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标题

5G环境下的物联网设计

范文

王煜锋

【摘要】? ? 现阶段，5G网络时代正在快速发展，各行各业从中受益匪浅。其中，物联网更是5G技术未来的直接收益产业之一。但在，物联网在5G环境下，正式受益之前，仍然有许多方面需要解决和标准化。在5G技术支持下，物联网应该更快，提供更高质量的服务并更好地满足客户不断变化的需求。本文正是据此出发，试图为相关从业人员的设计提供一定的思考和借鉴。

【关键词】? ? 5G网络? ?物联网? ?发展前景? ? 网络设计

引言

5G网络建立在现有4G LTE网络的基础上，并具有LTE-Advanced标准的一部分功能，包括载波聚合，通过网络容量增加和更高的吞吐率，可以有效地利用现有频谱。自组织网络将扮演关键角色，而协作多点技术等技术将使运营商能够同时传输和处理来自多个站点的信号。[1]5G架构和部署将取决于网络的使用方式。例如，诸如流视频，视频会议和虚拟现实之类的应用需要随着视频流量的增长而高速发展。为了达到这个要求，网络需要大量的小小区覆盖和更高的带宽频谱。此外，5G将成为支持许多设备的物联网（IoT）网络。这样的物联网网络在具有增强覆盖范围的低带宽传输中应该是高效的。[2]由于5G系统规模庞大，固有的复杂性和异构性，5G环境下的物联网设计分析将成为新的5G关键问题的主要推动力之一。

一、物联网的定义和现状

1.1物联网的定义

“物联网”（IoT）一词是由Kevin Ashton于1999年在供应链管理的背景下首次提出。物联网在信息和通信技术（ICT）的最新进展的推动下，正在彻底改变世界，打开了新的可能性，并提供了仅几年前就无法想象的解决方案。物联网的概念是高度多学科的，因为它汇集了各种各样的技术，协议，应用程序，场景和学科。[3]国际电信联盟（ITU）标准化部门将其定义为“ 信息社会的全球基础设施，通过基于现有和不断发展的可互操作的信息和通信技术互连（物理和虚拟）事物来实现高级服务 ”。考虑到物联网属于网络，国际电联引入了基础设施一词，并将物联网定义为“信息社会的全球基础设施，通过基于现有的和不断发展的可互操作的信息和通信互连（物理和虚拟）物联网来实现高级服务技术”。此外，国际电联认识到表征事物的三个相互依存的维度，这表明物联网在需求和用户需求方面有所不同的应用领域中的多功能性。具体如下图1所示。

1.2物联网的现状

物联网是当今发展最快的趋势之一，尤其是在以下三个开发线中：分析领域，边缘计算的开发和5G网络的部署。随着5G技术的逐步实施和部署，当前的分析平台将需要进行调整，以便有效地分析由物联网设备产生的大量数据流，这些物联网设备具有越来越强大的内置传感器和新兴的实时分析功能，这些功能通过快速出现和增强而变得更加强大。作为基础设施，物联网可以看作是一个涉及数据，资源，标准和通信协议以及理论研究的更广泛的系统。迄今为止，智能设备已构成物联网最明显的形式，并应用于各种场景和行业，例如城市、工业、商业、农业和家庭。估计表明，到2021年，人均智能设备将达到2.6个，其中40.2%将位于“工业4.0”中。

二、5G网络应用前景

无所不在的语音和视频传输，伴随着云技术的传播，基于照片的共享和扩展现实服务）刺激了对第五代无线网络（缩写为5G）技术的需求。通常，确定5G用例所需的以下要求：

网络要求：具有5G功能的网络;速度更快，容量更大的网络，可以提供视频和其他内容丰富的服务;基于不同技术等的设备的大规模连接

应用要求：在大数据三重存储上进行一致的流程挖掘;网络能力测量模块;推理模块;学习和预测模块（例如，神经网络）;优化模块;相应的领域和应用程序本体;等等

存储要求：大数据三重存储;处理大量（PB或更多）数据的可能性;分布式冗余数据存储;大规模并行处理;提供语义大数据处理能力;集中管理和协调。

尽管5G网络主要是为增强通信目的而设计的，但高精度定位已被视为5G的关键特征之一。根据关注区域的类型及其5G服务特性给出了特定的定位精度，包括水平和垂直方向。对于某些用例，在适用时，还提供了速度估算和设备方位估算的精度要求。

5G网络表明在同一环境中需要多种无线技术共存。在这样的环境中引起的問题是多个无线网络之间的相互干扰，这是相同资源集合的使用重叠的结果。通常，当相同的射频用于基于不同无线电技术的多个通信信道时，会发生这种情况。传统上，技术标准定义的协调协议在网络使用相同技术时解决该问题。在基于异构技术的网络共存的情况下，需要新的协调概念。将5G网络与当前使用的网络进行比较。每个地理区域的数据量高出1000倍，典型用户数据速率高出100倍，端到端延迟不到1毫秒。

三、5 G环境下的物联网设计

3.1相关工作

将5G网络引入到物联网中带来了一些挑战，因为这些技术通常需要大量的计算资源，通常需要高性能计算基础架构，存储和处理大量数据。基于IMS（IP多媒体子系统）的非许可移动访问（UMA）提供垂直切换和互通，以扩展IP网络上的移动语音、数据和多媒体应用。该数据应准备好供边缘网络使用。但是，这些标准是为单独的实体设计的，即网关或服务器作为两个网络之间的互通设备，可以由运营商拥有和控制。在研究了固定移动融合（FMC）后，考虑到移动IP（MIP）、NGN和p2p都实现了无线和有线服务以及使用便携式设备在网络上的完整可移植性。因此，通过使用填充将802.16数据包嵌入到802.11a广播数据包中来工作，以便所有传输都可以在802.16帧边界上对齐。本文提出了一种基于速度和平均接收信号强度（RSS）估计算法的垂直切换，目的是减少骨干网的信令开销并基于呼叫允许控制（CAC）提供较低的切换延迟，以避免由于上层消息交换而造成的延迟，以提高传输的QoS保证。通过在上行链路上将WiMAX帧与WiFi传输数据包封装在一起，在下行链路中将WiMAX帧封装起来。该方法大大降低了RTS-CTS-ACK交换固有的开销。与传统方案相比，传送比特数提高了10%。

3.2系统模型和方案设置

基于5G环境下的物联网系设计大体上可以分作以下几个主要模块和子模块：

（1）数据采集模块（DAM）：Redis是一个内存数据库，可以选择在磁盘上进行持久性存储，因此它代表了一种折衷方案，其中以无法设置的较大数据集为代价实现了很高的读写速度比记忆。因此，可以预期可以容易地实现100倍压缩率。5G网络环境下的物联网系统使用了分布式存储和处理框架，例如开源Apache Hadoop框架。Apache Hadoop支持跨计算机集群的分布式数据处理。流行的MapReduce分布式数据处理模型，Hadoop分布式文件系统（HDFS）和分布式表存储HBase 是Hadoop组件。

（2）预处理模块（PPM）：异常检测是一个重要的问题，它们可以为用户提供有价值的信息，可以主动使用这些信息，从而进一步提高物联网系统效率并提供竞争优势。该模块将以独立的批处理方式从数据序列中提取参数。根据最终用户应用程序的要求，包含指向相应行数据记录的指针，这些指针分别存储，以便语义搜索也可以检索行数据。估计每年不超过250个潜在的不稳定性间隔，平均1%的传感器在一个测量时刻检测到不稳定性，导致每年250×0.01×4M = 10M不稳定性间隔。

（3）语义模块（SM）：基于用于可扩展链接数据语义数据集管理的平台。该平台将具有基于Web的高级协作本体编辑器，并且在使用的三重存储方面具有灵活性。默认情况下，该技术将允許采用不同的推理器。预期的数据处理和存储效率基于对传感器物理特征，其组织和位置，价格，测量单位类型等的语义描述的有效使用。为此，可以将许多标准本体加载到系统中出于特定的应用目的，将使用在线协作本体编辑器来允许最终用户调整现有本体并开发新的本体，并用于诸如时间本体，测量本体等领域。

（4）最终用户Web应用程序模块（WAM）：可以实现为高级Ajax前端，可以使用RESTful服务API和SPARQL查询与后端进行通信。它应该包含以下子模块：

NLP子模块：用户以简化的英语输入搜索查询，因此要求最终用户具有较低的认知负担，同时为了降低语言使用和处理的复杂性，需要利用特定领域的语言细节。然后处理输入，并将其转换为SPARQL查询，以对语义注释的数据进行语义搜索。然后，可以使用数据预处理算法检索不稳定状态的时间间隔，并记录数据序列开始和结束的日期和时间。

报告和分析子模块：数据分析的结果通过视觉上吸引人的图表，图形，表格等方式直观地呈现。语义过滤适用于功能强大的分面搜索和浏览搜索结果。而且，数据分析人员能够将在线数据显示重新配置为简单的Web应用程序。标准RDF / XML语言支持中定义的现有功能可以提供多语言支持。

附加功能：将异常事件分类为低，中，高，还可以将异常强度指定为不稳定区间中最大测量值与目标值的偏差的百分比。两个或多个不稳定性区间重叠的条件概率估计将基于简单的分析算法，例如计数（“ x of y”或“ x / y”，6 of 9或7/10，在搜索结果中表示重叠。

推理和预测模块：可以实现为高级神经网络。可以将神经网络用于RPM的学习组件。在5G网络下的物联网中，神经网络已被证明可以有效地进行干扰检测和分类以及时间序列预测任务，对于协调物联网连入设备至关重要。

四、结论

综上所述，5G网络不仅为物联网带来了新的技术和运营挑战，而且还涉及各种法律和法规方面以及约束条件。因此，5G环境下的物联网的设计需要灵活并且可以在其使用寿命内进行修改。因此，应使用定义明确的退出策略程序来设计和应用。

参? 考? 文? 献

[1]国家发改委经济体制与管理研究所产业室原主任? 史炜. “5G+工业互联网”是我国工业振兴之本[N]. 人民邮电，2020-07-23（003）.

[2]郭成元，高俊科.智能包装物联网应用平台设计[J].印刷杂志，2020（04）：27-30.

[3]余敏，李永腾，葛志峰，郭鹏程，柏帆.智能移动双光监测系统在泛在电力物联网中的应用研究[J].电子设计工程，2020，28（13）：179-183.

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