5G赋能物联网资源搜索：需求与展望

### 5G 赋能物联网资源搜索：需求与展望 #### 1. 物联网与 5G 网络概述 物联网（IoT）作为一种范式，通过在现实世界的物理对象（事物）与数字世界（互联网）之间建立连接和通信，弥合了物理世界和数字世界之间的差距。借助 Web 标准和通信技术，物联网资源能够与 Web 上的其他资源收集和交换数据，这通常被统称为物联网 Web（WoT）。物联网的核心概念是对各种网络和通信技术以及数据分析的不断演进应用。 例如，射频识别（RFID）用于捕获对象的上下文信息（如位置），传感器节点被安装在车辆和火车上以监测和分析交通系统。机器学习方法则应用于物联网数据和资源，以进行预测、提供推荐和规定性行动及分析。 物联网数据的可用性为多个领域带来了新的商业机会，包括环境（如智能计量和农业）、工业（如供应链和智能交通系统）和医疗保健（如活动跟踪和医疗监测）。预计到 2020 年，将有 50 - 1000 亿台联网设备接入互联网。届时，数十亿个异构传感器和资源将实时收集和发布大量的流式、大规模、异构和时空数据。 然而，底层物联网资源的动态性和临时性使得访问和处理其数据及服务成为一项具有挑战性的任务。此外，蜂窝网络中的高延迟（即数据到达目的地并返回源的时间）限制了物联网解决方案和应用的有效性。为了释放物联网的潜力，需要快速、可靠、高效和高容量的网络。 当前的蜂窝网络在容量、延迟、移动性、可靠性和速度方面的能力限制了物联网解决方案和应用的有效性。5G 网络有望彻底改变物联网，并在多个领域推动其显著增长。物联网通过利用 5G 网络的能力，允许更多的设备和对象连接到网络并相互通信，同时实现低延迟和高响应时间。该网络预计将满足各种物联网应用的不同性能要求，从跟踪车辆所需的低延迟和移动性（如交通控制应用）到可靠、安全和对延迟敏感的应用（如医疗监测）。这将推动智能和强大的物联网生态系统的发展。 #### 2. 物联网数据的特殊特征 物联网资源持续生成数据流。这些海量数据流具有与传统数据流不同的特定特征： - **数据来源异构**：数据从具有不同格式、质量和粒度的异构资源中收集。 - **数据规模大且动态**：数据不仅规模庞大，而且具有连续性和动态性，同时具有空间和时间依赖性（即时空性）。 - **具有元数据**：物联网数据流通常与元数据一起收集和发布，因此具有多种表示形式。 物联网数据属于大数据的一种类型，具有大数据的五个内在特征：Volume（大量）、Variety（多样）、Velocity（高速）、Veracity（真实）和 Value（价值），即 5V。随着技术的进步，数据的多样性不断增加，随着联网设备接入互联网，数据量也在不断增长。物联网数据不仅具有大数据的特征，还具有动态性、分布性和时空性特征。不同的物联网应用有不同的要求，并收集各种类型的数据。例如，在智能互联车辆和交通监测应用中，不同的服务直接与移动设备通信以跟踪其位置；在实时铁路应用中，每列火车都配备了全球定位系统（GPS）单元，以帮助用户实时查找列车的出发和到达时间。 物联网数据的特征总结如下表所示： | 特征 | 描述 | | --- | --- | | 大量（Volume） | 数据规模庞大 | | 多样（Variety） | 数据来源和格式多样 | | 高速（Velocity） | 数据实时生成和处理 | | 真实（Veracity） | 数据具有较高的准确性和可靠性 | | 价值（Value） | 数据蕴含着有价值的信息 | | 动态性 | 数据随时间不断变化 | | 分布性 | 数据分布在不同的设备和节点上 | | 时空性 | 数据具有空间和时间的依赖性 | #### 3. 物联网应用的关键设计要求 大规模的联网设备给网络上的数据和服务的收集、聚合和处理带来了挑战。从收集现实世界的观测数据到使数据在 Web 上可访问的过程链涉及多个环节，以下是物联网应用的关键设计要求： ##### 3.1 收集与通信 - **数据收集**：传感设备是收集关于现实世界环境的观测和测量数据的关键。这些设备收集的数据应与 Web 上的其他资源集成，但资源之间通过不同的接口和协议进行交互和通信，并且提供不同类型的数据（如数字、文本、媒体）。为了以标准方式通过 Web 服务接口访问和交换异构资源之间的数据，提出了传感器 Web 启用（SWE）标准。 - **通信优化**：物联网设备的功率、内存和处理能力有限，在源级别处理物联网资源产生的大量数据并非实际可行的方法。基本方法是在基站收集传感设备的观测和测量数据，并进行一些处理。然而，连续传输测量和观测数据会给传感设备带来高昂的通信成本。为此，提出了一些机制和策略，通过在传感器和基站预测近期的传感器读数，仅在传感器读数与预测值有显著偏差时才传输数据，从而减少传感器节点与基站之间的通信。这种方法可以有效降低每个传感设备的能耗，延长网络寿命，特别是对于电池供电的节点。 - **资源管理**：传感和通信的关键要求包括为每个资源提供统一的标识符，提供不同物联网资源之间的交互和通信方式，并确定如何发现和访问物联网资源。传感器设备可以自动检测（即主动资源发现），也可以由设备