5G 移動通信技術(shù)下的物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)和發(fā)展

李世杰 天津恒達(dá)文博科技股份有限公司

關(guān)鍵字：5G 移動通信 物聯(lián)網(wǎng)安全 mMTC（大規(guī)模物聯(lián)） uRLLC（高可靠低延遲關(guān)鍵任務(wù)型物聯(lián)）

1 前言

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的一種發(fā)展和應(yīng)用演進(jìn)形式，移動通信網(wǎng)絡(luò)是它重要的載體之一。5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)在交通、倉儲、展館、工廠等物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中具有低功耗、低成本、低延時以及高速率、高可靠的特點。并且5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還專門制訂了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。

2 5G 移動通信技術(shù)之于物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)和應(yīng)用

5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和推出的時間正逢產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵時期，處于各行業(yè)從消費互聯(lián)網(wǎng)向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級的機遇期和窗口期。作為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，基于5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展，將進(jìn)一步打破產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，并對物聯(lián)網(wǎng)在各產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展起到重大的推動和促進(jìn)作用。

提到5G 移動通信技術(shù)之于物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)和應(yīng)用就不得不提網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)(Network Slicing)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，簡單的說就是將5G移動通信網(wǎng)絡(luò)運營商的物理網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實際需求劃分為多個類型的“虛擬網(wǎng)絡(luò)”，不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的應(yīng)用訴求，如帶寬、延時、可靠性、安全性等來規(guī)劃設(shè)計，以最高效、最貼合應(yīng)用目標(biāo)的方式來應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。當(dāng)前5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)對大寬帶移動通信（eMBB）、大規(guī)模物聯(lián)（mMTC）和高可靠低延遲關(guān)鍵任務(wù)型物聯(lián)（uRLLC）。 5G 標(biāo)準(zhǔn)在定義初期，就把物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用納入考慮，三大應(yīng)用場景中有兩個是和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的，足見ITU（國際電信聯(lián)盟）對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重視。

5G mMTC 大規(guī)模物聯(lián)，針對大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，重點運行于6GHz 以下頻段，可看做是NB-IoT、LTE 等的演變。以往廣泛應(yīng)用的Wi-Fi、RFID、紫峰、藍(lán)牙等非蜂窩聯(lián)網(wǎng)技術(shù)屬于自建小范圍通信技術(shù)，廣域回程鏈路主要靠4G LTE 等蜂窩網(wǎng)絡(luò)。而5G mMTC 的發(fā)展很可能會使未來物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域變?yōu)椤白赓U”的時代，5G 時代連接設(shè)備密度將會是4G 時代的100 倍以上，達(dá)到每平方公里數(shù)百萬個。消費者將不再一定靠購買聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和自建私有物聯(lián)網(wǎng)來達(dá)成所需的目的，透過公有的運營商5G 移動通信mMTC 物聯(lián)網(wǎng)所形成的租賃服務(wù)，來實現(xiàn)私有的物聯(lián)網(wǎng)本地化應(yīng)用將越來越普及。例如像是場館環(huán)境溫濕度監(jiān)測，遺址、文物預(yù)防性保護(hù)監(jiān)測等應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸量小，對網(wǎng)絡(luò)延遲時間的要求也不高，采用mMTC 會是比較理想的選擇。這些應(yīng)用場景的共同特征在于同時在線連接的設(shè)備數(shù)量非常多，相對低量的對延遲非敏感的數(shù)據(jù)，低成本和非常長的電池壽命要求。

對于某些攸關(guān)人身安全的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如工業(yè)領(lǐng)域危險環(huán)境下的遠(yuǎn)程作業(yè)，智能交通行業(yè)的無人駕駛車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)等，網(wǎng)絡(luò)延遲時間和可靠性就顯得非常重要。

5G uRLLC 高可靠低延遲關(guān)鍵任務(wù)型物聯(lián)，以足夠低的延遲和足夠高的可靠性支持需要實時響應(yīng)的關(guān)鍵應(yīng)用。無人駕駛汽車的應(yīng)用場景要求控制信令的通信延遲低到幾毫秒的級別。發(fā)布自NHTSA(美國國家公路交通安全管理局)的調(diào)查報告指出，80%的公路交通事故是由駕駛?cè)嗽谑鹿拾l(fā)生前3s 內(nèi)的疏忽大意造成的。汽車主機廠商的實驗也表明，如果提前0.5s 警告駕駛?cè)?，可以大概率避?0%左右的追尾事故。若駕駛?cè)四芴崆?.5s 得到預(yù)警并采取適當(dāng)措施，則可以避免90%以上的追尾事故。我們目前使用的4G 網(wǎng)絡(luò)，平均數(shù)據(jù)傳輸時延達(dá)到了50ms 以上，無法實現(xiàn)實時控制。5G 網(wǎng)絡(luò)通信uRLLC 的到來，讓端到端的數(shù)據(jù)傳輸時延可達(dá)1ms 以內(nèi)，滿足自動駕駛的苛刻要求。同時借助物聯(lián)網(wǎng)，自動駕駛汽車可以自動化收集各種數(shù)據(jù)，包括加速、剎車、轉(zhuǎn)向等重要參數(shù)，以及ECU、ESP、ABS 等輸出的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，車廠使用算法可以利用這些數(shù)據(jù)跟蹤車況和改善車輛設(shè)計。在生產(chǎn)制造型工廠，大量設(shè)備內(nèi)建傳感器，從傳感器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、下發(fā)指令，再回傳設(shè)備本身的這些過程，如果以現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸，將出現(xiàn)很明顯的延遲，可能引發(fā)生產(chǎn)安全事故。有鑒于此，uRLLC 將網(wǎng)絡(luò)延遲時間壓低到1 毫秒以下，將使應(yīng)用廣域蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和公有工業(yè)云的智慧工廠形式成為可能。醫(yī)療健康領(lǐng)域也將會是5G 與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用的重點之一，隨著心電監(jiān)護(hù)、超聲波檢查設(shè)備、CT、MRI 等不同醫(yī)療設(shè)備尤其是醫(yī)療機器人成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一環(huán)，醫(yī)療健康服務(wù)也將受益于基于5G 的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。缺乏醫(yī)療設(shè)施和高水平醫(yī)師的農(nóng)村地區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)的患者將受益于高可靠低延遲關(guān)鍵任務(wù)型物聯(lián)網(wǎng)連接。隨著低延遲、高可靠的5G uRLLC普及，使得之前只存在于科幻影片中的遠(yuǎn)程協(xié)同外科手術(shù)成為可能。國內(nèi)頂尖醫(yī)院的機器人遠(yuǎn)程手術(shù)中心通過5G 網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同省市級醫(yī)院成功完成了全球首例多人5G 遠(yuǎn)程協(xié)同手術(shù)。

3 5G 移動通信技術(shù)之于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的安全隱憂

信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的種種跡象表明“萬物互聯(lián)”的時代正在5G 通信技術(shù)的支持下加速到來，將深刻的改變這個社會和我們的生活。但挑戰(zhàn)總是和機遇并存，物聯(lián)網(wǎng)安全問題成為了不得不重視的隱憂。

根據(jù)Statista 統(tǒng)計與調(diào)查門戶的數(shù)據(jù)顯示，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用量將會加速增長，到2020 年將有310 億支持物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在線，到2025 年在線連接設(shè)備將增加到740 億。通過這些數(shù)量我們就能大概預(yù)測黑客攻擊的方式和可能性將會發(fā)生較大的改變。到2025 年，黑客很可能將有機會在廣域物聯(lián)網(wǎng)安全鏈的近千億個可能入侵點中進(jìn)行選擇。黑客不僅可能會攻擊社會基礎(chǔ)設(shè)施和電網(wǎng)系統(tǒng)，而且還可能破解醫(yī)療設(shè)備，讓聯(lián)網(wǎng)自動駕駛汽車陷入失控狀態(tài)乃至引發(fā)事故。由于5G 移動通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過巨大、不可見的無線網(wǎng)絡(luò)相互連接海量的重要設(shè)備，事關(guān)國計民生的各個方面，我們必須高度重視5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的安全問題。

5G 移動通信時代的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)需要應(yīng)對技術(shù)進(jìn)步帶來的新威脅。單靠人力無法跟蹤和解決大型5G 通信網(wǎng)絡(luò)中的所有安全威脅，但是具有AI 能力的機器可以。5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)可以通過AI 機器“學(xué)習(xí)”新的安全威脅，實時識別這些威脅，并啟動自動修復(fù)策略。安全技術(shù)和安全框架的發(fā)展必須能夠及時跟上技術(shù)和應(yīng)用的進(jìn)步。

4 結(jié)束語

當(dāng)下5G 通信技術(shù)之所以火熱，讓各大陣營掙得“頭破血流”，其原因在于5G 網(wǎng)絡(luò)帶來的，不僅僅是網(wǎng)速的變化，更多的將是生活方式的顛覆?？梢哉f，誰掌握了5G 通信技術(shù)和上下游產(chǎn)業(yè)鏈，誰就掌握了下一個信息時代。5G 通信技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)可能是最大的受益者。分散在各垂直領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，正是組成5G 生態(tài)圈的重要基礎(chǔ)。5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展有助于解析和吞噬各種復(fù)雜數(shù)據(jù)，滿足不同用戶對物聯(lián)網(wǎng)的多樣化需求。在當(dāng)前的社會背景下，對5G 移動網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)技術(shù)的深入研究，可以有效促進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)的后續(xù)發(fā)展鋪平道路。