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        5G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

        2021-05-11 19:10:43王煜鋒
        中國新通信 2021年2期
        關(guān)鍵詞:語義

        王煜鋒

        【摘要】? ? 現(xiàn)階段,5G網(wǎng)絡(luò)時代正在快速發(fā)展,各行各業(yè)從中受益匪淺。其中,物聯(lián)網(wǎng)更是5G技術(shù)未來的直接收益產(chǎn)業(yè)之一。但在,物聯(lián)網(wǎng)在5G環(huán)境下,正式受益之前,仍然有許多方面需要解決和標(biāo)準(zhǔn)化。在5G技術(shù)支持下,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該更快,提供更高質(zhì)量的服務(wù)并更好地滿足客戶不斷變化的需求。本文正是據(jù)此出發(fā),試圖為相關(guān)從業(yè)人員的設(shè)計(jì)提供一定的思考和借鑒。

        【關(guān)鍵詞】? ? 5G網(wǎng)絡(luò)? ?物聯(lián)網(wǎng)? ?發(fā)展前景? ? 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

        引言

        5G網(wǎng)絡(luò)建立在現(xiàn)有4G LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,并具有LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)的一部分功能,包括載波聚合,通過網(wǎng)絡(luò)容量增加和更高的吞吐率,可以有效地利用現(xiàn)有頻譜。自組織網(wǎng)絡(luò)將扮演關(guān)鍵角色,而協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)等技術(shù)將使運(yùn)營商能夠同時傳輸和處理來自多個站點(diǎn)的信號。[1]5G架構(gòu)和部署將取決于網(wǎng)絡(luò)的使用方式。例如,諸如流視頻,視頻會議和虛擬現(xiàn)實(shí)之類的應(yīng)用需要隨著視頻流量的增長而高速發(fā)展。為了達(dá)到這個要求,網(wǎng)絡(luò)需要大量的小小區(qū)覆蓋和更高的帶寬頻譜。此外,5G將成為支持許多設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)網(wǎng)絡(luò)。這樣的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在具有增強(qiáng)覆蓋范圍的低帶寬傳輸中應(yīng)該是高效的。[2]由于5G系統(tǒng)規(guī)模龐大,固有的復(fù)雜性和異構(gòu)性,5G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)分析將成為新的5G關(guān)鍵問題的主要推動力之一。

        一、物聯(lián)網(wǎng)的定義和現(xiàn)狀

        1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義

        “物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)一詞是由Kevin Ashton于1999年在供應(yīng)鏈管理的背景下首次提出。物聯(lián)網(wǎng)在信息和通信技術(shù)(ICT)的最新進(jìn)展的推動下,正在徹底改變世界,打開了新的可能性,并提供了僅幾年前就無法想象的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)的概念是高度多學(xué)科的,因?yàn)樗鼌R集了各種各樣的技術(shù),協(xié)議,應(yīng)用程序,場景和學(xué)科。[3]國際電信聯(lián)盟(ITU)標(biāo)準(zhǔn)化部門將其定義為“ 信息社會的全球 基礎(chǔ)設(shè)施,通過基于現(xiàn)有和不斷發(fā)展的可互操作的信息和通信技術(shù)互連(物理和虛擬)事物來實(shí)現(xiàn)高級服務(wù) ”??紤]到物聯(lián)網(wǎng)屬于網(wǎng)絡(luò),國際電聯(lián)引入了基礎(chǔ)設(shè)施一詞,并將物聯(lián)網(wǎng)定義為“信息社會的全球基礎(chǔ)設(shè)施,通過基于現(xiàn)有的和不斷發(fā)展的可互操作的信息和通信互連(物理和虛擬)物聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)高級服務(wù)技術(shù)”。此外,國際電聯(lián)認(rèn)識到表征事物的三個相互依存的維度,這表明物聯(lián)網(wǎng)在需求和用戶需求方面有所不同的應(yīng)用領(lǐng)域中的多功能性。具體如下圖1所示。

        1.2物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀

        物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今發(fā)展最快的趨勢之一,尤其是在以下三個開發(fā)線中:分析領(lǐng)域,邊緣計(jì)算的開發(fā)和5G網(wǎng)絡(luò)的部署。隨著5G技術(shù)的逐步實(shí)施和部署,當(dāng)前的分析平臺將需要進(jìn)行調(diào)整,以便有效地分析由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)流,這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有越來越強(qiáng)大的內(nèi)置傳感器和新興的實(shí)時分析功能,這些功能通過快速出現(xiàn)和增強(qiáng)而變得更加強(qiáng)大。作為基礎(chǔ)設(shè)施,物聯(lián)網(wǎng)可以看作是一個涉及數(shù)據(jù),資源,標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議以及理論研究的更廣泛的系統(tǒng)。迄今為止,智能設(shè)備已構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)最明顯的形式,并應(yīng)用于各種場景和行業(yè),例如城市、工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)和家庭。估計(jì)表明,到2021年,人均智能設(shè)備將達(dá)到2.6個,其中40.2%將位于“工業(yè)4.0”中。

        二、5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景

        無所不在的語音和視頻傳輸,伴隨著云技術(shù)的傳播,基于照片的共享和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)服務(wù))刺激了對第五代無線網(wǎng)絡(luò)(縮寫為5G)技術(shù)的需求。通常,確定5G用例所需的以下要求:

        網(wǎng)絡(luò)要求:具有5G功能的網(wǎng)絡(luò);速度更快,容量更大的網(wǎng)絡(luò),可以提供視頻和其他內(nèi)容豐富的服務(wù);基于不同技術(shù)等的設(shè)備的大規(guī)模連接

        應(yīng)用要求:在大數(shù)據(jù)三重存儲上進(jìn)行一致的流程挖掘;網(wǎng)絡(luò)能力測量模塊;推理模塊;學(xué)習(xí)和預(yù)測模塊(例如,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò));優(yōu)化模塊;相應(yīng)的領(lǐng)域和應(yīng)用程序本體;等等

        存儲要求:大數(shù)據(jù)三重存儲;處理大量(PB或更多)數(shù)據(jù)的可能性;分布式冗余數(shù)據(jù)存儲;大規(guī)模并行處理;提供語義大數(shù)據(jù)處理能力;集中管理和協(xié)調(diào)。

        盡管5G網(wǎng)絡(luò)主要是為增強(qiáng)通信目的而設(shè)計(jì)的,但高精度定位已被視為5G的關(guān)鍵特征之一。根據(jù)關(guān)注區(qū)域的類型及其5G服務(wù)特性給出了特定的定位精度,包括水平和垂直方向。對于某些用例,在適用時,還提供了速度估算和設(shè)備方位估算的精度要求。

        5G網(wǎng)絡(luò)表明在同一環(huán)境中需要多種無線技術(shù)共存。在這樣的環(huán)境中引起的問題是多個無線網(wǎng)絡(luò)之間的相互干擾,這是相同資源集合的使用重疊的結(jié)果。通常,當(dāng)相同的射頻用于基于不同無線電技術(shù)的多個通信信道時,會發(fā)生這種情況。傳統(tǒng)上,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義的協(xié)調(diào)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)使用相同技術(shù)時解決該問題。在基于異構(gòu)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)共存的情況下,需要新的協(xié)調(diào)概念。將5G網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前使用的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較。每個地理區(qū)域的數(shù)據(jù)量高出1000倍,典型用戶數(shù)據(jù)速率高出100倍,端到端延遲不到1毫秒。

        三、5 G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

        3.1相關(guān)工作

        將5G網(wǎng)絡(luò)引入到物聯(lián)網(wǎng)中帶來了一些挑戰(zhàn),因?yàn)檫@些技術(shù)通常需要大量的計(jì)算資源,通常需要高性能計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu),存儲和處理大量數(shù)據(jù)?;贗MS(IP多媒體子系統(tǒng))的非許可移動訪問(UMA)提供垂直切換和互通,以擴(kuò)展IP網(wǎng)絡(luò)上的移動語音、數(shù)據(jù)和多媒體應(yīng)用。該數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)備好供邊緣網(wǎng)絡(luò)使用。但是,這些標(biāo)準(zhǔn)是為單獨(dú)的實(shí)體設(shè)計(jì)的,即網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器作為兩個網(wǎng)絡(luò)之間的互通設(shè)備,可以由運(yùn)營商擁有和控制。在研究了固定移動融合(FMC)后,考慮到移動IP(MIP)、NGN和P2P都實(shí)現(xiàn)了無線和有線服務(wù)以及使用便攜式設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上的完整可移植性。因此,通過使用填充將802.16數(shù)據(jù)包嵌入到802.11a廣播數(shù)據(jù)包中來工作,以便所有傳輸都可以在802.16幀邊界上對齊。本文提出了一種基于速度和平均接收信號強(qiáng)度(RSS)估計(jì)算法的垂直切換,目的是減少骨干網(wǎng)的信令開銷并基于呼叫允許控制(CAC)提供較低的切換延遲,以避免由于上層消息交換而造成的延遲,以提高傳輸?shù)腝oS保證。通過在上行鏈路上將WiMAX幀與WiFi傳輸數(shù)據(jù)包封裝在一起,在下行鏈路中將WiMAX幀封裝起來。該方法大大降低了RTS-CTS-ACK交換固有的開銷。與傳統(tǒng)方案相比,傳送比特?cái)?shù)提高了10%。

        3.2系統(tǒng)模型和方案設(shè)置

        基于5G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)系設(shè)計(jì)大體上可以分作以下幾個主要模塊和子模塊:

        (1)數(shù)據(jù)采集模塊(DAM):Redis是一個內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,可以選擇在磁盤上進(jìn)行持久性存儲,因此它代表了一種折衷方案,其中以無法設(shè)置的較大數(shù)據(jù)集為代價實(shí)現(xiàn)了很高的讀寫速度比記憶。因此,可以預(yù)期可以容易地實(shí)現(xiàn)100倍壓縮率。5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用了分布式存儲和處理框架,例如開源Apache Hadoop框架。Apache Hadoop支持跨計(jì)算機(jī)集群的分布式數(shù)據(jù)處理。流行的MapReduce分布式數(shù)據(jù)處理模型,Hadoop分布式文件系統(tǒng)(HDFS)和分布式表存儲HBase 是Hadoop組件。

        (2)預(yù)處理模塊(PPM):異常檢測是一個重要的問題,它們可以為用戶提供有價值的信息,可以主動使用這些信息,從而進(jìn)一步提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)效率并提供競爭優(yōu)勢。該模塊將以獨(dú)立的批處理方式從數(shù)據(jù)序列中提取參數(shù)。根據(jù)最終用戶應(yīng)用程序的要求,包含指向相應(yīng)行數(shù)據(jù)記錄的指針,這些指針分別存儲,以便語義搜索也可以檢索行數(shù)據(jù)。估計(jì)每年不超過250個潛在的不穩(wěn)定性間隔,平均1%的傳感器在一個測量時刻檢測到不穩(wěn)定性,導(dǎo)致每年250×0.01×4M = 10M不穩(wěn)定性間隔。

        (3)語義模塊(SM):基于用于可擴(kuò)展鏈接數(shù)據(jù)語義數(shù)據(jù)集管理的平臺。該平臺將具有基于Web的高級協(xié)作本體編輯器,并且在使用的三重存儲方面具有靈活性。默認(rèn)情況下,該技術(shù)將允許采用不同的推理器。預(yù)期的數(shù)據(jù)處理和存儲效率基于對傳感器物理特征,其組織和位置,價格,測量單位類型等的語義描述的有效使用。為此,可以將許多標(biāo)準(zhǔn)本體加載到系統(tǒng)中出于特定的應(yīng)用目的,將使用在線協(xié)作本體編輯器來允許最終用戶調(diào)整現(xiàn)有本體并開發(fā)新的本體,并用于諸如時間本體,測量本體等領(lǐng)域。

        (4)最終用戶Web應(yīng)用程序模塊(WAM):可以實(shí)現(xiàn)為高級Ajax前端,可以使用RESTful服務(wù)API和SPARQL查詢與后端進(jìn)行通信。它應(yīng)該包含以下子模塊:

        NLP子模塊:用戶以簡化的英語輸入搜索查詢,因此要求最終用戶具有較低的認(rèn)知負(fù)擔(dān),同時為了降低語言使用和處理的復(fù)雜性,需要利用特定領(lǐng)域的語言細(xì)節(jié)。然后處理輸入,并將其轉(zhuǎn)換為SPARQL查詢,以對語義注釋的數(shù)據(jù)進(jìn)行語義搜索。然后,可以使用數(shù)據(jù)預(yù)處理算法檢索不穩(wěn)定狀態(tài)的時間間隔,并記錄數(shù)據(jù)序列開始和結(jié)束的日期和時間。

        報告和分析子模塊:數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過視覺上吸引人的圖表,圖形,表格等方式直觀地呈現(xiàn)。語義過濾適用于功能強(qiáng)大的分面搜索和瀏覽搜索結(jié)果。而且,數(shù)據(jù)分析人員能夠?qū)⒃诰€數(shù)據(jù)顯示重新配置為簡單的Web應(yīng)用程序。標(biāo)準(zhǔn)RDF / XML語言支持中定義的現(xiàn)有功能可以提供多語言支持。

        附加功能:將異常事件分類為低,中,高,還可以將異常強(qiáng)度指定為不穩(wěn)定區(qū)間中最大測量值與目標(biāo)值的偏差的百分比。兩個或多個不穩(wěn)定性區(qū)間重疊的條件概率估計(jì)將基于簡單的分析算法,例如計(jì)數(shù)(“ x of y”或“ x / y”,6 of 9或7/10,在搜索結(jié)果中表示重疊。

        推理和預(yù)測模塊:可以實(shí)現(xiàn)為高級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)??梢詫⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)用于RPM的學(xué)習(xí)組件。在5G網(wǎng)絡(luò)下的物聯(lián)網(wǎng)中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被證明可以有效地進(jìn)行干擾檢測和分類以及時間序列預(yù)測任務(wù),對于協(xié)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)連入設(shè)備至關(guān)重要。

        四、結(jié)論

        綜上所述,5G網(wǎng)絡(luò)不僅為物聯(lián)網(wǎng)帶來了新的技術(shù)和運(yùn)營挑戰(zhàn),而且還涉及各種法律和法規(guī)方面以及約束條件。因此,5G環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)需要靈活并且可以在其使用壽命內(nèi)進(jìn)行修改。因此,應(yīng)使用定義明確的退出策略程序來設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

        參? 考? 文? 獻(xiàn)

        [1]國家發(fā)改委經(jīng)濟(jì)體制與管理研究所產(chǎn)業(yè)室原主任? 史煒. “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是我國工業(yè)振興之本[N]. 人民郵電,2020-07-23(003).

        [2]郭成元,高俊科.智能包裝物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺設(shè)計(jì)[J].印刷雜志,2020(04):27-30.

        [3]余敏,李永騰,葛志峰,郭鵬程,柏帆.智能移動雙光監(jiān)測系統(tǒng)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2020,28(13):179-183.

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