5G+物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)與發(fā)展趨勢探討

黃鈺旋

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引 言

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，5G移動通信技術(shù)（以下簡稱5G）成為通信領(lǐng)域發(fā)展的主流，其高速率、低時延、大連接的特點(diǎn)滿足了物聯(lián)網(wǎng)更高速率、更低時延的連接需求，成為推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。而相對于4G，5G可以提供更高的速率、更低的時延、更多的連接數(shù)、更快的移動速率、更高的安全性以及更靈活的業(yè)務(wù)部署能力，其作用只有在萬物互聯(lián)得以實現(xiàn)的情況下才能得以完全發(fā)揮。因此，尤其在要求低延遲和高可靠性的場景運(yùn)用下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和5G移動通信技術(shù)有相互支撐、促進(jìn)、融合的趨勢[1]。

1 5G移動通信技術(shù)

作為新一代寬帶移動通信技術(shù)，5G具有高速率、低時延和大連接特點(diǎn)。5G通信設(shè)施是實現(xiàn)人、機(jī)器、物體互相連接的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。國際電信聯(lián)盟定義了5G的三大應(yīng)用場景，即增強(qiáng)型行動寬頻（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、低時延高可靠通信（ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）和海量機(jī)器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）[2]。

1.1 eMBB

eMBB場景是一種以人為本的應(yīng)用場景，要求為網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的用戶提供一致的同步體驗，要求在Gb/s級別上實現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率和低訪問延遲。該場景著重于超高傳輸數(shù)據(jù)速率、大覆蓋下的移動性保證等，最直觀的是提高移動網(wǎng)速，應(yīng)用于3D視頻、超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、邊緣計算部署等。

1.2 mMTC

mMTC場景要求網(wǎng)絡(luò)支持超過1 000億個連接的能力、100萬/km2的設(shè)備連接密度以及超低的功耗和終端成本，主要支持傳感和數(shù)據(jù)收集服務(wù)，如智慧城市、智能家居和森林防火等。

1.3 uRLLC

uRLLC場景要求網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性和低延遲性。在這種情況下，連接時延要達(dá)到ms級別，而且要支持高速移動（速度達(dá)500 km/h）情況下的高可靠性（一次傳送32字節(jié)包的可靠性為99.999%。）連接，主要提供具有即時可訪問性要求的實時服務(wù)和特殊應(yīng)用，更多面向自動駕駛、工業(yè)應(yīng)用控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過多種傳感器設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀、紅外傳感器等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)對物品和流程的智能感知、識別與管理，因此也被稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)，其基本特征為全面感知、可靠傳輸、智能傳輸。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)不斷發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)體系持續(xù)構(gòu)建，市場規(guī)模在產(chǎn)業(yè)建立和完善的過程中持續(xù)擴(kuò)張。如果說互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)人與人之間的連接，那么物聯(lián)網(wǎng)就是實現(xiàn)物與物之間的連接。物聯(lián)網(wǎng)作為一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將互聯(lián)網(wǎng)與物結(jié)合，交換信息，實現(xiàn)智能定位和監(jiān)督管理；信息傳感設(shè)備和連接的對象被編織成一個廣袤的網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到連接所有事物的目的。

2.1 全面感知

物聯(lián)網(wǎng)要將大量物體接入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行通信活動，對物體的全面感知十分重要。全面感知是指利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、傳感器、定位器以及二維碼等信息收集手段，時刻采集和獲取物體信息。為了獲得物體所在環(huán)境的溫度、濕度、位置、運(yùn)動速度等信息，物聯(lián)網(wǎng)需要能夠全面感知所要考慮物體的各種狀態(tài)。

2.2 可靠傳輸

可靠傳輸對整個網(wǎng)絡(luò)的高效和正確運(yùn)行起著重要作用，這是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要特征，通過各種網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合、終端融合、運(yùn)營管理融合，將物體的信息實時準(zhǔn)確地傳遞出去，從而實現(xiàn)信息的交互和有效處理?？煽總鬏斣谌梭w系統(tǒng)中相當(dāng)于神經(jīng)系統(tǒng)，它將各個器官收集的各種信息傳輸?shù)酱竽X，由大腦發(fā)出正確的指令，同時也將大腦發(fā)出的指令傳輸?shù)礁鱾€部位，以做出相應(yīng)的改變和動作。

2.3 智能處理

智能處理是指利用云計算、模糊識別等智能計算技術(shù)，對不同空間、不同行業(yè)和領(lǐng)域接收到的物體數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行分析處理，對物體進(jìn)行實時智能化控制。它是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的核心。智能處理相當(dāng)于大腦根據(jù)神經(jīng)信號做出決策，指導(dǎo)相應(yīng)的器官進(jìn)行活動。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，智能處理會對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算，然后做出相應(yīng)的決策，以指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3 5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢

相比以往的通信技術(shù)（如4G移動通信技術(shù)），5G具有顯著優(yōu)勢。

（1）在數(shù)據(jù)傳輸方面，5G速度更快，延遲更短，傳輸距離更長，且支持10～20 Gb/s的峰值速度和1 Gb/s的速度，延遲低至1 ms，傳輸距離高達(dá)2 km。（2）在系統(tǒng)效率和容量方面，5G的功耗和運(yùn)行成本較低，頻譜利用率和信息利用率較高，并支持更多用戶。（3）5G具有更高的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的加密能力，允許用戶在不卡頓的情況下查看照片和視頻，以獲得更好的用戶體驗。（4）與無線藍(lán)牙的兼容性良好。

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用中不可避免地被越來越多的技術(shù)瓶頸掣肘，尤其是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的瓶頸。5G的出現(xiàn)，有效彌補(bǔ)了4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)各項性能的不足，很大程度上解決了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所面臨的網(wǎng)絡(luò)問題，助力物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

3.1 多層級可靠性

板級可靠性通過5G設(shè)備板和電源主設(shè)備實現(xiàn)，射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）環(huán)網(wǎng)用于實現(xiàn)網(wǎng)元級可靠性。提升鏈路級可靠性的關(guān)鍵性技術(shù)有5個，具體為同時同頻全雙工技術(shù)、密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多天線傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)新技術(shù)以及智能化技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)級可靠容災(zāi)通過多終端冗余、無線雙平面和端到端會話雙平面實現(xiàn)[3]。

上述方法在5G中的實現(xiàn)，使得當(dāng)環(huán)境復(fù)雜且場景的可靠性要求非常高時，物聯(lián)網(wǎng)的需求能夠得到充分滿足。在空口環(huán)境惡劣的情況下，還可以充分利用5G功能，確保在線服務(wù)不會丟失。當(dāng)用戶層的可靠性極高時，冗余設(shè)計可確保安全性。即使從無線側(cè)到核心側(cè)的整個鏈路出現(xiàn)故障，也可以充分確保端到端的服務(wù)連續(xù)性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)分流

在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)是至關(guān)重要的技術(shù)。在核心側(cè)，5G通過網(wǎng)絡(luò)級分流、網(wǎng)元級分流以及會話級分流對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分域分流管理，以提高安全性和可靠性；在無線側(cè)，5G通過基于IP和域名系統(tǒng)（Domain Name System，DNS）的域名分流、園區(qū)切片ID分流或者指定專網(wǎng)用戶分流，實現(xiàn)同一5G無線網(wǎng)絡(luò)下不同物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的服務(wù)保障。

3.3 定制化專網(wǎng)

5G通過大帶寬使其具有3～5 m精準(zhǔn)定位能力，具備高精度、全場景、易維護(hù)、低成本等優(yōu)勢，能夠降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的復(fù)雜度和系統(tǒng)開銷，提高商用性。高精度網(wǎng)絡(luò)計時技術(shù)助力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)數(shù)字化改造，面對電力、工控、交通、自動駕駛等物聯(lián)應(yīng)用提供同步和高效協(xié)同的基礎(chǔ)保障能力。在5G廣覆蓋下，基站位置可實現(xiàn)靈活，充分確保重要的專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無縫連接。端到端的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）監(jiān)控能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)檢測保障。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)具有端到端時延和抖動等關(guān)鍵指標(biāo)，是一種實時測量方法，不占用大量資源開銷，因此在物聯(lián)網(wǎng)大連接的情況下可以充分獲得網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證監(jiān)控，用戶側(cè)可見、可管、可控，業(yè)務(wù)服務(wù)可保障、可承諾。

4 5G與物聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展

4.1 推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)升級

作為一個制造業(yè)國家，我國推進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化生產(chǎn)迫在眉睫。作為新基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合可以推進(jìn)提升傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)的智能產(chǎn)能，提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，為中國工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)彎道超車提供一個良好基礎(chǔ)。

5G的特點(diǎn)契合工業(yè)場景中對連接、通信多樣化、性能差異化的要求，具備數(shù)據(jù)采集速度高、遠(yuǎn)程控制以及穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，可助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

4.2 支撐智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中，智慧農(nóng)業(yè)也得到了快速發(fā)展。

農(nóng)村環(huán)境地形復(fù)雜，農(nóng)產(chǎn)品種植地區(qū)分散，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)最新信息無法快速傳遞到農(nóng)民手中。在5G發(fā)展迅速的今天，簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度，提高農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性。

在智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園里，農(nóng)作物的大數(shù)據(jù)傳輸受各種因素的影響，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)下，大分辨率的作物影像數(shù)據(jù)的傳輸速率較低。而在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸問題得到有效解決。5G的低延時為智慧農(nóng)業(yè)實時場景數(shù)據(jù)交互提供極低的延遲時間，對于農(nóng)作物病蟲害診斷等服務(wù)提供精確的判斷[4]。

在農(nóng)業(yè)環(huán)境中，5G的出現(xiàn)推動智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)革新，智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園建設(shè)發(fā)展變得更加快捷、智能。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不僅能夠提升農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率，同時也能夠推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化，這樣不僅能釋放出更多的勞動力，同時也能降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。未來，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推動下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與社會需求的對接會更加直接，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也會逐漸走向綠色環(huán)保，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[5]。

4.3 助力醫(yī)療保健行業(yè)普及

醫(yī)療從業(yè)者也可以從實施5G物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中受益。例如，可以借助適合高速5G的增強(qiáng)現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）技術(shù)進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練；通過5G提供的高質(zhì)量視頻通信加強(qiáng)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)；通過安全可靠的5G幫助機(jī)器人進(jìn)行醫(yī)療實踐；對從5G管理的各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集的海量數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[6]。此外，高速服務(wù)交付對醫(yī)療行業(yè)至關(guān)重要，因為即使幾秒鐘也可以挽救生命，而5G可以為智慧醫(yī)療提供速率上的保障。

4.4 賦能自動駕駛和智慧城市

考慮到智慧城市的發(fā)展，5G可以通過實現(xiàn)各種交通物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（包括監(jiān)控攝像頭和交通燈傳感器）之間的高效連接來加強(qiáng)交通管理，還可以通過有效監(jiān)測能源消耗和確定節(jié)約資源的方法來提高城市的能源效率[7]。在不久的將來，5G也將有助于將無人駕駛汽車連接到所有交通物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，創(chuàng)造一個智能交通環(huán)境。另外，在城市實施5G的另一種方式是空氣監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)空氣污染超過安全限值時，該系統(tǒng)會進(jìn)行預(yù)警通知。

4.5 高效智能家居管理

除了企業(yè)使用之外，5G物聯(lián)網(wǎng)正變得越來越普遍，以滿足消費(fèi)者的需求，如連接智能家庭設(shè)備。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能以及大數(shù)據(jù)技術(shù)，5G可以高效地收集和處理從家庭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中收集的所有數(shù)據(jù)，從而深入了解高效的家庭管理。此外，5G還負(fù)責(zé)提供高清視頻，實現(xiàn)沉浸式電視和游戲體驗以及高質(zhì)量的視頻會議。物聯(lián)網(wǎng)家庭設(shè)備有了5G的加持，消費(fèi)者可以充分發(fā)揮其潛力。

5 結(jié) 論

5G和物聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展、互相促進(jìn)是必然的趨勢與歷程，5G為智慧工業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療、智慧城市以及智慧家居呈現(xiàn)提供了技術(shù)支撐，能夠幫助許多尚處于理論或示范階段的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)得以實現(xiàn)和進(jìn)一步推廣。未來是物聯(lián)網(wǎng)的時代，而5G網(wǎng)絡(luò)使萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)交互成為可能，使物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景更加廣闊明朗。