5G背景下物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展問題研究

吳文博，劉依卓

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，黑龍江 哈爾濱 150010）

1 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT），其概念最早是由比爾·蓋茨于1995年在《未來之路》一書中首次提出；1998年美國的麻省理工學(xué)院創(chuàng)造性的提出了當(dāng)時被稱作EPC系統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想，其下屬的Auto-ID中心更是于1999年首次提出了建立在物品編碼、RFID和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的“物聯(lián)網(wǎng)”概念；2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，正式將“物聯(lián)網(wǎng)”稱為“the Internet of Things”，并對物聯(lián)網(wǎng)概念進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了任何時刻、任何地點、任意物體之間互聯(lián)，無所不在的網(wǎng)絡(luò)和無所不在的計算等發(fā)展愿景。

隨著電子與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，如今的“物聯(lián)網(wǎng)”更被認(rèn)為是利用各類傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位技術(shù)、紅外感應(yīng)器等裝置設(shè)備，采集所需要的聲、光、電等數(shù)據(jù)信息，并利用各類通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)物與物、物與人之間信息的傳輸與交換，具有互聯(lián)互通功能的一種網(wǎng)絡(luò)。2020年是5G的商用元年，5G極大地促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用， 但物聯(lián)網(wǎng)也在網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)處理與存儲、個人隱私保護(hù)等方面存在著諸多問題和不足，需要進(jìn)行深入的探討和研究。

2 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)與應(yīng)用

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)

（1）RFID技 術(shù)：射 頻 識 別（Radio Frequency Identification， RFID），是一種利用無線電波進(jìn)行信息交換與存儲的技術(shù)，通過無線射頻來對電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，以達(dá)到自動識別目標(biāo)以及信息交換目的。RFID系統(tǒng)通常由讀寫器、電子標(biāo)簽與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成，其工作原理一般是由讀寫器在一定范圍內(nèi)發(fā)送無線電射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽接收到讀寫器所發(fā)射的無線電信號時，就會利用感應(yīng)電流所獲得的能量（無源RFID），或者主動發(fā)送無線電信號（有源RFID）將標(biāo)簽芯片內(nèi)所存儲的產(chǎn)品信息發(fā)送出去，讀寫器接收到電子標(biāo)簽所發(fā)射的信息并解碼后，再將這些數(shù)據(jù)信息反饋至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：傳感器網(wǎng)絡(luò)是由各種各樣的傳感器節(jié)點所組成，用以進(jìn)行信息的收集、傳輸和處理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為物聯(lián)網(wǎng)感知和獲取數(shù)據(jù)信息的重要手段，傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著極為重要的作用。

（3）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)：嵌入式系統(tǒng)一般是用戶針對特殊需求而定制的，能夠被內(nèi)部計算機(jī)控制的設(shè)備或系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)往往結(jié)合了計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及自動化技術(shù)，使得傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品智能化，并具有故障診斷、自動報警以及信息傳輸和遠(yuǎn)程控制等多種功能，用以實現(xiàn)產(chǎn)品使用與管理的信息化、智能化。由于嵌入式系統(tǒng)體積小、功能強(qiáng)且成本較低等，使其廣泛應(yīng)用于智能家居、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

（4）無線通信技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的無線電通信技術(shù)分為短距離通信技術(shù)與廣域網(wǎng)通信技術(shù)兩類：短距離通信技術(shù)主要有Zigbee、Wi-Fi、藍(lán)牙等通信技術(shù)，適用于區(qū)域范圍較小、連接設(shè)備較少的場景；廣域網(wǎng)通信技術(shù)主要有LoRa、NB-IoT、4G 等技術(shù)，適用于區(qū)域范圍較廣、數(shù)據(jù)量較大、連接設(shè)備較多、使用地區(qū)偏遠(yuǎn)的場景。無線電通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，使得“物與物”“物與人”之間的信息傳輸成為了可能。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用

（1）消費性物聯(lián)網(wǎng)：主要面向車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能穿戴設(shè)備等消費性應(yīng)用。如可以利用藍(lán)牙和Wi-Fi將智能家居設(shè)備組網(wǎng)，利用智能手機(jī)上的客戶端可以發(fā)現(xiàn)并控制同一網(wǎng)絡(luò)中的智能家居設(shè)備，而利用某些智能音響的語音識別功能，可以對智能家居設(shè)備進(jìn)行語音控制。在車聯(lián)網(wǎng)中主要利用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線電通信技術(shù)，以實現(xiàn)車輛控制臺與周圍環(huán)境信息的動態(tài)交互，最終目的是實現(xiàn)汽車的自動駕駛功能。智能穿戴設(shè)備可以對人們的各類運動以及心率、血氧等生理指標(biāo)信息進(jìn)行實時監(jiān)測和統(tǒng)計，并利用藍(lán)牙技術(shù)將所收集到的信息傳送至手機(jī)端，以便于信息的處理與統(tǒng)計。

（2）生產(chǎn)性物聯(lián)網(wǎng)：主要是指物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中的融合與應(yīng)用。其能夠利用各類傳感器和控制器實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各類信息的收集與流程的監(jiān)控，并通過通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將生產(chǎn)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中信息的傳輸與交換，從而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)管理的智能化、信息化，最終提高工廠生產(chǎn)效率。

3 5G技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要作用

3.1 5G移動通信的技術(shù)特點

5G技術(shù)的發(fā)展能夠為物聯(lián)網(wǎng)提供高速的移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)對于遠(yuǎn)程控制和高速網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)男枰H電信聯(lián)盟（ITU）定義了5G的三大類應(yīng)用場景：增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機(jī)器類通信（mMTC）；eMBB主要面向移動互聯(lián)網(wǎng)用戶，即以“人”的需求為中心，并為之提供高速、便捷的移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；uRLLC主要面向工業(yè)控制、自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對于網(wǎng)絡(luò)的時延和可靠性有較高要求的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用，以實現(xiàn)“人”與“物”之間進(jìn)行信息的高速傳輸；mMTC主要面向智慧城市、智能家居等以傳感器和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需求，海量的信息數(shù)據(jù)在眾多的“物”與“物”之間進(jìn)行采集和傳輸， 組成了一個大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

3.2 5G技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動作用

5G對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有積極的推動作用。盡管，當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)所使用的無線電通信技術(shù)已經(jīng)能夠滿足智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)場景的應(yīng)用，但現(xiàn)有的無線電通信技術(shù)還難以達(dá)到5G的傳輸速率以及其所連接的設(shè)備規(guī)模。5G技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中，一方面能夠為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用提供高速率、低時延的通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對于網(wǎng)絡(luò)速率與可靠性具有較高要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景；另一方面隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大及其所接入的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增加，也為智慧城市的建設(shè)以及實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制供了必要的通信技術(shù)條件。

4 5G背景下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所面臨的問題與挑戰(zhàn)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)安全所面臨的風(fēng)險

（1）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全：一方面，物聯(lián)網(wǎng)中所應(yīng)用的設(shè)備往往具有較長的使用周期，這使得廠家可能不在生產(chǎn)該設(shè)備或停止對其軟件服務(wù)的更新，這也意味著相應(yīng)的漏洞不會被更新，從而增加了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被攻擊的風(fēng)險。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)由不同的感知節(jié)點組成，這些感知節(jié)點的資源空間有限，無法進(jìn)行復(fù)雜的算法加密以及像臺式機(jī)一樣安裝殺毒軟件，處在無人監(jiān)管的環(huán)境下，感知節(jié)點很容易遭受安全攻擊。

（2）物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸安全：RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器、天線和計算機(jī)系統(tǒng)等部分組成，在利用無線電射頻的方式在讀寫器和電子標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳播，由于讀寫器讀取標(biāo)簽中信息是通過無線射頻信號，無線射頻信號無法區(qū)分讀寫器是否合法，一旦其自身發(fā)射的頻率與攻擊者發(fā)出的頻率相吻合，攻擊者就可以在電子標(biāo)簽所有者不知情的情況下對標(biāo)簽進(jìn)行讀取，也就造成了相關(guān)信息的泄露。眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)相應(yīng)設(shè)備往往使用2.5G/5.8G開放頻率的無線電信道，這類開放信道很容易被堵塞、竊聽和破壞，從而造成相應(yīng)的安全性風(fēng)險。對于智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景而言，其所使用的攝像頭、監(jiān)控設(shè)備往往會收集和處理大量的數(shù)據(jù)信息，這些信息可能會涉及用戶的個人隱私以及商業(yè)機(jī)密，一旦被不法分子所利用，會給物聯(lián)網(wǎng)用戶帶來巨大的損失并造成惡劣的影響。

4.2 5G技術(shù)應(yīng)用所帶來的新挑戰(zhàn)

首先，使用5G通信技術(shù)需要對現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信模塊進(jìn)行升級，從而提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的生產(chǎn)成本。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中，往往存在著大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間通過相應(yīng)的通信或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行連接，使彼此之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，而升級新的通信模塊，可能導(dǎo)致各設(shè)備之間通信不暢，進(jìn)而造成物聯(lián)網(wǎng)用戶的損失以及成本的提高。

其次，5G通信技術(shù)升級對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處理海量數(shù)據(jù)的能力提出了更高的要求。物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用5G 通信技術(shù)，能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)乃俾什⒔尤氪罅康奈锫?lián)網(wǎng)設(shè)備，同時高速的通信網(wǎng)絡(luò)與大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理，而對于使用體積小、功耗低且成本低廉的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，本身并不具有高效處理海量數(shù)據(jù)的能力。

最后，5G通信技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中，意味著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在使用公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，隨著接入用戶量的增多，也使得原本安全防護(hù)能力薄弱的物聯(lián)網(wǎng)面臨著更高的安全性風(fēng)險。

5 結(jié)束語

極大地推動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，但也帶來了成本增加、網(wǎng)絡(luò)與信息安全等一系列問題。相信隨著5G 技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，相關(guān)芯片與通信模塊的價格也會不斷降低，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全防護(hù)與處理海量數(shù)據(jù)的能力也會不斷提升，而隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景也一定會有更為廣闊的發(fā)展空間。