【摘要】隨著移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，LTE無線通信技術與物聯(lián)網(wǎng)的融合成為推動信息化進程的關鍵力量。本文首先介紹了LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)技術；然后詳細探討了LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)的融合，包括擴展訪問限制、改進限制及接入類別限制；在此基礎上，進一步研究與探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的LTE無線通信的應用策略；最后，討論了LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)技術融合的具體應用，以期為類似融合研究提供有益參考與實踐指導。

【關鍵詞】LTE無線通信；物聯(lián)網(wǎng)；融合應用

中圖分類號：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.23.005

近年來，無線通信技術與物聯(lián)網(wǎng)技術均得到了迅猛發(fā)展。無線通信技術作為信息傳遞的重要手段，為物聯(lián)網(wǎng)的廣泛連接與智能交互提供了可能。而物聯(lián)網(wǎng)技術則憑借智能感知、識別與通信，將各種物體互聯(lián)互通，形成龐大的信息網(wǎng)絡，有力推動了信息化進程。本文以LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)技術的融合應用為核心，詳細探討了兩者在擴展訪問限制、改進限制、接入類別限制等方面的融合策略，并進一步研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的LTE無線通信的應用策略。

1. LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)技術

1.1 LTE無線通信技術

LTE無線通信技術有效融合了先進的無線傳輸技術與改良的網(wǎng)絡架構，通過精準的頻譜管理，將頻譜資源劃分成若干子載波，實現(xiàn)多用戶的高效接入與數(shù)據(jù)傳輸。其中，調(diào)制與解調(diào)技術用于保障數(shù)字數(shù)據(jù)在傳輸過程中的準確轉換與還原。LTE采用封幀與多址技術，使得數(shù)據(jù)可以被分割成多個小包，同時封裝成幀，一方面保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，另一方面實現(xiàn)了多用戶的同時傳輸與接收，大幅提升了網(wǎng)絡容量與吞吐量。與此同時，還引入多輸入多輸出技術，通過在發(fā)射與接收端部署多天線，做到了多數(shù)據(jù)流的并行傳輸，進一步提升了數(shù)據(jù)傳輸速度，增強了網(wǎng)絡的可靠性。另外，在網(wǎng)絡架構層面，LTE摒棄傳統(tǒng)2G、3G的網(wǎng)絡模式，引入了基于正交頻分復用的空中接口，同時對網(wǎng)絡架構完成扁平化優(yōu)化[1]。憑借X2與S1接口的連接，LTE構建了穩(wěn)定、可靠、高效的無線通信網(wǎng)絡，為物聯(lián)網(wǎng)等新型應用奠定堅實基礎。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術

通過連接傳感器、控制器等多元設備，物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了物與物、物與人之間的高效智能交互，建立起了一個全面的信息化網(wǎng)絡環(huán)境。其技術架構為：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關作為信息流通的樞紐，保障信息的順暢無阻；感知層專注于從物理世界收集各類關鍵信息；網(wǎng)絡層承擔著信息的傳輸與處理的重任；而應用層則將這些信息進行整合并轉化成實際應用[2]。物聯(lián)網(wǎng)并非孤立存在，它融合了云計算、大數(shù)據(jù)等多種先進技術，共同搭建起一個強大的技術體系。其中，大數(shù)據(jù)技術為海量數(shù)據(jù)的存儲提供了可能，而云計算則在數(shù)據(jù)整合與算法分析等方面發(fā)揮著關鍵作用。這些技術的有效融合，使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以隨時隨地為用戶提供所需數(shù)據(jù)，滿足萬物互聯(lián)的迫切需求。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能家居如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)技術橫跨多個領域，從家居智能化、電網(wǎng)的智能管理到醫(yī)療與交通系統(tǒng)的革新，均展現(xiàn)了其深遠且廣泛的應用前景。通過物聯(lián)網(wǎng)，有望達成能源節(jié)約、遠程操控及智慧化決策等多重成就，極大地增強了工作效能與生活便捷度。

2. LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)的融合策略

2.1 擴展訪問限制

LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，在擴展訪問限制與保障用戶隱私安全等方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，為物聯(lián)網(wǎng)的廣泛、深入應用奠定基礎。LTE憑借其高帶寬與快速傳輸?shù)奶匦?，為大量智能設備的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸提供了技術支撐，這與物聯(lián)網(wǎng)技術倡導的設備互聯(lián)互通理念相輔相成，一同推動了海量設備的智能化管理與操控。兩者的深度融合，為實現(xiàn)訪問限制的擴展提供了有效途徑。配合訪問控制機制，一方面能夠靈活調(diào)整不同設備對網(wǎng)絡資源的訪問權限，另一方面能在確保數(shù)據(jù)高效流通的同時，切實保護用戶的隱私安全，這有效提升了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全性，并為用戶帶來了更可控、安全的智能體驗。

2.2 改進限制

針對機器類通信（MTC）設備的特殊需求，引入改進限制機制優(yōu)化網(wǎng)絡性能是一種有效的改進限制方案。通過精細調(diào)整接入類別與訪問限制，實現(xiàn)了對MTC設備接入網(wǎng)絡的全面管理。具體來說，通過合理限制MTC設備的帶寬使用方式、連接方式及連接次數(shù)等，該方案可以有效控制網(wǎng)絡的負載水平，一方面防范了因MTC設備數(shù)量激增而導致的服務質(zhì)量下降，另一方面還有效避免了網(wǎng)絡擁塞等潛在問題，保障了網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行[3]。另外，該方案也擴展了對訪問限制的補充，通過嚴格控制特定服務與資源的訪問，確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定性與可靠性，這促進了物聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛普及與深入應用。

2.3 接入類別限制

針對不同類型的MTC設備，實施差異化的接入類別限制顯得尤為重要。例如，智能家居中智能電表、傳感器等普通MTC設備，由于其數(shù)據(jù)傳輸量相對較小且對實時性要求不高，因此，它們在利用LTE通信時，給網(wǎng)絡帶來的壓力相對有限。對于這類設備，接入網(wǎng)絡的限制條件較為寬松，這充分利用LTE快速傳輸與高帶寬特性的同時，保障了這類設備可以穩(wěn)定且高效地完成數(shù)據(jù)傳輸任務，較好地滿足了物聯(lián)網(wǎng)應用對于智能設備互聯(lián)互通的基本需求[4]。差異化的限制策略有助于合理優(yōu)化網(wǎng)絡資源的分配，更靈活、輕松地適應不同類型MTC設備的需求，進而大幅提高整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運行效率。

3. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的LTE 無線通信的應用策略

3.1 設備-基站的智能映射

鑒于物聯(lián)網(wǎng)設備的多樣性與通信需求的差異性，傳統(tǒng)基于規(guī)則的映射方法已不能很好地滿足日益復雜的通信環(huán)境。深度學習技術的引入為設備與基站的映射問題提供了創(chuàng)新解決方案。通過挖掘LTE基站與物聯(lián)網(wǎng)設備過往的交互數(shù)據(jù)，深度學習能夠精確構建兩者間的通信行為模型，進而智能化地推導出最高效的設備至基站配對方案。具體而言，可運用動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡架構，對基站屬性與設備特性數(shù)據(jù)集完成學習，以特征向量的形式表征它們之間的通信模式。此過程將設備與基站的配對視為一項優(yōu)化任務，目標是尋求一個映射算法，確?；九c所有設備間的通信性能總和實現(xiàn)最大化。接下來，訓練深度神經(jīng)網(wǎng)絡來逼近映射函數(shù)，最小化損失函數(shù)，可以準確預測通信特性并優(yōu)化映射關系。另外，考慮到實際應用中可能出現(xiàn)的通信環(huán)境變化、設備故障等特殊情況，還需定期訓練與優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡模型，以保證映射關系的持續(xù)有效性與適應性[5]。

3.2 動態(tài)頻譜按需分配

與傳統(tǒng)固定頻譜分配方式相比，動態(tài)頻譜分配策略通過綜合考慮網(wǎng)絡的實時負載情況與設備的通信需求，可以靈活地調(diào)整頻譜資源的配置，以實現(xiàn)頻譜資源的高效利用。這種策略旨在滿足日益增長且多樣化的設備通信需求。為實現(xiàn)這一目標，可借助貪心算法或優(yōu)化理論等。以貪心算法為例，其分配頻譜資源的步驟為：首先，根據(jù)設備的通信需求，從高到低對設備完成排序；其次，從需求最高的設備開始，依次為其分配盡可能大的頻譜資源塊，直到其通信需求得到滿足[6]。這個過程會持續(xù)進行，直到所有設備的通信需求均被滿足，或是全部頻譜資源都被分配完畢。這種按需動態(tài)分配頻譜資源的方法不僅能夠基于實時負載感知有效分配頻譜資源，而且還能輕松適應通信需求及物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量的變化，并據(jù)此靈活調(diào)整分配策略。

3.3 設備狀態(tài)智能能源調(diào)控

鑒于物聯(lián)網(wǎng)設備普遍依靠電池供電且廣泛散布，如何高效管理能源資源成為亟須攻克的難題。為實現(xiàn)這一目標，可利用設備狀態(tài)信息實現(xiàn)精細化能源管理。具體而言，通過全面收集設備的睡眠周期、數(shù)據(jù)通信需求及剩余電量等狀態(tài)信息，運用機器學習方法對設備狀態(tài)與能源消耗關系完成建模。據(jù)此構建能源優(yōu)化目標函數(shù)，旨在滿足通信需求的前提下，使能源消耗達到最小。在實際操作中，首先需整合設備的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，預測各種操作模式下的能耗情況。接著，通過權衡各操作的通信效率與能耗成本，篩選出性價比最高的操作路徑[7]。此過程可借助強化學習等先進技術來實現(xiàn)自動化策略生成與選擇，以Q-learning算法為例，它為設備每種狀態(tài)下的每種操作分配一個效益評估值（Q值），代表在此狀態(tài)下執(zhí)行該操作的預期回報。隨著持續(xù)的交互學習，設備能迭代優(yōu)化其Q值表，從而鎖定最佳操作策略。這種能源管理策略不僅有助于提升設備續(xù)航、實現(xiàn)能源的高效利用，還能在確保通信性能的同時，探索物聯(lián)網(wǎng)設備與LTE無線通信深度融合的新途徑，為物聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛普及與深入發(fā)展奠定基石。

3.4 新排隊理論優(yōu)化延遲

當前延遲問題成為影響通信質(zhì)量與數(shù)據(jù)實時性的關鍵因素。為有效解決這一問題，采納先進的排隊理論以壓縮延遲時間成為一項有效策略。傳統(tǒng)的排隊理論側重于分析服務設施及排隊隊列的狀況，而新興的排隊理論則實現(xiàn)了顯著拓展，能夠更精準地應對服務時間波動與隨機到達間隔等復雜場景。新排隊理論的應用，有助于設計高效的調(diào)度策略用以減少排隊延遲。例如，利用最短作業(yè)優(yōu)先策略來最小化整體延遲。實際部署時，鑒于物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭_時間與服務處理時間均呈現(xiàn)隨機特性，這就需要更深入地探索并設計更為精準的調(diào)度方案，以確保系統(tǒng)可以靈活應對各種復雜多變的實際運行狀況?；谛屡抨犂碚搶崿F(xiàn)延遲優(yōu)化，一方面能夠有效減少通信延遲、提升通信質(zhì)量與數(shù)據(jù)實時性，另一方面也為物聯(lián)網(wǎng)與LTE無線通信的融合應用提供了新的方法與思路。未來，將探索更加自適應、更加智能的調(diào)度策略，以輕松應對持續(xù)變化的通信環(huán)境與設備需求。

3.5 預測模型智能接入調(diào)控

隨著大量設備接入需求的涌現(xiàn)，網(wǎng)絡資源的稀缺性成為限制系統(tǒng)綜合性能的主要瓶頸。為應對這一挑戰(zhàn)，一種依托預測模型的智能接入管理策略應運而生。該策略的核心在于充分利用設備與網(wǎng)絡的歷史數(shù)據(jù)，搭建預測模型預測未來的設備接入行為與網(wǎng)絡負載情況。具體而言，通過收集一組歷史接入數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡負載數(shù)據(jù)，并運用機器學習技術（如神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等）構建和訓練預測模型。此模型能夠依據(jù)設備的接入行為模式，預估其未來的接入需求，同時考慮當前網(wǎng)絡負載狀態(tài)，以制定出科學的接入控制策略。在實際操作中，先依據(jù)預測模型來預估設備即將發(fā)起的接入請求，得到預測結果；隨后，根據(jù)當前網(wǎng)絡負載的實時狀況，評估是否能夠滿足這些接入請求。若預測顯示設備接入需求激增，且當前網(wǎng)絡已接近飽和狀態(tài)，系統(tǒng)將采取措施，拒絕部分請求，以避免網(wǎng)絡過載，進而保障通信質(zhì)量與系統(tǒng)的整體性能[8]。這種智能接入調(diào)控策略，通過精準預測與智能決策，有效提高了網(wǎng)絡資源的利用率，減少了網(wǎng)絡擁塞。

4. 應用場景

LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)技術的融合應用廣泛且深入，具體應用如表1所示。

在水電氣網(wǎng)管理中，LTE結合智能傳感器與表盤，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集與遠程管理，大幅提升了服務效率；智慧城市建設則利用LTE無線通信與智能監(jiān)控技術，實時監(jiān)控交通流量、排水等城市設施，顯著增強了城市管理的智能化與公共服務質(zhì)量；智能家居生活通過LTE與家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺的融合，實現(xiàn)了家電的遠程監(jiān)控與控制，提升了家居便捷性與用戶體驗；在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領域，LTE-V與車聯(lián)網(wǎng)平臺的融合實現(xiàn)了V2X通信，提高了交通安全性，優(yōu)化了交通流量管理；此外，在智慧電網(wǎng)運營中，LTE、物聯(lián)網(wǎng)技術與云計算的融合應用，實現(xiàn)了實時電力監(jiān)控與管理，優(yōu)化了電力分配，提高了電網(wǎng)穩(wěn)定性。

5. 結束語

LTE無線通信與物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，顯著提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾逝c可靠性的同時，也為物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用打下了堅實基礎，在提升民眾生活品質(zhì)、推動信息化社會建設等方面具有積極作用。伴隨技術的持續(xù)創(chuàng)新，兩者的融合應用將更廣泛且深入，包括但不限于智慧城市、工業(yè)自動化及環(huán)境監(jiān)測等領域。未來，將嘗試融入更多像5G這樣的先進技術，以進一步增強網(wǎng)絡性能，從而開創(chuàng)更高效、便捷、智能的生活。

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