5G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

王煜鋒

【摘要】? ? 現(xiàn)階段，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代正在快速發(fā)展，各行各業(yè)從中受益匪淺。其中，物聯(lián)網(wǎng)更是5G技術(shù)未來的直接收益產(chǎn)業(yè)之一。但在，物聯(lián)網(wǎng)在5G環(huán)境下，正式受益之前，仍然有許多方面需要解決和標(biāo)準(zhǔn)化。在5G技術(shù)支持下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該更快，提供更高質(zhì)量的服務(wù)并更好地滿足客戶不斷變化的需求。本文正是據(jù)此出發(fā)，試圖為相關(guān)從業(yè)人員的設(shè)計(jì)提供一定的思考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G網(wǎng)絡(luò)? ?物聯(lián)網(wǎng)? ?發(fā)展前景? ? 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

引言

5G網(wǎng)絡(luò)建立在現(xiàn)有4G LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，并具有LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)的一部分功能，包括載波聚合，通過網(wǎng)絡(luò)容量增加和更高的吞吐率，可以有效地利用現(xiàn)有頻譜。自組織網(wǎng)絡(luò)將扮演關(guān)鍵角色，而協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)等技術(shù)將使運(yùn)營商能夠同時(shí)傳輸和處理來自多個(gè)站點(diǎn)的信號(hào)。[1]5G架構(gòu)和部署將取決于網(wǎng)絡(luò)的使用方式。例如，諸如流視頻，視頻會(huì)議和虛擬現(xiàn)實(shí)之類的應(yīng)用需要隨著視頻流量的增長(zhǎng)而高速發(fā)展。為了達(dá)到這個(gè)要求，網(wǎng)絡(luò)需要大量的小小區(qū)覆蓋和更高的帶寬頻譜。此外，5G將成為支持許多設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)。這樣的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在具有增強(qiáng)覆蓋范圍的低帶寬傳輸中應(yīng)該是高效的。[2]由于5G系統(tǒng)規(guī)模龐大，固有的復(fù)雜性和異構(gòu)性，5G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)分析將成為新的5G關(guān)鍵問題的主要推動(dòng)力之一。

一、物聯(lián)網(wǎng)的定義和現(xiàn)狀

1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義

“物聯(lián)網(wǎng)”（IoT）一詞是由Kevin Ashton于1999年在供應(yīng)鏈管理的背景下首次提出。物聯(lián)網(wǎng)在信息和通信技術(shù)（ICT）的最新進(jìn)展的推動(dòng)下，正在徹底改變世界，打開了新的可能性，并提供了僅幾年前就無法想象的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)的概念是高度多學(xué)科的，因?yàn)樗鼌R集了各種各樣的技術(shù)，協(xié)議，應(yīng)用程序，場(chǎng)景和學(xué)科。[3]國際電信聯(lián)盟（ITU）標(biāo)準(zhǔn)化部門將其定義為“ 信息社會(huì)的全球 基礎(chǔ)設(shè)施，通過基于現(xiàn)有和不斷發(fā)展的可互操作的信息和通信技術(shù)互連（物理和虛擬）事物來實(shí)現(xiàn)高級(jí)服務(wù) ”?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)屬于網(wǎng)絡(luò)，國際電聯(lián)引入了基礎(chǔ)設(shè)施一詞，并將物聯(lián)網(wǎng)定義為“信息社會(huì)的全球基礎(chǔ)設(shè)施，通過基于現(xiàn)有的和不斷發(fā)展的可互操作的信息和通信互連（物理和虛擬）物聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)高級(jí)服務(wù)技術(shù)”。此外，國際電聯(lián)認(rèn)識(shí)到表征事物的三個(gè)相互依存的維度，這表明物聯(lián)網(wǎng)在需求和用戶需求方面有所不同的應(yīng)用領(lǐng)域中的多功能性。具體如下圖1所示。

1.2物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今發(fā)展最快的趨勢(shì)之一，尤其是在以下三個(gè)開發(fā)線中：分析領(lǐng)域，邊緣計(jì)算的開發(fā)和5G網(wǎng)絡(luò)的部署。隨著5G技術(shù)的逐步實(shí)施和部署，當(dāng)前的分析平臺(tái)將需要進(jìn)行調(diào)整，以便有效地分析由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)流，這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有越來越強(qiáng)大的內(nèi)置傳感器和新興的實(shí)時(shí)分析功能，這些功能通過快速出現(xiàn)和增強(qiáng)而變得更加強(qiáng)大。作為基礎(chǔ)設(shè)施，物聯(lián)網(wǎng)可以看作是一個(gè)涉及數(shù)據(jù)，資源，標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議以及理論研究的更廣泛的系統(tǒng)。迄今為止，智能設(shè)備已構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)最明顯的形式，并應(yīng)用于各種場(chǎng)景和行業(yè)，例如城市、工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)和家庭。估計(jì)表明，到2021年，人均智能設(shè)備將達(dá)到2.6個(gè)，其中40.2%將位于“工業(yè)4.0”中。

二、5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景

無所不在的語音和視頻傳輸，伴隨著云技術(shù)的傳播，基于照片的共享和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)服務(wù)）刺激了對(duì)第五代無線網(wǎng)絡(luò)（縮寫為5G）技術(shù)的需求。通常，確定5G用例所需的以下要求：

網(wǎng)絡(luò)要求：具有5G功能的網(wǎng)絡(luò);速度更快，容量更大的網(wǎng)絡(luò)，可以提供視頻和其他內(nèi)容豐富的服務(wù);基于不同技術(shù)等的設(shè)備的大規(guī)模連接

應(yīng)用要求：在大數(shù)據(jù)三重存儲(chǔ)上進(jìn)行一致的流程挖掘;網(wǎng)絡(luò)能力測(cè)量模塊;推理模塊;學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)模塊（例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）;優(yōu)化模塊;相應(yīng)的領(lǐng)域和應(yīng)用程序本體;等等

存儲(chǔ)要求：大數(shù)據(jù)三重存儲(chǔ);處理大量（PB或更多）數(shù)據(jù)的可能性;分布式冗余數(shù)據(jù)存儲(chǔ);大規(guī)模并行處理;提供語義大數(shù)據(jù)處理能力;集中管理和協(xié)調(diào)。

盡管5G網(wǎng)絡(luò)主要是為增強(qiáng)通信目的而設(shè)計(jì)的，但高精度定位已被視為5G的關(guān)鍵特征之一。根據(jù)關(guān)注區(qū)域的類型及其5G服務(wù)特性給出了特定的定位精度，包括水平和垂直方向。對(duì)于某些用例，在適用時(shí)，還提供了速度估算和設(shè)備方位估算的精度要求。

5G網(wǎng)絡(luò)表明在同一環(huán)境中需要多種無線技術(shù)共存。在這樣的環(huán)境中引起的問題是多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)之間的相互干擾，這是相同資源集合的使用重疊的結(jié)果。通常，當(dāng)相同的射頻用于基于不同無線電技術(shù)的多個(gè)通信信道時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況。傳統(tǒng)上，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義的協(xié)調(diào)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)使用相同技術(shù)時(shí)解決該問題。在基于異構(gòu)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)共存的情況下，需要新的協(xié)調(diào)概念。將5G網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前使用的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較。每個(gè)地理區(qū)域的數(shù)據(jù)量高出1000倍，典型用戶數(shù)據(jù)速率高出100倍，端到端延遲不到1毫秒。

三、5 G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1相關(guān)工作

將5G網(wǎng)絡(luò)引入到物聯(lián)網(wǎng)中帶來了一些挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些技術(shù)通常需要大量的計(jì)算資源，通常需要高性能計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)，存儲(chǔ)和處理大量數(shù)據(jù)?；贗MS（IP多媒體子系統(tǒng)）的非許可移動(dòng)訪問（UMA）提供垂直切換和互通，以擴(kuò)展IP網(wǎng)絡(luò)上的移動(dòng)語音、數(shù)據(jù)和多媒體應(yīng)用。該數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)備好供邊緣網(wǎng)絡(luò)使用。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)是為單獨(dú)的實(shí)體設(shè)計(jì)的，即網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器作為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的互通設(shè)備，可以由運(yùn)營商擁有和控制。在研究了固定移動(dòng)融合（FMC）后，考慮到移動(dòng)IP（MIP）、NGN和P2P都實(shí)現(xiàn)了無線和有線服務(wù)以及使用便攜式設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上的完整可移植性。因此，通過使用填充將802.16數(shù)據(jù)包嵌入到802.11a廣播數(shù)據(jù)包中來工作，以便所有傳輸都可以在802.16幀邊界上對(duì)齊。本文提出了一種基于速度和平均接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）估計(jì)算法的垂直切換，目的是減少骨干網(wǎng)的信令開銷并基于呼叫允許控制（CAC）提供較低的切換延遲，以避免由于上層消息交換而造成的延遲，以提高傳輸?shù)腝oS保證。通過在上行鏈路上將WiMAX幀與WiFi傳輸數(shù)據(jù)包封裝在一起，在下行鏈路中將WiMAX幀封裝起來。該方法大大降低了RTS-CTS-ACK交換固有的開銷。與傳統(tǒng)方案相比，傳送比特?cái)?shù)提高了10%。

3.2系統(tǒng)模型和方案設(shè)置

基于5G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)系設(shè)計(jì)大體上可以分作以下幾個(gè)主要模塊和子模塊：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊（DAM）：Redis是一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，可以選擇在磁盤上進(jìn)行持久性存儲(chǔ)，因此它代表了一種折衷方案，其中以無法設(shè)置的較大數(shù)據(jù)集為代價(jià)實(shí)現(xiàn)了很高的讀寫速度比記憶。因此，可以預(yù)期可以容易地實(shí)現(xiàn)100倍壓縮率。5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用了分布式存儲(chǔ)和處理框架，例如開源Apache Hadoop框架。Apache Hadoop支持跨計(jì)算機(jī)集群的分布式數(shù)據(jù)處理。流行的MapReduce分布式數(shù)據(jù)處理模型，Hadoop分布式文件系統(tǒng)（HDFS）和分布式表存儲(chǔ)HBase 是Hadoop組件。

（2）預(yù)處理模塊（PPM）：異常檢測(cè)是一個(gè)重要的問題，它們可以為用戶提供有價(jià)值的信息，可以主動(dòng)使用這些信息，從而進(jìn)一步提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)效率并提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該模塊將以獨(dú)立的批處理方式從數(shù)據(jù)序列中提取參數(shù)。根據(jù)最終用戶應(yīng)用程序的要求，包含指向相應(yīng)行數(shù)據(jù)記錄的指針，這些指針分別存儲(chǔ)，以便語義搜索也可以檢索行數(shù)據(jù)。估計(jì)每年不超過250個(gè)潛在的不穩(wěn)定性間隔，平均1%的傳感器在一個(gè)測(cè)量時(shí)刻檢測(cè)到不穩(wěn)定性，導(dǎo)致每年250×0.01×4M = 10M不穩(wěn)定性間隔。

（3）語義模塊（SM）：基于用于可擴(kuò)展鏈接數(shù)據(jù)語義數(shù)據(jù)集管理的平臺(tái)。該平臺(tái)將具有基于Web的高級(jí)協(xié)作本體編輯器，并且在使用的三重存儲(chǔ)方面具有靈活性。默認(rèn)情況下，該技術(shù)將允許采用不同的推理器。預(yù)期的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)效率基于對(duì)傳感器物理特征，其組織和位置，價(jià)格，測(cè)量單位類型等的語義描述的有效使用。為此，可以將許多標(biāo)準(zhǔn)本體加載到系統(tǒng)中出于特定的應(yīng)用目的，將使用在線協(xié)作本體編輯器來允許最終用戶調(diào)整現(xiàn)有本體并開發(fā)新的本體，并用于諸如時(shí)間本體，測(cè)量本體等領(lǐng)域。

（4）最終用戶Web應(yīng)用程序模塊（WAM）：可以實(shí)現(xiàn)為高級(jí)Ajax前端，可以使用RESTful服務(wù)API和SPARQL查詢與后端進(jìn)行通信。它應(yīng)該包含以下子模塊：

NLP子模塊：用戶以簡(jiǎn)化的英語輸入搜索查詢，因此要求最終用戶具有較低的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，同時(shí)為了降低語言使用和處理的復(fù)雜性，需要利用特定領(lǐng)域的語言細(xì)節(jié)。然后處理輸入，并將其轉(zhuǎn)換為SPARQL查詢，以對(duì)語義注釋的數(shù)據(jù)進(jìn)行語義搜索。然后，可以使用數(shù)據(jù)預(yù)處理算法檢索不穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間間隔，并記錄數(shù)據(jù)序列開始和結(jié)束的日期和時(shí)間。

報(bào)告和分析子模塊：數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過視覺上吸引人的圖表，圖形，表格等方式直觀地呈現(xiàn)。語義過濾適用于功能強(qiáng)大的分面搜索和瀏覽搜索結(jié)果。而且，數(shù)據(jù)分析人員能夠?qū)⒃诰€數(shù)據(jù)顯示重新配置為簡(jiǎn)單的Web應(yīng)用程序。標(biāo)準(zhǔn)RDF / XML語言支持中定義的現(xiàn)有功能可以提供多語言支持。

附加功能：將異常事件分類為低，中，高，還可以將異常強(qiáng)度指定為不穩(wěn)定區(qū)間中最大測(cè)量值與目標(biāo)值的偏差的百分比。兩個(gè)或多個(gè)不穩(wěn)定性區(qū)間重疊的條件概率估計(jì)將基于簡(jiǎn)單的分析算法，例如計(jì)數(shù)（“ x of y”或“ x / y”，6 of 9或7/10，在搜索結(jié)果中表示重疊。

推理和預(yù)測(cè)模塊：可以實(shí)現(xiàn)為高級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?？梢詫⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)用于RPM的學(xué)習(xí)組件。在5G網(wǎng)絡(luò)下的物聯(lián)網(wǎng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被證明可以有效地進(jìn)行干擾檢測(cè)和分類以及時(shí)間序列預(yù)測(cè)任務(wù)，對(duì)于協(xié)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)連入設(shè)備至關(guān)重要。

四、結(jié)論

綜上所述，5G網(wǎng)絡(luò)不僅為物聯(lián)網(wǎng)帶來了新的技術(shù)和運(yùn)營挑戰(zhàn)，而且還涉及各種法律和法規(guī)方面以及約束條件。因此，5G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)需要靈活并且可以在其使用壽命內(nèi)進(jìn)行修改。因此，應(yīng)使用定義明確的退出策略程序來設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]國家發(fā)改委經(jīng)濟(jì)體制與管理研究所產(chǎn)業(yè)室原主任? 史煒. “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是我國工業(yè)振興之本[N]. 人民郵電，2020-07-23（003）.

[2]郭成元，高俊科.智能包裝物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].印刷雜志，2020（04）：27-30.

[3]余敏，李永騰，葛志峰，郭鵬程，柏帆.智能移動(dòng)雙光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2020，28（13）：179-183.