，當(dāng)前的IoT架構(gòu)已無法滿足基于5g的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系建設(shè)。文章提出一種基于5G的下一代物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，解決了未來應(yīng)用程序、服務(wù)和生成的數(shù)據(jù)的需求。該架構(gòu)中包含了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HeterogeneousNetworks，HetNet）、設(shè)備到設(shè)備（Device-To-Device，D2D）通信、5G-IoT、機器通信（Machine-Type-Communication,MTC)、無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)（WirelessSoftwareDefinedNetworks，WSDN）等技術(shù)，以滿足新應(yīng)用的需求，文章所設(shè)計的IoT架構(gòu)滿足未來工業(yè)4.0的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：5G通信；工業(yè)4.0；物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；應(yīng)用體系

1.概述

工業(yè)4.0代表了自動化和數(shù)據(jù)交換中的第四次工業(yè)[1]革命（FourthIndustrialRevolution,4IR），由網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)創(chuàng)新組成。它組織了物理設(shè)備、信息、人類和生物領(lǐng)域之間的特殊關(guān)聯(lián)，以改變傳統(tǒng)的生活方式。物聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)4.0最重要的組成部分之一，復(fù)雜的業(yè)務(wù)環(huán)境使得現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)無法滿足業(yè)務(wù)需求。根據(jù)Statista的報告，到2025年，全球已安裝的物聯(lián)設(shè)備數(shù)量將增加到750億個以上。因此，在不久的未來，新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及其生成的數(shù)據(jù)將逐年增加，數(shù)據(jù)量和客戶需求將高度增長，這就要求物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)能夠滿足應(yīng)用程序更快、更智能、更簡單、更可靠和更具可伸縮性的需求。近年來，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信部分已經(jīng)得到了較大的發(fā)展，可將事物、設(shè)備與各種通信協(xié)議連接，例如ZigBee、低功耗藍牙(BLE)、Wi-Fi、GSM、Lora和[2]Sigfox等。因此，通信協(xié)議的不平衡會造成嚴重的問[3]題，例如射頻干擾（RFI）。我們需要一種基于新技術(shù)的新穎架構(gòu)來應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)，并且針對網(wǎng)絡(luò)、流程、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)選用不同的通信和處理模型，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。本文基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的未來需求，以實現(xiàn)互聯(lián)數(shù)十億個iot設(shè)備為目標(biāo)，設(shè)計了一個八層架構(gòu)。該架構(gòu)基于5G等新技術(shù)，根據(jù)實際的應(yīng)用場景選擇層數(shù)，在設(shè)計過程中將各技術(shù)嵌入各個層中，該架構(gòu)使[4]IoT系統(tǒng)的分析、模塊化和可擴展性更加高效。

2.物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)介紹

2.1傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)介紹。（1）三層體系結(jié)構(gòu)。三層架構(gòu)是IoT發(fā)展的基礎(chǔ)，已在許多系統(tǒng)中設(shè)計和實現(xiàn)。通用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)包括三個層次：感知、傳輸及應(yīng)用。感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的底層，由各類型傳感器構(gòu)成；傳輸層也稱為網(wǎng)絡(luò)層，作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的中間層，實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的通信；業(yè)務(wù)層，也稱為應(yīng)用程序?qū)樱鳛槲锫?lián)網(wǎng)架構(gòu)的頂層，實現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)，例如智慧城市、智慧交通、[5]智慧電網(wǎng)等。（2）基于SDN體系結(jié)構(gòu)。基于SDN的IoT體系結(jié)構(gòu)，可為異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的各種IoT任務(wù)提供高服務(wù)質(zhì)量（QoS）。（3）基于QoS的體系結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)具有以下特點：①自治的,以支持Internet斷開連接的網(wǎng)絡(luò)；②無處不在，其中智能物聯(lián)網(wǎng)(STN)是Internet的一部分；③應(yīng)用層覆蓋，使用NFV減少節(jié)點之間的壓力和擁塞；④面向服務(wù)，其中特定的網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的固[6]有異質(zhì)性進行交互。（4）CloudThings體系結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)主要支持物聯(lián)網(wǎng)的智能家居場景。按照智能家居應(yīng)用場景，設(shè)計了基于云的物聯(lián)網(wǎng)平臺——CloudThings體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)將信息作為中心，用來改善下一代Internet的服務(wù)適應(yīng)性。2.2新一代物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。（1）納米芯片。在過去的二十年中，基于納米芯片的設(shè)備已廣泛應(yīng)用于生物和化學(xué)樣品的分析。經(jīng)過重編程的芯片可以置于皮膚下并通過電場作用，治愈傷口或衰老的組織，廣泛應(yīng)用于智慧醫(yī)療。（2）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）旨在滿足服務(wù)驅(qū)動5G-IoT的按需需求，這種新穎的網(wǎng)絡(luò)范例使5G-IoT能夠提供按需數(shù)據(jù)傳輸速率。近年來，已經(jīng)設(shè)計了一些5GHetNet解決方案。（3）設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信。設(shè)備對設(shè)備(D2D)通信已被設(shè)計為用于短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男路椒ǎ鼘⒁愿偷墓摹⒏玫挠脩鬛oS和負載平衡服務(wù)于5G-IoT。傳統(tǒng)的宏蜂窩基站(MBS)已考慮提供低功率的BS，但是，D2D使沒有BS的邊緣用戶設(shè)備與服務(wù)器之間的信息傳輸成為5G-IoT中的“小區(qū)層”。（4）無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)（WSDN）。無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)(WSDN)是一種用于移動云計算的新技術(shù)，該技術(shù)可幫助網(wǎng)絡(luò)管理并啟用網(wǎng)絡(luò)配置，而不是提高網(wǎng)絡(luò)性能或網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)需要更大的靈活性和簡單的故障排除，為了達到這個目的，SDN打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的垂直同化，并通過集中式網(wǎng)絡(luò)控制提供了對網(wǎng)絡(luò)進行編程的靈活性。SDN能夠根據(jù)其運行條件動態(tài)調(diào)整其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可以通過WSDN范例實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò),以提供更快和可擴展的5G-IoT系統(tǒng)。（5）移動邊緣計算（MEC）。邊緣（霧）計算是一種分布式計算范例，充當(dāng)云數(shù)據(jù)和IoT設(shè)備/傳感器之間的中間層。移動邊緣計算(MEC)提出網(wǎng)絡(luò)邊緣的服務(wù)執(zhí)行，其目的是在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境和云計算能力。MEC參考體系結(jié)構(gòu)和框架具有支持諸如位置識別、無線網(wǎng)絡(luò)信息和應(yīng)用程序執(zhí)行之類的服務(wù)功能。在5G等移動網(wǎng)絡(luò)邊緣擴展云服務(wù)的優(yōu)勢包括低延遲、高帶寬以及對無線網(wǎng)絡(luò)信息和位置感知的訪問。該架構(gòu)可能優(yōu)化當(dāng)前的移動基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)或?qū)嵤┬碌姆?wù)，MEC是5G-IoT的另一個基本要素，它將著重于兩個方面：①分析革命，MEC和5G網(wǎng)絡(luò)將成為下一代物聯(lián)網(wǎng)的核心；②5G-IoT中的MEC將顯著增加需要大量計算處理的應(yīng)用程序，例如虛擬現(xiàn)實(VR)或增強現(xiàn)實(AR)。（6）機器類型通信(MTC)。機器類型通信(MTC)或機器對機器通信(M2M)表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕净A(chǔ)結(jié)構(gòu)與設(shè)備之間的自動化數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信是在兩個MTC設(shè)備之間，或在MTC設(shè)備與數(shù)據(jù)庫之間開發(fā)的。MTC設(shè)置了廣泛的應(yīng)用程序，從大型自治設(shè)備部署到關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)。蜂窩系統(tǒng)(尤其是5G)已被視為為MTC設(shè)備提供連接的重要候選者，MTC設(shè)備越來越成為日常生活方式的重要組成部分。5G-Plus-HetNet被視為5G-IoT中強大的技術(shù)解決方案，以應(yīng)對來自MTC設(shè)備的不斷增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，這種情況出現(xiàn)[7]了MTC的高數(shù)據(jù)速率支持和其他顯著特征。2.3基于5G通信技術(shù)的IoT架構(gòu)設(shè)計。本文所設(shè)計的基于5G的架構(gòu)，稱為5G-IoT，具有模塊化、高效、敏捷、可擴展、簡單以及對高要求的[8]響應(yīng)等特點。該結(jié)構(gòu)由具有雙向數(shù)據(jù)交換功能的八個互連層組成，如圖2所示。第二層和第五層分別由兩個子層和三個子層組成，安全層覆蓋所有其他層。選擇這些層以提供最佳性能并同時保持體系結(jié)構(gòu)的模塊化。（1）物理設(shè)備層。該層由無線傳感器、執(zhí)行器和控制器組成，該層實際上是物聯(lián)網(wǎng)的“物”。物理設(shè)備是所有體系結(jié)構(gòu)中的公共層，在這一層中，將采用諸如納米芯片的小型傳感設(shè)備來增加計算處理能力并降低功耗，納米芯片能夠產(chǎn)生大量的初始處理數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)適用于數(shù)據(jù)分析層（第七層）。（2）通信層。該層由兩個子層組成：D2D通信層和連接層。由于物理設(shè)備（節(jié)點）的處理能力和智能分析不斷增強，為了提高IoT系統(tǒng)的效率和功能，這些設(shè)備應(yīng)組成一個HetNet相互通信。在設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信子層中，利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的最新通信協(xié)議，節(jié)點可以進行群集，甚至可以選擇一個領(lǐng)導(dǎo)者進行適當(dāng)?shù)穆?lián)網(wǎng)。此外，在此子層，5G是另一種可選技術(shù)，能夠增強D2D通信。在連接性子層中，設(shè)備連接到通信中心，例如BS。另外，該子層通過與存儲單元的Intranet連接，向中心發(fā)送和分析數(shù)據(jù)。目前，物聯(lián)網(wǎng)的這一子層存在一些特定問題：只能處理有限數(shù)量的設(shè)備連接；在自動駕駛汽車等應(yīng)用中，不適用于多種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)交換；由于通信延遲大，因此，難以實時處理大量數(shù)據(jù)。在不久的將來，從可靠性、性能和敏捷性的角度來看，5G的部署將在此子層上取得巨大發(fā)展。（3）邊緣（霧）計算層。在這一層，數(shù)據(jù)由節(jié)點或其領(lǐng)導(dǎo)者進行邊緣處理，以便在邊緣級別作出決策。隨著5G技術(shù)的引入和移動設(shè)備（例如智能手機）的興起，MEC技術(shù)將更強大地克服挑戰(zhàn)，并將在這一層作出巨大貢獻。（4）數(shù)據(jù)存儲層。該層包含數(shù)據(jù)存儲單元，其中存儲了從物理設(shè)備的邊緣處理獲得的信息以及原始數(shù)據(jù)，該層需要在安全性方面的特殊保護，并且還應(yīng)響應(yīng)未來應(yīng)用程序的巨大數(shù)據(jù)量和流量。（5）管理服務(wù)層。該層包括三個子層：①網(wǎng)絡(luò)管理子層。網(wǎng)絡(luò)管理涉及更改設(shè)備和數(shù)據(jù)中心之間的通信類型，該子層中涉及的最重要的技術(shù)是WSDN，WSDN管理IoT并啟用網(wǎng)絡(luò)重新配置，而不是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視，以提高性能。②云計算子層。在該子層中，來自邊緣計算的數(shù)據(jù)和信息在云中被重新處理，以便可以得出最終的處理信息。③數(shù)據(jù)分析子層。在該子層中，采用了新的數(shù)據(jù)分析方法，以從原始數(shù)據(jù)中產(chǎn)生價值（可操縱的信息）,大數(shù)據(jù)算法的任何改進都會增強此子層的數(shù)據(jù)處理。實際上，由于5G和IoT的集成，在不久的將來，該子層將占主導(dǎo)地位。（6）應(yīng)用層。該層通過軟件與其余層和數(shù)據(jù)進行交互，因此，沒有必要以網(wǎng)絡(luò)速度進行操作。通過控制應(yīng)用程序，垂直和移動應(yīng)用程序以及商業(yè)智能和分析，應(yīng)用程序能夠徹底改變垂直市場和業(yè)務(wù)需求。（7）協(xié)作和流程層。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和來自其他各層的信息是沒有用的。用戶通過執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯的應(yīng)用程序獲得授權(quán)，使用應(yīng)用程序和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)來滿足特定需求。有時，多個人出于不同目的使用同一應(yīng)用程序,實際上,個人必須能夠協(xié)作和交流以使IoT可用。（8）安全層。該層作為一個單獨層，覆蓋并保護了所有先前的層，但是每個部分（該層與另一層的交集）都有自己的功能。本文所提出的體系結(jié)構(gòu)的安全層包含各種安全功能術(shù)語、數(shù)據(jù)加密、用戶身份驗證、網(wǎng)絡(luò)訪問控制和云安全。此外，安全層還可以預(yù)防和預(yù)測危險和網(wǎng)絡(luò)攻擊。2.4基于5G的IoT架構(gòu)應(yīng)用范疇。當(dāng)前，業(yè)界對于5G技術(shù)的研究主要專注于技術(shù)創(chuàng)新，而沒有應(yīng)用到實際中。實際上，通過5G和IoT的集成，各種新技術(shù)也可以參與下一代IoT架構(gòu)，這些技術(shù)的適當(dāng)組合可以創(chuàng)建更全面的結(jié)構(gòu)，從而滿足下一代IoT應(yīng)用程序列出的要求。（1）車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。基于5G的IoT應(yīng)用之一是車聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)采用霧計算技術(shù)實現(xiàn)，圖3為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[9]架構(gòu)圖，具有以下特點。①為用戶提供的服務(wù)質(zhì)量更高：與云相比，霧計算可以通過增加數(shù)據(jù)速率和減少服務(wù)延遲和響應(yīng)時間來增強服務(wù)質(zhì)量。而且，通過本地連接下載，無需通過骨干網(wǎng)，用戶可以從降低的帶寬成本中受益。②增強的網(wǎng)絡(luò)效率：霧計算避免了云與移動用戶之間的來回流量。不僅節(jié)省了骨干網(wǎng)帶寬，而且還大大減少了核心網(wǎng)絡(luò)的能耗和碳足跡。（2）B端業(yè)務(wù)應(yīng)用。如圖4所示，霧計算通過提供受特定5G站點約束的本地化服務(wù)來解決B端應(yīng)用安全問題，在購物中心內(nèi)部部署霧計算服務(wù)器并預(yù)緩存本地化的內(nèi)容。因此，移動用戶可以享受高速率的本地連接，而無需通過云進行搜索。

3.結(jié)論

本文提出了一種新穎的體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)考慮了新應(yīng)用程序及其生成的數(shù)據(jù)的未來需求。同時，還提出了一種新模型，該模型包括納米芯片、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)、設(shè)備到設(shè)備(D2D)通信、5G-IoT、無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)(WSDN)、數(shù)據(jù)分析和大數(shù)據(jù)。基于這些技術(shù)，提出了一種新穎的架構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)是模塊化的、高效的、可伸縮的、可靠的、簡單的，并且能夠支持較高的應(yīng)用程序需求。

作者:楊凡 單位:廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院