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5G通信技术的IoT架构设计分析 摘要：物联网（IoT）是工业4.0的重要组成部分，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，解决了未来应用程序、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架构满足未来工业4.0的发展。 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殊关联，以改变传统的生活方式。物联网作为工业4.0最重要的组成部分之一，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。根据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，在不久的未来，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，物联网系统的通信部分已经得到了较大的发展，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重的问[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未来的挑战，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未来需求，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，根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发展的基础，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的一部分；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。传统的宏蜂窝基站(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，该技术可帮助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，为了达到这个目的，SDN打破了传统网络的垂直同化，并