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    5G背景下物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展問題研究

    2021-01-11 23:17:11吳文博劉依卓
    數(shù)字通信世界 2021年10期
    關(guān)鍵詞:讀寫器電子標(biāo)簽智能家居

    吳文博,劉依卓

    (國家無線電監(jiān)測(cè)中心哈爾濱監(jiān)測(cè)站,黑龍江 哈爾濱 150010)

    1 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展概述

    物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT),其概念最早是由比爾·蓋茨于1995年在《未來之路》一書中首次提出;1998年美國的麻省理工學(xué)院創(chuàng)造性的提出了當(dāng)時(shí)被稱作EPC系統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想,其下屬的Auto-ID中心更是于1999年首次提出了建立在物品編碼、RFID和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的“物聯(lián)網(wǎng)”概念;2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》,正式將“物聯(lián)網(wǎng)”稱為“the Internet of Things”,并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)概念進(jìn)行了擴(kuò)展,提出了任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)、任意物體之間互聯(lián),無所不在的網(wǎng)絡(luò)和無所不在的計(jì)算等發(fā)展愿景。

    隨著電子與信息技術(shù)的不斷發(fā)展,如今的“物聯(lián)網(wǎng)”更被認(rèn)為是利用各類傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位技術(shù)、紅外感應(yīng)器等裝置設(shè)備,采集所需要的聲、光、電等數(shù)據(jù)信息,并利用各類通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間信息的傳輸與交換,具有互聯(lián)互通功能的一種網(wǎng)絡(luò)。2020年是5G的商用元年,5G極大地促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 但物聯(lián)網(wǎng)也在網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、個(gè)人隱私保護(hù)等方面存在著諸多問題和不足,需要進(jìn)行深入的探討和研究。

    2 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)與應(yīng)用

    2.1 物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)

    (1)RFID技 術(shù):射 頻 識(shí) 別(Radio Frequency Identification, RFID),是一種利用無線電波進(jìn)行信息交換與存儲(chǔ)的技術(shù),通過無線射頻來對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫,以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)以及信息交換目的。RFID系統(tǒng)通常由讀寫器、電子標(biāo)簽與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成,其工作原理一般是由讀寫器在一定范圍內(nèi)發(fā)送無線電射頻信號(hào),當(dāng)電子標(biāo)簽接收到讀寫器所發(fā)射的無線電信號(hào)時(shí),就會(huì)利用感應(yīng)電流所獲得的能量(無源RFID),或者主動(dòng)發(fā)送無線電信號(hào)(有源RFID)將標(biāo)簽芯片內(nèi)所存儲(chǔ)的產(chǎn)品信息發(fā)送出去,讀寫器接收到電子標(biāo)簽所發(fā)射的信息并解碼后,再將這些數(shù)據(jù)信息反饋至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

    (2)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù):傳感器網(wǎng)絡(luò)是由各種各樣的傳感器節(jié)點(diǎn)所組成,用以進(jìn)行信息的收集、傳輸和處理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為物聯(lián)網(wǎng)感知和獲取數(shù)據(jù)信息的重要手段,傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著極為重要的作用。

    (3)嵌入式系統(tǒng)技術(shù):嵌入式系統(tǒng)一般是用戶針對(duì)特殊需求而定制的,能夠被內(nèi)部計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備或系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)往往結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù),使得傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品智能化,并具有故障診斷、自動(dòng)報(bào)警以及信息傳輸和遠(yuǎn)程控制等多種功能,用以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品使用與管理的信息化、智能化。由于嵌入式系統(tǒng)體積小、功能強(qiáng)且成本較低等,使其廣泛應(yīng)用于智能家居、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

    (4)無線通信技術(shù):物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的無線電通信技術(shù)分為短距離通信技術(shù)與廣域網(wǎng)通信技術(shù)兩類:短距離通信技術(shù)主要有Zigbee、Wi-Fi、藍(lán)牙等通信技術(shù),適用于區(qū)域范圍較小、連接設(shè)備較少的場(chǎng)景;廣域網(wǎng)通信技術(shù)主要有LoRa、NB-IoT、4G 等技術(shù),適用于區(qū)域范圍較廣、數(shù)據(jù)量較大、連接設(shè)備較多、使用地區(qū)偏遠(yuǎn)的場(chǎng)景。無線電通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用,使得“物與物”“物與人”之間的信息傳輸成為了可能。

    2.2 物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用

    (1)消費(fèi)性物聯(lián)網(wǎng):主要面向車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能穿戴設(shè)備等消費(fèi)性應(yīng)用。如可以利用藍(lán)牙和Wi-Fi將智能家居設(shè)備組網(wǎng),利用智能手機(jī)上的客戶端可以發(fā)現(xiàn)并控制同一網(wǎng)絡(luò)中的智能家居設(shè)備,而利用某些智能音響的語音識(shí)別功能,可以對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行語音控制。在車聯(lián)網(wǎng)中主要利用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線電通信技術(shù),以實(shí)現(xiàn)車輛控制臺(tái)與周圍環(huán)境信息的動(dòng)態(tài)交互,最終目的是實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)駕駛功能。智能穿戴設(shè)備可以對(duì)人們的各類運(yùn)動(dòng)以及心率、血氧等生理指標(biāo)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì),并利用藍(lán)牙技術(shù)將所收集到的信息傳送至手機(jī)端,以便于信息的處理與統(tǒng)計(jì)。

    (2)生產(chǎn)性物聯(lián)網(wǎng):主要是指物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中的融合與應(yīng)用。其能夠利用各類傳感器和控制器實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各類信息的收集與流程的監(jiān)控,并通過通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將生產(chǎn)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連接,實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中信息的傳輸與交換,從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)管理的智能化、信息化,最終提高工廠生產(chǎn)效率。

    3 5G技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要作用

    3.1 5G移動(dòng)通信的技術(shù)特點(diǎn)

    5G技術(shù)的發(fā)展能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)提供高速的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù),以滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于遠(yuǎn)程控制和高速網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)男枰?。國際電信聯(lián)盟(ITU)定義了5G的三大類應(yīng)用場(chǎng)景:增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)和海量機(jī)器類通信(mMTC);eMBB主要面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶,即以“人”的需求為中心,并為之提供高速、便捷的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù);uRLLC主要面向工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和可靠性有較高要求的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)“人”與“物”之間進(jìn)行信息的高速傳輸;mMTC主要面向智慧城市、智能家居等以傳感器和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需求,海量的信息數(shù)據(jù)在眾多的“物”與“物”之間進(jìn)行采集和傳輸, 組成了一個(gè)大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

    3.2 5G技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動(dòng)作用

    5G對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。盡管,當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)所使用的無線電通信技術(shù)已經(jīng)能夠滿足智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用,但現(xiàn)有的無線電通信技術(shù)還難以達(dá)到5G的傳輸速率以及其所連接的設(shè)備規(guī)模。5G技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中,一方面能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用提供高速率、低時(shí)延的通信網(wǎng)絡(luò),以滿足車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對(duì)于網(wǎng)絡(luò)速率與可靠性具有較高要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景;另一方面隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大及其所接入的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增加,也為智慧城市的建設(shè)以及實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制供了必要的通信技術(shù)條件。

    4 5G背景下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所面臨的問題與挑戰(zhàn)

    4.1 物聯(lián)網(wǎng)安全所面臨的風(fēng)險(xiǎn)

    (1)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全:一方面,物聯(lián)網(wǎng)中所應(yīng)用的設(shè)備往往具有較長的使用周期,這使得廠家可能不在生產(chǎn)該設(shè)備或停止對(duì)其軟件服務(wù)的更新,這也意味著相應(yīng)的漏洞不會(huì)被更新,從而增加了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面,物聯(lián)網(wǎng)由不同的感知節(jié)點(diǎn)組成,這些感知節(jié)點(diǎn)的資源空間有限,無法進(jìn)行復(fù)雜的算法加密以及像臺(tái)式機(jī)一樣安裝殺毒軟件,處在無人監(jiān)管的環(huán)境下,感知節(jié)點(diǎn)很容易遭受安全攻擊。

    (2)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸安全:RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器、天線和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成,在利用無線電射頻的方式在讀寫器和電子標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳播,由于讀寫器讀取標(biāo)簽中信息是通過無線射頻信號(hào),無線射頻信號(hào)無法區(qū)分讀寫器是否合法,一旦其自身發(fā)射的頻率與攻擊者發(fā)出的頻率相吻合,攻擊者就可以在電子標(biāo)簽所有者不知情的情況下對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀取,也就造成了相關(guān)信息的泄露。眾所周知,物聯(lián)網(wǎng)相應(yīng)設(shè)備往往使用2.5G/5.8G開放頻率的無線電信道,這類開放信道很容易被堵塞、竊聽和破壞,從而造成相應(yīng)的安全性風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景而言,其所使用的攝像頭、監(jiān)控設(shè)備往往會(huì)收集和處理大量的數(shù)據(jù)信息,這些信息可能會(huì)涉及用戶的個(gè)人隱私以及商業(yè)機(jī)密,一旦被不法分子所利用,會(huì)給物聯(lián)網(wǎng)用戶帶來巨大的損失并造成惡劣的影響。

    4.2 5G技術(shù)應(yīng)用所帶來的新挑戰(zhàn)

    首先,使用5G通信技術(shù)需要對(duì)現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信模塊進(jìn)行升級(jí),從而提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的生產(chǎn)成本。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中,往往存在著大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間通過相應(yīng)的通信或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行連接,使彼此之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸,而升級(jí)新的通信模塊,可能導(dǎo)致各設(shè)備之間通信不暢,進(jìn)而造成物聯(lián)網(wǎng)用戶的損失以及成本的提高。

    其次,5G通信技術(shù)升級(jí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處理海量數(shù)據(jù)的能力提出了更高的要求。物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用5G 通信技術(shù),能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)乃俾什⒔尤氪罅康奈锫?lián)網(wǎng)設(shè)備,同時(shí)高速的通信網(wǎng)絡(luò)與大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理,而對(duì)于使用體積小、功耗低且成本低廉的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言,本身并不具有高效處理海量數(shù)據(jù)的能力。

    最后,5G通信技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中,意味著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在使用公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸,隨著接入用戶量的增多,也使得原本安全防護(hù)能力薄弱的物聯(lián)網(wǎng)面臨著更高的安全性風(fēng)險(xiǎn)。

    5 結(jié)束語

    極大地推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,但也帶來了成本增加、網(wǎng)絡(luò)與信息安全等一系列問題。相信隨著5G 技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,相關(guān)芯片與通信模塊的價(jià)格也會(huì)不斷降低,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全防護(hù)與處理海量數(shù)據(jù)的能力也會(huì)不斷提升,而隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景也一定會(huì)有更為廣闊的發(fā)展空間。

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