LTE与物联网的融合现状和发展研究

【摘要】文章首先分别介绍了物联网和LTE，然后对LTE与物联网的融合现状进行了分析，着重讨论了LTE技术与物联网技术融合的一种架构，并对两者融合的一些关键技术进行了阐述，最后对其未来发展作了展望。

【关键词】LTE 物联网 网络融合

1 引言

近些年来，移动通信技术有了很大的发展，尤其是LTE技术，正在被广泛运用，并有望在2013～2014年投入商用。LTE是由3GPP标准化的下一代蜂窝网络技术。此外，包含LTE-Advanced的IMT-Advanced 4G标准将提供一个全球平台，在这一平台上，将提供数据接入更快、漫游能力增强、整合了信息和宽带多媒体服务的下一代交互移动服务。LTE系统的主要性能需求包括峰值速率和峰值频谱效率、小区吞吐量和频谱效率、语音容量、移动性和小区覆盖、用户面时延和控制面时延。

随着计算机技术、微电子技术、通信网络和人机交互的迅速发展，人们的注意力逐渐从原来的网络连接服务转移到无所不在的信息服务。基于这一转变，物联网迅速发展。传统因特网是面向人与人的连接，而物联网是面向大量物体（设备）的连接，即物联网涵盖更大范围的连接；因特网和通信网络关注信息的传输，而物联网关注信息服务。

将传感器网络、因特网、通信网（有线或无线）和云计算平台结合在一起，物联网能够感知、识别和控制物质环境。无线通信网络成为物联网的基础承载网络，移动通信终端也可实现与物联网终端的融合。但传统的无线通信网络无法满足物联网对数据传输的需求，而LTE具有高的频谱利用率、宽带宽和大覆盖范围的特点，在一些没有有线连接的场景下，LTE是一种很好的无线备选方案。因此，研究物联网和LTE的融合及其关键技术具有重要的意义。

2 物联网与LTE

2.1 物联网

物联网，是指由多个具有更透彻感知能力的传感器形成的自组织、智能化多传感器网络体系（信息获取），再辅以智能化的计算（信息处理）与泛在的互联技术（信息传输与共享）支撑，从而实现信息的汇聚、协同整合、泛在聚合、交互共享、智能处理等过程，最终构建成物物互联的综合智慧网络[1]。

物联网的行业应用涉及智能电网、智能交通、电子政务、智能消防、工业监测、远程医疗、绿色农业等多个领域，大大提高了传统产业的效率，它所带来的产业价值比互联网大30倍。物联网包含了丰富的技术，其中，最为核心的有三部分：前端的透彻感知技术、中端的泛在接入技术和后端的智能处理技术，分别对应物联网分层架构（图1）中的智能感知层、泛在接入层和个性应用层的关键技术[2]。

智能感知层主要负责数据的识别和采集，包括RFID、条形码、传感器、GPS/GIS等设备。泛在接入层包括传感网和无线/有线接入技术、广电网等。无线/有线接入网技术包括传统的2G/3G移动通信网、无线局域网（Wi-Fi）、互联网等技术，重点解决如何将传感器网接入核心网。感知层和物理层是物联网的基础，而要实现对物体的智能化管理、达到真正的“物物相联”，还有赖于对数据、信息进行智能化分析和处理的平台应用层。这方面的主要技术有云计算技术、数据挖掘技术、云存储技术和异源异构数据的整合技术等。

2.2 LTE

LTE作为新一代无线通信技术，着重于提高网络速率、增大网络容量和覆盖范围。LTE设计目标如下：

（1）通信速率：下行峰值速率为100Mb/s，上行为50Mb/s。

（2）频谱效率：下行链路为5b/s/Hz，3～4倍于HSDPA；上行链路为2.5b/s/Hz，2～3倍于HSUPA。

和以往的通信技术相比，LTE大幅提高了对传输速率和频谱效率的要求[3]。它采用了以下两大技术：

（1）正交频分复用技术（OFDM）。OFDM是无线环境下的一种高速传输技术。它的主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，把高速数据信号转换成并行的低速子数据流，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且各子载波并行传输。OFDM与一般的频分复用的主要差别在于其不同载波的频谱可以相互交叠，因此可以获得较高的频谱利用率。

（2）多输入多输出（MIMO）。MIMO技术是指发送机和接收机同时采用多个天线。其目的是在发送天线与接收天线之间建立多路通道，在不增加带宽的情况下，成倍改善用户的通信质量或提高通信效率。其实质是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以提高信道容量，而空间分集则可以增强信道的可靠性、降低信道误码率。

3 LTE与物联网的融合分析

3.1 LTE与物联网的融合架构

文献[4]提出了一种基于LTE技术的物联网架构，如图2所示。整体结构可分为三部分：物联网服务/应用中心、LTE传输网络和物联网设备网络。物联网服务/应用中心是由对象命名服务器（ONS）、物联网服务器和内部中间件构成的。对象命名服务器类似于互联网中的域名解析系统（DNS），用于对相应的物联网服务器和应用服务器定位。物联网服务器对外界提供统一的可伸缩的数据和服务器接口，外界用户或应用能够通过物联网服务器读取相关数据和实行各种物联网应用。内部中间件提供物联网服务器和LTE核心网络之间的接口，其主要作用是收集物联网数据和保证防火墙安全。

LTE传输网络负责物联网设备间数据和控制信令的可靠传输。它由eNB和移动管理实体（MME）/服务网关（S-GW）组成，MME提供UE和LTE核心网络的信令交互，S-GW实现数据包传输和移动性管理。

物联网网关从所有传感器和物联网设备上收集信息。外部用户和应用能够接入物联网服务器，以获得物联网数据并通过网关控制物联网设备。因此，网关可看作物联网设备的。物联网用户能够通过3GPP LTE接入网络所支持的物联网服务器，控制大量的物联网设备。物联网服务器由经营者提供，并为物联网用户提供应用程序接口。

3.2 LTE与物联网融合的关键技术

物联网通信和人与人之间的通信有一些类似的特点，如移动性、分组交换、安全连接等；也有其自身的特点，如常在线、小数据包传输等[5]，且物联网中的设备通常比人与人之间通信的移动设备更小更昂贵。在物联网通信中另外还有许多限制，包括能量、消耗、存储和带宽。LTE与物联网的融合，需要解决以下几个问题：

怎样使LTE网络适应和满足物联网的业务特点及要求？对此，可以分析基于物联网的特殊业务模型，对无线通信网络进行优化，以适配物联网的数据业务形态[6]。同时，研究不同的物联网应用对QoS的不同要求——如智能交通业务需要高移动性、低延迟，而智能电表业务移动性较低且允许延迟，使LTE系统能够保证相应的服务质量。

怎样合理地整合、压缩和挖掘海量数据？对此，要继续研究数据挖掘、图像视频智能分析等技术。同时，将云计算的核心技术融入到LTE网络管理系统和业务平台系统，提高物联网的数据处理和共享能力。

怎样将LTE网络与物联网有机地融合在一起，从而发挥出巨大的社会经济效益？对此，在LTE终端方面要重点研究LTE天线与RFID、GPS天线的多模重构技术等，在网络层方面要重点研究无线传感器网络与LTE网络的异构网络融合技术，从而使网络更加稳定、高效。

4 展望

物联网和3GPP LTE网络的融合将给双方都带来好处。物联网设备能够通过3GPP LTE网络传输数据，而3GPP LTE经营者能够基于物联网设备开展更多的增值服务，例如远程监控、智能计量、智能家居和远程医疗等。在3GPP核心网络中，IP多媒体子系统（IMS）基于规定QoS的分组交换，能够为物联网提供多媒体业务的支持，更将极大地促进物联网的发展。同时，LTE与物联网融合存在一些挑战，对于其融合业务分析、数据压缩处理和网络层融合等关键技术有待进一步研究。

参考文献：

[1] Juan Pablo Conti. The Internet of Things[C]. IET Communications Engineer， 2006： 20-25.

[2] Zorzi M， Gluhak A， Lange S， et al. From Today’s Intranet of Things to A Future Internet of Things： A Wireless and Mobility related view. IEEE Wireless Communications， 2010（17）： 44-51.

[3] Farooq Khan. LTE For 4G Mobile Broadband[M].Cambridge University Press， 2009.

[4] Xiangming Wen， Wei Zheng， Zhaoming Lu. Convergence architecture of Internet of Things and 3GPP LTE-A network based on IMS[C]. Mobile Congress（GMC）， 2011.

[5] Fangmin Xu， Luyong Zhang， Zheng Zhou. Interworking of WiMAX and 3GPP networks based on IMS[J]. IEEE Communications Magazine， 2007，7（3）：145-149.

[6] 李昊，胡兴. LTE无线通信技术与物联网技术的结合与发展[J]. 邮电设计技术， 2012（1）.