LTE技术与物联网技术融合分析

LTE技术与物联网技术融合分析
作者：张孝林张翰博
来源：《移动通信》2012年第07期
1 概述
移动通信技术、终端芯片技术以及智能终端设计技术，特别是RFID（射频识别）技术的高速发展，极大地推动了物联网及其相关应用的进步，同时也为移动物联网的发展打下了坚实的基础，使得传统互联网及其应用能够摆脱计算机的限制，快速地扩展到物联网及其移动终端的市场，其移动业务为移动通信及其技术的持续增长打开了更加广阔的空间。

然而，在互联网应用向物联网扩展的过程中，其应用对无线带宽资源的需求日益增加，如移动视频监控、语音应用等以及未来的移动物联网应用将占用越来越高的移动系统无线带宽资源。

传统的2G移动通信系统主要面向语音业务，其数据应用的无线带宽通常较低，如CDMA 的速率为153.6kbps，而GPRS的速率仅为50kbps左右，即使是峰值能达到384kbps的EDGE，平均使用速率也只能达到160kbps左右，这些远不能满足物联网的应用需求。

虽然3G 移动通信系统已经开通并运营多年，但是随着3G用户的增加以及物联网的普及，其有限的带宽仍然不能满足用户的需求。

LTE（Long Term Evolution）被视作从3G向4G演进的新一代移动通信系统，或称准4G 系统，它以OFDM和MIMO技术为核心，具有100Mbps的数据下载能力。

LTE系统不仅能够支持在20MHz频谱带宽上提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率，而且可以改善小区边缘用户的性能、提高小区容量、降低系统延迟，其用户平面内部单向传输时延低于5ms。

由此可以看出，LTE所支持的速率，与现有的2G/3G系统的速率、传统的ADSL的速率
1/2/4/8Mbps（国内常见的是2M和4M）以及无线局域网的速率54Mbps相比，具有一定的优势，可以极大地满足物联网应用对无线带宽的需求。

2 物联网技术分析
“物联网技术”的核心和基础仍然是“互联网技术”，是在互联网技术基础上延伸和扩展的一种网络技术，其用户端延伸和扩展到了任何物品。

因此，物联网技术的定义是：通过RFID、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。

目前物联网处于起步阶段，初步具备了一定的技术、产业和应用基础，呈现出良好的发展态势。

我国在芯片、通信协议、网络管理、协同处理和智能计算等领域开展了多年技术攻关，已取得许多成果；在传感器网络接口、标识、安全、传感器网络与通信网融合、物联网体系架构等方面，相关技术标准的研究也已取得进展。

我国物联网在安防、电力、交通、物流、医疗和环保等领域已经得到应用，应用模式正日趋成熟。

在安防领域，视频监控、周界防入侵等应用已取得良好效果；在电力行业，远程抄表、输变电监测等应用正在逐步拓展；在交通领域，路网监测、车辆管理和调度等应用正在发挥积极作用；在物流领域，物品仓储、运输和监测应用广泛推广；在医疗领域，个人健康监护、远程医疗等应用日趋成熟。

除此之外，物联网在环境监测、市政设施监控、楼宇节能和食品药品溯源等方面也得到了广泛的应用。

图1是业界定义的一种物联网分层架构：
按图1的分层结构可以将物联网技术分为三类，即感知层技术、网络层技术和应用层技术。

感知层技术主要包括传感技术、RFID技术、微机电系统（MEMS）、GPS/GIS技术等以及无线传感器网络（WSN）技术、M2M（Machine to Machine）技术等感知层组网技术。

其中传感技术主要实现感知物资信息的功能，RFID技术解决智能识别问题，MEMS用于采集现场信息，GPS/GIS技术面向全球定位/地理信息系统。

WSN技术针对物联网的末端神经系统，主要解决“最后100米”连接问题，传感网末端一般是指比M2M末端更小的微型传感系统。

M2M
技术侧重于移动终端的互联和集控管理，主要是通信运营商的物联网业务领域，有MVNO （移动虚拟网络运营商）和MMO（M2M移动运营商）等业务模式。

网络层技术主要包括各种无线/有线接入网技术、物联网信息管理技术等。

其中无线/有线接入网技术包括传统的2G/3G移动通信网、互联网、无线局域网（如WiFi网络）、广电网以及正在到来的LTE网络等技术。

应用层技术主要包括系统集成技术、行业应用技术、专家系统以及数据挖掘与融合技术等。

3 云计算技术分析
云计算（Cloud Computing）是近年提出的一种计算模式。

维基百科给云计算下的定义是：云计算将IT相关的能力以服务的方式提供给用户，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识以及设备操作能力的情况下，通过Internet获取所需服务。

目前，我国的云计算发展尚处于起步阶段，各大通信运营商都表现得异常活跃。

中国移动推出了“大云”（Big Cloud）云计算基础服务平台，中国电信推出了“e云”云计算平台，中国联通则推出了“互联云”平台。

从云计算技术角度上讲，目前业界定义的一种云计算结构如图2所示，主要由物理资源、虚拟化资源、中间件管理和服务接口4层构成。

从图2可以看出，在云计算系统中，虚拟化（Virtualization）技术是核心组成部分之一，是将各种计算及存储资源充分整合和高效利用的关键技术。

虚拟化是为某些对象创造的虚拟（相对于真实）版本，比如操作系统、计算机系统、存储设备和网络资源等。

它是表示计算机资源的抽象方法，通过虚拟化可以用与访问抽象前资源一致的方法访问抽象后的资源，可以为一组类似资源提供一个通用的抽象接口集，从而隐藏属性和操作之间的差异，并允许通过一种通用的方式来查看和维护资源。

分布式并行架构技术是云计算的另一个核心技术，用于将大量的机器整合为一台超级计算机，提供海量的数据存储和处理服务。

整合后的超级计算机通过分布式文件系统、分布式数据库和MapReduce技术，提供海量文件存储、海量结构化数据存储和统一的海量数据处理编程方法与运行环境。

为了向用户提供高效的服务，云计算系统需要处理、分析各种不同的数据。

因此，数据管理技术同样是云计算系统的核心技术，包括安全管理、用户管理和服务接口等技术。

通过这些管理技术，云计算系统能够高效地管理各种不同的数据集。

4 融合技术研究
一方面，作为下一代无线通信技术，LTE技术及其系统和终端，特别是LTE终端将承担未来LTE与移动物联网的核心技术融合和技术创新的重担，各种物联网的应用也将通过LTE 终端的普及和推广得到快速的发展。

另一方面，由于物联网信息的种类和数量成倍增加，需要分析的数据量也成级数增加，同时还涉及到各种异构网络或多个系统之间数据的融合问题，怎样合理、有效地整合、挖掘和智能处理海量的数据是物联网的难题。

在LTE时代，通过融合云计算技术，可以有效解决这个难题。

在物联网感知层面，针对LTE终端需要研究和解决LTE天线与RFID、GPS天线的多模重构技术，LTE射频和RFID、GPS射频的多模智能技术，LTE基带和RFID基带的多模集成技术。

对于这些融合技术，软件无线电技术也许是一个有效的解决途径。

在物联网网络层面，目前的传输技术包括2G/3G、LTE、WiFi和有线网络等。

对于这个异构网络环境的现状，在LTE终端中，需要研究和解决无线传感器网络与LTE网络相互融合的技术，以实现异构网络稳定、快捷、低功耗、低成本融合。

在物联网应用层面，适用于物联网的海量信息存储和处理，以及数据挖掘、图像视频智能分析等技术需要进一步研究和解决。

云计算技术在物联网中的应用，是一种实现这些技术的有效方法。

将云计算的核心技术融入LTE网络管理系统和业务平台系统，既可以按需提供动态伸缩的廉价计算，又具有相对可靠并且安全的数据中心，同时兼有互联网服务的便利、廉价和大型计算机的能力，可以轻松实现不同LTE终端间的数据与应用共享，用户无需担心信息泄露、黑客入侵等棘手问题。

5 总结
在政府、学术界和产业界的大力推动下，LTE网络、物联网和云计算已成为当前世界新一轮经济与科技发展的战略制高点。

发展LTE网络、物联网并融入云计算，对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义。

目前LTE网络陆续投入运营，物联网的发展尚处于初级阶段，实现过程中仍然存在一定的问题，云计算为众多用户提供了一种新的高效率计算模式，兼有互联网服务的便利、廉价和大型机的能力，三种技术的相互融合将是未来技术创新的热点。