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隨著互聯(lián)網(wǎng)在世界上幾乎任何地方變得容易訪問，使用互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備或“物體”的數(shù)量急劇增加，從而產(chǎn)生了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的概念。在物聯(lián)網(wǎng)之前，大多數(shù)設(shè)備都是在本地提供的程序上運(yùn)行，如果不設(shè)置一個(gè)特殊的系統(tǒng)，就無法與其他設(shè)備通信。物聯(lián)網(wǎng)使設(shè)備與其他設(shè)備無縫連接成為可能，并使它們能夠自我感知周圍的環(huán)境。

任何此類的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主干都是互聯(lián)網(wǎng)連接。沒有互聯(lián)網(wǎng)連接，就會(huì)像一個(gè)沒有“智能”術(shù)語的普通設(shè)備一樣運(yùn)行。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的類型，市場上有相當(dāng)多的連接解決方案，但幾乎所有的解決方案都有其限制，特別是在可同時(shí)連接的設(shè)備數(shù)量方面。為了解決這些問題，本文進(jìn)一步討論了一些新興的物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)。

回顧現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)

目前，有很多無線技術(shù)具有從短到長的覆蓋范圍。其中包括Wi-Fi和LTE等技術(shù)，幾乎每個(gè)人在日常生活中都在使用這些技術(shù)。藍(lán)牙是最早的無線技術(shù)之一，最初是諾基亞的一個(gè)內(nèi)部項(xiàng)目，后來流行于極短距離(小于100米)的便攜式連接。然而，藍(lán)牙在運(yùn)行時(shí)消耗大量的能量，從而導(dǎo)致BLE(藍(lán)牙低功耗)的發(fā)展。BLE在智能手表和其他可穿戴設(shè)備等便攜式設(shè)備中非常流行。

隨后便有Wi-Fi，其在短距離網(wǎng)絡(luò)連接中很常見。Wi-Fi是在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)下標(biāo)準(zhǔn)化，支持比藍(lán)牙高得多的數(shù)據(jù)速率(高達(dá)600mbps)。ZigBee是另一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)和家庭自動(dòng)化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的流行技術(shù)。與BLE相比，其可以在較大的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載下高效工作。然而，就數(shù)據(jù)速率和功耗而言，BLE將是一個(gè)更好的選擇，且使用BLE可以預(yù)期更長的電池壽命。

最后，在遠(yuǎn)程連接下，便有了蜂窩通信技術(shù)，最新的是第五代(5G)。目前，LTE(長期演進(jìn))是4G(第四代)的標(biāo)準(zhǔn)化部分，在全球范圍內(nèi)部署，提供比3G更高的數(shù)據(jù)速率，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于真正的4G連接。如今，隨著5G即將到來，數(shù)據(jù)速率預(yù)計(jì)將提高約100倍，延遲降低10倍，并支持更多連接的設(shè)備。

大規(guī)模連接的頂級(jí)技術(shù)

現(xiàn)有的無線技術(shù)可為大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供連接，但仍存在一些不足，特別是在處理大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)。未來，聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到250億左右。為了解決如此大量設(shè)備的連接問題，許多新技術(shù)正在研究，以解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，同時(shí)保留其良好的特性。

基于CS物聯(lián)網(wǎng)連接

這種類型的連接是基于壓縮感知(CS)的概念，其中信號(hào)檢測是通過利用少數(shù)設(shè)備活動(dòng)來執(zhí)行的。與LTE和NB-IoT不同，基于CS的連接使用免授權(quán)隨機(jī)訪問。這使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以直接上傳有效載荷數(shù)據(jù)并傳輸序言。然而，CS算法的高復(fù)雜性是其挑戰(zhàn)之一，在處理大量設(shè)備時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生額外的問題。隨著連接設(shè)備數(shù)量的增加，其還需要擴(kuò)展帶寬。為了解決這些問題，已經(jīng)開發(fā)了像NOMA和mMIMO等先進(jìn)技術(shù)。

基于NOMA物聯(lián)網(wǎng)連接

NOMA(非正交多路訪問)是最有效的無授權(quán)大規(guī)模訪問之一，其依賴于允許相同時(shí)頻信號(hào)之間重疊的關(guān)鍵原則。這是通過部署功率域多路復(fù)用(PDM)，或碼域多路復(fù)用(CDM)以及連續(xù)干擾消除(SIC)來實(shí)現(xiàn)的，以對(duì)每個(gè)設(shè)備執(zhí)行單獨(dú)的解碼。其主要優(yōu)點(diǎn)是允許同時(shí)訪問多個(gè)設(shè)備，而無需擴(kuò)展帶寬。然而，在實(shí)施NOMA時(shí)仍然存在一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括抑制SIC階段的錯(cuò)誤傳播和優(yōu)化的因子圖。

簡化的NOMA連接

機(jī)器學(xué)習(xí)輔助物聯(lián)網(wǎng)連接

最后，機(jī)器學(xué)習(xí)輔助連接，其可以處理流量控制、資源分配和無線鏈路適應(yīng)方面的問題。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)是目前技術(shù)領(lǐng)域中蓬勃發(fā)展的兩個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于每種類型的問題都有豐富的解決方案。使用機(jī)器學(xué)習(xí)，可以通過建模和提供資源分配的最佳方式來解決動(dòng)態(tài)無線環(huán)境中存在的問題。這里唯一的主要挑戰(zhàn)是，機(jī)器學(xué)習(xí)模型的更高準(zhǔn)確度與獲得如此高的準(zhǔn)確度所需的計(jì)算和功率之間的權(quán)衡。

基于MMIMO物聯(lián)網(wǎng)連接

mMIMO(大規(guī)模多輸入多輸出)是另一種新興技術(shù)，可通過處理大量增長的數(shù)據(jù)流量為5G服務(wù)。與NOMA相反，mMIMO處理空間領(lǐng)域的無線資源，因此允許大量的機(jī)器類型通信(MTC)設(shè)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(jī)訪問能力。到目前為止，對(duì)分布式MIMO的真正潛力進(jìn)行測試的研究很少。有必要設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)具有低互相關(guān)性的大通透空間。

mMIMO系統(tǒng)示意圖

大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的未來標(biāo)準(zhǔn)

所有討論的新興技術(shù)看起來都非常有前途，因?yàn)槎疾粌H可以提供大規(guī)模連接，還可以確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的可靠和低延遲通信。然而，要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)“完美的解決方案”是非常困難的，這些新興技術(shù)在應(yīng)用時(shí)也有其自身的局限性和問題。還有一些技術(shù)，如衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，可以提供大規(guī)模遠(yuǎn)程連接，且正在研究中。