5G背景下物联网的应用与发展问题研究

吴文博，刘依卓

（国家无线电监测中心哈尔滨监测站，黑龙江 哈尔滨 150010）

1 物联网的发展概述

物联网（Internet of Things， IoT），其概念最早是由比尔·盖茨于1995年在《未来之路》一书中首次提出；1998年美国的麻省理工学院创造性的提出了当时被称作EPC系统的“物联网”构想，其下属的Auto-ID中心更是于1999年首次提出了建立在物品编码、RFID和互联网基础上的“物联网”概念；2005年国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》，正式将“物联网”称为“the Internet of Things”，并对物联网概念进行了扩展，提出了任何时刻、任何地点、任意物体之间互联，无所不在的网络和无所不在的计算等发展愿景。

随着电子与信息技术的不断发展，如今的“物联网”更被认为是利用各类传感器、射频识别技术、全球定位技术、红外感应器等装置设备，采集所需要的声、光、电等数据信息，并利用各类通信和网络协议，实现物与物、物与人之间信息的传输与交换，具有互联互通功能的一种网络。2020年是5G的商用元年，5G极大地促进了物联网技术的发展与应用， 但物联网也在网络安全、数据处理与存储、个人隐私保护等方面存在着诸多问题和不足，需要进行深入的探讨和研究。

2 物联网的技术与应用

2.1 物联网的主要技术

（1）RFID技 术：射 频 识 别（Radio Frequency Identification， RFID），是一种利用无线电波进行信息交换与存储的技术，通过无线射频来对电子标签进行读写，以达到自动识别目标以及信息交换目的。RFID系统通常由读写器、电子标签与数据管理系统组成，其工作原理一般是由读写器在一定范围内发送无线电射频信号，当电子标签接收到读写器所发射的无线电信号时，就会利用感应电流所获得的能量（无源RFID），或者主动发送无线电信号（有源RFID）将标签芯片内所存储的产品信息发送出去，读写器接收到电子标签所发射的信息并解码后，再将这些数据信息反馈至数据管理系统进行数据处理。

（2）传感器网络技术：传感器网络是由各种各样的传感器节点所组成，用以进行信息的收集、传输和处理的网络系统。作为物联网感知和获取数据信息的重要手段，传感器网络在物联网中发挥着极为重要的作用。

（3）嵌入式系统技术：嵌入式系统一般是用户针对特殊需求而定制的，能够被内部计算机控制的设备或系统。嵌入式系统往往结合了计算机技术、通信技术以及自动化技术，使得传统的机电产品智能化，并具有故障诊断、自动报警以及信息传输和远程控制等多种功能，用以实现产品使用与管理的信息化、智能化。由于嵌入式系统体积小、功能强且成本较低等，使其广泛应用于智能家居、车联网等领域。

（4）无线通信技术：物联网中应用的无线电通信技术分为短距离通信技术与广域网通信技术两类：短距离通信技术主要有Zigbee、Wi-Fi、蓝牙等通信技术，适用于区域范围较小、连接设备较少的场景；广域网通信技术主要有LoRa、NB-IoT、4G 等技术，适用于区域范围较广、数据量较大、连接设备较多、使用地区偏远的场景。无线电通信技术在物联网中的广泛应用，使得“物与物”“物与人”之间的信息传输成为了可能。

2.2 物联网的主要应用

（1）消费性物联网：主要面向车联网、智能家居、智能穿戴设备等消费性应用。如可以利用蓝牙和Wi-Fi将智能家居设备组网，利用智能手机上的客户端可以发现并控制同一网络中的智能家居设备，而利用某些智能音响的语音识别功能，可以对智能家居设备进行语音控制。在车联网中主要利用传感器网络技术、无线电通信技术，以实现车辆控制台与周围环境信息的动态交互，最终目的是实现汽车的自动驾驶功能。智能穿戴设备可以对人们的各类运动以及心率、血氧等生理指标信息进行实时监测和统计，并利用蓝牙技术将所收集到的信息传送至手机端，以便于信息的处理与统计。

（2）生产性物联网：主要是指物联网在传统的工业、农业等领域中的融合与应用。其能够利用各类传感器和控制器实现工业生产环节中各类信息的收集与流程的监控，并通过通信与网络协议将生产设备与互联网相连接，实现各生产环节中信息的传输与交换，从而实现工业生产管理的智能化、信息化，最终提高工厂生产效率。

3 5G技术对物联网发展的重要作用

3.1 5G移动通信的技术特点

5G技术的发展能够为物联网提供高速的移动通信网络服务，以满足物联网对于远程控制和高速网络信息传输的需要。国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大类应用场景：增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）和海量机器类通信（mMTC）；eMBB主要面向移动互联网用户，即以“人”的需求为中心，并为之提供高速、便捷的移动网络服务；uRLLC主要面向工业控制、自动驾驶、远程医疗等对于网络的时延和可靠性有较高要求的物联网行业应用，以实现“人”与“物”之间进行信息的高速传输；mMTC主要面向智慧城市、智能家居等以传感器和数据采集为目标的应用需求，海量的信息数据在众多的“物”与“物”之间进行采集和传输， 组成了一个大规模的物联网络。

3.2 5G技术对物联网发展的推动作用

5G对物联网的发展具有积极的推动作用。尽管，当前的物联网行业所使用的无线电通信技术已经能够满足智能家居、工业物联网等绝大多数物联网场景的应用，但现有的无线电通信技术还难以达到5G的传输速率以及其所连接的设备规模。5G技术应用于物联网中，一方面能够为物联网行业应用提供高速率、低时延的通信网络，以满足车联网、远程医疗等对于网络速率与可靠性具有较高要求的物联网应用场景；另一方面随着5G网络覆盖范围的不断扩大及其所接入的物联网设备的增加，也为智慧城市的建设以及实现工业物联网、无人机的远程控制供了必要的通信技术条件。

4 5G背景下物联网发展所面临的问题与挑战

4.1 物联网安全所面临的风险

（1）物联网设备安全：一方面，物联网中所应用的设备往往具有较长的使用周期，这使得厂家可能不在生产该设备或停止对其软件服务的更新，这也意味着相应的漏洞不会被更新，从而增加了物联网设备被攻击的风险。另一方面，物联网由不同的感知节点组成，这些感知节点的资源空间有限，无法进行复杂的算法加密以及像台式机一样安装杀毒软件，处在无人监管的环境下，感知节点很容易遭受安全攻击。

（2）物联网信息传输安全：RFID系统由电子标签、读写器、天线和计算机系统等部分组成，在利用无线电射频的方式在读写器和电子标签之间进行非接触双向数据传播，由于读写器读取标签中信息是通过无线射频信号，无线射频信号无法区分读写器是否合法，一旦其自身发射的频率与攻击者发出的频率相吻合，攻击者就可以在电子标签所有者不知情的情况下对标签进行读取，也就造成了相关信息的泄露。众所周知，物联网相应设备往往使用2.5G/5.8G开放频率的无线电信道，这类开放信道很容易被堵塞、窃听和破坏，从而造成相应的安全性风险。对于智能家居、工业物联网等应用场景而言，其所使用的摄像头、监控设备往往会收集和处理大量的数据信息，这些信息可能会涉及用户的个人隐私以及商业机密，一旦被不法分子所利用，会给物联网用户带来巨大的损失并造成恶劣的影响。

4.2 5G技术应用所带来的新挑战

首先，使用5G通信技术需要对现有物联网设备的通信模块进行升级，从而提高了物联网设备的生产成本。在物联网应用场景中，往往存在着大量的物联网设备，不同的物联网设备之间通过相应的通信或网络协议进行连接，使彼此之间能够进行数据信息的传输，而升级新的通信模块，可能导致各设备之间通信不畅，进而造成物联网用户的损失以及成本的提高。

其次，5G通信技术升级对物联网设备处理海量数据的能力提出了更高的要求。物联网中应用5G 通信技术，能够有效提升网络信息传输的速率并接入大量的物联网设备，同时高速的通信网络与大量的物联网设备会产生海量的数据需要进行处理，而对于使用体积小、功耗低且成本低廉的嵌入式系统技术的物联网设备而言，本身并不具有高效处理海量数据的能力。

最后，5G通信技术应用于物联网中，意味着物联网设备在使用公共网络进行信息传输，随着接入用户量的增多，也使得原本安全防护能力薄弱的物联网面临着更高的安全性风险。

5 结束语

极大地推动了物联网的发展，但也带来了成本增加、网络与信息安全等一系列问题。相信随着5G 技术与相关产业的不断发展，相关芯片与通信模块的价格也会不断降低，物联网设备安全防护与处理海量数据的能力也会不断提升，而随着5G网络覆盖范围的不断扩大，物联网应用场景也一定会有更为广阔的发展空间。