楊 凡

（廣東女子職業(yè)技術(shù)學院，廣州 511450）

1. 概述

工業(yè)4.0代表了自動化和數(shù)據(jù)交換中的第四次工業(yè)革命（Fourth Industrial Revolution, 4IR）[1]，由網(wǎng)絡物理系統(tǒng)（CPS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)創(chuàng)新組成。它組織了物理設備、信息、人類和生物領(lǐng)域之間的特殊關(guān)聯(lián)，以改變傳統(tǒng)的生活方式。物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)無法滿足業(yè)務需求。根據(jù)Statista的報告，到2025年，全球已安裝的物聯(lián)設備數(shù)量將增加到750億個以上。因此，在不久的未來，新的物聯(lián)網(wǎng)應用及其生成的數(shù)據(jù)將逐年增加，數(shù)據(jù)量和客戶需求將高度增長，這就要求物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信部分已經(jīng)得到了較大的發(fā)展，可將事物、設備與各種通信協(xié)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(xié)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(shù)的新穎架構(gòu)來應對未來的挑戰(zhàn)，并且針對網(wǎng)絡、流程、應用程序和數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)選用不同的通信和處理模型，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的未來需求，以實現(xiàn)互聯(lián)數(shù)十億個IoT設備為目標，設計了一個八層架構(gòu)。該架構(gòu)基于5G等新技術(shù)，根據(jù)實際的應用場景選擇層數(shù)，在設計過程中將各技術(shù)嵌入各個層中，該架構(gòu)使IoT系統(tǒng)的分析、模塊化和可擴展性更加高效[4]。

2. 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)介紹

2.1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)介紹

（1）三層體系結(jié)構(gòu)。三層架構(gòu)是IoT發(fā)展的基礎，已在許多系統(tǒng)中設計和實現(xiàn)。通用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)包括三個層次：感知、傳輸及應用。感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的底層，由各類型傳感器構(gòu)成；傳輸層也稱為網(wǎng)絡層，作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的中間層，實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的通信；業(yè)務層，也稱為應用程序?qū)?，作為物?lián)網(wǎng)架構(gòu)的頂層，實現(xiàn)具體的業(yè)務，例如智慧城市、智慧交通、智慧電網(wǎng)等[5]。

（2）基于SDN體系結(jié)構(gòu)?；赟DN的IoT體系結(jié)構(gòu)，可為異構(gòu)無線網(wǎng)絡環(huán)境中的各種IoT任務提供高服務質(zhì)量（QoS）。

（3）基于QoS的體系結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)具有以下特點：①自治的 , 以支持Internet斷開連接的網(wǎng)絡；②無處不在，其中智能物聯(lián)網(wǎng)(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(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的固有異質(zhì)性進行交互[6]。

（4）CloudThings體系結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)主要支持物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)平臺——CloudThings體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

（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(jīng)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(gòu)網(wǎng)絡（HetNet）。異構(gòu)網(wǎng)絡（HetNet）旨在滿足服務驅(qū)動5G-IoT的按需需求，這種新穎的網(wǎng)絡范例使5G-IoT能夠提供按需數(shù)據(jù)傳輸速率。近年來，已經(jīng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)男路椒ǎ鼘⒁愿偷墓?、更好的用戶QoS和負載平衡服務于5G-IoT。傳統(tǒng)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(wǎng)絡（WSDN）。無線軟件定義網(wǎng)絡(WSDN)是一種用于移動云計算的新技術(shù)，該技術(shù)可幫助網(wǎng)絡管理并啟用網(wǎng)絡配置，而不是提高網(wǎng)絡性能或網(wǎng)絡監(jiān)控。當前的網(wǎng)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(tǒng)網(wǎng)絡的垂直同化，并通過集中式網(wǎng)絡控制提供了對網(wǎng)絡進行編程的靈活性。SDN能夠根據(jù)其運行條件動態(tài)調(diào)整其網(wǎng)絡參數(shù)，可以通過WSDN范例實現(xiàn)5G網(wǎng)絡,以提供更快和可擴展的5G-IoT系統(tǒng)。

（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(shù)據(jù)和IoT設備/傳感器之間的中間層。移動邊緣計算(MEC) 提出網(wǎng)絡邊緣的服務執(zhí)行，其目的是在移動網(wǎng)絡邊緣提供IT服務環(huán)境和云計算能力。MEC參考體系結(jié)構(gòu)和框架具有支持諸如位置識別、無線網(wǎng)絡信息和應用程序執(zhí)行之類的服務功能。在5G等移動網(wǎng)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(wǎng)絡信息和位置感知的訪問。該架構(gòu)可能優(yōu)化當前的移動基礎架構(gòu)服務或?qū)嵤┬碌姆?，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(wǎng)絡將成為下一代物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)實(VR) 或增強現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)幕净A結(jié)構(gòu)與設備之間的自動化數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信是在兩個MTC設備之間，或在MTC設備與數(shù)據(jù)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(guān)鍵任務服務。蜂窩系統(tǒng)(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(shù)解決方案，以應對來自MTC設備的不斷增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，這種情況出現(xiàn)了MTC的高數(shù)據(jù)速率支持和其他顯著特征[7]。

2.3 基于5G通信技術(shù)的IoT架構(gòu)設計

本文所設計的基于5G的架構(gòu)，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(jié)構(gòu)由具有雙向數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng)的“物”。物理設備是所有體系結(jié)構(gòu)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(chǎn)生大量的初始處理數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)適用于數(shù)據(jù)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(gòu)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(tǒng)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(wǎng)絡（WSN）的最新通信協(xié)議，節(jié)點可以進行群集，甚至可以選擇一個領(lǐng)導者進行適當?shù)穆?lián)網(wǎng)。此外，在此子層，5G是另一種可選技術(shù)，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(shù)據(jù)。目前，物聯(lián)網(wǎng)的這一子層存在一些特定問題：只能處理有限數(shù)量的設備連接；在自動駕駛汽車等應用中，不適用于多種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)交換；由于通信延遲大，因此，難以實時處理大量數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)由節(jié)點或其領(lǐng)導者進行邊緣處理，以便在邊緣級別作出決策。隨著5G技術(shù)的引入和移動設備（例如智能手機）的興起，MEC技術(shù)將更強大地克服挑戰(zhàn)，并將在這一層作出巨大貢獻。

（4）數(shù)據(jù)存儲層。該層包含數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)量和流量。

（5）管理服務層。該層包括三個子層：①網(wǎng)絡管理子層。網(wǎng)絡管理涉及更改設備和數(shù)據(jù)中心之間的通信類型，該子層中涉及的最重要的技術(shù)是WSDN，WSDN管理IoT并啟用網(wǎng)絡重新配置，而不是傳統(tǒng)的網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析子層。在該子層中，采用了新的數(shù)據(jù)分析方法，以從原始數(shù)據(jù)中產(chǎn)生價值（可操縱的信息）, 大數(shù)據(jù)算法的任何改進都會增強此子層的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行交互，因此，沒有必要以網(wǎng)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(xié)作和流程層。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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(quán)，使用應用程序和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)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(xié)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(jié)構(gòu)的安全層包含各種安全功能術(shù)語、數(shù)據(jù)加密、用戶身份驗證、網(wǎng)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(wǎng)絡攻擊。

2.4 基于5G的IoT架構(gòu)應用范疇

當前，業(yè)界對于5G技術(shù)的研究主要專注于技術(shù)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(shù)也可以參與下一代IoT架構(gòu)，這些技術(shù)的適當組合可以創(chuàng)建更全面的結(jié)構(gòu)，從而滿足下一代IoT應用程序列出的要求。

（1）車聯(lián)網(wǎng)應用?；?G的IoT應用之一是車聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)采用霧計算技術(shù)實現(xiàn)，圖3為車聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)圖，具有以下特點[9]。

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

圖3 基于5G的車聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)圖

②增強的網(wǎng)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(wǎng)帶寬，而且還大大減少了核心網(wǎng)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(nèi)部部署霧計算服務器并預緩存本地化的內(nèi)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(jié)論

本文提出了一種新穎的體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)考慮了新應用程序及其生成的數(shù)據(jù)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(gòu)網(wǎng)絡(HetNet)、設備到設備(D2D)通信、5G-IoT、無線軟件定義網(wǎng)絡(WSDN)、數(shù)據(jù)分析和大數(shù)據(jù)?；谶@些技術(shù)，提出了一種新穎的架構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)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。