物联网4G传输技术是基于第四代移动通信网络，为物联网设备提供高速、稳定的数据传输连接。相比传统网络，它具有更高的带宽和更低的延迟，能够支持大规模设备的实时数据交换和远程控制，满足物联网设备对连接质量和响应速度的需求。4G网络还具备较强的覆盖能力，使物联网设备可以在广泛的区域内保持可靠的连接，适用于智慧城市、智能家居、工业自动化等领域的多样化应用场景。
一、 物联网4G传输技术具有以下优缺点：
1. 优点：
- 高速数据传输：4G网络能够提供较高的数据传输速率，最高可达1Gbps，满足物联网设备实时传输大量数据的需求。这种高速传输能力使得4G非常适合需要快速数据传输的应用场景，如智能家居、远程医疗和智能交通系统。
- 低延迟：4G网络的平均端到端时延小于50ms，这对于需要实时响应的物联网应用非常重要。低延迟特性使得物联网设备能够实现更频繁的通信，提高响应速度。
- 广覆盖：4G网络覆盖范围广，能够满足物联网设备在不同环境下的连接需求。尽管在偏远地区可能存在信号弱的情况，但总体上4G网络的覆盖能力较强。
- 高安全性：4G网络采用多种安全机制，能够保障物联网设备的数据安全。这对于需要保护敏感数据的物联网应用尤为重要。
- 大容量：4G网络具有较大的网络容量，可以支持大量的用户同时连接，并提供更稳定的网络连接质量。这对于需要同时连接大量设备的物联网系统来说是一个重要优势。
2. 缺点：
- 高功耗：4G模块的功耗较大，需要更多的能源来维持通信，这可能会缩短物联网设备的电池续航时间。虽然有些4G模组支持低功耗模式，但总体上仍比其他低功耗技术如NB-IoT要高。
- 高成本：使用4G网络的成本较高，尤其是在大规模部署时。4G设备和网络基础设施的建设成本都相对较高，这可能限制了其在某些低成本应用场景中的使用。
- 信号稳定性受环境影响较大：4G信号的稳定性容易受到环境因素的影响，如建筑物遮挡、天气等。这可能导致在某些情况下网络连接不稳定。
- 覆盖范围有限：虽然4G网络覆盖范围广，但在偏远地区和乡村，覆盖仍然不足，这可能影响物联网设备的正常使用。
- 网络拥塞问题：由于4G网络的高速数据传输特性，可能会出现网络拥塞现象，导致网络连接质量下降。
4G技术在物联网中的应用具有高速传输、低延迟和广覆盖等优点，但也存在功耗高、成本高和信号稳定性差等缺点。因此，在选择通信技术时，需要根据具体应用场景的需求权衡这些优缺点。
二、 物联网4G传输技术的最新进展
物联网4G传输技术的最新进展主要体现在以下几个方面：
- 技术融合与创新设计：在物联网与4G技术的结合中，出现了许多创新的设计和实现。例如，采用人工介质材料设计的微带带通滤波器、利用SMT技术设计的低通滤波器、两级微波放大器等。这些技术的应用不仅提升了通信效率，还增强了系统的可靠性和灵活性。
- 物联网设备的广泛应用：4G技术在物联网设备中的应用非常广泛，尤其是在远程状态监测与控制系统中。例如，物联网杀虫灯远程状态监测与控制系统使用4G模块进行数据传输和接收，支持多种网络制式，并具备GPS定位功能。此外，物联网称重系统也通过4G模块实现了数据的实时上传和远程配置功能。
- 移动支付终端的接入需求：随着物联网业务的迁移，4G网络在移动支付终端中的应用越来越广泛。例如，基于4G现网的Cat.1模式已经支撑起数千万收银设备的接入需求，并且在2021年Cat.1模组出货量超过1亿片。这种低速率但稳定的4G连接方式为中速率物联网提供了有效的解决方案。
- 网络性能的提升：4G技术相比前代技术(如2G和3G)具有更高的数据传输速率和频谱效率。例如，4G系统可以提供高达100Mbps甚至更高的通信速率，并且支持移动Web访问、游戏和3D电视等新服务。此外，4G网络能够提供比以往更高的数据吞吐量和更低的延迟，满足了物联网设备对高可靠性和低时延的需求。
- 物联网与4G的集成应用：将4G与物联网技术集成应用于移动办公系统中，可以有效解决视频、数据、语音的高质量传输问题，并实现移动终端的安全接入和集成管理。这种集成应用不仅提高了系统的整体性能，还为用户带来了更优质的互联网体验。
物联网4G传输技术的最新进展主要集中在技术创新、广泛应用、移动支付终端接入需求、网络性能提升以及与物联网技术的集成应用等方面。
三、 如何降低物联网设备使用4G网络的功耗?
降低物联网设备使用4G网络的功耗可以通过多种策略实现，这些策略包括优化通信协议、采用低功耗技术以及实施动态功率管理等。以下是详细的解决方案：
1. 优化通信协议：
Wi-Fi 和 4G 网络能耗优化算法：通过建模多天线移动收发器系统来减少能耗。该系统设计允许所有天线同时工作，最大化电路功耗，并开发了两种算法来管理天线，以减少单个比特的传输或接收所需的能量。
低功耗广域网（LPWAN）技术：LPWAN技术通过采用更稳健但频谱效率较低的调制方案，以及在低能量预算下实现低功耗通信，解决了远程物联网设备的能量消耗问题。
2. 采用低功耗技术：
LoRa 和 NB-IoT 技术：LoRa和NB-IoT都是低功耗广域网技术，具有显著的低功耗特性。例如，NB-IoT终端在休眠状态下的功耗仅为15μW，通常采用电池供电即可。这些技术通过简化信令和减少监听频次来降低维持信号接入的开销，从而降低功耗。
蓝牙低功耗（BLE）技术：BLE通过短通信间隔和快速连接建立，保持稳定通信同时降低能耗。
3. 动态功率管理策略：
动态电压频率调整（DVFS） ：根据负载情况动态调整处理器的电压和时钟频率，以在低负载下降低功耗，在高负载下提供充足计算能力。
情境感知节能策略：这些策略使认知引擎能够根据合作成本与潜在节能之间的预期权衡，决定是否启动合作通信。模拟结果验证了采用所提出策略的无线设备可以减少50%的功耗。
4. 电源管理和软件节能技术：
功率削减策略：如功率门控技术，通过在电路不同部分间插入控制开关，仅在设备空闲时切断电源，从而降低静态功耗。
操作系统优化：优化操作系统，如Contiki和TinyOS，通过智能切换设备的睡眠和活动模式，减少空闲时的功耗。
5. 网络协议与通信技术：
低功耗WiFi、蓝牙低功耗（LE）和低功耗广域网（LPWAN）等技术：这些技术设计用于最小化能耗，特别适用于需要长电池寿命的物联网应用。
四、 物联网4G与NB-IoT在成本效益方面的比较
物联网4G和NB-IoT在成本效益方面的比较研究主要集中在以下几个方面：
1. 硬件和安装成本：
NB-IoT利用现有的蜂窝网络基础设施，降低了硬件和安装成本。由于NB-IoT基于LTE设计，但舍弃了LTE物理层的一些复杂功能，因此其终端模块的成本较低，单个连接模块预期不超过5美元。
相比之下，4G网络需要额外的基站建设和维护，这增加了初始投资和运营成本。
2. 运营和维护成本：
NB-IoT通过优化现有蜂窝网络，减少了运营和维护成本。然而，其运营成本相对较高，特别是在需要频繁更新或升级网络设备的情况下。
LoRaWAN等其他LPWAN技术在未授权频谱中运行，虽然初始部署成本较低，但其运营和维护成本较高，因为需要专业技能的劳动力。
3. 设备寿命和功耗：
NB-IoT终端设备具有较长的待机时间(最长可达10年)，并且在深度睡眠模式下功耗极低，这进一步降低了长期运营成本。
LoRa终端设备同样可以实现约10年的电池寿命，但在发射功率方面更低，NB-IoT则具有更好的节能管理和深度睡眠功能。
4. 覆盖范围和连接能力：
NB-IoT提供了广泛的室内覆盖，甚至可以覆盖地下区域，每个扇区可以支持多达10万个设备连接。
LoRaWAN虽然在覆盖范围上不如NB-IoT，但在大规模部署节点时，其性价比逐渐显现。
5. 应用场景：
在高设备密度的城市环境中，NB-IoT的成本效益最佳。而在低设备密度的农村环境中，LoRaWAN可能更具成本效益。
NB-IoT适用于需要广覆盖、低功耗和低成本的物联网应用，如智能计量、环境监测等。
NB-IoT在硬件和安装成本、设备寿命和功耗以及广覆盖能力方面具有显著优势，但在运营和维护成本上相对较高。而4G网络虽然在初期投资和运营成本上较高，但在高带宽、低时延业务上的ARPU值较高，适合于车联网、视频监控等高带宽需求的应用。
五、 在偏远地区和乡村，如何改善4G网络的覆盖范围和信号稳定性?
在偏远地区和乡村改善4G网络的覆盖范围和信号稳定性，可以采取以下几种措施：
- 增加基站建设密度：在偏远山区和乡村地区增加4G基站的建设密度，以减少信号盲点。例如，蓝山县科技和工业信息化局通过向上级部门争取基站建设项目，积极解决部分地区4G信号不稳、偏弱或盲区的问题。
- 优化现有基础设施：对现有的乡村网络基础设施进行升级，确保光纤网络、4G基站等信息基础设施的全覆盖。例如，自治区政协委员建议加大南部山区特别是偏远山区的基站建设密度，并加快农村宽带网络建设，力争尽快实现所有乡村网络全覆盖。
- 利用VSAT连接：对于一些未覆盖的村庄，可以考虑使用VSAT(甚小口径终端)连接来提供双向通信支持。这种方法在印度拉达克邦的应用中得到了推荐，通过BSNL实施升级计划，并利用BharatNet提供的VSAT连接来支持4G服务。
- 采用新技术：研究和应用新型天线技术，如轴向模式螺旋天线，以增强农村地区的4G LTE信号。这种天线设计具有高增益和定向辐射模式，适用于复杂地形条件下的信号传输。
- 整合资源加快5G建设：政府可以通过协调基站建设中的矛盾纠纷，并整合基础设施资源，以加快5G建设进程。这不仅能提升当前的4G网络质量，还能为未来的网络升级奠定基础。
- 专项网络提升行动：针对特定区域如偏远山区，实施专项网络提升行动。例如，余姚市政府计划对重点区域进行临时信号覆盖和质量提升，并实施偏远山区农村专项网络提升行动。
六、物联网4G网络拥塞问题的解决方案
针对物联网应用中的4G网络拥塞问题，有多种解决方案可以采用：
这种算法通过动态调整拥塞窗口大小来应对网络流量的变化，从而提高数据包的交付比率、减少延迟并提升吞吐量。具体来说，ACW算法会根据源节点的传输速率、路径上的可用带宽以及目的地节点的接收速率进行调整。当路径上的链接需要与其他路径共享或释放时，拥塞窗口大小也会相应地进行调整。
利用深度神经网络和强化学习的方法，可以优化网络拓扑、流量和路由之间的复杂关系，从而降低网络负担。这种方法还可以动态选择合适的拥塞控制算法以提高数据传输效率，并根据网络的动态变化调整传输范围，灵活控制传输层发生的拥塞。
在预防阶段，算法定期检查LTE-A小区的可用容量，如果超过预设阈值，则拒绝所有新呼叫或切换请求;在检测阶段，持续监控系统状态并判断是否需要采取进一步措施;在解决阶段，通过切换会话到其他小区或降低某些用户的流量速率来缓解拥塞;最后，在恢复阶段，使用恢复算法来恢复系统的稳定性。
这种算法通过调整传输速率来适应物联网环境中的拥塞情况。实验表明，该算法在链路利用率、跨协议公平性和吞吐量等方面表现优异，优于其他标准算法。
针对受限物联网网络，提出了lwIP Backoff和IwIP cwnd两种改进算法。这些算法通过优化往返时间和重传超时估计机制以及重传超时后退来提升性能，并结合使用6LoWPAN协议和轻量级TCP实现等解决方案。
压缩感知策略通过信号压缩和重建算法减少物联网设备的数据传输量，从而减轻网络拥堵。这种方法能够在较低的能量消耗下实现快速压缩，并达到必要的失真水平。
当检测到拥塞时，子节点会根据游戏理论找到合适的父节点，选择具有最大链接质量、最小缓冲占用和最少跳数的最佳路径。此外，当上述方法无法缓解拥塞时，父节点会调用速率控制算法来降低传输速率。
通过增加发送数据的延迟并在服务器端使用集成模型(如随机森林)预测轨迹的中间坐标，同时利用人工神经网络(ANN)进行预测，从而有效解决网络拥塞问题。
