5G网络的物联网通信技术及挑战

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摘要：当前，4G网络已被人们广泛使用，它不仅用于人与人之间的通信，还应用于物联网（IoT），并推动物联网相关技术的快速发展，不断满足未来物联网需求。目前，人们对机器型通信（MTC）的需求造成了各种通信技术具有多种服务要求，从而实现现代物联网的愿景。尽管这样，现有物联网通信技术仍然面临诸多挑战，如大量节点连接，安全性和隐私以及对应标准制订等问题，并且由于4G网络设计的局限性，导致其对物联网的优化程度比较差。随着5g网络技术的日趋成熟，基于5G网络的物联网将会得到更大的性能提升，包括增强蜂窝网运营容量，提高物联网安全性以及网络挑战能力等。本文主要介绍了目前5GIoT的最新通信技术以及5GIoT的主要研究趋势和挑战。

关键词：5G网络；物联网通信技术（IoT）；第五代物联网（5GIoT）

0引言

作为一种很有市场前景和价值的技术，物联网是一种通过互联网连接大规模的低功耗交互式设备而实现技术，例如可穿戴设备、智能传感器、智能电器、平板电脑、智能手机和智能交通系统等，这对我们的生产方式以及生活活动产生了巨大的影响。研究还指出，这些设备中将有70亿通过蜂窝技术连接，例如目前的2G、3G和4G。而5G网络作为新一代移动无线网络技术，它将会在2020年后开始部署商用。国际电信联盟（ITU）对5G提出了8大指标要求，分别是基站峰值速率、用户体验速率、频谱效率、流量空间容量、移动性能、网络能效、连接密度和时延，具体表现在其传输速率将在现有基础上提升10～100倍，峰值传输速率达到10Gbit/s，端到端时延达到ms级，连接设备密度增加10～100倍，流量密度提升1000倍，频谱效率提升5～10倍，能够在500km/h的速度下保证用户体验。

1现有物联网通信技术

物联网是基于现有的互联网技术而实现的一个全新技术领域，它最大程度地打破了时间和空间的局限，直接将“人与人”“人与物”“物与物”三者进行有效的联系。在考虑大规模部署物联网应用时，较低的部署成本和设备成本，较长的电池寿命，可扩展的覆盖面积以及支持大规模连接设备的数量和隐私安全性等关键要素已成为当前需要解决的主要问题。满足物联网应用未来需求最关键的便是推动蜂窝网络技术的发展。目前，固定和短距离通信标准被用于大多数网络连接。传统的短程无线网络技术正在用于支持短距离的M2M通信应用，包括蓝牙、ZigBee和低功耗WiFi。但是这些短程连接技术具有很大的局限性，无法支持城市、工业以及其它大规模物联网应用。LPWA技术因具有广泛的覆盖面，较高的能源效率、信道带宽和数据速率，以及较低的能耗等独特的功能而非常适合于物联网应用。作为一种超远距离无线传输方案，LoRa基于扩频技术实现，具有传输距离远、功耗低、连接节点多和低成本的特点。SigFox以超窄带技术建设物联网设备专用的无线网络，提供一个完整的端到端连接解决方案。NB-IoT和eMTC都是窄带LTE技术，跟现有的LTE网络比较，它们都通过较大程度降低传输速率的方式来实现低数据速率的物联网设备的连接。具体来说，NB-IoT使用的带宽大约为200KHz，而eMTC技术使用1.4MHz带宽；NB-IoT支持100Kbps以下速率传输较低的流量数据，而eMTC支持最高1Mbps数据传输速率。

25G网络主要技术

5G移动网络无线通信所依靠的技术主要包括高效能的无线传输技术和高密度的无线网络技术。在无线通信系统中，采用多天线技术能够显著提高无线网络系统的频谱效率和数据传输的可靠性。作为5G网络的关键技术之一，滤波器组的载波器技术（FBMC），通过合成滤波器组来实现发射端的多载波调制，利用分析滤波器组来实现接收端的多载波解调。相较于OFDM（即正交频分复用）技术，它在每个子载波上使用单独的滤波器，以消除子载波间的干扰。在无线网络技术方面，集中化的、协作的、“云”化的无线接入网（C-RAN）技术、软件定义网络SDN、网络功能虚拟化NFV技术、超密集网络技术UDN、自组织网络SON、Multi-RAT技术、设备到设备D2D技术都是5G网络架构的候选关键技术。C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算架构的绿色无线接入网架构。网络功能虚拟化NFV技术通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备不再依赖于专用硬件，实现资源充分的、灵活的共享，增强了网络弹性和自适应性。

35GIoT关键技术

作为5G网络的关键技术之一，NFV旨在为5GIoT应用提供可扩展的、灵活的网络，这将使得基于分布式云的自定义网络切片为5GIoT应用创建可编程网络环境。NFV能够将一个物理网络分成多个虚拟网络，其中设备可根据应用需求重新配置来构建多个网络。在两个设备（D2D）之间建立短程通信成为5GIoT数据传输的新方式，这将降低5GIoT应用的功耗，提高其负载的平衡，为边缘用户提供给更好的QoS。正因为如此，D2D通信正在逐步成为领先的技术。D2D还可被用作NB-IoT上行链路的扩展，可以通过NB-IoT建立路由蜂窝链路。并且在物联网中，D2D可与移动NB-IoT用户设备配合使用。在未来5G系统中，MTC通信，毫米波，移动边缘计算，软件定义网络SDN，网络功能虚拟化NFV和窄带物联网NB-IoT等都将在IoT中扮演重要角色。

45GIoT挑战及发展趋势

5G可以满足未来物联网的需求，但是5GIoT的体系结构也面临着设备之间的可信通信，安全问题等一系列研究挑战。虽然对5GIoT已经做了很多的研究工作，但仍然存在一些技术挑战。5GIoT体系结构的设计本身就是一个巨大的挑战。由于大量物联网设备，网络可扩展性成为一个主要问题，同时管理大量物联网设备的状态信息也是一个需要考虑的问题。同时，还需要考虑到5GIoT的互操作性和异构性。异构网络之间的无缝互连同样也是一项重大的挑战，大量物联网设备通过通信技术与其它智能网络或应用连接进行通信、传播以及收集重要信息等活动，它们之间的互操作性也是必须要解决的一个重要问题。同时，结构设计还需要考虑到5GIoT安全保障和隐私问题。无线软件定义网络对于5G数据网络的有效性来说也仍然是一个重要挑战。为了保证高度灵活的核心网络，可扩展的SD-CN对网络可扩展性提出了挑战。同时，控制分离数据平面对于大多数SDN来说都比较困难。NFV与SDN高度互补，但不依赖于SDN，它运行在第三方公共云上，因此安全跟隐私也成为一大问题。针对5GIoT，提出了大量物联网解决方案，同时5GIoT的标准化也会使得物联网应用实现及开发变得更加容易。但是由于在5GIoT中网络和设备的多样性，IoT系统和应用缺乏一致性和标准化，因此提出的物联网解决方案仍存在很多障碍和挑战。5GIoT涉及两种标准。一是技术标准，包括无线通信，数据汇总标准等；二是监管标准，包括数据的安全性和隐私性，例如通用数据保护法则（2018），安全解决方案，密码原语等。对于5GIoT的研究目前还处在初级阶段，除了要解决上述遇到的挑战外，还应对未来的研究趋势进行探索。由于物联网的多样性，5GIoT将会越来越分散，因此需要开发更加复杂的技术，例如NVFs来管理5GIoT。边缘计算是5GIoT的另一个关键用例。边缘计算结合5G网络将推动物联网设备成为物联网的核心，并且将显著提升相关应用计算能力，例如AR/VR。除此之外，在高设备密度的情况下，实现上下文感知解决方案将会有效增加物联网实体规模，增强移动性和异构性。

5结论

随着5G技术的日渐成熟，5G网络将在2020年得到部署并开始商用。5G网络的很多关键技术就是为了满足物联网应用需要而开发的，它解决了很多物联网发展受限的主要瓶颈和挑战。但同时，5GIoT也仍然面临着很多亟待解决的关键挑战，只有很好地解决了这些现存的问题，5GIoT才能真正发挥它的巨大潜力，实现万物智能互联，彻底改变我们的生活，彻底改变整个世界。

作者：马少杰 单位：中国移动通信集团河南有限公司