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行，如果不設(shè)置一個特殊的系統(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，就會像一個沒有“智能”術(shù)語的普通設(shè)備一樣運行。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的類型，市場上有相當多的連接解決方案，但幾乎所有的解決方案都有其限制，特別是在可同時連接的設(shè)備數(shù)量方面。為了解決這些問題，本文進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)，幾乎每個人在日常生活中都在使用這些技術(shù)。藍牙是最早的無線技術(shù)之一，最初是諾基亞的一個內(nèi)部項目，后來流行于極短距離(小于100米)的便攜式連接。然而，藍牙在運行時消耗大量的能量，從而導(dǎo)致BLE(藍牙低功耗)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標準下標準化，支持比藍牙高得多的數(shù)據(jù)速率(高達600mbps)。ZigBee是另一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)和家庭自動化物聯(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)是4G(第四代)的標準化部分，在全球范圍內(nèi)部署，提供比3G更高的數(shù)據(jù)速率，但仍遠遠落后于真正的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。未來，聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量預(yù)計將達到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，其中信號檢測是通過利用少數(shù)設(shè)備活動來執(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)備時可能會產(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頻信號之間重疊的關(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)來實現(xiàn)的，以對每個設(shè)備執(zhí)行單獨的解碼。其主要優(yōu)點是允許同時訪問多個設(shè)備，而無需擴展帶寬。然而，在實施NOMA時仍然存在一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括抑制SIC階段的錯誤傳播和優(yōu)化的因子圖。

簡化的NOMA連接

? 機器學(xué)習(xí)輔助物聯(lián)網(wǎng)連接

最后，機器學(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。人工智能和機器學(xué)習(xí)是目前技術(shù)領(lǐng)域中蓬勃發(fā)展的兩個領(lǐng)域，對于每種類型的問題都有豐富的解決方案。使用機器學(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，機器學(xué)習(xí)模型的更高準確度與獲得如此高的準確度所需的計算和功率之間的權(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、提高隨機訪問能力。到目前為止，對分布式MIMO的真正潛力進行測試的研究很少。有必要設(shè)計一個同時具有低互相關(guān)性的大通透空間。

mMIMO系統(tǒng)示意圖

大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的未來標準

所有討論的新興技術(shù)看起來都非常有前途，因為都不僅可以提供大規(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，要創(chuàng)造一個“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)模遠程連接，且正在研究中。