面向5G物聯(lián)網的上行接入技術

鄔張帆，莊常進

（湖北郵電規(guī)劃設計有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

隨著當今物聯(lián)網技術的發(fā)展和社會需求量的提升，物聯(lián)網在應用領域和覆蓋范圍上都處于不斷延伸的狀態(tài)。在這樣的情況下，物聯(lián)網中所接入的通信設備也在種類和數(shù)量上呈現(xiàn)出了不斷增加的趨勢，進而讓物聯(lián)網的運行伴隨著海量信息數(shù)據的產生。隨著數(shù)據量的逐漸擴大，當今的移動蜂窩網絡已經無法使其高速率、低延時以及低功耗等各個方面的通信需求得到全面滿足，這就為物聯(lián)網技術的應用與發(fā)展帶來了一定程度的阻礙[1]。隨著5G時代的到來，面向5G形式的物聯(lián)網上行接入技術開始得到了越來越廣泛的應用，H2H（人和人之間的通信技術）已經逐漸被MTC（人和物之間的通信技術）所取代，這樣就實現(xiàn)了物聯(lián)網上行接入能力的顯著提升，可對多臺設備的接入提供技術支持，且有著壽命長、時延低等優(yōu)勢。

1 物聯(lián)網技術和5G技術的相關概述

1.1 物聯(lián)網技術

物聯(lián)網技術就是將各種的傳感器設備作為基礎，讓各種物品都接入到互聯(lián)網內，并在這個系統(tǒng)中進行信息的交互和共享的一種技術。同時，物聯(lián)網技術也具備智能化、管理、識別、監(jiān)控、追蹤和定位等特征，其技術優(yōu)勢十分明顯。從本質屬性來講，物聯(lián)網技術就是將物聯(lián)網作為背景來實現(xiàn)的人、物、事這三者之間的互相聯(lián)通。在物聯(lián)網技術中涉及到的學科有很多，如自動化、計算機及通信等。物聯(lián)網這一技術的起源也比較早，早在20世紀，物聯(lián)網技術就已經開始得到了早期應用，其主要的應用形式是汽車內的收音機安裝。伴隨著當今科學技術的發(fā)展，物聯(lián)網技術已經得到了越來越廣泛的應用，但是在該技術的具體應用中，無線傳感器網絡卻對其應用與發(fā)展造成了很大程度的制約[2]。雖然當今的網絡技術發(fā)展已經讓無線傳感器的很多問題都得以有效解決，但是在節(jié)點傳輸距離的影響作用下，信號干擾問題依然是一項需要解決的技術難題，物聯(lián)網上行接入技術也有待進一步研究。

1.2 5G通信技術在物聯(lián)網中的應用優(yōu)勢分析

當前的物聯(lián)網主要層級有4個，一是監(jiān)控應用層，二是業(yè)務管理層，三是媒體服務層，四是前端接入層。具體應用中，前端有著較多的智能化設備，且這些設備在網絡寬帶方面都有著比較高的要求，這樣才可以讓物聯(lián)網實時監(jiān)控方面的標準以及傳輸速率方面的要求得以有效滿足。而5G通信技術可以滿足這些要求。5G通信技術在商用通話方面具有如表1所示的優(yōu)勢。

表1 5G通信技術商用通話方面的優(yōu)勢

在物聯(lián)網中，大多數(shù)的主干網絡都是通過光傳送網（Optical Transport Network，OTN）構建而成，是一種剛性形式的寬帶通道，其可擴展性十分優(yōu)良，可以讓物聯(lián)網相關的前端智能設備實際的網絡寬帶需求得以全面滿足，且這種寬帶通道也有著比較低的延時性，其應用效果十分良好。隨著科學技術的不斷發(fā)展，ONT網絡的光網絡化軟件定義也逐漸實現(xiàn)。因為該技術自身的波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和同步數(shù)字體系((Synchronous Digital Hierarchy，sdh）優(yōu)勢十分顯著，所以能夠有效滿足物聯(lián)網技術對于寬帶的實際要求，使其業(yè)務調度更加靈活，并實現(xiàn)其拓展性的進一步提升[3]。

1.3 物聯(lián)網和5G通信技術的融合分析

隨著近年來科學技術的不斷發(fā)展，5G通信技術已經不僅僅基于用戶基本應用需求的滿足，同時也讓用戶的網絡寬帶擴展性需求得到了良好滿足。隨著5G通信技術的實際應用，通信網絡的整體應用質量都實現(xiàn)了顯著提升，同時也讓網絡數(shù)據的安全性和可靠性得到了進一步保障。而在物聯(lián)網技術的應用與發(fā)展中，5G通信技術也對其起到了很大程度的推動作用，讓該技術實現(xiàn)了進一步的應用與普及。由此可見，將5G通信技術融入到物聯(lián)網技術中已經成為了當今科學技術的一個必然發(fā)展趨勢。通過這兩種技術的融合，不僅可以實現(xiàn)彼此之間應用范圍的進一步擴展，同時也可以實現(xiàn)這兩種技術優(yōu)勢的充分發(fā)揮，在促進各個行業(yè)技術進步的基礎上實現(xiàn)技術經濟和社會價值的進一步提升[4]。另外，將5G通信技術和物聯(lián)網技術融合在一起，也可以讓傳統(tǒng)物聯(lián)網延時高、能耗大等的問題得以有效解決，實現(xiàn)物聯(lián)網技術的良好應用與發(fā)展。

2 物聯(lián)網上行接入主要問題分析

在物聯(lián)網當前的上行通信中，最主要的一個問題就是海量數(shù)據連接所帶來的較大功耗問題，隨著5G通信技術的應用，物聯(lián)網在上行接入方面的負擔也就變得更大，其主要問題包括如下兩個方面。

2.1 設備接入量和空間之間的矛盾

隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，越來越多的通信設備開始接入物聯(lián)網，這樣的情況勢必會將上行通信資源占用更多，而且由于通信設備的類型不同，其傳輸速度和數(shù)據類型等的諸多方面也都有著比較大的差異性，所以無線網接入堵塞情況就很容易發(fā)生。在這樣的情況下，如果不能有效解決物聯(lián)網的上行通信問題，不僅會對其遠程傳輸速度造成不利影響，也可能會損害到接入到物聯(lián)網中的通信設備。

2.2 4G蜂窩網絡上行接入問題

目前，4G蜂窩網絡依然是物聯(lián)網上行接入的主要技術，其接入模式也依然是正交多址形式。雖然這種接入方式可以讓物聯(lián)網上行數(shù)據保持連續(xù)性，但是在物聯(lián)網的不斷發(fā)展中，數(shù)據的多樣化和海量化特征也越來越明顯，而現(xiàn)有的蜂窩網絡上行技術對于小包突發(fā)形式的海量機器類通信(massive Machine Type of Communication，mMTC）業(yè)務并不能做到有效應對，尤其是在面臨IoT形式的突發(fā)性、高能效通信業(yè)務需求時，系統(tǒng)的響應速度也很容易變慢，甚至會出現(xiàn)系統(tǒng)不響應情況，對物聯(lián)網通信的正常進行造成嚴重干擾[5]。要想有效解決此類問題，就需要將更加優(yōu)越的5G蜂窩網絡技術在物聯(lián)網上行接入中加以合理應用。表2是4G蜂窩網絡和5G蜂窩網絡的數(shù)據傳輸對比。

表2 4G蜂窩網絡和5G蜂窩網絡的數(shù)據傳輸對比

3 面向5G通信技術的物聯(lián)網上行接入技術具體應用分析

3.1 基于NOMA窄帶形式的物聯(lián)網上行接入

窄帶物聯(lián)網（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）的功率譜密度非常高，而借助于這一本質優(yōu)勢，該技術可以對物聯(lián)網進行高效能、低速率的連接，并使其得到擴展覆蓋，這樣就可以讓5G物聯(lián)網中MTCD大量的低成本性能需求得到有效滿足。表3是其技術參數(shù)。

表3 NB-IoT（窄帶物聯(lián)網技術）參數(shù)

通過NOMA的應用，可以為統(tǒng)一頻譜帶上的多個用戶數(shù)據同時發(fā)送提供支持，其接收端會通過5G通信技術對各種的重疊信號進行分離。具體應用中，為了讓5G物聯(lián)網條件下的MTCD海量同步連接需求得以滿足，可以將資源共享這一理念作為基礎，讓同一個窄子載波被多個MTCD所共用。通過這樣的方式，不僅可以實現(xiàn)通信傳輸性能的提升，也可讓上行鏈路實現(xiàn)運行成本的有效降低，讓該技術更具實用性。但是在該技術的實際應用中，窄帶資源分配不足的情況也很可能發(fā)生，如果在短時間內有大量的瞬時流量數(shù)據涌入物聯(lián)網，堵塞和延遲等的問題也可能發(fā)生。所以就目前的情況來看，基于NOMA窄帶形式的物聯(lián)網上行接入技術依然有待進一步優(yōu)化。

3.2 基于NOMA免調度形式的分布式上行接入

為實現(xiàn)LTE/LTE-A系統(tǒng)上行輸入的有效性與傳輸?shù)目煽啃?，一般都需要先隨機接入，然后再對數(shù)據進行傳輸，這樣的情況就會導致物理層開銷以及MAC層接入與調度開銷的大量形成。隨著NOMA在近年來的廣泛應用，其5G蜂窩系統(tǒng)中頻率效率的提升也越來越受到研究者的關注，有研究者將5G通信技術中的NOMA以及gran-free新技術作為基礎，進行了一種基于分布式形式的免調度分層NOMA混合上行接入新型框架的設計[6]。在該框架中，免調度形式的NOMA技術主要有兩大應用優(yōu)勢。第一，可以將上行接入以及通信傳輸中的堵塞、沖突問題解決，在保障信息傳輸更具時效性的同時也進一步提升鏈路的通信速率。第二，可以實現(xiàn)上行連接成功率的進一步提升。經相關實驗發(fā)現(xiàn)，免調度形式的NOMA上行接入方式應用之后，其接入的成功率比傳統(tǒng)的OMA接入成功率高出了將近40倍。圖1是該框架的結構示意圖。

圖1 基于分布式形式的免調度分層NOMA混合上行接入新型框架結構示意圖

3.3 基于免調度分布式NOMA穩(wěn)定性的上行傳輸

雖然免調度形式的NOMA上行技術可以為物聯(lián)網的上行接入提供足夠的技術支撐，但是在該技術的具體應用中，零星通信以及小包突發(fā)問題依然有待進一步解決，同時系統(tǒng)也會存在一定程度的負載不穩(wěn)定現(xiàn)象。在正常條件下，因為上行接入選擇了分布式的方式，所以如果負載波動比較小，通信的正常運行也不會受到顯著影響。但是在物聯(lián)網的實際運行過程中，隨時可能出現(xiàn)大流量傳輸現(xiàn)象，所以出于安全方面考慮，在具體的5G上行技術應用中，還需要以此為基礎進行穩(wěn)定傳輸設計的增設。尤其是在遠距離或者是大流量傳輸條件下，穩(wěn)定傳輸技術的應用更會發(fā)揮出關鍵作用。通過研究發(fā)現(xiàn)，多信道隨機重傳不僅可實現(xiàn)接入時延的縮短，也不會對通信質量造成明顯影響，所以該方法可作為免調度分布式NOMA上行接入技術中的穩(wěn)定傳輸技術。

4 結 論

相比較傳統(tǒng)的上行接入技術，將5G通信技術用來進行物聯(lián)網的上行接入，將會實現(xiàn)其傳輸速率和穩(wěn)定性的進一步提升。因此，在對物聯(lián)網進行上行接入研究的過程中，技術人員一定要加強5G通信技術的研究，將其與物聯(lián)網技術之間進行有機融合，以實現(xiàn)技術優(yōu)勢的充分發(fā)揮。