和 乾

（鐵人學(xué)院，黑龍江 大慶 163000）

隨著現(xiàn)代信息時(shí)代的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為人們生活中的重要組成部分，在人們的工作、學(xué)習(xí)、生活中具有十分重要的作用，而且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，需要將通信網(wǎng)絡(luò)作為承載其基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，將移動(dòng)終端與物聯(lián)網(wǎng)終端的融合聯(lián)系在一起，才能提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸速度。[1]由于早期物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在部署范圍、應(yīng)用領(lǐng)域等方面受到通信網(wǎng)絡(luò)的限制，導(dǎo)致終端與終端之間、后臺(tái)軟件之間難以有效地協(xié)同工作，這就需要建立新型的無線物聯(lián)網(wǎng)鏈接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)終端的融合，采用LTE 無線通信網(wǎng)絡(luò)可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)、通信網(wǎng)（有線或無線）和云計(jì)算平臺(tái)結(jié)合在一起，形成多元化、智能化的物聯(lián)網(wǎng)控制環(huán)境，并將智能感知、識(shí)別與物質(zhì)控制等技術(shù)融入通信網(wǎng)絡(luò)中，大大提高了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的效率。

1 物聯(lián)網(wǎng)與LTE 系統(tǒng)分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是由多個(gè)感知系統(tǒng)、智能傳感網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)成，再輔以智能化的計(jì)算、信息處理與泛在互聯(lián)技術(shù)作為信息共享的支撐網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)通信信息的匯聚、協(xié)同整合、泛在聚合、交互共享等數(shù)據(jù)處理的過程，從而能夠形成綜合性的智慧通信網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要涉及智能電網(wǎng)、智能交通、電子政務(wù)技術(shù)、智能建筑控制、智能工業(yè)生產(chǎn)、智能農(nóng)業(yè)與遠(yuǎn)程醫(yī)療等多個(gè)方面，物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于與其連接的互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值，其核心技術(shù)主要包括前端的透徹感知技術(shù)（處理物聯(lián)網(wǎng)前端的數(shù)據(jù)）、中端的泛在接入技術(shù)（通信過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)）和后端的數(shù)據(jù)智能處理、分析技術(shù)（對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合分析處理），在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中主要分為智能感知層、泛在接入層和個(gè)性應(yīng)用層，在不同的層級(jí)中采用不同的關(guān)鍵技術(shù)等，共同實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的識(shí)別、采集、傳輸與智能化處理。[2-4]

感知層對(duì)物理層的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、識(shí)別與處理，一般采用RFID、條形碼、傳感器等技術(shù)設(shè)備來獲取物理層的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行傳輸。泛在接入層主要采用各種通信技術(shù)，如無線/有線接入技術(shù)、感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、2G/3G/4G/5G、無線WI-FI 網(wǎng)絡(luò)等，重點(diǎn)解決的是如何將感知設(shè)備接入核心網(wǎng)絡(luò)層。感知層要實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的信息進(jìn)行智能化處理與傳播，為了提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用的有效性，還需要對(duì)智能感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化的分析，在個(gè)性化應(yīng)用層需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將云計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)、智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)等作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的核心關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 LTE 技術(shù)

LTE（Long Term Evolution）技術(shù)結(jié)合當(dāng)前的移動(dòng)通信技術(shù)，LTE 系統(tǒng)可以運(yùn)行在其具備較強(qiáng)的適應(yīng)性、實(shí)用性，具備網(wǎng)絡(luò)高速通信的功能，提供了高速的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)下載能力。在物聯(lián)網(wǎng)與LTE 系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，使得下行峰值速率為100Mb/s，而網(wǎng)絡(luò)的下行速率能夠達(dá)到50Mb/s，網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率在下行鏈路能夠達(dá)到5b/s/Hz，是HSDPA 網(wǎng)絡(luò)的3-4 倍，上行鏈路為2.5b/s/Hz，是HSUPA 的2-3 倍。在LTE 網(wǎng)絡(luò)通信中，主要包括正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）與多輸入多輸出（MIMO0兩項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。

OFDM 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸之一，其功能是在給定的通信信道內(nèi)生成多個(gè)正交子信道，可以將高速通信的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行、子波后，進(jìn)行信號(hào)調(diào)制后傳輸。[5]OFDM 技術(shù)采用的是頻分復(fù)用技術(shù)，主要差別在于不同的載波頻譜可以相互交疊使用，從而能獲得較高的不同載波頻率，提高無線通信地方頻譜利用效率。多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)是無線通信的關(guān)鍵，在多個(gè)天線之間建立通信通道，在不增加網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的基礎(chǔ)上，可以快速地改善物聯(lián)網(wǎng)的通信質(zhì)量，或者提高網(wǎng)絡(luò)通信的效率，MIMO 技術(shù)的實(shí)質(zhì)是為物聯(lián)網(wǎng)通信提供空間復(fù)用增益和空間分集增益，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，降低網(wǎng)絡(luò)通信的誤碼率。

2 LTE 與物聯(lián)網(wǎng)融合的策略分析

2.1 LTE 系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合架構(gòu)分析

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與LTE 系統(tǒng)的融合，需要將LTE 技術(shù)作為通信的技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來識(shí)別與采集數(shù)據(jù)信息，采用LTE 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的要求。

整體通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為3 個(gè)部分，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)/應(yīng)用中心、LTE 傳輸網(wǎng)絡(luò)（負(fù)責(zé)應(yīng)用層與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信數(shù)據(jù)處理）作為中間架構(gòu)，以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)（功能是采集、識(shí)別數(shù)據(jù)）。[6]對(duì)象命名服務(wù)器（ONS）作為應(yīng)用中心服務(wù)器，主要包括服務(wù)器與中間件兩個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、加工處理與分類，由物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，內(nèi)部中間件功能是對(duì)各種數(shù)據(jù)處理，它與互聯(lián)網(wǎng)中的域名解析系統(tǒng)（DNS）的功能類似，能快速地物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的信息進(jìn)行處理，用于對(duì)相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器定位，便于LTE 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與處理，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器是系統(tǒng)的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)不同用戶之間的數(shù)據(jù)交換，外界用戶或應(yīng)用主要是通過LTE 系統(tǒng)通信，從而服務(wù)器中讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)，以獲得各種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，內(nèi)部中間件的功能是提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和LTE核心網(wǎng)絡(luò)之間的接口，主要保障物理層數(shù)據(jù)的收集、識(shí)別，并保障網(wǎng)絡(luò)通信的安全。

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，LTE 傳輸網(wǎng)絡(luò)的功能是完成通信基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)與控制信令傳輸，它由eNB 和移動(dòng)管理實(shí)體（MME）/服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）共同組成，負(fù)責(zé)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)處理。管理實(shí)體MME 根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信的要求，為物聯(lián)網(wǎng)用戶提供uE 和LTE 核心網(wǎng)絡(luò)的信令交互，快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，S-GW 的功能是對(duì)物理網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)包、移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)處理，以達(dá)到優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)通信的目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能是解決數(shù)據(jù)通信的轉(zhuǎn)發(fā)問題，它從所有傳感器、識(shí)別設(shè)備等收集數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合外部用戶的需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。外部用戶與物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理，通過中間件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，以獲得物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)關(guān)控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以精準(zhǔn)的控制物聯(lián)網(wǎng)通信中出現(xiàn)的問題。利用LTE 通信網(wǎng)絡(luò)將用戶接入物聯(lián)網(wǎng)中，登錄服務(wù)器，查詢相關(guān)設(shè)備的使用情況，還能通過LTE 網(wǎng)絡(luò)控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，針對(duì)不同用戶的需求，提供不同的應(yīng)用服務(wù)。

2.2 LTE 系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)融合優(yōu)化策略

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信地址標(biāo)識(shí)處理

LTE 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與IPV6 技術(shù)的相互融合，大大提高了物聯(lián)網(wǎng)通信的技術(shù)，在LTE 系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)通信融合中，LTE 通過系統(tǒng)需要在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立、通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)搭建、通信標(biāo)準(zhǔn)等方面，需要綜合對(duì)IPV6 的市場進(jìn)行綜合性分析與全方位進(jìn)行綜合性考慮。妥善處理物聯(lián)網(wǎng)通信地址標(biāo)識(shí)處理，便于用戶能夠快速地訪問物理設(shè)備。由于IPV4 通信網(wǎng)絡(luò)，只能給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供40 億個(gè)物理地址，在物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大的情況下，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)地址受到限制，而IPV6 幾乎不受IP 地址的限制，可以為所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供IP 地址。因此，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以借助LTE 網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的檢測，并能支持IPV6，動(dòng)態(tài)地為物聯(lián)網(wǎng)的物理設(shè)備、終端等提供IP 地址，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工作的要求，為各項(xiàng)物理設(shè)備、終端設(shè)備提供所需的物理標(biāo)識(shí)。[7]

2.2.2 擁塞控制問題

在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)通信擁塞控制的問題一直是用戶關(guān)注的問題，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)處理開展精細(xì)化服務(wù)質(zhì)量，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工作處理要求，劃分業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)共同標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)通知質(zhì)量具有十分重要的作用。在物聯(lián)網(wǎng)通信中也需要解決通信擁塞的問題，將LTE 通信技術(shù)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)中，將4G/5G 通信網(wǎng)絡(luò)綜合在一起，采用通過下策略控制和計(jì)費(fèi)（PCC）功能，為物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營商提供業(yè)務(wù)控制支持服務(wù)，方便運(yùn)營商部署PPC 系統(tǒng)，并利用LTE 網(wǎng)絡(luò)的QCI（Qos Class Identifier）通信質(zhì)量控制功能，為物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)質(zhì)量控制，保障物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的安全、網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性、容錯(cuò)性等，在提高物聯(lián)網(wǎng)通信質(zhì)量的同時(shí)，還有利于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的通信質(zhì)量進(jìn)行控制，以有效地解決物聯(lián)網(wǎng)通信中的擁塞問題。

2.2.3 滿足物聯(lián)網(wǎng)高帶寬需求

LTE 通信系統(tǒng)為無線網(wǎng)的通信提供了足夠的通信帶寬與較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳送效率，能滿足物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，LTE 通信系統(tǒng)可以將峰值速率控制在下行速率在100Mbps，上行速率控制在145Mbps 的范疇內(nèi)，大大地延伸了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用功能，為用戶、運(yùn)營服務(wù)商提供了足夠的通信帶寬。為了解決網(wǎng)絡(luò)通信的要求，LTE 通信網(wǎng)絡(luò)不僅要為物聯(lián)網(wǎng)提供足夠的帶寬，還需降低物聯(lián)網(wǎng)通信的成本。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信的要求，LTE通信系統(tǒng)還需具有如下的特征，才能滿足物聯(lián)網(wǎng)高帶寬的要求。

1.低時(shí)延。在物聯(lián)網(wǎng)通信中，要求為用戶提供低時(shí)延的服務(wù)，才能提高用戶的體驗(yàn)效果，利用LTE 通信系統(tǒng)，將通信的單向傳輸時(shí)延降低到5ms 以下，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的通信效率，利用LTE 通信系統(tǒng)的這一個(gè)特征，可以為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)性傳送物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供便利條件，通過網(wǎng)絡(luò)還具有自動(dòng)檢測的功能，網(wǎng)絡(luò)管理人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端通信故障，有利于系統(tǒng)管理人員對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行控制與管理。

2.每兆比特成本低。由于LTE 通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性比較強(qiáng)，且LTE 通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較少，LTE 通信網(wǎng)絡(luò)還能支持與2G/3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)的共站址構(gòu)建，降低物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的成本。[8]除此之外，LTE 通信網(wǎng)絡(luò)和WCDMA 通信網(wǎng)絡(luò)相比，頻譜效率比較高，能夠提供更好的通信頻譜，這就給運(yùn)營商節(jié)約了一定量的頻譜資源，降低了通信成本。因此，相比于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，采用LTE 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的每兆比特成本大大降低，為物聯(lián)網(wǎng)通信提供了基礎(chǔ)通信系統(tǒng)，也擴(kuò)大了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍。

3.物聯(lián)網(wǎng)通信的信號(hào)強(qiáng)度控制。物聯(lián)網(wǎng)要求為用戶提供高速率的通信服務(wù)，也需要為用戶提供良好的信號(hào)強(qiáng)度，便于用戶在服務(wù)的通信環(huán)境中，能夠獲得良好的物聯(lián)網(wǎng)通信效果，此特性課應(yīng)用到多種海量數(shù)據(jù)的通信應(yīng)用中，如車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)的發(fā)展，都需要良好的通信信號(hào)強(qiáng)度控制，才能為用戶提供良好的體驗(yàn)服務(wù)。

4.核心網(wǎng)不主動(dòng)釋放連接。物聯(lián)網(wǎng)在通信的過程中，需要長時(shí)間占用IP 通信地址，LTE 通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)不具備釋放IP 地址的功能，只要設(shè)備占用一個(gè)網(wǎng)址資源，如果沒有特殊的條件，就不會(huì)主動(dòng)釋放，這一特征為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的永久入網(wǎng)通信提供了基礎(chǔ)條件，從而能有效解決物聯(lián)網(wǎng)通信中的“信令風(fēng)暴”現(xiàn)象，降低了網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞現(xiàn)象。[9]在LTE通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，只有終端設(shè)備或eNodeB 設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)的核心層，核心網(wǎng)才會(huì)釋放與終端的連接，這就為物聯(lián)網(wǎng)的通信提供了網(wǎng)絡(luò)鏈接的基礎(chǔ)，如果通信連接沒有建立，網(wǎng)絡(luò)通信的IP 地址將不會(huì)發(fā)生改變，也提高了物聯(lián)網(wǎng)通信的效率。[10]

3 結(jié)語

借助LTE 核心的傳輸網(wǎng)絡(luò)將物聯(lián)網(wǎng)的信息快速傳遞給用戶端，增強(qiáng)了用戶對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的體驗(yàn)效果，對(duì)提升物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用十分有益。物聯(lián)網(wǎng)通信和人們的生活息息相關(guān)，特別是在智慧城市的建設(shè)中，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了更高的要求，特別是在遠(yuǎn)程醫(yī)療、衛(wèi)生環(huán)保、智能制造等應(yīng)用領(lǐng)域，將LTE 通信系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)通信的支持網(wǎng)絡(luò)，可以為物聯(lián)網(wǎng)通信提供更佳的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在解決網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量、通信速率等方面具有十分重要的作用，也有利于降低網(wǎng)絡(luò)通信的成本。