基于5G的物聯(lián)網(wǎng)應用發(fā)展

1 引言

隨著5G（第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)，5th Generation Wireless Systems）通信時代的到來，最直觀就是給移動用戶帶來了更快的數(shù)據(jù)傳輸體驗，其高速率、大容量和低時延的網(wǎng)絡(luò)特點將進一步推動社會信息化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化地快速發(fā)展[1]。物聯(lián)網(wǎng)是信息產(chǎn)業(yè)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要通過在物體中植入一個芯片，利用無線網(wǎng)絡(luò)來獲取物體的信息變化，就能夠?qū)⑻幱诓煌恢玫奈矬w有序的連接在一起，然后通過終端設(shè)備對這些物體進行控制[2]。結(jié)合5G技術(shù)的優(yōu)勢，將物聯(lián)網(wǎng)與其融合，借助5G產(chǎn)業(yè)鏈迅猛發(fā)展的勢頭，深化物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域，牢牢抓住行業(yè)競爭的主動權(quán)。

2 5G發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點

2012年起，歐盟、英國、美國、日本和韓國等陸續(xù)開展5G技術(shù)專題研究，全面開啟5G發(fā)展大門。在“5G商用準備”方面，表現(xiàn)活躍的國家集中在亞太、北美和歐洲[3]。GSM（全球移動通訊系統(tǒng)，Global System for Mobile Communication）在2018年6月“世界移動大會·上海”期間發(fā)布的《5G連接——亞太》作了定量預測：預計到2025年，亞太有21個國家實現(xiàn)5G商用，全球所有的5G連接（不含蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接）中，54%將集中于亞太地區(qū)。韓國計劃2019年3月全國范圍推出5G商用服務；日本、歐盟均計劃于2020年正式推出5G商用服務；美國AT&T在2018年推出毫米波5G固定無線接入商用服務[4]。

我國自2013年2月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學技部成立了“IMT-2020（5G）推進組以來，頒布了一系列相關(guān)的政策和規(guī)劃路線，旨在大力推進5G關(guān)鍵技術(shù)研究，同時還制定了相關(guān)統(tǒng)一標準，促進5G產(chǎn)業(yè)鏈全面發(fā)展。目前，國內(nèi)在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、基站系統(tǒng)和終端設(shè)備方面都有較為成熟的設(shè)備廠商，相關(guān)高校也在為5G技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦，組建專業(yè)團隊積極開展研究，這些都為2020年計劃的5G大規(guī)模商用奠定了堅實基礎(chǔ)。

5G需滿足增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器通信（mMTC）3個場景的應用，因此在速率、流量密度、連接數(shù)、時延和可靠性方面均有較大的突破。5G技術(shù)的創(chuàng)新主要來源于無線接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)兩方面[5]。

5G無線接入關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）大規(guī)模天線陣列（MassiveMIMO）：增加天線端口數(shù)，提升相頻下的用戶數(shù)，支持更多用戶在同一時間內(nèi)進行傳輸，3D-MIMO技術(shù)可同時實現(xiàn)水平和垂直方向上的MIMO（多輸入多輸出系統(tǒng)，Multiple-Input Multiple-Output）。

（2）超密級組網(wǎng)（UDN）：通過增加單位面積內(nèi)小基站密度，形成超密集組網(wǎng)，滿足大容量場景的網(wǎng)絡(luò)需求，實現(xiàn)易部署、易維護、用戶體驗輕快的輕型網(wǎng)絡(luò)。

（3）全頻譜接入：增加6 GHz以上的高頻段，形成高低頻混合組網(wǎng)，將6 GHz以下低頻段用于無縫覆蓋，6 GHz以上高頻段用于熱點區(qū)域速率提升。

（4）新型多址：該技術(shù)可將下行吞吐量提升86%，用戶連接數(shù)提升3倍，目前主要有華為提出的基于多維調(diào)制和稀疏碼擴頻的稀疏碼分多址技術(shù)SCMA、中興提出的基于復數(shù)多元碼及增強疊加編碼的多用戶共享接入技術(shù)PDMA和大唐提出的基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址技術(shù)MUSA。

（5）新型多載波：可靈活配置的子載波長度，提高頻譜效率，目前主要由華為提出的靈活自適應的空口波形技術(shù)F-OFDM，中興提出的一種適合5G的新型多載波技術(shù)FB-OFDM和上海貝爾提出的5G新型多載波技術(shù)UFOFDM。

（6）終端直連：終端間直接通信，減輕基站負擔，減小通信時延。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)切片：VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，Virtual Private Network）是網(wǎng)絡(luò)切片的基本版本，SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)，Software De fi ned Network）通過對流量的頂層設(shè)計，實現(xiàn)5G復雜場景下的網(wǎng)絡(luò)側(cè)的整體接入性能，基于NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，Network Function Virtualization）按需編排網(wǎng)絡(luò)資源，滿足端到端的業(yè)務體驗和高效的網(wǎng)絡(luò)運營需求。

（2）邊緣計算MEC：通過本地計算、存儲以快速響應和傳輸信息，降低業(yè)務時延，實現(xiàn)業(yè)務本地化，減輕遠程傳輸壓力。

（3）網(wǎng)絡(luò)能力開放：開放調(diào)用菜單，方便第三方運營及發(fā)展大數(shù)據(jù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點

全球物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)、標準、應用、服務還處于起步階段，物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)正深入發(fā)展，標準體系加快構(gòu)建，產(chǎn)業(yè)體系處于持續(xù)建立和完善過程中[6]。世界各國紛紛出臺政策進行戰(zhàn)略布局，搶抓新一輪信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展先機。美國以物聯(lián)網(wǎng)應用為核心的“智慧地球”計劃、歐盟的十四點行動計劃、日本的“U－Japan計劃”、韓國的“IT839戰(zhàn)略”和“u－Korea”戰(zhàn)略、新加坡的“下一代IHub”計劃等都將物聯(lián)網(wǎng)作為當前發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標。近年來，我國在國家政策地大力扶持和業(yè)內(nèi)企業(yè)地不斷努力下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)保持良好的發(fā)展勢頭，關(guān)鍵技術(shù)突破取得重大進展，標準體系構(gòu)建不斷完善、產(chǎn)業(yè)鏈全面發(fā)展、市場化應用穩(wěn)步推進。未來十年全球物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)大規(guī)模普及，年均復合增速將保持在20%左右，到2023年全球物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模預計達到2.8萬億美元左右。《2018-2023年中國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)細分市場需求與投資機會分析報告》初步估算，2017年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量達到84億，比2016年的64億增長31%，2020年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達到 204億[7]。

按照物聯(lián)網(wǎng)對信息的感知、數(shù)據(jù)的傳輸、處理過程可將其劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層。三層結(jié)構(gòu)相互合作、協(xié)同完成真正意義的“萬物相聯(lián)”[8]。物聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)如下：

（1）感知層：作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，由各種傳感器和終端構(gòu)成，主要實現(xiàn)信息的采集，捕獲和識別。目前感知層的技術(shù)主要包括RFID技術(shù)（射頻識別技術(shù)，Radio Frequency IDenti fi cation），MEMS技術(shù)（微機電系統(tǒng)，Micro-Electro-Mechanical Systems），GPS技術(shù)（全球定位系統(tǒng)，Global Position System），自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，短距離通信技術(shù)等。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸和處理層，它包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。信息由感知層獲取后，網(wǎng)絡(luò)層解決其在整個網(wǎng)絡(luò)中的長距離傳輸問題，網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)有長距離有線和無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

（3）應用層：用于支撐平臺和應用服務，將物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢與行業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營、信息化管理、組織調(diào)度結(jié)合起來，形成各類物聯(lián)網(wǎng)解決方案，構(gòu)建智能化的行業(yè)應用。

物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)的應用不斷深化，關(guān)鍵技術(shù)研究也日益成熟，其核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和云計算技術(shù)[9]。

（1）RFID技術(shù)：RFID技術(shù)是以射頻信號為基礎(chǔ)自動識別出目標對象并獲取相應數(shù)據(jù)，識別過程不用人工干涉，能識別出高速運動物體，能同時識別出多個標簽，操作起來方便快捷，各種惡劣工作環(huán)境都適用。RFID技術(shù)涵蓋了無線通信技術(shù)、天線技術(shù)、信息安全技術(shù)、芯片技術(shù)等多種技術(shù)。

（2）傳感器技術(shù)：利用光電、熱電及電容電阻等相關(guān)原理，感知速度、加速度，壓力、溫度濕度等。隨著材料科學的發(fā)展，各種多功能新材料在傳感器制造方面應用，使該技術(shù)正朝著多功能化、智能化、耗能少，成本低及環(huán)境友好等方向發(fā)展。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)給物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸提供途徑，主要分為近距離通信技術(shù)與廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，就近距離通信技術(shù)而言，目前的主流技術(shù)以IEEE802.15.4為代表；就廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)而言，具有代表性的就是衛(wèi)星通信技術(shù)、IP互聯(lián)網(wǎng)、移動2G/3G/4G/5G技術(shù)等，迅速發(fā)展的5G網(wǎng)絡(luò)能夠解決物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式增長的井噴問題。

（4）人工智能技術(shù)：計算機模擬人的某些思維過程和智能行為(如學習、推理、思考和規(guī)劃等)的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的人工智能技術(shù)主要將物品“講話”的內(nèi)容進行分析，實現(xiàn)計算機自動處理。

（5）云計算技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)中終端的計算和存儲能力有限，云計算平臺可以作為物聯(lián)網(wǎng)的大腦，實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的存儲和計算。物聯(lián)網(wǎng)感知層獲取的信息以可通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸至一個標準的平臺，利用云計算技術(shù)對這些數(shù)據(jù)信息進行分析和處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成終端用戶需要的信息。

4 5G與物聯(lián)網(wǎng)的融合

5G技術(shù)帶來了更快的數(shù)據(jù)傳輸，成為未來網(wǎng)絡(luò)需求的主要技術(shù)，其拓展了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_，在一定程度上加快了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展的步伐。基于5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)具有快速性、便捷性和經(jīng)濟性的特點[10]。

（1）快速性：基于5G的物聯(lián)網(wǎng)能夠克服以前網(wǎng)絡(luò)層在數(shù)據(jù)量龐大時處理能力不足的缺陷，由于5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)越性，所形成的天線陣列能夠很大程度滿足大量設(shè)備在其中應用，在這一陣列下，D2D技術(shù)（從出發(fā)地到目的地一站直通服務鏈，Departure to Destination one-stop service）也可以在近距離下直接連接，使數(shù)據(jù)傳輸速率大大加快。

（2）便捷性：5G網(wǎng)絡(luò)的部署與優(yōu)化可以利用現(xiàn)有的布線規(guī)劃，不需要大規(guī)模拆毀改造，實施過程相對便捷。并且5G通信網(wǎng)絡(luò)通過毫米波進行通信，能夠減小通信設(shè)備的體積，促進通信設(shè)備向小型化、便捷化發(fā)展，使得設(shè)備間的信息交換更加方便快捷。

（3）經(jīng)濟性：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以借助5G網(wǎng)絡(luò)直接與5G手機連接，通過5G基站提高信息的實時交互能力。通過5G技術(shù)，很多路由器、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以省去，極大地減少了網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備的成本。

5G網(wǎng)絡(luò)大容量、高速率和低時延的優(yōu)勢解決了網(wǎng)絡(luò)堵塞、網(wǎng)絡(luò)延遲的問題，使得物聯(lián)網(wǎng)感知層的數(shù)據(jù)信息能夠及時傳輸?shù)綉脤?。此外?G網(wǎng)絡(luò)在安全架構(gòu)方面沿用了4G（第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)，4th Generation Wireless Systems）的架構(gòu)，同時增加了非3GPP（第三代合作伙伴計劃，3rd Generation Partnership Project）接入、切片和虛擬網(wǎng)元等安全實體，再加上無線空口安全、網(wǎng)絡(luò)域安全等一系列完善的安全防護架構(gòu)與機制地應用，為物聯(lián)網(wǎng)應用提供了良好的安全保護[11]。因為5G網(wǎng)絡(luò)對當前網(wǎng)絡(luò)布局改造較小，所以物聯(lián)網(wǎng)通過5G技術(shù)實現(xiàn)能夠避免對現(xiàn)有建筑造成破壞。并且5G通信網(wǎng)絡(luò)支持的智能設(shè)備數(shù)量及種類相比4G大幅增加，奠定了物聯(lián)網(wǎng)應用良好的基礎(chǔ)環(huán)境。

5 5G技術(shù)下的物聯(lián)網(wǎng)應用

5.1 軍用領(lǐng)域

軍事物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)人與信息化武器裝備和作戰(zhàn)系統(tǒng)最佳結(jié)合的重要手段，被譽為“一座尚未開采的軍事富礦”[12]。美軍最先建立軍事物聯(lián)網(wǎng)，先后部署了收集戰(zhàn)場信息的“智能微塵”系統(tǒng)、遠程監(jiān)視戰(zhàn)場環(huán)境的“倫巴斯”系統(tǒng)、偵聽武器平臺運動的“沙地直線”系統(tǒng)以及專門偵收電磁信號的“狼群”系統(tǒng)等。繼美國之后，日本、英國、意大利等國也紛紛展開軍事物聯(lián)網(wǎng)的研究，我國針對軍隊這個特殊部門，結(jié)合國防和軍隊信息化建設(shè)的實際需求，采用軍民共建的方式，選擇相關(guān)項目現(xiàn)行試點，再傘面推廣。目前，各國比較成熟的物聯(lián)網(wǎng)軍事應用是軍事物流系統(tǒng)，其利用RFID標簽標識物資信息，應用射頻讀寫器獲取標簽上的信息后傳輸給計算機，使得信息中心能夠精確掌握物資流通信息，讓軍事物資供應透明化，提高后勤保障能力。

5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)融合為戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)提供了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)范，統(tǒng)一的信息傳輸格式，解決了以前軍事物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通存在的障礙。5G的高速率、大容量還解決了軍事物聯(lián)網(wǎng)連接終端眾多、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、傳輸信息量大、種類多的問題，提高戰(zhàn)場信息提取及傳輸?shù)膶崟r性，可應用于預警偵察信息、指揮控制信息、武器裝備性能及維護保養(yǎng)信息等場景。另外，5G網(wǎng)絡(luò)安全性設(shè)計增加了軍事物聯(lián)網(wǎng)鏈路傳輸?shù)目煽啃员Ｕ?，避免鏈路失效的發(fā)生。

5.2 民用領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)可應用日常生活、智能交通、智能醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)和工業(yè)制造等方面[13]。

智慧家庭是最早被提出的物聯(lián)網(wǎng)應用場景，家庭中所有物品都被裝上電子標簽通過管理系統(tǒng)聯(lián)系在一起，家庭成員可以隨時掌握任意物品的狀況。水表、電表、煤氣表等也可以聯(lián)接到管理系統(tǒng)中，通過遠程查詢傳遞和處理信息。家庭內(nèi)部的物品可以通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接入管理系統(tǒng)，與手機、汽車等聯(lián)接的物品需要通過移動互聯(lián)網(wǎng)接入管理系統(tǒng)。智慧社區(qū)包括智慧物業(yè)管理、智慧養(yǎng)老服務等，可利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)防火防盜系統(tǒng)、停車管理和公共設(shè)施管理，確保信息交互的實時性；同時，對社區(qū)老人的生活狀態(tài)和健康情況進行遠程監(jiān)控，及時對其提供需要的服務，特別適合獨居或孤寡老人。物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市的應用主要體現(xiàn)在空氣質(zhì)量監(jiān)控、飲水質(zhì)量監(jiān)測、市政設(shè)施管理等方面。

物聯(lián)網(wǎng)汽車、車聯(lián)網(wǎng)、智慧汽車等逐漸興起，為汽車工業(yè)發(fā)展注入新動力。夏季車主可以在進入停車場前通過手機啟動汽車空調(diào)；車輛停放后，車輛監(jiān)控設(shè)備可以實時記錄車輛周邊情況，發(fā)現(xiàn)偷竊行為系統(tǒng)會自動通過短信或撥打手機向車主報警；汽車芯片感應防盜系統(tǒng)可以正確識別車主，在車主接近或遠離車輛時自動打開或關(guān)閉車鎖；售后服務商可以監(jiān)測車輛運行狀況，對故障進行遠程診斷；Car-2-Car通信技術(shù)可以使車輛之間保持一定的安全距離，避免對撞或追尾事故。

智能醫(yī)療通過傳感器對人的生理狀態(tài)（如心跳頻率、體力消耗、血壓高低等）進行監(jiān)測，主要利用醫(yī)療可穿戴設(shè)備獲取生理信息，記錄到電子健康文件中，可供個人或醫(yī)生查閱。另外，通過醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)還能對醫(yī)療設(shè)備、物品進行監(jiān)控與管理，實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備用品可視化。

智慧農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的信息感知、精準管理和智能控制，這種全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化診斷、遠程控制以及災害預警等功能。農(nóng)業(yè)種植通過傳感器、攝像頭和衛(wèi)星等收集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)農(nóng)作物數(shù)字化和機械裝備數(shù)字化。畜牧養(yǎng)殖利用傳統(tǒng)的耳標、可穿戴設(shè)備以及攝像頭等收集畜禽產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進行分析，運用算法判斷畜禽產(chǎn)品健康狀況、喂養(yǎng)情況、位置信息以及發(fā)情期預測等。

物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)制造方面應用于制造業(yè)供應鏈管理、生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化、產(chǎn)品設(shè)備監(jiān)控管理、環(huán)保監(jiān)測能源管理及工業(yè)安全生產(chǎn)管理，目前比較成熟的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有倉儲物流信息系統(tǒng)、安全生產(chǎn)監(jiān)管監(jiān)察系統(tǒng)等。

5G技術(shù)主要為物聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸業(yè)務帶來高速率、高可靠的保證，廣泛拓展了物聯(lián)網(wǎng)在生活中的應用場景，增加了用戶對物聯(lián)網(wǎng)應用的友好體驗。

6 結(jié)束語

5G技術(shù)的不斷成熟促進了物聯(lián)網(wǎng)的全面發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)能夠為物聯(lián)網(wǎng)應用提供實時性和安全性保障。5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的有機融合使物聯(lián)網(wǎng)應用真正深入到各行各業(yè)，成為創(chuàng)造智能信息時代的重要基石。