5G 在物聯(lián)網(wǎng)中的作用和對新技術(shù)的需求

鐘 旻

按照ITU 的時間-路線圖，全球5G 移動通信將于2020年投入商用，但許多國家已急不可耐。據(jù)報道，4月3日，韓國最大的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商SK 電信宣布5G 網(wǎng)絡(luò)正式投入運(yùn)營。緊接著，美國運(yùn)營商Verizon 于次日宣布，它已在芝加哥和明尼阿波利斯部分地區(qū)正式開啟商業(yè)5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。6月6日，中國工信部正式發(fā)放5G 商用牌照，標(biāo)志著我國正式步入5G 時代。人們并不看重誰先拿了這個“第一”，更看重的是要扎扎實(shí)實(shí)，布好局，出好貨，將貨真價實(shí)的產(chǎn)品送到用戶手中，讓用戶實(shí)實(shí)在在體驗到5G 的美妙。

無線移動通信從第一代（1G）到第4代（4G、LTE），其演進(jìn)周期為10年，從4G 到5G，也大約遵循此規(guī)律，如此快速的更新?lián)Q代，反映了人類社會信息化的進(jìn)程。按照唯物辯證法的觀點(diǎn)，量變積累到一定程度，便會產(chǎn)生質(zhì)變。從4G 到5G，我們可以看到這樣的質(zhì)的飛躍。如果說，4G 實(shí)現(xiàn)了在任何地方、任何時間與任何人之間的通信聯(lián)系，5G 則將這種人與人之間“無縫隙”通信延伸到物與物、人與物的智能互聯(lián)，即物聯(lián)網(wǎng)（IoT），這是人類社會信息化達(dá)到的一個新的高峰，是構(gòu)建“智慧地球”的基礎(chǔ)。

1 物聯(lián)網(wǎng)的原理與應(yīng)用[1]

1.1 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的A、B、C

所謂物聯(lián)網(wǎng)，是指利用局域網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)（圖1），實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)完成之日，便是“萬物互聯(lián)”時代的到來。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的三維坐標(biāo)表示

物聯(lián)網(wǎng)是以感知為目的的萬物互聯(lián)系統(tǒng)，涉及網(wǎng)絡(luò)、通信、傳感器、數(shù)據(jù)挖掘等眾多領(lǐng)域。我們用圖2來說明萬物（包括人與物）的互聯(lián)情況。

圖2 萬物互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)[1]

人：在IoT 中，人能通過諸多途徑聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)，目前可利用的工具有手機(jī)、平板電腦、智能電話、互動TV，以及社會網(wǎng)絡(luò)如博客、微信等，隨著互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，還會有更多的連接途徑，如在醫(yī)療保健領(lǐng)域，未來人們吞下一顆藥丸，對其消化道的狀況進(jìn)行檢測后，將檢查結(jié)果通過保密安全的互聯(lián)網(wǎng)，報告某醫(yī)院的醫(yī)生；還可通過可穿戴的傳感器設(shè)備，向?qū)拥倪h(yuǎn)處醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供其生命體征信息。就是說，人將成為互聯(lián)網(wǎng)上的一個節(jié)點(diǎn)，此網(wǎng)絡(luò)具有靜態(tài)信息和時變活動系統(tǒng)信息交互的功能。

數(shù)據(jù)：設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)和流，通過互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)處理中心進(jìn)行分析處理，然后返回機(jī)器、計算機(jī)、手機(jī)等，讓人進(jìn)一步進(jìn)行評估和判決、決策。

物件：這是安裝有傳感器的各種各樣的用戶設(shè)備、產(chǎn)品、器件等能被感知的實(shí)體（也可延伸到虛擬的），包括橋梁、房屋、車輛、家電以及人們的生活日用品等，這些物件被感知出有關(guān)其狀態(tài)、性能等參數(shù)、數(shù)據(jù)，供人掌握，并幫助人和機(jī)器識別和判決。其中，機(jī)器對機(jī)器（M2M）通信的應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。所謂M2M，按定義，它是利用網(wǎng)絡(luò)資源，同遠(yuǎn)地應(yīng)用設(shè)施聯(lián)系，包括機(jī)器本身，或是周圍的環(huán)境，以達(dá)監(jiān)視與控制的目的。因此，M2M 不是簡單產(chǎn)生收集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而是一種智能的機(jī)器內(nèi)協(xié)作系統(tǒng)。

處理：數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵的一步，它讓我們作出迅速而智慧的判決，以有效地指導(dǎo)我們的行動和對物件、環(huán)境等進(jìn)行處置。處理能力除具有智能化外，還應(yīng)能通過網(wǎng)絡(luò)將信息在所需時間、地點(diǎn)，以適合的途徑傳送給所需要的人或執(zhí)行機(jī)器。

按照通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層的原理，一般認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層組成。

感知層：包括上述大量能進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)的器件，這些器件能感知、檢測物體，匯聚信息，通過互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)能彼此交換信息。紅外傳感器、射頻標(biāo)識器件（RFID）、攝像機(jī)、全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗系統(tǒng)終端等便是感知器件的例子。

網(wǎng)絡(luò)層：將感知層中的傳感器通過通信鏈路連接成互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。一般先通過藍(lán)牙、ZigBee 等將傳感器傳來的數(shù)據(jù)信息，接入網(wǎng)關(guān)，進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，如Wi-Fi、無線蜂窩網(wǎng)和光纖網(wǎng)等。表1列出了用于短途的有線與無線網(wǎng)絡(luò)的基本特性。

表1 用于短途的有線與無線網(wǎng)絡(luò)的基本特性

總之，物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，從而可以以更加精細(xì)和動態(tài)方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到智慧狀態(tài)，提高資源利用效率和生產(chǎn)水平，改善人與自然間的關(guān)系。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市中的應(yīng)用[2 ]

物聯(lián)網(wǎng)的一個重要應(yīng)用，是建立智慧城市。2008 年11 月，在紐約召開的外國關(guān)系理事會上，IBM 提出了“智慧地球”這一理念，智慧城市是智慧地球的重要組成部分，是人類集中生活的地方。追求美好、文明、昌盛是人們的共同目標(biāo)，這引發(fā)了智慧城市建設(shè)的熱潮。我國鼓勵開展應(yīng)用模式創(chuàng)新，推進(jìn)智慧城市建設(shè)。關(guān)于智慧城市的內(nèi)涵，有許多詮釋，圖3是其中之一說。圖3中所列的城市管理與建設(shè)的方方面面，都是通過物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來的，于是物聯(lián)網(wǎng)成為智慧城市的神經(jīng)脈絡(luò)與紐帶。

圖3 智慧城市的組成

例如，圖3中智慧基礎(chǔ)設(shè)施之一的供水系統(tǒng)，可監(jiān)測并報告水的質(zhì)量、水的貯備分布、水量合理的動態(tài)分配、水管出現(xiàn)漏水時的情況和位置等，其智慧處理能大大節(jié)約水資源，對泄漏等故障能準(zhǔn)確定位、迅速搶修，不影響市民的生活。又如在智慧醫(yī)療保健中，可對人（包括病人和醫(yī)務(wù)人員）和物（如救護(hù)車、血庫存和移植器官）的跟蹤和監(jiān)測；醫(yī)院中病人的狀況、醫(yī)院外通過穿戴傳感設(shè)備傳遞病人的生命特征信息；遠(yuǎn)程醫(yī)療和手術(shù)等。

2 5G 通信在物聯(lián)網(wǎng)中的作用和技術(shù)支持

2.1 5G 通信在物聯(lián)網(wǎng)中的作用[3 ]

如上述，在網(wǎng)絡(luò)層，物聯(lián)網(wǎng)是由有線（光纖、電纜）和無線網(wǎng)絡(luò)組成的。為實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)、任何時候無縫隙連接，并具有移動性功能，無線網(wǎng)絡(luò)的作用日益重要（圖4），Wi-Fi 和2G、3G、4G 等都是可用的，但也都存在種種不足，不能完全適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要。5G 應(yīng)運(yùn)而生，可以說是為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用“量身打造”的。圖5、圖6分別給出了5G 的三個典型應(yīng)用場景、關(guān)鍵性能指標(biāo)和對典型場景的適應(yīng)性。不難看到，5G 將成為未來物聯(lián)網(wǎng)核心的、起主導(dǎo)作用的網(wǎng)絡(luò)，它的問世，將加速更新的物聯(lián)網(wǎng)的到來。

圖4 通過無線網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)

圖5 5G的三個典型應(yīng)用場景

圖6 物聯(lián)網(wǎng)的典型場景與4G、5G性能要求的映射

2.2 5G 需要的技術(shù)支持[4 ]

圖7 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景和需要的技術(shù)支持

實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)典型的場景，需要尋求新技術(shù)的支持，圖7歸結(jié)為在無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)這兩方面進(jìn)行革新。

2.2.1 新無線技術(shù)的支持

物聯(lián)網(wǎng)中，人與人、人與物和物與物間的通信，要求超大容量、高速率、低時延，這已經(jīng)體現(xiàn)在5G 的關(guān)鍵指標(biāo)要求中。

（1）首先看如何滿足大容量的需要。如圖8所示，帶寬、頻譜效率和頻譜的區(qū)域復(fù)用三維，構(gòu)成了容量立方體。增加帶寬對增加容量的作用是顯而易見的，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式并推廣到系統(tǒng)[4]：

式中，Bi是第i 信道的帶寬；SNRi是第i 信道的信噪比。在滿足一定信噪比（SNR）的情況下，信道容量與信道帶寬成正比。圖9是2-4G 和LTE-A 的頻帶和帶寬配置，這些已有的頻譜資源遠(yuǎn)不能滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要；向更高頻段開拓，已是必然趨勢。再者，提高頻譜效率（頻譜利用率），意味著相同的頻帶可增加更多的信道數(shù)，傳送更多的信息比特數(shù)，也就擴(kuò)大了系統(tǒng)容量，這可通過多進(jìn)制調(diào)制和其他的編碼調(diào)制方式、MIMO 等技術(shù)來達(dá)到。此外，頻率區(qū)域復(fù)用程度越高，可容納的小區(qū)數(shù)越多，也是提高系統(tǒng)容量的有效途徑。

圖8 系統(tǒng)容量立方體

（2）與大容量要求相應(yīng)一致的是高數(shù)據(jù)速率的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)數(shù)字通信原理，對于一定調(diào)制方式的信號，將占用一定的射頻帶寬，基帶速率越高，所占用的射頻帶寬也越寬。例如，當(dāng)信號的比特率為fb時，采用二相相移鍵控（BPSK）所占射頻帶寬BF=fb；若采用四相相移鍵控（QPSK），則BF=fb/2。一般，若采用M 進(jìn)制調(diào)制時，則BF=fb/log2M。由此可見，獲得高數(shù)據(jù)速率的途徑，是提供足夠的帶寬資源，并采用多進(jìn)制調(diào)制方式。

圖9 2G、3G、4G和LTE-A的頻譜和帶寬配置

（3）超可靠、低時延。對于工業(yè)自動化、自動駕駛汽車等，要求超可靠、低時延通信傳輸。如自動駕駛汽車，醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人傳輸時延不超過1ms、可靠性99.9999%。在無線信道中，時延來自傳輸路徑和通信設(shè)備處理時延。自由空間中，電磁波經(jīng)300km 的距離傳輸?shù)臅r延為1ms；為使總的時延不真超過1ms，通信距離要大為縮短，這可將蜂窩區(qū)劃分成眾多的小區(qū)，如數(shù)百米，或?qū)⑻幚砉?jié)點(diǎn)搬到用戶群附近，以留出足夠的時間給設(shè)備處理時延。為達(dá)到高的可靠性，需要采用先進(jìn)的編碼調(diào)制技術(shù)。

（4）低能耗。今天，信息和通信技術(shù)耗電占全球電能的5%，相當(dāng)于產(chǎn)生的溫室效應(yīng)的2%，如不采取任何措施來減少碳排放，到2020年將加倍，故在5G 的無線接入網(wǎng)、回程鏈路設(shè)備和用戶設(shè)備中強(qiáng)化低能耗設(shè)計，采用無線充電技術(shù)。此外，物聯(lián)網(wǎng)中大量的傳感器應(yīng)是耗電極低、所用電池是長壽命的，以便于使用和管理。

上述有關(guān)要求，集中體現(xiàn)在5G 無線電（空中）接口上。根據(jù)《國際電信聯(lián)盟無線電通信標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語與定義》，所謂無線電接口，是指移動臺與網(wǎng)絡(luò)無線設(shè)備之間的公共邊界，由功能特性、公共無線（物理）互連特性以及其他特性等的定義。而接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了接口兩側(cè)的雙向互連規(guī)范。該規(guī)范包括互連方式的類型、數(shù)量和功能以及由這些方式進(jìn)行互連的信號類型、形式的排序，空中接口與無線接口是同義的。5G 的空中接口框架如圖10所示[5]。

圖10 5G的空中接口框架

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

除考慮高頻段的應(yīng)用外，為適應(yīng)多種不同的應(yīng)用場景，5G網(wǎng)絡(luò)在宏蜂窩小區(qū)嵌入更小的小區(qū)（微小區(qū)、微微小區(qū)、飛蜂窩等），從單層演變成多層，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鼮閺?fù)雜，其組成的軟件與硬件也面臨諸多挑戰(zhàn)。

3 結(jié)束語

5G 正向我們走來，當(dāng)然還剛剛起步，要走到成熟，完全達(dá)到指標(biāo)的理想要求，需要一個不斷完善的過程。特別是一些高難度要求，如1ms 的超低時延，99.9999%的超高可靠性等，還需更好地解決方案，而全球的工業(yè)界和運(yùn)營商已投入了巨大的人力、財力，如何獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，也即市場的牽引力如何，關(guān)系到5G 的生命力，這有賴于產(chǎn)業(yè)界和用戶的共同努力。