5G通信技术的IoT架构设计分析摘要：物联网(IoT)是工业4.0的重要组成局部，由于用户需求复杂度不断增加，当前的IoT架构已无法满足基于5G的物联网应用体系建设。文章提出一种基于5G的下一代物联网架构，解决了将来应用程序、服务和生成的数据的需求。该架构中包含了异构网络(HeterogeneousNetworks，HetNet)、设备到设备(Device-To-Device，D2D)通信、5G-IoT、机器通信(Machine-Type-Communication,MTC）、无线软件定义网络(WirelessSoftwareDefinedNetworks，WSDN)等技术，以满足新应用的需求，文章所设计的IoT架构满足将来工业4.0的开展。 烟囱脱硫关键词：5G通信；工业4.0；物联网架构；应用体系
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[1]革命(FourthIndustrialRevolution,4IR)，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别关联，以改变传统的生活方式。物联网作为工业4.0最重要的组成局部之一，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。依据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，在不久的将来，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，物联网系统的通信局部已经得到了较大的开展，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[2]Sigfox等。因此，通信协议的不平衡会造成严峻的问[3]题，例如射频干扰(RFI)。我们需要一种基于新技术的新颖架构来应对将来的挑战，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。本文基于物联网架构的将来需求，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，依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[4]IoT系统的分析、模块化和可扩展性更加高效。
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 开展的根底，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、[5]智慧电网等。(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的一局部；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[6]有异质性进行交互。(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5GHetNet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（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
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盲文图书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，该技术可关心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，为了到达这个目的，SDN打破了传统网络的垂直同化，并通过集中式网络操纵提供了对网络进行编程的灵活性。SDN能够依据其运行条件动态调整其网络
马铃薯馒头甲醇控制器参数，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根底架构服务或实施新的服务，MEC是5G-IoT的另一个根本要素，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）表示数据传输的根本根底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局部。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[7]了MTC的高数据速率支持和其他显著特征。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[8]响应等特点。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正确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、执行器和操纵器组成，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，将采纳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。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
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(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开展。(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
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