物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中的云服務(wù)應(yīng)用研究

李 攀，高春庚

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000）

1 云服務(wù)技術(shù)相關(guān)概念綜述

云服務(wù)技術(shù)是基于云計(jì)算技術(shù)的一種全新升級(jí)技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)框架也是在云計(jì)算相關(guān)技術(shù)框架上建立的[1]。之所以稱為“云”，是因?yàn)橛?jì)算設(shè)施不在本地而在網(wǎng)絡(luò)中。目前，寬帶已經(jīng)廣泛普及，且網(wǎng)格計(jì)算、虛擬化、SOA以及容錯(cuò)技術(shù)等已經(jīng)成熟，因此云服務(wù)技術(shù)已經(jīng)完全具備應(yīng)用條件。通過云服務(wù)，用戶可以利用云計(jì)算供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)設(shè)施以按需和易擴(kuò)展的方式獲得所需服務(wù)，且不需要投資類似的物理資源，極大地降低了成本。此外，云服務(wù)提供的應(yīng)用通過一個(gè)中央位置來管理，這使得員工能夠通過Web來遠(yuǎn)程訪問應(yīng)用，而不需要訪問單獨(dú)的站點(diǎn)或工作站，操作也更為便捷。而在開發(fā)者方面，云應(yīng)用的更新和維護(hù)更為高效。在以往的開發(fā)過程中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用升級(jí)需要手工升級(jí)，而云服務(wù)中云應(yīng)用的升級(jí)只需要升級(jí)集中的應(yīng)用程序，就可以快速完成應(yīng)用特征的更新，極大提升了工作效率。

深入探索云服務(wù)技術(shù)可從云應(yīng)用著手，首先研究云物聯(lián)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是指物物連接的互聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)仍然是從互聯(lián)網(wǎng)延伸出的一種網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)延伸擴(kuò)展背景下，可以實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息交換。其次則是云儲(chǔ)存技術(shù)，該技術(shù)同樣是由云計(jì)算技術(shù)延伸而出，具有分布式文件存儲(chǔ)和集群應(yīng)用等各類職能。云計(jì)算應(yīng)用過程中需要配備對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)技術(shù)，繼而使得云計(jì)算系統(tǒng)延伸出云存儲(chǔ)系統(tǒng)。在云計(jì)算基礎(chǔ)上建立起以數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理為核心的計(jì)算系統(tǒng)即是云存儲(chǔ)，例如常用的百度云盤或360盤等均屬于云存儲(chǔ)類別。云存儲(chǔ)系統(tǒng)作為全新存儲(chǔ)計(jì)算服務(wù)技術(shù)，由服務(wù)器、交換機(jī)以及傳感器等核心設(shè)備共同構(gòu)成，該系統(tǒng)可利用虛擬化分布技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理資源擴(kuò)展，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)資源共享[2]。

2 云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中的應(yīng)用

2.1 云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用范圍及方式

物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營中心可以看做是為客戶提供資源儲(chǔ)存的一類硬件設(shè)備，輔助用戶尋找性價(jià)比更高的服務(wù)接口。物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中心的核心是可根據(jù)用戶需求構(gòu)建信息服務(wù)平臺(tái)，繼而為內(nèi)容提供商打造信息網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)平臺(tái)。該技術(shù)可將不同類型的服務(wù)器硬件通過光纖緊密連接，繼而將各類設(shè)備資源進(jìn)行有效整合，顯著提高各類服務(wù)硬件設(shè)備的使用效率。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的互相連接，并且傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)征集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，繼而通過傳感器將其發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。通過傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，可以保證物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備正常運(yùn)行。隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量的增加，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行過程中生成海量信息，這些信息亟需有效整合與利用。使用云服務(wù)并運(yùn)用云計(jì)算模式，能夠解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索以及使用等關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)以兆計(jì)的各類物品的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理和智能分析。云服務(wù)將成為物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中的重要環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)的結(jié)合必將通過對(duì)各種資源共享或信息價(jià)值深度挖掘等帶動(dòng)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí)，推動(dòng)人類生活與科學(xué)技術(shù)全面結(jié)合并發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)架構(gòu)

2.2 云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中的實(shí)踐應(yīng)用

近年來，隨著人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知程度的不斷加深，云服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合應(yīng)用已不再是新鮮概念，各類物聯(lián)網(wǎng)公司不斷開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)的產(chǎn)品，例如智能冰箱、智能電視以及智能熱水器等。2017年，中國電信公開發(fā)布物聯(lián)網(wǎng)公司發(fā)展基準(zhǔn)，并同時(shí)啟動(dòng)江蘇、廣州等7個(gè)城市和12個(gè)規(guī)模外場開展研究活動(dòng)。隨后，中國移動(dòng)開始著手物聯(lián)網(wǎng)測試部署，且在多個(gè)城市設(shè)置試點(diǎn)。中國3大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不斷增加物聯(lián)網(wǎng)商用資源投入，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展呈現(xiàn)一片藍(lán)海。物聯(lián)網(wǎng)基于其容量較大、覆蓋范圍較廣以及成本較低的特點(diǎn)，持續(xù)在智能化城市建設(shè)和智能化產(chǎn)品研發(fā)方面取得良好效果。雖然物聯(lián)網(wǎng)研究尚處于初級(jí)萌芽階段，但由于其良好的發(fā)展前景，國內(nèi)諸多A股上市企業(yè)及高新技術(shù)企業(yè)已經(jīng)深入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)行研究開發(fā)，例如華為企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)芯片在2017年就已經(jīng)開始規(guī)模化量產(chǎn)。同時(shí)，相關(guān)元器件制造商也針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)不斷更新自身技術(shù)，促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用將全新的通信技術(shù)引入到人們的生活中，并與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合形成“互聯(lián)網(wǎng)+”的新網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。

在云服務(wù)虛擬化技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，可通過單一虛擬化工具保證用戶賬號(hào)的單一性。用戶可通過單一賬號(hào)登錄系統(tǒng)，在云端桌面進(jìn)行操作。云服務(wù)技術(shù)在虛擬化技術(shù)使用時(shí)，用戶需要構(gòu)建鏈接中間件，通過中間件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，以此實(shí)現(xiàn)硬件資源分配并處理邏輯業(yè)務(wù)[3]。

3 優(yōu)化云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中應(yīng)用的技術(shù)建議

為擴(kuò)展云服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)融合合服務(wù)范圍，需要在技術(shù)升級(jí)的基礎(chǔ)上不斷探索新型應(yīng)用，以此擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)的傳播和應(yīng)用范圍。

3.1 完善部署技術(shù)

針對(duì)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)部署的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可通過不同方式與多種媒介實(shí)現(xiàn)信息傳輸和儲(chǔ)存，并保證信息在傳輸過程中的效率與完整度。在此過程中，可使用NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備之間信息的快速傳播。NB-IoT也被稱為信息共戰(zhàn)部署，是IoT領(lǐng)域的一個(gè)新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長，對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高的設(shè)備的高效連接。該技術(shù)不僅使用成本較低，而且還具備相當(dāng)高的傳播效率，可以實(shí)現(xiàn)更廣范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，極大程度擴(kuò)大了信息的擴(kuò)散范圍[4-6]。

在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中，NB-IoT可以有3種部署方案，分別是獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署以及帶內(nèi)部署，如圖2所示。不同部署方案對(duì)頻率規(guī)劃的要求不同，其中獨(dú)立部署方面，隨著國內(nèi)2G網(wǎng)絡(luò)退頻退網(wǎng)節(jié)奏，使用GSM頻段的重耕獨(dú)立頻率資源，替代目前的一個(gè)或多個(gè)GSM載波，例如中國電信在CDMA的800 M頻段上開辟了獨(dú)立的200 KHz帶寬。保護(hù)帶部署是將NB-IoT放置在LTE保護(hù)帶中，使用的是LTE載波上當(dāng)前沒有使用的資源塊。需要注意的是，保護(hù)帶部署需要做好保護(hù)帶規(guī)劃。而帶內(nèi)部署方面可靈活利用LTE載波資源塊部署，需考慮與LTE的兼容，同時(shí)也要避開特殊信號(hào)位置。

圖2 NB-IoT的3種部署方案

3.2 規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為感知終端側(cè)、無線網(wǎng)基站側(cè)、核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）側(cè)、物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺(tái)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)5部分。

3.2.1 感知終端側(cè)

感知終端側(cè)主要是通過空口連接到基站。終端側(cè)主要包含行業(yè)終端與NB-IoT模塊，行業(yè)終端包括芯片與傳感器接口等，NB-IoT模塊則包括無線傳輸接口、軟SIM裝置以及傳感器接口等。

3.2.2 無線網(wǎng)基站側(cè)

無線網(wǎng)基站側(cè)包括兩種組網(wǎng)方式，一種是Single RAN解決方案，組網(wǎng)方式是基于軟件定義的無線電（Software Defined Radio，SDR）的多模與多制式解決方案；另一種是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立新建，主要承擔(dān)空口接入處理等功能，并通過S1接口與NB-IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。

3.2.3 核心網(wǎng)側(cè)

核心網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)元包括兩種組網(wǎng)方式，分別是整體式的演進(jìn)分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）與物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)。核心網(wǎng)側(cè)通過IoT EPC網(wǎng)元以及GSM、UITRAN、LTE共用的EPC來支持NB-IoT用戶接入。

3.2.4 物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺(tái)主要包括歸屬位置寄存器（Home Location Register，HLR）、策略控制和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能單元（Policy and Charging Rule Function，PCRF）以及機(jī)器對(duì)機(jī)器（Machine-To-Machine，M2M）平臺(tái)。

3.2.5 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)是NB-IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，可以部署各類應(yīng)用服務(wù)器，并根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作。

3.3 優(yōu)化管理技術(shù)

NB-IoT技術(shù)的使用大多基于共站組網(wǎng)，在該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下需要完成與其他網(wǎng)絡(luò)通信的信息傳遞。由于要構(gòu)建共主控方式與觸控方式，因此在網(wǎng)絡(luò)搭配過程中將NB-IoT技術(shù)和其他網(wǎng)絡(luò)匹配設(shè)置，避免IP地址產(chǎn)生沖突，從而影響工作效率。通過研究云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中的應(yīng)用，建議使用主控方式。NBIoT技術(shù)布置基站依據(jù)區(qū)域等級(jí)不同進(jìn)行劃分，在數(shù)據(jù)搭配過程中也需要根據(jù)等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)劃分。對(duì)于信息傳輸和切換，需要對(duì)應(yīng)更改路徑，避免出現(xiàn)信息交互錯(cuò)誤。此外，需要對(duì)新接收的信息實(shí)施全方位控制管理，以此實(shí)現(xiàn)資源合理分配。同時(shí)還需要限制部分新用戶同一時(shí)間加入網(wǎng)絡(luò)，以此保證系統(tǒng)穩(wěn)定可持續(xù)運(yùn)行[7-10]。

3.4 強(qiáng)化信號(hào)覆蓋

可通過強(qiáng)化符號(hào)擴(kuò)頻技術(shù)與Burst重復(fù)技術(shù)的交互性實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋增強(qiáng)。如此，可在不更改原有頻率符號(hào)的基礎(chǔ)上通過對(duì)特殊信號(hào)重復(fù)增強(qiáng)的方式實(shí)現(xiàn)頻譜增強(qiáng)預(yù)期效果，這是基于符號(hào)擴(kuò)頻的主要方式。Burst重復(fù)技術(shù)則是將原本的符號(hào)序列進(jìn)行擴(kuò)充，通過信號(hào)反復(fù)接收傳遞等方式使接收到的信息能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)完善，以此實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)效果。與此同時(shí)，將信息加密技術(shù)應(yīng)用其中，窄化原有信息頻率，促使海量信息同時(shí)集中發(fā)射，進(jìn)而使NB-IoT技術(shù)能夠獲取更高的功率譜密度。以典型IoT設(shè)備（功率23 dBm）為例，上行3.75 kHz子載波，相對(duì)于LTE 上行180 kHz，提升7 dB 功率譜密度。除此之外，還可以通過放寬性能要求、部署Small Cell 基站以及設(shè)計(jì)新的信號(hào)和信道結(jié)構(gòu)來擴(kuò)大覆蓋范圍，強(qiáng)化信號(hào)覆蓋。

4 結(jié) 論

作為一種新興互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)可利用現(xiàn)階段發(fā)達(dá)的移動(dòng)技術(shù)建構(gòu)涵蓋傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)以及各類硬件設(shè)備的全覆蓋系統(tǒng)。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的云服務(wù)中心可利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理資源和虛擬資源的共享，強(qiáng)化對(duì)各類軟件資源和硬件資源的控制及分配，促使資源配置均衡化發(fā)展，顯著提升資源使用效率。此外，目前物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中的云服務(wù)應(yīng)用研究仍面臨著很多挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)的安全性問題、隱私的保護(hù)問題以及數(shù)據(jù)的容錯(cuò)性問題等，因此相關(guān)研究人員需要不斷創(chuàng)新實(shí)踐，為云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營管理中的應(yīng)用奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。