物联网时代信息通信技术的发展应用

赵若涵,张 丹,王甜甜

(国网电力科学研究院有限公司实验验证中心 江苏 南京 211106)

0 引言

物联网通过互联网、通信技术和智能终端将各类物品连接在一起,实现数据交换与共享,从而为人类生活和社会发展带来了前所未有的便利。信息通信技术是物联网发展的基础,其不断演进与完善为物联网的广泛应用提供了强大的支持。本文将探讨物联网时代信息通信技术的发展及应用,重点关注了物联网时代信息通信技术面临的挑战与未来趋势,如物联网通信中的安全与隐私问题、物联网通信系统可扩展性与可靠性以及6G通信技术及其应用前景等,为从业者、研究者和政策制定者提供了对物联网时代信息通信技术发展的全面了解,有助于推动相关领域的发展与创新。

1 研究背景与研究意义

1.1 物联网时代的来临及其对信息通信技术的影响

物联网的普及使得信息通信技术面临着更大的数据量处理需求,随着设备数量的急剧增长,大量的数据从各种传感器、监控设备、智能家居设备等源源不断地传输到数据中心,对信息通信技术的处理能力和传输速率提出了更高的要求。为满足这一需求,研究者和企业致力于发展更高效的通信技术,如5G、大规模MIMO技术等,以提升数据传输速率和系统处理能力。物联网推动了信息通信技术的多样化。物联网涉及各行各业,不同场景下对通信技术的要求也有所不同。例如,一些追求低功耗和低成本的应用场景更适合使用低功耗广域网络(low power wide area network, LPWAN)技术,而对于实时性要求较高的场景,则需采用高速宽带网络等技术,信息通信技术需要针对不同的应用场景进行优化和创新,以满足多样化的需求。在物联网时代,通信技术不仅需要确保高效传输,还要保障信息的安全性,这一市场需求促进了加密技术、身份验证技术等方面的发展,以提高信息通信技术在物联网环境下的安全性。

1.2 信息通信技术在物联网应用中的关键作用

信息通信技术在物联网应用中扮演着至关重要的角色,为实现智能化、高效的生产与生活提供了强大支持[1]。信息通信技术是实现物联网设备互联的基础。物联网涉及众多设备和传感器,如智能家居设备、工业自动化设备、医疗设备等。信息通信技术通过网络将这些设备连接在一起,形成一个庞大的互联网体系,使得各种类的设备能够实时交流信息、共享资源。随着物联网应用的普及,设备产生的数据量呈现爆炸式增长。信息通信技术需要具备高效的数据处理与传输能力,以确保物联网系统的正常运行。

2 物联网时代的无线通信技术的发展现状

2.1 5G与6G网络技术

5G技术是目前正在全球范围内广泛部署的移动通信技术。相较于4G网络,5G技术具有更高的数据传输速率、更低的延迟以及更大的设备连接能力。目前,多个国家和地区已经开始商用5G网络,部署了大量的5G基站,并推出了支持5G的智能手机和其他终端设备。5G技术的应用领域包括智能家居、自动驾驶、工业自动化、远程医疗等,为各个行业带来了极大的发展机遇[2]。6G网络技术是未来通信技术的发展方向,预计将在2030年左右实现商用。6G技术将在5G的基础上实现更高的数据传输速率(预计可达每秒1 Tbps)、更低的延迟(预计可达亚毫秒级)以及更高的频谱和能源利用效率。

在6G网络技术的研究中,有几个关键技术领域备受关注。首先是子毫米波与太赫兹通信,6G网络将开发更高频率的无线通信波段,利用子毫米波和太赫兹通信实现更高速的数据传输;其次是无线光通信,无线光通信技术利用光的传输特性,将光信号转换为无线信号进行传输,具有高速、低延迟、高安全性等优点,有望在6G网络中得到应用;最后是网络切片技术,6G网络将采用网络切片技术,实现网络资源的灵活调度和分配,满足不同应用场景的需求[3]。

2.2 蜂窝物联网

蜂窝物联网(Cellular IoT)是指利用蜂窝移动通信网络技术实现物联网设备之间的连接。相较于传统的Wi-Fi、蓝牙等短距离通信方式,蜂窝物联网具有覆盖范围广、数据传输稳定、安全性高等优点,逐渐成为物联网领域的主要通信手段。目前蜂窝物联网技术已在全球范围内得到广泛应用。通信技术的快速发展,特别是4G、5G网络的普及,为蜂窝物联网的推广奠定了基础。多个国家和地区已经部署了基于蜂窝网络的物联网系统,支持大量设备的连接。同时众多企业和研究机构也在积极研究和开发蜂窝物联网相关技术,如NB-IoT、LTE-M等,以满足不同应用场景的需求。随着物联网设备数量的持续增长,未来蜂窝物联网将面临更高的连接密度需求。因此蜂窝网络技术将会进一步优化,以支持大量设备的同时连接。随着物联网设备在各个领域的广泛应用,安全性和隐私保护将成为更加紧迫的问题。未来蜂窝物联网将需要加强对数据安全和隐私的保护,防止信息泄露和恶意攻击。图1介绍了当前蜂窝物联网的基本架构。

图1 蜂窝物联网的基本架构

2.3 Wi-Fi和蓝牙技术

Wi-Fi(wireless fidelity)是一种基于无线局域网(WLAN)的通信技术,使用2.4 GHz和5 GHz频段,支持设备间的高速数据传输。Wi-Fi技术已成为智能手机、笔记本电脑等消费电子设备的标配,同时也在企业和家庭网络中发挥着重要作用。随着Wi-Fi 6(802.11ax)的推出,Wi-Fi技术实现了更高的速率、更低的延迟和更好的能效。Wi-Fi 6已经开始在新款的智能设备中应用,提供更好的网络性能。此外Wi-Fi通信服务在公共场所的覆盖范围不断扩大。

蓝牙是一种短距离无线通信技术,使用2.4 GHz频段,具有低功耗、低成本等优点。蓝牙技术主要用于各种设备之间的数据传输和通信,如智能手机、耳机、键盘、鼠标等。蓝牙技术经历了多次升级,目前已发展到蓝牙5.2版本。新一代蓝牙技术具有更远的传输距离、更高的速率和更低的功耗。随着物联网和智能家居的发展,蓝牙技术在各种设备之间的应用越来越广泛。

3 物联网时代信息通信技术的未来应用

3.1 高速宽带网络的普及

物联网时代,高速宽带网络的普及对信息通信技术的发展和应用具有重要意义。随着物联网设备数量的不断增长,以及各类应用对数据传输速率、实时性和稳定性要求的提高,高速宽带网络成为实现这些需求的关键技术。在企业领域,高速宽带网络为企业提供了快速的数据传输能力,降低了信息传递的成本,提高了生产效率[4]。在公共服务领域,高速宽带网络为公共服务提供了有力的技术支持,使得国家可以更加高效地为人们提供便捷的服务;在教育领域,高速宽带网络使得远程教育成为可能,让更多地域的学生能够获得优质的教育资源。

3.2 低功耗广域网络技术的发展

LPWAN是一种适用于物联网应用的无线通信技术,其特点是低功耗、长传输距离、低成本。近年来,随着物联网设备的快速增长以及各类应用场景的多样化需求,LPWAN技术得到了广泛关注和快速发展。LPWAN技术在远程监测、智能家居、智能农业、物流跟踪等领域发挥了重要作用。这些领域的应用场景通常要求设备具有低功耗、长传输距离的特性,以满足远程监控和管理的需求。LPWAN技术的低功耗特性可以大大延长设备的使用寿命,减少设备维护成本。其长传输距离特性则有助于覆盖广泛、设备分布分散的应用场景。

3.3 大规模MIMO技术及其在物联网中的应用

近年来,随着物联网的快速发展,大规模MIMO技术在物联网领域的应用越来越受到关注。在物联网设备连接方面,大规模MIMO技术可以显著提高网络的容量和连接质量。由于物联网设备数量庞大,数据传输需求多样化,传统的MIMO技术难以满足这些需求。而大规模MIMO技术通过部署大量天线,实现对多个用户和设备同时进行高质量的数据传输,有效解决了这一问题;在物联网覆盖范围扩展方面,大规模MIMO技术有着显著的优势。物联网设备通常分布在广泛的地理区域[5],大规模MIMO技术可以实现对信号的聚焦传输,提高信号传播的距离,从而扩大物联网设备的覆盖范围。

3.4 无线传感器网络的优化与发展

无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN)是由大量分布在特定区域的微型传感器节点组成的网络,通过无线通信技术实现信息的收集、传输和处理。WSN在环境监测、智能交通、医疗保健等领域具有广泛的应用。提高WSN的数据处理能力也是优化发展的重要方向:针对传感器节点的计算能力和存储空间有限的问题,可以采用边缘计算技术,在离数据源较近的边缘节点进行部分数据处理,降低中心节点的计算负担。扩大通信范围是WSN发展的关键需求,通过引入LPWAN技术,可以实现远距离、低功耗的通信,从而扩大WSN的覆盖范围。图2详细介绍了无线传感器网络的基本结构。

图2 无线传感器网络的基本结构

4 物联网时代信息通信技术的挑战与未来趋势

4.1 物联网通信中的安全与隐私问题

随着物联网设备数量的不断增长,越来越多的设备相互连接并互相通信,安全与隐私问题逐渐凸显。物联网设备涉及多个领域,如智能家居、医疗健康、工业自动化等,这些设备在提高生活便利性的同时,也可能带来安全隐患和隐私泄露。物联网设备产生大量数据,这些数据往往包含用户的个人信息和敏感数据,如位置信息、生活习惯等。若数据在传输、存储和处理过程中没有得到足够的保护,就可能被黑客利用,导致信息泄露和用户隐私的侵犯。因此,保证数据在物联网通信中的安全至关重要。物联网设备往往采用无线通信技术,可能受到信号干扰和恶意攻击。此外,许多物联网设备采用低功耗设计,可能忽略了安全防护措施。设备制造商应确保设备具备足够的安全防护,防范潜在风险。物联网系统涉及多个层次,如设备、网络、云端等,各层次之间的安全问题可能会影响整个系统的安全性。

4.2 6G通信技术及其应用前景

6G通信技术是继5G之后的下一代无线通信技术,预计将在2030年左右实现商用。当前,6G技术尚处于研究和开发阶段,但其潜在的应用前景已经引起了广泛关注。6G通信技术将实现每秒传输速率达到Tbps级别,这将使得无线传输拥有更快的速度和更大的容量。这种超高速率传输可以为高清视频、虚拟现实、增强现实等高带宽应用提供更好的支持,同时也将使得大数据、云计算等技术得到更广泛的应用。6G通信技术将使得通信延迟降低至亚毫秒级别,这将为实时性要求较高的应用场景提供重要支持,如自动驾驶、远程手术、工业自动化等。

5 结语

综上所述,随着5G网络的广泛部署,物联网领域迎来了新的发展契机。6G通信技术将在5G的基础上实现更高的数据传输速率、更低的延迟以及更大的设备连接能力,预计将在2030年左右实现商用。无线传感器网络、低功耗广域网络、大规模MIMO技术等在物联网领域均有广泛的应用前景。在物联网时代,高速宽带网络、低功耗广域网络、大规模MIMO技术的普及及无线传感器网络的优化与发展将对信息通信技术产生深远影响。然而,随着物联网设备数量的不断增长,通信系统面临着安全与隐私、可扩展性与可靠性等方面的挑战。6G通信技术将为未来社会带来更高速、低延迟、大规模连接的通信环境,为高清视频、虚拟现实、增强现实等高带宽应用提供更好的支持,同时也将使得物联网、智能城市等应用得到更广泛的推广。