物聯(lián)網(wǎng)中5G通信技術(shù)的應(yīng)用研究*

田云霞 林海霞 韓琛曄

河北工程技術(shù)學(xué)院 河北 石家莊 050091

1 研究背景、目的及意義

5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是在第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）的基礎(chǔ)上演進(jìn)而來的。2016年6月ITU公布了5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間表，自2019年11月我國(guó)正式進(jìn)入5G商用時(shí)代以來，5G在各行各業(yè)中的角色日益重要。2020年年初以來5G加快建設(shè)速度,每周大概增加1萬多個(gè)5G基站。物聯(lián)網(wǎng)以嚴(yán)格的協(xié)議為基礎(chǔ)，通過傳感設(shè)備以實(shí)現(xiàn)不同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在一起，使數(shù)據(jù)和信息之間能夠高效穩(wěn)定的傳輸、交換，使信息得以精準(zhǔn)的定位、跟蹤，達(dá)到萬物互聯(lián)。由于智慧生活發(fā)展步伐的加快，車聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程的推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍還會(huì)不斷地?cái)U(kuò)大，同時(shí)，5G技術(shù)的發(fā)展，也會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生很大的推動(dòng)作用[1]。

通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)密不可分，物聯(lián)網(wǎng)中海量終端連接、高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)控制等技術(shù)離不開通信技術(shù)。未來物聯(lián)網(wǎng)的需求將會(huì)不斷增長(zhǎng)，海量終端的連接、數(shù)據(jù)流量倍增、毫秒級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的核心需求，5G通信技術(shù)由于新天線技術(shù)、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入等技術(shù)特點(diǎn)將能滿足物聯(lián)網(wǎng)廣覆蓋、低時(shí)延、低功耗的需求。5G的實(shí)現(xiàn)不僅會(huì)給物聯(lián)網(wǎng)帶來深遠(yuǎn)的影響，也將極大推動(dòng)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，研究物聯(lián)網(wǎng)中5G通信技術(shù)的應(yīng)用具有重要的理論價(jià)值、技術(shù)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

2 5G通信技術(shù)的特點(diǎn)

通信技術(shù)作為現(xiàn)代社會(huì)的高級(jí)神經(jīng)中樞，可謂發(fā)展迅猛。尤其是移動(dòng)通信技術(shù)，從第一代移動(dòng)通信到現(xiàn)在的5G，從2.4b/s的速率到10Gb/s的速率，從簡(jiǎn)單的語(yǔ)音通信到現(xiàn)在的全互聯(lián)，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)生著翻天覆地的變化。5G是在4G基礎(chǔ)上演進(jìn)而來的，相比4G所帶來的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的繁榮，5G與各行各業(yè)深度融合帶來“萬物互聯(lián)”的新紀(jì)元。相比于4G主要追求高速率，5G追求的是更人性化更綜合的性能指標(biāo)：用戶體驗(yàn)速率更快，可達(dá)到1Gb/s，是4G的100倍；連接數(shù)量密度更高，可達(dá)到100萬/平方公里，是4G的50倍；空口時(shí)延更低，可低至1ms，是4G的1/5。除此之外，5G還具有500Km/h的移動(dòng)性、數(shù)十Tbps/平方公里的流量密度、超低功耗、超低成本、高頻譜效率以及QoS保障下的接近100%的高可靠性等關(guān)鍵指標(biāo)，這就決定了5G的應(yīng)用場(chǎng)景不僅關(guān)注人與人，也關(guān)注人與物、物與物：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景（eMBB）；低功耗、大連接場(chǎng)景（ mMTC）；低時(shí)延、高可靠場(chǎng)景（ uRLLC）。其中低功耗大連接與低時(shí)延高可靠場(chǎng)景兩項(xiàng)指標(biāo)是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的核心要求，也是5G拓展物聯(lián)網(wǎng)的核心場(chǎng)景，解決了 4G 無法完美支持物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)垂直應(yīng)用的問題[2]。

3 5G的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 新天線技術(shù)

5G所采用的大規(guī)模天線技術(shù)基于多用戶波束賦形原理，基站會(huì)根據(jù)覆蓋區(qū)域人口密度進(jìn)行信號(hào)合理分配，并且基站也會(huì)通過這一技術(shù)根據(jù)用戶位置，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，可保證信號(hào)的質(zhì)量。同時(shí)，多個(gè)基站同時(shí)服務(wù)于單一用戶，并能預(yù)感知用戶的基站切換，避免丟失信號(hào)同時(shí)確保信號(hào)質(zhì)量。通過大規(guī)模天線技術(shù)，可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量，減小發(fā)射功率，同時(shí)還能大幅度降低時(shí)延。

3.2 超密集組網(wǎng)技術(shù)

5G通信技術(shù)將多種無線接入技術(shù)有機(jī)地聯(lián)系在一起，通過超密集組網(wǎng)技術(shù)可以使覆蓋范圍進(jìn)行更小的分割。超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，一方面體現(xiàn)在宏基站的外部，通過設(shè)置多條天線，從而使得使室外的空間得以擴(kuò)寬，在一定程度上加大系統(tǒng)的容量，同時(shí)還會(huì)大大提高系統(tǒng)的靈活性。另一方面主要體現(xiàn)在室外，通過設(shè)置多個(gè)密集網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，這樣便能夠提高相鄰節(jié)點(diǎn)工作的準(zhǔn)確性，使得信噪比增益得到很大程度的改善。同時(shí)，在5G通信技術(shù)中，通過應(yīng)用密集組網(wǎng)技術(shù)，消除網(wǎng)絡(luò)盲點(diǎn)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，增強(qiáng)系統(tǒng)容量，最大化地把網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)充分地發(fā)揮出來。

3.3 新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

5G組網(wǎng)方式有兩種：非獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)。非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）是在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的演進(jìn)和發(fā)展，以形成更綜合的5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，可以實(shí)現(xiàn)更快商用。獨(dú)立組網(wǎng)（SA）充分利用5G技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)，通過關(guān)鍵技術(shù)——網(wǎng)絡(luò)切片來更好地滿足垂直行業(yè)各種業(yè)務(wù)的需求。

3.4 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

eMBB-增強(qiáng)移動(dòng)寬帶；mMTC-海量物聯(lián)；uRLLC-低時(shí)延高可靠連接，三大能力之間互相有沖突?；?G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可實(shí)現(xiàn)選擇保留一部分、犧牲一部分，以合理權(quán)衡與協(xié)調(diào)各性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系，以根據(jù)不同行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分片管理及應(yīng)用[3]。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，即“萬物皆可通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”。從技術(shù)架構(gòu)上，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要由各種傳感器以及其網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，其作用是感知、識(shí)別并獲取物體的信息，關(guān)鍵指標(biāo)在于更精確、更全面、低成本、低功耗的感知能力，主要設(shè)備有傳感器、RFID、二維碼、攝像頭、紅外線、GPS等。網(wǎng)絡(luò)層由各種傳輸、通信網(wǎng)絡(luò)組成，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，連接感知層和應(yīng)用層，目前標(biāo)準(zhǔn)化程度最高，產(chǎn)業(yè)化能力最強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵在于更高速率、更低時(shí)延、更低成本、更可靠的信息傳輸和處理。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，是物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，應(yīng)用范圍廣泛，但受制于前兩層的技術(shù)發(fā)展，關(guān)鍵在于與行業(yè)需求的深度融合[4]。

5 5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

5G擁有三大特性：大容量、高速率、低延遲。而物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的物理設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，具有收集和共享大量數(shù)據(jù)的能力，有海量的連接需求，不同的連接場(chǎng)景下，用戶對(duì)帶寬體驗(yàn)、時(shí)延也有了更高要求，需要有高效網(wǎng)絡(luò)的支持才能充分發(fā)揮其潛力。5G技術(shù)則將是物聯(lián)網(wǎng)整體的重要支撐和承載，5G技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)使“萬物互聯(lián)”現(xiàn)實(shí)化。

5.1 海量機(jī)器連接

此場(chǎng)景體現(xiàn)了“物”與“物”之間的通信需求，5G超強(qiáng)大的連接能力促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和垂直行業(yè)的快速深度融合。傳統(tǒng)基站能夠承載的最高連接設(shè)備數(shù)不能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的高速成長(zhǎng)。相對(duì)于4G，5G網(wǎng)絡(luò)具備更加強(qiáng)大的通信和連接能力，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用高速穩(wěn)定、覆蓋面廣等需求。mMTC的重要用處就是對(duì)萬物互聯(lián)這樣需要大量連接和自動(dòng)化靈活控制的場(chǎng)景起核心支撐，當(dāng)前傳統(tǒng)基站用戶接入范圍也就僅僅幾個(gè)到幾十個(gè)而已，而在5G時(shí)代一個(gè)基站通過海量連接可以實(shí)現(xiàn)成千上萬終端接入，保證某一個(gè)區(qū)域內(nèi)多終端的順利通信。

基于mMTC場(chǎng)景和低功耗傳感器等技術(shù)，5G可以通過打造智能制造、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、萬物互聯(lián)。

5.2 低時(shí)延高可靠通信

此場(chǎng)景體現(xiàn)了“人”與“物”之間的超低時(shí)延、超高可靠性的通信需求。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，大量設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳、下載和時(shí)延的要求存在區(qū)別，網(wǎng)絡(luò)必須有一定的智能性。uRLLC通過超低時(shí)延保證微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間，這項(xiàng)技術(shù)最重要的運(yùn)用場(chǎng)景是以極低響應(yīng)時(shí)間為重要指標(biāo)的車聯(lián)網(wǎng)例如無人駕駛場(chǎng)景、遠(yuǎn)程駕駛。例如車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下為了保證自動(dòng)駕駛的安全性，車與車之間、車與云端之間的時(shí)延在5ms以內(nèi)，可靠性在 99.999%以下，而且在車輛發(fā)生擁塞或大量節(jié)點(diǎn)共享有限頻譜資源時(shí)，仍能夠保證可靠的傳輸；相距千里的遠(yuǎn)程駕駛中對(duì)網(wǎng)速和時(shí)延提出了高要求，網(wǎng)速要求在40Mb/s，時(shí)延在10ms以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操控行進(jìn)車輛。車聯(lián)網(wǎng)顛覆了傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)業(yè)，只有5G能滿足驅(qū)動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)所需要的高可靠、低時(shí)延、高寬帶和高安全性的連接。

可見，5G從傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商范疇中變得更強(qiáng)大了，移動(dòng)寬帶變得更強(qiáng)大了，其次它也有機(jī)會(huì)擴(kuò)展行業(yè)的邊界，進(jìn)入車聯(lián)網(wǎng)等更多的行業(yè)。車聯(lián)網(wǎng)是跨越了通信、汽車、交通這三個(gè)萬億級(jí)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新領(lǐng)域，未來的發(fā)展?jié)摿κ欠浅＞薮蟮模嚶?lián)網(wǎng)也已成為很多國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心方向之一。

物聯(lián)網(wǎng)的終端應(yīng)用還聚焦了遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程手術(shù)等領(lǐng)域，通過5G的高網(wǎng)速可以遠(yuǎn)程操控模擬手術(shù)乃至真實(shí)手術(shù)。基于eMBB+uRLLC場(chǎng)景，借助M-MIMO和波束賦形等技術(shù)，能夠?yàn)闊o人機(jī)發(fā)展提供條件。無人機(jī)全球市場(chǎng)在過去十年間飛速發(fā)展，近幾年向農(nóng)林、能源、公共事業(yè)事業(yè)等垂直領(lǐng)域快速滲透。4G技術(shù)已基本可以滿足無人機(jī)的上行狀態(tài)信息采集及飛行管控指令下發(fā)，但無法滿足實(shí)時(shí)圖傳等高精度應(yīng)用需求。隨著5G技術(shù)的日趨成熟，將助力行業(yè)無人機(jī)高清圖傳、精準(zhǔn)定位、實(shí)時(shí)控制等能力的發(fā)展。

5.3 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶

此場(chǎng)景體現(xiàn)了以“人”為中心的對(duì)超高數(shù)據(jù)速率、廣覆蓋下移動(dòng)性的需求。對(duì)于eMBB而言，最重要的是可能會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，雖然對(duì)整體時(shí)延需求不高，但會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)向云端傳輸。例如，工廠工人帶上5G+8K的VR眼鏡/頭盔，可以將看到的東西與本身真實(shí)工作緊密結(jié)合起來，基于云的AR/VR技術(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求很高，只有“5G+邊緣計(jì)算”才能滿足VR/AR毫秒級(jí)時(shí)延的應(yīng)用[5]。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著5G技術(shù)的大規(guī)模商用，5G與各行各業(yè)深度融合，尤其體現(xiàn)在與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的相互促進(jìn)和相互發(fā)展。5G 三大應(yīng)用場(chǎng)景 eMBB、mMTC和 uRLLC，正是體現(xiàn)通過對(duì)“物”的聯(lián)網(wǎng)和控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)“人”的服務(wù)。三大應(yīng)用場(chǎng)景相互交叉相互滲透，呈現(xiàn)出“無邊界”的行業(yè)特征。而在這種交叉滲透下的跨行業(yè)、跨場(chǎng)景的物聯(lián)網(wǎng)是5G的核心應(yīng)用場(chǎng)景，占有80%以上的5G應(yīng)用場(chǎng)景。隨著5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，兩種相互催化、相互激勵(lì)，將促進(jìn)5G在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的廣泛、深度應(yīng)用，優(yōu)化我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的格局，促進(jìn)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)更快、更高質(zhì)量的發(fā)展。