基于5G通信技術的IoT架構設計

楊 凡

（廣東女子職業(yè)技術學院，廣州 511450）

1. 概述

工業(yè)4.0代表了自動化和數據交換中的第四次工業(yè)革命（Fourth Industrial Revolution, 4IR）[1]，由網絡物理系統（CPS）、物聯網（IoT）和數據分析等新技術創(chuàng)新組成。它組織了物理設備、信息、人類和生物領域之間的特殊關聯，以改變傳統的生活方式。物聯網作為工業(yè)4.0最重要的組成部分之一，復雜的業(yè)務環(huán)境使得現有的物聯網體系架構無法滿足業(yè)務需求。根據Statista的報告，到2025年，全球已安裝的物聯設備數量將增加到750億個以上。因此，在不久的未來，新的物聯網應用及其生成的數據將逐年增加，數據量和客戶需求將高度增長，這就要求物聯網體系架構能夠滿足應用程序更快、更智能、更簡單、更可靠和更具可伸縮性的需求。

近年來，物聯網系統的通信部分已經得到了較大的發(fā)展，可將事物、設備與各種通信協議連接，例如ZigBee、 低 功 耗 藍 牙 (BLE)、 Wi-Fi、 GSM、 Lora和Sigfox等[2]。因此，通信協議的不平衡會造成嚴重的問題，例如射頻干擾（RFI）[3]。我們需要一種基于新技術的新穎架構來應對未來的挑戰(zhàn)，并且針對網絡、流程、應用程序和數據管理體系結構選用不同的通信和處理模型，傳統物聯網技術架構如圖1所示。

圖1 傳統物聯網技術架構

本文基于物聯網架構的未來需求，以實現互聯數十億個IoT設備為目標，設計了一個八層架構。該架構基于5G等新技術，根據實際的應用場景選擇層數，在設計過程中將各技術嵌入各個層中，該架構使IoT系統的分析、模塊化和可擴展性更加高效[4]。

2. 物聯網架構介紹

2.1 傳統物聯網架構介紹

（1）三層體系結構。三層架構是IoT發(fā)展的基礎，已在許多系統中設計和實現。通用物聯網架構包括三個層次：感知、傳輸及應用。感知層作為物聯網的底層，由各類型傳感器構成；傳輸層也稱為網絡層，作為物聯網架構的中間層，實現感知層數據的通信；業(yè)務層，也稱為應用程序層，作為物聯網架構的頂層，實現具體的業(yè)務，例如智慧城市、智慧交通、智慧電網等[5]。

（2）基于SDN體系結構?；赟DN的IoT體系結構，可為異構無線網絡環(huán)境中的各種IoT任務提供高服務質量（QoS）。

（3）基于QoS的體系結構。該架構具有以下特點：①自治的 , 以支持Internet斷開連接的網絡；②無處不在，其中智能物聯網(STN) 是Internet的一部分；③應用層覆蓋，使用NFV減少節(jié)點之間的壓力和擁塞；④面向服務，其中特定的網關與物聯網環(huán)境的固有異質性進行交互[6]。

（4）CloudThings體系結構。該架構主要支持物聯網的智能家居場景。按照智能家居應用場景，設計了基于云的物聯網平臺——CloudThings體系結構。該體系結構將信息作為中心，用來改善下一代Internet的服務適應性。

2.2 新一代物聯網體系架構

（1）納米芯片。在過去的二十年中，基于納米芯片的設備已廣泛應用于生物和化學樣品的分析。經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，廣泛應用于智慧醫(yī)療。

（2）異構網絡（HetNet）。異構網絡（HetNet）旨在滿足服務驅動5G-IoT的按需需求，這種新穎的網絡范例使5G-IoT能夠提供按需數據傳輸速率。近年來，已經設計了一些5G HetNet解決方案。

（3）設備到設備（D2D）通信。設備對設備(D2D) 通信已被設計為用于短距離數據傳輸的新方法，它將以更低的功耗、更好的用戶QoS和負載平衡服務于5G-IoT。傳統的宏蜂窩基站(MBS) 已考慮提供低功率的BS，但是，D2D使沒有BS的邊緣用戶設備與服務器之間的信息傳輸成為5G-IoT中的“小區(qū)層”。

（4）無線軟件定義網絡（WSDN）。無線軟件定義網絡(WSDN)是一種用于移動云計算的新技術，該技術可幫助網絡管理并啟用網絡配置，而不是提高網絡性能或網絡監(jiān)控。當前的網絡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打破了傳統網絡的垂直同化，并通過集中式網絡控制提供了對網絡進行編程的靈活性。SDN能夠根據其運行條件動態(tài)調整其網絡參數，可以通過WSDN范例實現5G網絡,以提供更快和可擴展的5G-IoT系統。

（5）移動邊緣計算（MEC）。邊緣（霧）計算是一種分布式計算范例，充當云數據和IoT設備/傳感器之間的中間層。移動邊緣計算(MEC) 提出網絡邊緣的服務執(zhí)行，其目的是在移動網絡邊緣提供IT服務環(huán)境和云計算能力。MEC參考體系結構和框架具有支持諸如位置識別、無線網絡信息和應用程序執(zhí)行之類的服務功能。在5G等移動網絡邊緣擴展云服務的優(yōu)勢包括低延遲、高帶寬以及對無線網絡信息和位置感知的訪問。該架構可能優(yōu)化當前的移動基礎架構服務或實施新的服務，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網絡將成為下一代物聯網的核心；②5G-IoT中的MEC將顯著增加需要大量計算處理的應用程序，例如虛擬現實(VR) 或增強現實(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)表示數據傳輸的基本基礎結構與設備之間的自動化數據通信。數據通信是在兩個MTC設備之間，或在MTC設備與數據庫之間開發(fā)的。MTC設置了廣泛的應用程序，從大型自治設備部署到關鍵任務服務。蜂窩系統(尤其是5G) 已被視為為MTC設備提供連接的重要候選者，MTC設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中強大的技術解決方案，以應對來自MTC設備的不斷增長的數據傳輸需求，這種情況出現了MTC的高數據速率支持和其他顯著特征[7]。

2.3 基于5G通信技術的IoT架構設計

本文所設計的基于5G的架構，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響應等特點[8]。

該結構由具有雙向數據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構的模塊化。

（1）物理設備層。該層由無線傳感器、執(zhí)行器和控制器組成，該層實際上是物聯網的“物”。物理設備是所有體系結構中的公共層，在這一層中，將采用諸如納米芯片的小型傳感設備來增加計算處理能力并降低功耗，納米芯片能夠產生大量的初始處理數據，該數據適用于數據分析層（第七層）。

（2）通信層。該層由兩個子層組成：D2D通信層和連接層。

圖2 基于5G的IoT架構圖

由于物理設備（節(jié)點）的處理能力和智能分析不斷增強，為了提高IoT系統的效率和功能，這些設備應組成一個HetNet相互通信。在設備到設備（D2D）通信子層中，利用了無線傳感器網絡（WSN）的最新通信協議，節(jié)點可以進行群集，甚至可以選擇一個領導者進行適當的聯網。此外，在此子層，5G是另一種可選技術，能夠增強D2D通信。

在連接性子層中，設備連接到通信中心，例如BS。另外，該子層通過與存儲單元的Intranet連接，向中心發(fā)送和分析數據。目前，物聯網的這一子層存在一些特定問題：只能處理有限數量的設備連接；在自動駕駛汽車等應用中，不適用于多種數據類型的數據交換；由于通信延遲大，因此，難以實時處理大量數據。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，數據由節(jié)點或其領導者進行邊緣處理，以便在邊緣級別作出決策。隨著5G技術的引入和移動設備（例如智能手機）的興起，MEC技術將更強大地克服挑戰(zhàn)，并將在這一層作出巨大貢獻。

（4）數據存儲層。該層包含數據存儲單元，其中存儲了從物理設備的邊緣處理獲得的信息以及原始數據，該層需要在安全性方面的特殊保護，并且還應響應未來應用程序的巨大數據量和流量。

（5）管理服務層。該層包括三個子層：①網絡管理子層。網絡管理涉及更改設備和數據中心之間的通信類型，該子層中涉及的最重要的技術是WSDN，WSDN管理IoT并啟用網絡重新配置，而不是傳統的網絡監(jiān)視，以提高性能。②云計算子層。在該子層中，來自邊緣計算的數據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數據分析子層。在該子層中，采用了新的數據分析方法，以從原始數據中產生價值（可操縱的信息）, 大數據算法的任何改進都會增強此子層的數據處理。實際上，由于5G和IoT的集成，在不久的將來，該子層將占主導地位。

（6）應用層。該層通過軟件與其余層和數據進行交互，因此，沒有必要以網絡速度進行操作。通過控制應用程序，垂直和移動應用程序以及商業(yè)智能和分析，應用程序能夠徹底改變垂直市場和業(yè)務需求。

（7）協作和流程層。物聯網系統和來自其他各層的信息是沒有用的。用戶通過執(zhí)行業(yè)務邏輯的應用程序獲得授權，使用應用程序和關聯的數據來滿足特定需求。有時，多個人出于不同目的使用同一應用程序, 實際上, 個人必須能夠協作和交流以使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構的安全層包含各種安全功能術語、數據加密、用戶身份驗證、網絡訪問控制和云安全。此外，安全層還可以預防和預測危險和網絡攻擊。

2.4 基于5G的IoT架構應用范疇

當前，業(yè)界對于5G技術的研究主要專注于技術創(chuàng)新，而沒有應用到實際中。實際上，通過5G和IoT的集成，各種新技術也可以參與下一代IoT架構，這些技術的適當組合可以創(chuàng)建更全面的結構，從而滿足下一代IoT應用程序列出的要求。

（1）車聯網應用?；?G的IoT應用之一是車聯網，車聯網采用霧計算技術實現，圖3為車聯網應用架構圖，具有以下特點[9]。

①為用戶提供的服務質量更高：與云相比，霧計算可以通過增加數據速率和減少服務延遲和響應時間來增強服務質量。而且，通過本地連接下載，無需通過骨干網，用戶可以從降低的帶寬成本中受益。

圖3 基于5G的車聯網應用架構圖

②增強的網絡效率：霧計算避免了云與移動用戶之間的來回流量。不僅節(jié)省了骨干網帶寬，而且還大大減少了核心網絡的能耗和碳足跡。

（2）B端業(yè)務應用。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來解決B端應用安全問題，在購物中心內部部署霧計算服務器并預緩存本地化的內容。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。

圖4 B端業(yè)務應用

3. 結論

本文提出了一種新穎的體系結構，該體系結構考慮了新應用程序及其生成的數據的未來需求。同時，還提出了一種新模型，該模型包括納米芯片、異構網絡(HetNet)、設備到設備(D2D)通信、5G-IoT、無線軟件定義網絡(WSDN)、數據分析和大數據?；谶@些技術，提出了一種新穎的架構，該體系結構是模塊化的、高效的、可伸縮的、可靠的、簡單的，并且能夠支持較高的應用程序需求。