隨著互聯網在世界上幾乎任何地方變得容易訪問，使用互聯網的設備或“物體”的數量急劇增加，從而產生了物聯網(IoT)的(de)概念。在物(wu)聯(lian)網之前(qian)，大(da)多(duo)數設(she)備都是在本地提供的(de)程序上運(yun)行，如果(guo)不設(she)置(zhi)一個特殊(shu)的(de)系(xi)統，就(jiu)無法(fa)與其(qi)他(ta)設(she)備通信(xin)。物(wu)聯(lian)網使設(she)備與其(qi)他(ta)設(she)備無縫連接成為可(ke)能(neng)，并使它們(men)能(neng)夠自我感(gan)知(zhi)周圍的(de)環境。
任何此類的物聯網系統的主干都是互聯網連接。沒有互聯網連接，就會像一個沒有“智能”術語的普通設備一樣運行。根據物聯網應用的(de)(de)類型，市場上有相當多的(de)(de)連接(jie)解決(jue)方(fang)案，但(dan)幾乎所有的(de)(de)解決(jue)方(fang)案都有其限(xian)制，特(te)別是在可同時連接(jie)的(de)(de)設備數量(liang)方(fang)面(mian)。為了解決(jue)這些問題，本文進(jin)一步討論(lun)了一些新興(xing)的(de)(de)物(wu)聯網連接(jie)技(ji)術。
回顧現有的物聯網無線技術
目(mu)前，有很(hen)多無線技術具有從短到(dao)長的覆蓋范圍(wei)。其(qi)中包括Wi-Fi和(he)(he)LTE等(deng)(deng)技術，幾乎每個人在日常(chang)生活中都(dou)在使用(yong)這些(xie)技術。藍牙是最(zui)早(zao)的無線技術之一，最(zui)初(chu)是諾基亞的一個內(nei)部項(xiang)目(mu)，后來流行(xing)于(yu)極短距(ju)離(小于(yu)100米(mi))的便(bian)攜(xie)式(shi)連接。然而(er)，藍牙在運(yun)行(xing)時(shi)消耗大量(liang)的能量(liang)，從而(er)導致(zhi)BLE(藍牙低(di)功耗)的發展。BLE在智能手表和(he)(he)其(qi)他可穿(chuan)戴(dai)設(she)備等(deng)(deng)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備中非常(chang)流行(xing)。
隨后便有Wi-Fi，其在短(duan)距離網(wang)絡連接中很常見。Wi-Fi是(shi)在IEEE 802.11標(biao)準下標(biao)準化，支持比藍牙高得多的(de)數據(ju)速率(高達600mbps)。ZigBee是(shi)另一(yi)種廣泛應用于工(gong)業和(he)家(jia)庭自動(dong)化物聯網(wang)應用的(de)流行技術。與(yu)BLE相比，其可(ke)以(yi)在較(jiao)大的(de)網(wang)絡流量負(fu)載下高效工(gong)作。然而，就數據(ju)速率和(he)功耗而言，BLE將是(shi)一(yi)個更好的(de)選擇，且使用BLE可(ke)以(yi)預期更長(chang)的(de)電池壽命。
最后(hou)，在(zai)(zai)遠程(cheng)連(lian)(lian)接下(xia)，便有(you)了蜂窩通信(xin)技術，最新的(de)(de)是(shi)第(di)五代(dai)(5G)。目(mu)前(qian)，LTE(長(chang)期演(yan)進)是(shi)4G(第(di)四代(dai))的(de)(de)標準化(hua)部分，在(zai)(zai)全(quan)球范圍內部署，提(ti)供比3G更高的(de)(de)數據(ju)速(su)(su)率，但仍(reng)遠遠落(luo)后(hou)于(yu)真(zhen)正的(de)(de)4G連(lian)(lian)接。如今，隨著(zhu)5G即將到來，數據(ju)速(su)(su)率預(yu)計將提(ti)高約100倍，延遲降低(di)10倍，并支持更多(duo)連(lian)(lian)接的(de)(de)設備(bei)。
大(da)規模連(lian)接(jie)的(de)頂級技術
現有的無(wu)線技(ji)術(shu)可為大多數(shu)物(wu)聯網應用(yong)提(ti)供(gong)連(lian)接(jie)，但仍存在一些(xie)不足，特別是在處理大量(liang)物(wu)聯網設(she)備(bei)時(shi)。未來(lai)，聯網物(wu)聯網的數(shu)量(liang)預計將達到250億(yi)左右。為了解(jie)決如此大量(liang)設(she)備(bei)的連(lian)接(jie)問(wen)題(ti)，許多新技(ji)術(shu)正(zheng)在研(yan)究(jiu)，以(yi)解(jie)決現有技(ji)術(shu)的問(wen)題(ti)，同(tong)時(shi)保留(liu)其良好的特性。
基于CS物聯網連接
這種類(lei)型的(de)(de)連接(jie)(jie)是基于壓縮感知(zhi)(CS)的(de)(de)概念，其(qi)(qi)(qi)中信號檢(jian)測是通過利用少數設(she)備活動(dong)來執行的(de)(de)。與LTE和NB-IoT不同，基于CS的(de)(de)連接(jie)(jie)使用免授權(quan)隨機訪問(wen)(wen)。這使得物(wu)聯網設(she)備可(ke)以直接(jie)(jie)上傳有效載荷數據(ju)并傳輸(shu)序(xu)言。然而，CS算法的(de)(de)高復(fu)雜性是其(qi)(qi)(qi)挑戰之(zhi)一，在處理(li)大量(liang)設(she)備時可(ke)能會產生額外的(de)(de)問(wen)(wen)題。隨著連接(jie)(jie)設(she)備數量(liang)的(de)(de)增加，其(qi)(qi)(qi)還需(xu)要擴展帶寬。為了解決這些問(wen)(wen)題，已經開(kai)發了像NOMA和mMIMO等先(xian)進技術。
基于NOMA物聯網連接
NOMA(非正交多路訪問)是(shi)最(zui)有(you)效的無授權大規模訪問之(zhi)一，其依賴于允許相同時(shi)頻信號之(zhi)間重疊的關(guan)鍵(jian)原則。這(zhe)是(shi)通過部署功(gong)率域(yu)多路復用(PDM)，或碼(ma)域(yu)多路復用(CDM)以及連(lian)續干(gan)擾消(xiao)除(SIC)來(lai)實現的，以對每(mei)個設備執行單獨(du)的解(jie)碼(ma)。其主要優點(dian)是(shi)允許同時(shi)訪問多個設備，而無需(xu)擴展帶寬。然而，在實施NOMA時(shi)仍然存在一些挑(tiao)戰(zhan)。這(zhe)些挑(tiao)戰(zhan)包括(kuo)抑制SIC階(jie)段的錯誤傳(chuan)播和優化的因子(zi)圖。
簡化的NOMA連接
機器學習輔助物聯網連接
最后，機器學習輔助連接，其可以處理流量控制、資源分配和無線鏈路適應方面的問題。人工智能和機器學(xue)習(xi)是(shi)目前技術領域中(zhong)蓬勃發展的(de)(de)兩個領域，對于每(mei)種類型的(de)(de)問題(ti)都(dou)有豐富的(de)(de)解決方(fang)案。使用(yong)機器學(xue)習(xi)，可以(yi)通(tong)過建模和提供資源分(fen)配的(de)(de)最佳方(fang)式來解決動態無線環境中(zhong)存在的(de)(de)問題(ti)。這里唯(wei)一的(de)(de)主要挑戰是(shi)，機器學(xue)習(xi)模型的(de)(de)更高準確度與(yu)獲得(de)如此高的(de)(de)準確度所(suo)需的(de)(de)計算和功率之間的(de)(de)權(quan)衡。
基于MMIMO物聯網連接
mMIMO(大規模多輸入多輸出)是另一種新興技術，可通過處理大量增長的數據流量為5G服務。與NOMA相反，mMIMO處理空間領域的無線資源，因此允許大量的機器類型通信(MTC)設備。在MTC中，mMIMO可以有效地解決訪問沖突、減少訪問延遲、提高隨機訪問能力。到目前為止，對分布式MIMO的真正潛力進行測試的研究很少。有必要設計一個同時具有低互相關性的大通透空間。
大規模物聯網的未來標準
所有(you)討論(lun)的(de)新(xin)興(xing)技(ji)(ji)(ji)術(shu)看起(qi)來都非常有(you)前途，因為都不(bu)僅可(ke)以提(ti)(ti)供大(da)規模連接，還(huan)可(ke)以確保物(wu)聯網設備之間的(de)可(ke)靠和低延(yan)遲通信。然而(er)，要(yao)創(chuang)造一個“完美的(de)解決(jue)方案”是(shi)非常困難的(de)，這(zhe)些新(xin)興(xing)技(ji)(ji)(ji)術(shu)在應用時(shi)也(ye)有(you)其自身(shen)的(de)局(ju)限(xian)性和問題。還(huan)有(you)一些技(ji)(ji)(ji)術(shu)，如衛(wei)星物(wu)聯網，可(ke)以提(ti)(ti)供大(da)規模遠程連接，且正在研(yan)究中。
