5G通信技術(shù)及其在物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下的應(yīng)用

秦希堯

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代基礎(chǔ)通信技術(shù)不斷地更新迭代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)的逐漸結(jié)合成為了通信行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。作為萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代關(guān)鍵技術(shù)的5G通信技術(shù)的進(jìn)步與延伸促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的深化發(fā)展，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也對(duì)通信技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。本文從物聯(lián)網(wǎng)與5G通信技術(shù)的關(guān)系切入，介紹了5G移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵部分與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理，重點(diǎn)研究了5G通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下的應(yīng)用方式，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：5G;移動(dòng)通信技術(shù);應(yīng)用;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0037-02

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)在短短幾十年間得到了飛躍，4G通信技術(shù)已然發(fā)展到極限，其標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，容量不夠大的缺陷也日益突出，更為高速且容量更大的5G通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)。與4G通信技術(shù)相比，5G的低延遲、高可靠性、多連通性也是使現(xiàn)今的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)更高效、可靠和安全的重要特性。5G通信技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)使物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生新的突破，從而給予用戶(hù)更好的使用體驗(yàn)。

1 5G通信技術(shù)概述

5G通信是預(yù)計(jì)于2020年投入商用的第五代移動(dòng)通信技術(shù)，對(duì)于4G來(lái)說(shuō)，5G通信技術(shù)擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的網(wǎng)絡(luò)延遲、更大的數(shù)據(jù)吞吐量。通過(guò)小范圍的天線(xiàn)陣列與波束成形的技術(shù)，5G通信技術(shù)的最低傳輸速率都可達(dá)1GMbps，并且網(wǎng)絡(luò)延遲進(jìn)一步縮短到5～10ms，理想條件下甚至可以達(dá)到1ms。與4G通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)的數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)4G的1000倍。5G移動(dòng)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將不僅僅極大的提高用戶(hù)的使用體驗(yàn)，也將進(jìn)一步拓展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面。

以下對(duì)5G通信技術(shù)的關(guān)鍵部分進(jìn)行概述：

1.1 高頻段傳輸技術(shù)

3GHz以?xún)?nèi)的頻段對(duì)于目前使用的第二、三、四代移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，基本能夠滿(mǎn)足其所要求達(dá)到的使用需求，當(dāng)遇到突發(fā)情況連接設(shè)備數(shù)量驟增時(shí)，頻譜資源就不能夠滿(mǎn)足設(shè)備需求，將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接速度驟降，甚至無(wú)法連接，嚴(yán)重降低了用戶(hù)的使用體驗(yàn)。于此同時(shí)，毫米波頻段的帶寬高達(dá)284.7GHz，已經(jīng)達(dá)到了微波帶寬的12倍，頻譜的增加顯著提高了設(shè)備的可連接性。由于頻率的提高，天線(xiàn)尺寸可以相應(yīng)縮小，有效地減小了5G通信設(shè)備的體積，并同時(shí)提供短距離超高速通信，5G通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 多天線(xiàn)傳輸技術(shù)

天線(xiàn)是電磁波傳送的重要部件之一，天線(xiàn)的數(shù)量對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度及傳輸速率有很大的影響，多根天線(xiàn)發(fā)送、多根天線(xiàn)接收的多進(jìn)多出技術(shù)在4G的LTE時(shí)代就已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，但此階段天線(xiàn)數(shù)量并不算多，到5G時(shí)代，天線(xiàn)數(shù)量已經(jīng)開(kāi)始按“陣”來(lái)計(jì)算了，這也是5G通信技術(shù)的重要研究方向之一。

1.3 SDN/NFV技術(shù)

多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在單一的物理設(shè)施之上的技術(shù)叫做網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。其中網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）通常運(yùn)行在專(zhuān)有硬件的虛擬機(jī)中，并提供防火墻、負(fù)載均衡及路由等功能;軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）則不需要硬件組件就可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行管理，依靠網(wǎng)絡(luò)中的策略通過(guò)中央控制平面的應(yīng)用程序編程接口來(lái)工作。這些技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建和劃分不同的業(yè)務(wù)，使得運(yùn)營(yíng)商可以為這些業(yè)務(wù)提供最好的支持。

1.4 密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

電磁波頻率的提高意味著其穿透能力的顯著下降，為了大幅度地提高移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的容量，滿(mǎn)足5G通信時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)流量和網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)兩種方式來(lái)達(dá)成目標(biāo)。一種是擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，這種方式通過(guò)依靠施工人員布置密集的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn);另一種是增加室外信號(hào)接收強(qiáng)度，這種方式以在宏基站處布置大規(guī)模天線(xiàn)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。這兩種方式都是5G通信網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的建設(shè)方向。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)又可稱(chēng)為傳感器網(wǎng)絡(luò)，是在物與物之間建立的一種基于信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合而成的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著時(shí)代的發(fā)展，人與人、人與物、物與物之間的信息交互需求越來(lái)越旺盛，物聯(lián)網(wǎng)逐漸融入到人們的生活，并成為不可或缺的一部分。得益于人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已不再僅僅局限于智能家居及電子商務(wù)。

從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)今的發(fā)展情況來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)終端設(shè)備的控制和管理主要依賴(lài)于傳感技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等，其核心標(biāo)準(zhǔn)有SigFox、NB-IoT、eMTC、LoRa等，其中基于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的方案是NB-IoT、eMTC，在這些軟件基礎(chǔ)上，通過(guò)將芯片植入到對(duì)象中，利用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的傳輸方式，依托于各種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和先進(jìn)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，將不同位置或空間的連接對(duì)象連接起來(lái)，再利用終端設(shè)備進(jìn)行控制。

物聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)其信息處理及響應(yīng)過(guò)程可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分。感知層主要由各類(lèi)傳感器及終端構(gòu)成，這些部件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和采集，隨后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，通過(guò)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等手段安全可靠地將數(shù)據(jù)傳遞到應(yīng)用層。應(yīng)用層的功能是對(duì)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最終目的是通過(guò)為設(shè)備的控制提供決策數(shù)據(jù)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)。

3 5G通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并不是完全基于5G通信技術(shù)得以發(fā)展的，早在3G、4G時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)就已經(jīng)開(kāi)始得到了簡(jiǎn)單的應(yīng)用。對(duì)于5G通信技術(shù)來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也只是其應(yīng)用的某一個(gè)領(lǐng)域。5G通信技術(shù)自從其標(biāo)準(zhǔn)誕生以來(lái)就以滿(mǎn)足各種復(fù)雜場(chǎng)景下海量連接、超高速率、超低延時(shí)的要求為目標(biāo)，隨著5G通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的逐步結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將逐步從其當(dāng)前的小范圍、少終端、低速度、低復(fù)雜度向高速度、廣泛在、低功耗、低時(shí)延、萬(wàn)物互聯(lián)的智慧家庭、智慧城市發(fā)展。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)智能家庭應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的智能家庭應(yīng)用在4G時(shí)代已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但這個(gè)階段的物聯(lián)網(wǎng)主要是基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)并提供服務(wù)的，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求并不高，對(duì)數(shù)據(jù)的處理及分析也相對(duì)而言較為簡(jiǎn)單和粗略，穩(wěn)定性也還存在著一定的問(wèn)題，這部分的應(yīng)用及發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)：

3.1.1 家用電器管理

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們可以對(duì)家庭中的電器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，例如空調(diào)、電視機(jī)、電飯煲的遠(yuǎn)程啟停，電冰箱的溫度調(diào)節(jié)，燈光，窗簾的開(kāi)合，甚至可以對(duì)門(mén)鎖進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以方便授權(quán)訪客的隨時(shí)造訪，也可以通過(guò)攝像頭對(duì)寵物、孩童進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已悄然融入到人們的日常生活中。這些都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，但也已經(jīng)給人們的生活提供了很大的便利。

3.1.2 智慧生活

以上部分對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層要求相對(duì)較低，也僅僅是提供了遠(yuǎn)程控制的功能，與智能家居、智慧生活還有很大的差距。隨著5G通信技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展、家庭網(wǎng)絡(luò)帶寬的飛速增加，我們已經(jīng)可以逐步做到即時(shí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并反向控制。例如通過(guò)溫濕度傳感器回傳的數(shù)據(jù)對(duì)空調(diào)溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)加濕器、空氣凈化器進(jìn)行自動(dòng)化控制，以及根據(jù)主人的即時(shí)位置啟停燈光、音樂(lè)、廚房設(shè)備，以及根據(jù)睡眠狀態(tài)的分析對(duì)窗簾和鬧鐘進(jìn)行管理。以后的智慧生活，不再是人對(duì)設(shè)備進(jìn)行單方面的控制，而是設(shè)備與人的雙向溝通與交流。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)的智能城市應(yīng)用

隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，Wi-Fi及有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的地理局限性很明顯地暴露出來(lái)，與此同時(shí)，5G通信技術(shù)可以保證在高移動(dòng)性下仍然提供穩(wěn)定的連接和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這一特性對(duì)于智能城市的打造至關(guān)重要。

3.2.1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著AI技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛已經(jīng)開(kāi)始走入人們的生活，最有代表性的當(dāng)屬特斯拉的自動(dòng)駕駛功能，與人員駕駛相比，這一功能已經(jīng)極大地降低了駕駛難度，提高了乘坐體驗(yàn)及安全性，但由于本地控制的局限性，這一功能還不能完全離開(kāi)司機(jī)的掌控。

而5G通信技術(shù)的極低時(shí)延、超高可靠性及大帶寬的特性可以有效解決車(chē)輛遇到復(fù)雜問(wèn)題時(shí)的控制問(wèn)題。無(wú)論是基于5G通信技術(shù)的遠(yuǎn)程駕駛還是自動(dòng)駕駛方案，都可以將具有相應(yīng)模塊車(chē)輛的感知、決策及控制轉(zhuǎn)移到云端或者遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上。隨著5G通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與智能城市的發(fā)展，依賴(lài)于云計(jì)算能力的發(fā)展，所有對(duì)車(chē)輛的監(jiān)控、調(diào)度、管理及控制都可以在城市的調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)，車(chē)輛與遠(yuǎn)程終端指令、信息交互的時(shí)延小于10ms，系統(tǒng)接收和執(zhí)行指令的速度已完全超越人類(lèi)的極限。

3.2.2 遠(yuǎn)程醫(yī)療

對(duì)于我國(guó)人口、專(zhuān)家資源分布極不平衡的現(xiàn)狀而言，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用迫在眉睫。在過(guò)去的5年，越來(lái)越多的醫(yī)療設(shè)備開(kāi)始使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，醫(yī)療行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始采用可穿戴和便攜式設(shè)備進(jìn)行醫(yī)學(xué)活動(dòng)，并結(jié)合了遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程預(yù)料監(jiān)控等方案。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)已經(jīng)有了很大的突破，但仍然存在一些嚴(yán)重缺陷。例如信號(hào)連接的穩(wěn)定性直接影響診療過(guò)程的連續(xù)性，信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延會(huì)妨礙到醫(yī)療器械的力反饋功能的即時(shí)性。

在5G通信技術(shù)的幫助下，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具備了更高的QoS保障特性和低于10ms的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以及更大的數(shù)據(jù)傳輸速率。高分辨率和極低延遲的視頻可以使醫(yī)生即時(shí)對(duì)病人的病情進(jìn)行判斷，高精度的力反饋也可以幫助醫(yī)生在使用遠(yuǎn)程醫(yī)療器械時(shí)精準(zhǔn)進(jìn)行操作，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)也使得遠(yuǎn)程手術(shù)不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)問(wèn)題發(fā)生中斷。

3.2.3 智慧城市

在5G全面覆蓋的前提下，物聯(lián)網(wǎng)的城市級(jí)應(yīng)用主要涉及交通管理、消防應(yīng)急方面?；诙藢?duì)端的5G網(wǎng)絡(luò)和終端基礎(chǔ)上，無(wú)人機(jī)的操控距離將擺脫地理位置的限制，無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)完成視頻的采集并傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)，依據(jù)定位及傳感技術(shù)，通過(guò)消防應(yīng)急中心與車(chē)聯(lián)網(wǎng)調(diào)度中心聯(lián)動(dòng)對(duì)交通狀況和最佳路線(xiàn)的分析和規(guī)劃，火災(zāi)、水災(zāi)及病患的急救將不受交通狀況的影響，極大程度上保障了市民的人身及財(cái)產(chǎn)安全。未來(lái)的智慧城市中，人工智能與遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，技術(shù)含量低、重復(fù)度高、危險(xiǎn)系數(shù)較高的工作將由各類(lèi)機(jī)器人承擔(dān)，這些都與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展息息相關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

萬(wàn)物互聯(lián)是智能互聯(lián)網(wǎng)的必然發(fā)展方向，物聯(lián)網(wǎng)的即時(shí)智能感應(yīng)能力建立在高速度、廣泛在、低功耗、低時(shí)延的移動(dòng)通信技術(shù)之上。5G通信技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)通信技術(shù)日益增加的需求也在不斷促進(jìn)著移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)步，隨著5G通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也將愈加規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1] 魯峰.5G通信技術(shù)發(fā)展視域下物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展問(wèn)題研究[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（4）：49.

[2] 吳樂(lè)樂(lè).關(guān)于5G移動(dòng)通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究[J].通訊世界，2019，26（08）：157-158.

[3] 李永超.基于5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].中國(guó)新通信，2019，21（15）：96-97.

[4] 蔣硯雅.物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下的5G通信技術(shù)應(yīng)用[J].智庫(kù)時(shí)代，2019（37）：243-244.

[5] 孫儼.物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下的5G通信技術(shù)研究[J].中國(guó)新通信，2017，19（14）：43-44.