基于5G通信技术的IoT架构设计

杨 凡

（广东女子职业技术学院，广州 511450）

1. 概述

工业4.0代表了自动化和数据交换中的第四次工业革命（Fourth Industrial Revolution, 4IR）[1]，由网络物理系统（CPS）、物联网（IoT）和数据分析等新技术创新组成。它组织了物理设备、信息、人类和生物领域之间的特殊关联，以改变传统的生活方式。物联网作为工业4.0最重要的组成部分之一，复杂的业务环境使得现有的物联网体系架构无法满足业务需求。根据Statista的报告，到2025年，全球已安装的物联设备数量将增加到750亿个以上。因此，在不久的未来，新的物联网应用及其生成的数据将逐年增加，数据量和客户需求将高度增长，这就要求物联网体系架构能够满足应用程序更快、更智能、更简单、更可靠和更具可伸缩性的需求。

近年来，物联网系统的通信部分已经得到了较大的发展，可将事物、设备与各种通信协议连接，例如ZigBee、 低 功 耗 蓝 牙 (BLE)、 Wi-Fi、 GSM、 Lora和Sigfox等[2]。因此，通信协议的不平衡会造成严重的问题，例如射频干扰（RFI）[3]。我们需要一种基于新技术的新颖架构来应对未来的挑战，并且针对网络、流程、应用程序和数据管理体系结构选用不同的通信和处理模型，传统物联网技术架构如图1所示。

图1 传统物联网技术架构

本文基于物联网架构的未来需求，以实现互联数十亿个IoT设备为目标，设计了一个八层架构。该架构基于5G等新技术，根据实际的应用场景选择层数，在设计过程中将各技术嵌入各个层中，该架构使IoT系统的分析、模块化和可扩展性更加高效[4]。

2. 物联网架构介绍

2.1 传统物联网架构介绍

（1）三层体系结构。三层架构是IoT发展的基础，已在许多系统中设计和实现。通用物联网架构包括三个层次：感知、传输及应用。感知层作为物联网的底层，由各类型传感器构成；传输层也称为网络层，作为物联网架构的中间层，实现感知层数据的通信；业务层，也称为应用程序层，作为物联网架构的顶层，实现具体的业务，例如智慧城市、智慧交通、智慧电网等[5]。

（2）基于SDN体系结构。基于SDN的IoT体系结构，可为异构无线网络环境中的各种IoT任务提供高服务质量（QoS）。

（3）基于QoS的体系结构。该架构具有以下特点：①自治的 , 以支持Internet断开连接的网络；②无处不在，其中智能物联网(STN) 是Internet的一部分；③应用层覆盖，使用NFV减少节点之间的压力和拥塞；④面向服务，其中特定的网关与物联网环境的固有异质性进行交互[6]。

（4）CloudThings体系结构。该架构主要支持物联网的智能家居场景。按照智能家居应用场景，设计了基于云的物联网平台——CloudThings体系结构。该体系结构将信息作为中心，用来改善下一代Internet的服务适应性。

2.2 新一代物联网体系架构

（1）纳米芯片。在过去的二十年中，基于纳米芯片的设备已广泛应用于生物和化学样品的分析。经过重编程的芯片可以置于皮肤下并通过电场作用，治愈伤口或衰老的组织，广泛应用于智慧医疗。

（2）异构网络（HetNet）。异构网络（HetNet）旨在满足服务驱动5G-IoT的按需需求，这种新颖的网络范例使5G-IoT能够提供按需数据传输速率。近年来，已经设计了一些5G HetNet解决方案。

（3）设备到设备（D2D）通信。设备对设备(D2D) 通信已被设计为用于短距离数据传输的新方法，它将以更低的功耗、更好的用户QoS和负载平衡服务于5G-IoT。传统的宏蜂窝基站(MBS) 已考虑提供低功率的BS，但是，D2D使没有BS的边缘用户设备与服务器之间的信息传输成为5G-IoT中的“小区层”。

（4）无线软件定义网络（WSDN）。无线软件定义网络(WSDN)是一种用于移动云计算的新技术，该技术可帮助网络管理并启用网络配置，而不是提高网络性能或网络监控。当前的网络需要更大的灵活性和简单的故障排除，为了达到这个目的，SDN打破了传统网络的垂直同化，并通过集中式网络控制提供了对网络进行编程的灵活性。SDN能够根据其运行条件动态调整其网络参数，可以通过WSDN范例实现5G网络,以提供更快和可扩展的5G-IoT系统。

（5）移动边缘计算（MEC）。边缘（雾）计算是一种分布式计算范例，充当云数据和IoT设备/传感器之间的中间层。移动边缘计算(MEC) 提出网络边缘的服务执行，其目的是在移动网络边缘提供IT服务环境和云计算能力。MEC参考体系结构和框架具有支持诸如位置识别、无线网络信息和应用程序执行之类的服务功能。在5G等移动网络边缘扩展云服务的优势包括低延迟、高带宽以及对无线网络信息和位置感知的访问。该架构可能优化当前的移动基础架构服务或实施新的服务，MEC是5G-IoT的另一个基本要素，它将着重于两个方面：①分析革命，MEC和5G网络将成为下一代物联网的核心；②5G-IoT中的MEC将显著增加需要大量计算处理的应用程序，例如虚拟现实(VR) 或增强现实(AR)。

（6）机器类型通信(MTC) 。机器类型通信(MTC)或机器对机器通信(M2M)表示数据传输的基本基础结构与设备之间的自动化数据通信。数据通信是在两个MTC设备之间，或在MTC设备与数据库之间开发的。MTC设置了广泛的应用程序，从大型自治设备部署到关键任务服务。蜂窝系统(尤其是5G) 已被视为为MTC设备提供连接的重要候选者，MTC设备越来越成为日常生活方式的重要组成部分。5G-Plus- HetNet被视为5G-IoT中强大的技术解决方案，以应对来自MTC设备的不断增长的数据传输需求，这种情况出现了MTC的高数据速率支持和其他显著特征[7]。

2.3 基于5G通信技术的IoT架构设计

本文所设计的基于5G的架构，称为5G-IoT，具有模块化、高效、敏捷、可扩展、简单以及对高要求的响应等特点[8]。

该结构由具有双向数据交换功能的八个互连层组成，如图2所示。第二层和第五层分别由两个子层和三个子层组成，安全层覆盖所有其他层。选择这些层以提供最佳性能并同时保持体系结构的模块化。

（1）物理设备层。该层由无线传感器、执行器和控制器组成，该层实际上是物联网的“物”。物理设备是所有体系结构中的公共层，在这一层中，将采用诸如纳米芯片的小型传感设备来增加计算处理能力并降低功耗，纳米芯片能够产生大量的初始处理数据，该数据适用于数据分析层（第七层）。

（2）通信层。该层由两个子层组成：D2D通信层和连接层。

图2 基于5G的IoT架构图

由于物理设备（节点）的处理能力和智能分析不断增强，为了提高IoT系统的效率和功能，这些设备应组成一个HetNet相互通信。在设备到设备（D2D）通信子层中，利用了无线传感器网络（WSN）的最新通信协议，节点可以进行群集，甚至可以选择一个领导者进行适当的联网。此外，在此子层，5G是另一种可选技术，能够增强D2D通信。

在连接性子层中，设备连接到通信中心，例如BS。另外，该子层通过与存储单元的Intranet连接，向中心发送和分析数据。目前，物联网的这一子层存在一些特定问题：只能处理有限数量的设备连接；在自动驾驶汽车等应用中，不适用于多种数据类型的数据交换；由于通信延迟大，因此，难以实时处理大量数据。在不久的将来，从可靠性、性能和敏捷性的角度来看，5G的部署将在此子层上取得巨大发展。

（3）边缘（雾）计算层。在这一层，数据由节点或其领导者进行边缘处理，以便在边缘级别作出决策。随着5G技术的引入和移动设备（例如智能手机）的兴起，MEC技术将更强大地克服挑战，并将在这一层作出巨大贡献。

（4）数据存储层。该层包含数据存储单元，其中存储了从物理设备的边缘处理获得的信息以及原始数据，该层需要在安全性方面的特殊保护，并且还应响应未来应用程序的巨大数据量和流量。

（5）管理服务层。该层包括三个子层：①网络管理子层。网络管理涉及更改设备和数据中心之间的通信类型，该子层中涉及的最重要的技术是WSDN，WSDN管理IoT并启用网络重新配置，而不是传统的网络监视，以提高性能。②云计算子层。在该子层中，来自边缘计算的数据和信息在云中被重新处理，以便可以得出最终的处理信息。③数据分析子层。在该子层中，采用了新的数据分析方法，以从原始数据中产生价值（可操纵的信息）, 大数据算法的任何改进都会增强此子层的数据处理。实际上，由于5G和IoT的集成，在不久的将来，该子层将占主导地位。

（6）应用层。该层通过软件与其余层和数据进行交互，因此，没有必要以网络速度进行操作。通过控制应用程序，垂直和移动应用程序以及商业智能和分析，应用程序能够彻底改变垂直市场和业务需求。

（7）协作和流程层。物联网系统和来自其他各层的信息是没有用的。用户通过执行业务逻辑的应用程序获得授权，使用应用程序和关联的数据来满足特定需求。有时，多个人出于不同目的使用同一应用程序, 实际上, 个人必须能够协作和交流以使IoT可用。

（8）安全层。该层作为一个单独层，覆盖并保护了所有先前的层，但是每个部分（该层与另一层的交集）都有自己的功能。本文所提出的体系结构的安全层包含各种安全功能术语、数据加密、用户身份验证、网络访问控制和云安全。此外，安全层还可以预防和预测危险和网络攻击。

2.4 基于5G的IoT架构应用范畴

当前，业界对于5G技术的研究主要专注于技术创新，而没有应用到实际中。实际上，通过5G和IoT的集成，各种新技术也可以参与下一代IoT架构，这些技术的适当组合可以创建更全面的结构，从而满足下一代IoT应用程序列出的要求。

（1）车联网应用。基于5G的IoT应用之一是车联网，车联网采用雾计算技术实现，图3为车联网应用架构图，具有以下特点[9]。

①为用户提供的服务质量更高：与云相比，雾计算可以通过增加数据速率和减少服务延迟和响应时间来增强服务质量。而且，通过本地连接下载，无需通过骨干网，用户可以从降低的带宽成本中受益。

图3 基于5G的车联网应用架构图

②增强的网络效率：雾计算避免了云与移动用户之间的来回流量。不仅节省了骨干网带宽，而且还大大减少了核心网络的能耗和碳足迹。

（2）B端业务应用。如图4所示，雾计算通过提供受特定5G站点约束的本地化服务来解决B端应用安全问题，在购物中心内部部署雾计算服务器并预缓存本地化的内容。因此，移动用户可以享受高速率的本地连接，而无需通过云进行搜索。

图4 B端业务应用

3. 结论

本文提出了一种新颖的体系结构，该体系结构考虑了新应用程序及其生成的数据的未来需求。同时，还提出了一种新模型，该模型包括纳米芯片、异构网络(HetNet)、设备到设备(D2D)通信、5G-IoT、无线软件定义网络(WSDN)、数据分析和大数据。基于这些技术，提出了一种新颖的架构，该体系结构是模块化的、高效的、可伸缩的、可靠的、简单的，并且能够支持较高的应用程序需求。