基于LTE系统的物联网架构的研究与设计

　　引言

　　3GPP长期演迸项目是近年来3GPP启动的最大的新技研发项目，这种以OFDM／FDMA为核心的技术可以被看做 “准4G”技术，是三种主流3G标准的主要演进方向。传统移动通信网络主要是解决人与人的互联，而物联网(Intemet of Things，IOT)解决的是物与物的互联。当有更多的关键性基础设施挂到互联网上时。互联网将成为一个设备网络而不再只是一个计算机网络。从“智慧地球”的理念到“感知中国”的提出，随着全球一体化、工业自动化和信息化的不断深入，物联网时代悄然来临。

　　由于通信网络在物联网架构中的缺位，使得早期的物联网应用往往在部署范围、应用领域等诸多方面有所局限，终端之间以及终端与后台软件之间都难以开展协同。随着物联网发展，建立端到端的全局物联网络将成为必须，通信网络将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，从而为电信业务的发展带来新的机遇。本文首先简单地介绍了物联网和长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统，分析了两种技术融合的可能性和必要性，然后提出了一种LTE技术与物联网技术相互融合的一种架构，最后研究了基于新架构的物联网在供应链中的应用。

　　1　物联网

　　1．1　物联网概念

　　物联网是指通过射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光
扫描仪等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其实质就是利用RFID技术，通过计算机互联网以实现全球物品的自动识别，达到信息的互联和实时共享。

　　物联网是利用无所不在的网络技术(有线的、无线的)建立起来的，其中非常重要的技术是RFID电子标签技术。它
是以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑的一个由大量联网阅读器和无数移动标签组成的，比Intemet更为庞大的网络。物联网成为RFID技术发展的趋势。在这个网络中，系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。

　　1．2　物联网基本原理

　　基于电子产品代码(Electric Product Code，EPC)的物联网是在计算机互联网的基础上，利用全球统一的物品编码技术、射频识别技术、无线数据通信技术等，实现全球范围内的单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高供应链管理水平，降低物流成本，被誉为具有革命性意义的新技术，引起了世界各国企业的广泛关注。EPC系统的构成如表1所示。

表1 　EPC系统构成

　　在图1中所示的物联网中，产品在生产完成时，贴上存储有EPC码的电子标签，此后在产品的整个生命周期，该EPC成为产品的唯一标识，以此EPC编码为索引能实时地在物联网上查询和更新产品的相关信息，也能以它为线索，在供应链各个流通环节对产品进行定位追踪。

图1 　EPC系统工作示意图

　　在运输、销售、使用、回收等任何环节，当某个读写器在其读取范围内监测到标签的存在，就会将标签所含EPC数据传往与其相连的中间件，中间件以该EPC数据为键值，在ONS服务器获取包含该产品信息的EPC信息服务器的网络地址，然后中间件根据该地址查询EPC信息服务器，获得产品的特定信息，进行必要的处理后，把信息传送到后端企业应用程序做更深层次的计算处理。

　　1．3　物联网作用和用途

　　物联网用途非常广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网把新一代信息技术充分运用在各行各业中，将通过感应器获得的信息实时地与现有的互联网和通信网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机或者数量众多的云计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，管理人员可以用更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

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　　1．4　物联网应用中存在问题

　　1)成本。物联网要求所有的物品都贴上标签，标签价格对于汽车、手机等商品可能不值得一提，但是如果在牙膏、香皂等低价商品上都贴上标签，会大幅度增加这些低价商品的成本。

　　2)安全性。现在的互联网上存在大量的病毒，可想而知在市场价值更大的物联网上，为了牟取利益而从事物联网病毒的人将会更多。鉴于物联网在生产生活中的重要作用，如果哪天物联网招到病毒攻击而瘫痪，也许会出现工厂停工，社会秩序混乱等严重后果。

　　3)隐私性。隐私问题主要有两个方面，首先是标签信息泄露问题，其次是通过标签的唯一标识符进行恶意追踪问题。当在你的身份证或手机卡上打上你的一切信息，在全世界任何一个读卡器上都能随便读取你的信息，在这个注重隐私权的现代社会相信大多数人都接受不了。

　　2 　LTE系统

　　2．1 　LTE技术简介

　　LTE能够支持1．25 MHz、2．5 Mm、5 Mm、10 MHz、15 MHz和20 MHz等多种系统带宽，在系统部署上具有很强的灵活性。LTE增强了3G的空中接入技术，信号的覆盖范围大幅延伸。在20 MHz的带宽下，能达到下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率，数据速率非常高。LTE能在350 km／h的高速移动的情况下达到良好的接收效果，移动速度高。

　　2009年10月14日至21日，国际电信联盟在德国德累斯顿举行ITU—R WPSD工作组第6次会议，确定LTE．Advanced和802．16m为4G国际标准候选技术。LTE．Advanced得到国际主要通信运营企业和制造企业的广泛支持。运营商对于LTE的青睐，无疑指明了LTE发展的美好前景。

　　2．2　LTE关键技术

　　1)正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)。OFDM是一种元线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而该技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，将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，并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：它的不同载波的频谱可以相互交叠，因此可以得到最佳的频谱利用率。

　　2)多输入多输出(Multiple-Input Multiple—Output，MIMO)。MIMO多天线技术作为提高系统传输率的主要手段，也受到了广泛关注。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多人多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空问信道独立地传输信息，数据速率必然可以提高。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。

　　2．3　 LTE系统架构

　　从整体上说，与3GPP已有系统类似，LTE系统架构仍然分为两部分，如图2所示，包括演进后的核心网EPC(Evolved Packet Core network)和演进后的接入网E—UTRAN。

　　LTE接入网仅由演进后的节点B(evolved Node B，eNB)组成，提供到UE的E-UTRA控制面与用户面的协议终止点。eNB之间通过X2接口进行连接，并且在需要通信的两个不同eNB之间总是存在碰接口，如为了支持LTE—ACTIVE状态下不同eNB之间的切换，源eNB与目标eNB之间会存在X2接口。LTE接入网与核心网之间通过sl接口进行连接，S1接口支持多对多连接方式。

　　与3G系统的网络架构相比，接入网仅包括eNB一种逻辑节点，网络架构中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平
化。这种扁平化的网络架构带来的好处是降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，并且由于减少了逻辑节点，也会降低运营商的运营成本。

图2　 LTE系统架构

　　3　基于LTE的物联网架构设计

　　3．1 　物联网技术与L'rE技术的结合

　　物联网的终端都需要以某种方式连接起来，发送或者接收数据(这些数据种类也是多种多样的，如声音、视频、普通信息数据等)，考虑到方便性(需要数据线连接)、信息基础设施的可用性(不是所有地方都有方便的固定接入能力)以及一些应用场景本身需要随时监控的目标就是在活动状态下，因此具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移动性的移动通信网络将是物联网最主要的接人手段。

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　　物联网相关技术在当前的移动通信中已经有所应用。移动通信技术的发展直接结果是一个结构更复杂、功能更强大的通信系统的产生，除了传统的人与人的通信，设备与设备的通信(Machine．to．Machine，raM)也将得到迅速发展网中的RFID在其中扮演关键角色，因为RFID所具有的标记、地址号码和传感功能能够解决M2M很多实际问题。虽然设备本身不具有感知功能，但可利用支持RFID技术的智能终端了解设备所处的环境，从而更好地实现对设备的数据读取、状态监控和远程遥控等诸多业务。

　　物联网中的UHF频段的RFID技术通过电场来传输能量，抗干扰性较差，有效距离一般小于10 nl，而且读写终端的位置比较固定，这对实现物与物之间无障碍通信是一个很大的限制。现在移动通信网是覆盖面积最广阔的通信网，如果能够实现物联网和移动通信网的融合，那么物与物之间的通信将成为现实。如果给每一个物都贴上一个标签，还有遍布各地的读写器，物与物之间通信的容量非常大，现有的GSM和3G通信技术都不足以提供这么大的通信容量，采用频谱效率非常高的LTE技术是解决这个问题的一个方案。所以可以在读写器上直接集成LTE通信模块，将读写器直接改造成一个智能终端，并且根据需要，这个终端可以完全具有手机的功能，这样每个人的手机都可以成为一个读写器。

　　LTE技术可以在20 MI-Iz频谱带宽上提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率，具有非常高的频谱效率。在组网方面，以LTE为代表的4G能够真正实现无线接入技术(包括局域网、无线局域网、家用局域网和自组织网络等)，移动网络和有线宽带技术的融合，这使得LIE系统能够真正提供“无所不在”的服务。

　　未来物联网通信主体的数量将是人的数量的百倍以上，目前的IPv4地址濒临耗尽，而IPv6在地址空间上大大增加，可以满足物联网应用对口地址日益增长的需求。IPv4实现的只是人机对话，而IPv6则扩展到任意事物之间的对话，它不仅可以为人类服务，还将服务于众多硬件设备，如家用电器、传感器、远程照相机和汽车等。IPv6为物联网的应用提供了充足的地址资源，而LTE系统又支持IPv6协议，可以允许容纳足够多的终端。

　　3．2　采用LTE技术的物联网体系结构

　　物联网技术与以LIE为代表的4G移动通信技术的相互融合是未来的发展趋势。本文设计了一种基于LTE技术的物联网体系结构，如图3所示。此体系结构主要包括三个部分：国家传感信息中心、LIE核心传输网和综合接入网。

图3　基于LTE系统的物联网架构

　　国家传感信息中心，也叫“感知中国”中心，包括ONS服务器、EPC—IS服务器和内部的中间件。由于标签中只存储了产品的EPC，计算机需要一些将EPC匹配到相应产品信息的方法。ONS服务器就是一个物联网的名称解析服务器，被用来定位物联网对应的EPC—IS服务器。EPC—IS服务器就是一种物联网信息发布服务器，提供了一个模块化、可扩展的数据和服务接口，使得相关数据可以在企业内部和企业之间共享。EPC—IS服务器主要包括客户端模块、数据存储模块和数据查询模块三个部分。内部的中间件负责提供一个服务器与LTE核心网的接口，收集EPC数据，还可以集成防火墙的功能。大型企业也可以建立自己的EPC—IS服务器。

　　LTE核心传输网，主要负责数据的可靠传输，和原有的物联网架构中的互联网作用类似，主要包括基站和移动管理实体两部分。移动管理实体中的网关设备适合将多种接人手段整合起来，统一接入到电信网络的关键设备，网关可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能，而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质量和安全。

　　综合接入网部分支持不同的终端接入。图3中左下角的LTE收发信机只提供收信息和发信息的功能，应用模式和图
1的物联网EPC系统工作示意图相同。综合接入网可以把无线传感网直接通过具有读写器、中间件功能的智能站接入
LTE系统，此智能站可以收集所辖范围内的标签数据和传感器数据。也可以把读写器、中间件直接集成到LIE手机里，
现在手机已经非常普及，如果手机都具有读写器功能，可以大大增加收集标签的地域范围。还可以通过手机、笔记本电脑等各种终端进行查询和更新EPC-IS服务器产品信息。

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　　3．3　物联网结合LTE系统的问题

　　现在国内3G正式商用也没多长时间，LTE的标准化工作才基本完成。2009年底，由华为提供端到端解决方案的全球首个LTE商用网络在挪威奥斯陆正式运营。虽然现在已经开通了实验网，LTE进入网络部署阶段，但是由于采用了全新的技术和架构，技术还不算成熟，更不要说集成了读写器模块的LTE智能手机了。

　　物联网系统已经在零售业和物流业、交通领域制造业、安全领域和军事领域等得到部分应用，但进一步的拓展应用仍存在着标准和频率问题、标签和硬件的经济性、隐私问题，以及供应链成员问的信息共享问题等障碍。

　　虽然LTE技术和物联网技术现在还都不成熟，还存在各种各样的问题，但是两项技术的大规模融合应用只是时间的问题，两项技术的融合是未来的发展趋势。

　　4　结语

　　尽管目前的物联网和LTE系统尚处于初级阶段，在成本、标准和规模化方面还有待完善。LTE可以成为物联网背
后的有力推手，更高速的网络带宽使得所有局部细小的传感网络能够有机联系在一起，其传输的数据有文本、语音及视频等多种形式的选择，LTE网络的建成让互联网从技术角度不再受限，可以根据各行业间的不同要求孵化出适合的行业终端和应用。移动通信网与物联网的结合，将极大地延伸传统通信业的领域，使人与人的通信延伸到物与物的通信、人与物的通信。

　　特别是随着RFID等识别技术、传感技术和短距离无线技术的发展和普及，配备无线通信功能的传感器和控制芯片，将附着在物体、动物和植物之上。人们可以在任意时间、任意地点，使用任意工具，与任何客户端(包括人、手机、电脑、电视、冰箱、电子音响及任何设备或物品)实现无线连接并交换信息，人类将迈进一个人与物、物与物相互连接的无处不在的物联网世界。

　　本文提出了一种LTE技术与物联网技术的融合架构，研究了基于新架构的物联网在供应链中的应用。物联网技术还可以和无线局域网(Wireless Local Area Network。WLAN)、超宽带(Ultra—WideBand，UWB)、WiMAX、Bluetooth和Zigbee等技术融合，以支持不同的应用需求。LTE与物联网的结合，将全面加速手机支付、物流监控、交通管理、物业管理、工业控制等行业应用的发展步伐，成为移动通信行业应用的重要切入点。