5G關(guān)鍵技術(shù)及在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景

嚴(yán)蕾

摘 要 介紹了第五代移動通信系統(tǒng)（5G）的7個關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模MIMO技術(shù)、基于濾波器組的多載波技術(shù)、全雙工技術(shù)、超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。指出這7項技術(shù)將重點解決無線傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)的問題，將支撐物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的環(huán)境監(jiān)測和精細(xì)化控制，都應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)。5G時代的到來必然革新精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的未來。

關(guān)鍵詞 5G ；通信 ；關(guān)鍵技術(shù) ；物聯(lián)網(wǎng) ；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

中圖分類號 O456

Abstract 5G （5th generation mobile networks） is the latest generation of mobile communication system. This paper demonstrates seven key technologies in 5G-large scale MIMO technology， multi-carrier technology based on filter sets， full duplex technology， ultra-dense network technology， self-organizing network technology， software defined network technology， and content delivery network technology. These seven technologies are important in solving old issues in wireless transmission and network. 5G technology can support fast growth of the Internet of things， which have already been applied in agriculture. The Internet of things is playing a role in environmental monitoring and precision control. The latest 5G technology would bring innovations to precision agriculture.

Key words 5G ；communication ；key technology ；Internet of things ；precision agriculture

5G是繼第4代移動通信系統(tǒng)（4G）之后的新一代移動通信系統(tǒng)，預(yù)計2020年將投入商用。5G將擁有比4G更高的頻譜利用率和傳輸速度，能滿足未來十年信息海量傳輸、機(jī)器間通信、網(wǎng)絡(luò)智能化等要求[1]。

物聯(lián)網(wǎng)是使用信息傳感設(shè)備，把物品和互聯(lián)網(wǎng)相互連接，進(jìn)行信息交互和通信，以實現(xiàn)識別、跟蹤、定位、監(jiān)控、管理的一種網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合之后，可以實現(xiàn)高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、安全等目標(biāo)，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[2]。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是由信息技術(shù)支持的，根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)[2]，目前3G技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用其中，4G技術(shù)正在逐步推進(jìn)，預(yù)計5G時代的到來將會給這個產(chǎn)業(yè)帶來翻天覆地的變化。

1 5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)

近3年，5G已成為通信業(yè)界的研究重點。自2013年初歐盟啟動METIS項目起，各國紛紛加入了對5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。據(jù)信，5G業(yè)務(wù)能力的提升主要將表現(xiàn)在3個方面：①資源利用率可以比4G網(wǎng)絡(luò)提高10倍以上；②系統(tǒng)吞吐量可提高25倍；③頻譜資源將被擴(kuò)展為原來的4倍[1]。5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有7項。

1.1 大規(guī)模天線陣列

多入多出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)可以提高信息傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的頻譜效率，而天線數(shù)量越多，對性能的提升越顯著，因此，大家開始關(guān)注大規(guī)模MIMO技術(shù)。大規(guī)模MIMO技術(shù)可分為集中式和分布式2種，中國在分布式MIMO技術(shù)的研究中一直處于國際領(lǐng)先水平。由于大規(guī)模MIMO技術(shù)的空間分辨率大大增強(qiáng)，可以大幅度降低干擾，并且可以大大降低發(fā)射功率，因此在5G系統(tǒng)的研發(fā)中被廣泛關(guān)注。

面向5G的大規(guī)模天線陣列主要指位于基站的天線系統(tǒng)，它的頻譜可能是毫米波，而毫米波技術(shù)能使設(shè)備易于集成，這就為MIMO天線系統(tǒng)同時選用3種應(yīng)用模式提供了保證，即讓5G系統(tǒng)中MIMO天線系統(tǒng)的波束賦形、空間分集和空間復(fù)用同時實現(xiàn)成為可能。波束賦形是對于天線陣列的信號預(yù)處理，通過調(diào)整參數(shù)產(chǎn)生定向波束，從而獲得高傳輸可靠性?？臻g分集是用多根天線接受和處理同一個信號，再進(jìn)行合并，這種模式可以大大提高傳輸?shù)目煽啃??？臻g復(fù)用是在不同天線上重復(fù)利用同一頻段，可以顯著地提高無線傳輸?shù)娜萘亢皖l譜利用率[3]。

1.2 基于濾波器組的多載波技術(shù)

由于正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)無法實現(xiàn)對暫未被使用的閑散頻譜資源靈活有效的利用，基于濾波器組的多載波實現(xiàn)方案被越來越多的人考慮。這種技術(shù)已經(jīng)在中國的3G試驗系統(tǒng)中被使用過，并且現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在通信信號處理、圖像處理、雷達(dá)信號處理等領(lǐng)域。在濾波器組多載波（FBMC，F(xiàn)ilter Bank Multi-Carrier）技術(shù)中，各子載波之間不再需要正交和同步，也不用插入循環(huán)前綴，實現(xiàn)復(fù)雜度低，使用起來比OFDM技術(shù)更靈活。

廣義頻分復(fù)用（GFDM，Generalized Frequency Division Multiplexing）雖然需要插入循環(huán)前綴，但不要求子載波同步，實現(xiàn)較為簡單，并具有較高的頻譜利用率[4]。

通用濾波多載波（UFMC，Universal Filtered Multi-Carrier）技術(shù)跟FBMC技術(shù)一樣，它不需要有循環(huán)前綴，但設(shè)定了時域保護(hù)前綴，以增加復(fù)雜度為代價，換取子載波無需同步。

以上提到的3種多載波傳輸技術(shù)都是5G技術(shù)重點關(guān)注的備選方案。

1.3 全雙工復(fù)用

全雙工技術(shù)是指收發(fā)雙方可以同時在同一頻率下進(jìn)行相互之間的通信，這種方式可以大大提高頻譜效率和縮短時延。在現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)中，全雙工通信暫時還不能實現(xiàn)，而這正是5G系統(tǒng)需要充分利用并發(fā)掘的重要資源。這項技術(shù)目前面臨的最大難題是收發(fā)信號之間嚴(yán)重的自干擾（大于100 dB）[5]。

想要消除自干擾，必須要充分考慮發(fā)射信號的非線性失真。除此之外，要想避免飽和，就必須考慮接收端模/數(shù)（A/D，Analogue to Digital）轉(zhuǎn)換器的分辨率限制。解決這些問題的方法很多，但針對大量基站和大量終端的情況還沒有進(jìn)行實驗驗證，不知道能否獲得理想性能增益，這將是有待攻破的難關(guān)。

另外，全雙工技術(shù)面臨3個方面的挑戰(zhàn)：①電路板的設(shè)計；②物理層、媒體介入控制層的優(yōu)化設(shè)計；③半雙工和全雙工之間的動態(tài)切換控制面優(yōu)化等優(yōu)化問題[5]。

1.4 超密集網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)中會同時包含宏站和低功率小站，特別是低功率小站，密度將達(dá)到目前的10倍以上，從而形成超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN，Ultra Dense Network）。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點離終端更近了，甚至能夠達(dá)到每個激活的用戶對應(yīng)一個服務(wù)節(jié)點，大大提升了系統(tǒng)容量、提高了通信效率和頻譜效率，但由此帶來的干擾也是有待解決的難題。無線回傳組網(wǎng)技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵，但對于超密集網(wǎng)絡(luò)，無線回傳組網(wǎng)技術(shù)非常復(fù)雜，需要重點研究[6]。

1.5 自組織網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)（SON，Self-Organizing Network）就是網(wǎng)絡(luò)智能化，即在網(wǎng)絡(luò)中引入自組織能力，其中包括自優(yōu)化、自配置、自愈合等能力，從而最大程度地減少人力成本[7]。目前，SON技術(shù)不能支持多網(wǎng)協(xié)同，這將是5G技術(shù)研究的重點。對于5G中將采用的超密集網(wǎng)絡(luò)，需要開發(fā)新的技術(shù)來支持自配置功能，而網(wǎng)絡(luò)的自優(yōu)化也會因為存在多個干擾源變得更困難，回傳網(wǎng)絡(luò)的智能化也需要自組織網(wǎng)絡(luò)的配合。大規(guī)模天線陣列也會帶來一些新的問題，而這些技術(shù)的優(yōu)化也是SON技術(shù)的重要組成部分。

1.6 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN，Software Defined Network），就是將網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)節(jié)點的控制功能從設(shè)備中分離出去，由中心控制器進(jìn)行統(tǒng)一控制，將轉(zhuǎn)發(fā)和控制分開，這樣可以使設(shè)備功能更簡化[8]。目前，由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置和優(yōu)化都非常復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)管理難度很大，SDN技術(shù)有待進(jìn)一步完善。在5G系統(tǒng)中，不同運營商將可以控制同一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基礎(chǔ)設(shè)施也可以實現(xiàn)共享，這將大大降低運營商的成本，也將大大減小網(wǎng)絡(luò)管理的難度。

1.7 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN，Content Distribution Network）通過使用緩存服務(wù)器，根據(jù)用戶的綜合信息將用戶的請求導(dǎo)向離用戶最近的服務(wù)節(jié)點[9]。這樣用戶就可以就近取得所需要的內(nèi)容，從而解決了因為網(wǎng)絡(luò)訪問量大、服務(wù)器重負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的網(wǎng)站響應(yīng)慢、服務(wù)質(zhì)量低等問題。

2 5G在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景

中國自2013年初就開始了對5G移動通信系統(tǒng)的研究，成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組，并相繼發(fā)布了5本白皮書。

2014年5月發(fā)布的《5G愿景與需求》白皮書[10]，描述了5G對未來生活將要帶來的改變，其中物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展將對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)帶來革新。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要用來采集農(nóng)作物生長的環(huán)境監(jiān)測信息，并將這些信息進(jìn)行處理，進(jìn)而制定出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方案[11]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要網(wǎng)絡(luò)支持海量設(shè)備連接和大量小數(shù)據(jù)包頻發(fā)，由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備常常部署在山區(qū)、森林、水域等信號難以到達(dá)的地方，這就需要5G具備更強(qiáng)的覆蓋能力、靈活性、可擴(kuò)展性以及更低的功耗、時延和成本。

2015年2月發(fā)布的《5G概念》白皮書[12]，提出了無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在中國主要應(yīng)用在農(nóng)情監(jiān)測和精細(xì)化控制[11]，這些領(lǐng)域中的場景一般都具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接、強(qiáng)突發(fā)性等特點。對于農(nóng)業(yè)中的低功耗大連接場景，新型多址技術(shù)、新型多載波技術(shù)和終端直接通信（D2D，Device-to-Device）將被應(yīng)用。由于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的終端分布范圍極廣、數(shù)量龐大，這就要求網(wǎng)絡(luò)具備對超千億連接總量、百萬/km2連接數(shù)密度的強(qiáng)大支持能力，還要能夠保證各個終端的超低功耗和成本。

2015年5月IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布了《5G無線技術(shù)架構(gòu)》[13]和《5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)》白皮書[14]?！?G無線技術(shù)架構(gòu)》中提出了5G新空口（包括高頻空口和低頻空口），其中5G低頻新空口工作在6G Hz以下頻段，可以滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中大連接場景的體驗速率、時延、連接數(shù)量、能效等指標(biāo)要求。雖然農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總體數(shù)量龐大，但對流量需求較低，因此可以采用低頻段零散、碎片頻譜或OFDM子載波?！?G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)》中提出了利用簡化的新型連接管理、移動性管理、漫游等，通過優(yōu)化控制協(xié)議來實現(xiàn)低功耗大連接，從而可以避免信令風(fēng)暴、報頭開銷大、處理數(shù)據(jù)效率低等風(fēng)險。對于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可以采用簡化改進(jìn)位置管理相關(guān)協(xié)議減少信令交互。

2016年6月發(fā)布的《5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計》白皮書[15]，提出了新型5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案，提煉了移動邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片、以用戶為中心的無線接入網(wǎng)、按需網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)能力開放等創(chuàng)新技術(shù)[16]。為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中“萬物互聯(lián)”的愿景，5G網(wǎng)絡(luò)將采用這些新技術(shù)。

隨著這些白皮書的發(fā)布，5G的輪廓逐漸清晰，各國共同推進(jìn)5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，將促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的確立和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

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