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

彭藝真

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引言

相比現(xiàn)有的4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G 是新出現(xiàn)的一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，且會(huì)在未來(lái)很短時(shí)間內(nèi)全面投入使用。5G 在頻譜利用率及傳輸速度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)4G，不僅能滿足未來(lái)十年內(nèi)的信息傳輸需求，還能幫助各類型智能設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)信息的海量傳輸、網(wǎng)絡(luò)智能化、物聯(lián)網(wǎng)，最終形成“萬(wàn)物互聯(lián)”的局面。這就意味著5G 關(guān)鍵技術(shù)能夠在農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用，并促成精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)[1]，因此，對(duì)5G 關(guān)鍵技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用前景的分析就顯得至關(guān)重要。

1 物聯(lián)網(wǎng)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

5G 技術(shù)的出現(xiàn)在很大程度上推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)的成型成為可能。物聯(lián)網(wǎng)指的是在各類型物品上裝設(shè)信息傳感設(shè)備，進(jìn)而使物品能夠有效接入互聯(lián)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)相互之間的交互與通信。信息傳感設(shè)備的接入使得物品能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控及管理。顯而易見(jiàn)，該技術(shù)在應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中之后，主要對(duì)接的是各種農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，通過(guò)實(shí)時(shí)查探農(nóng)業(yè)設(shè)備的作業(yè)運(yùn)行狀態(tài)，能夠幫助農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高效化、優(yōu)質(zhì)化、環(huán)?；c安全化，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)的智能化、信息化與現(xiàn)代化發(fā)展。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)需要信息技術(shù)的支持，主要是根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的空間變化，以定位、定時(shí)、定量的方式設(shè)計(jì)一套完整且具有一定現(xiàn)代化水準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)操作技術(shù)管理系統(tǒng)，在信息技術(shù)層面為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供系統(tǒng)化的可靠支持。3G 時(shí)代就已經(jīng)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)有所涉獵，在4G 時(shí)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)則獲得了一定程度的推進(jìn)，但尚未完全成型，預(yù)計(jì)5G 時(shí)代信息技術(shù)的質(zhì)變強(qiáng)化將極大程度推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念圖

2 5G 移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)

相比4G，5G 業(yè)務(wù)能力的提升主要體現(xiàn)在資源利用率（提升十倍以上）、系統(tǒng)吞吐量（25倍提升）、頻譜資源（4倍擴(kuò)展）三方面的強(qiáng)化。而這三方面的強(qiáng)化則取自于以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 大規(guī)模天線陣列

MIMO（多入多出）技術(shù)能使系統(tǒng)頻譜效率與信息傳輸?shù)目煽啃酝将@得提升，這一提升與天線的數(shù)量呈正比，應(yīng)用的天線越多，性能的提升程度就越高，這就使得大規(guī)模天線陣列這一技術(shù)得到廣泛重視。當(dāng)前大規(guī)模天線陣列及數(shù)分為集中式與分布式兩種，但無(wú)論哪種形式，都能夠大幅提升空間分辨率，也就能夠強(qiáng)效降低干擾及發(fā)射功率。5G 中的大規(guī)模天線陣列指的是位于基站的天線系統(tǒng)，據(jù)推測(cè)其頻譜可能應(yīng)用的是毫米波，毫米波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于提升設(shè)備集成的簡(jiǎn)易程度，進(jìn)而使得MIMO 天線系統(tǒng)能夠同時(shí)應(yīng)用三種不同模式，也就是使波束賦形、空間分集及空間復(fù)用同時(shí)得到應(yīng)用，進(jìn)而使得傳輸?shù)目煽啃?、傳輸容量及頻譜利用率同時(shí)獲得提升。

2.2 多載波技術(shù)

現(xiàn)有的正交頻分復(fù)用技術(shù)尚不能有效、靈活利用零碎閑散的頻譜資源，那么以濾波器組實(shí)現(xiàn)的多載波方案就開(kāi)始受到重視與開(kāi)發(fā)。濾波器組多載波技術(shù)相比正交頻分復(fù)用技術(shù)而言，不需要進(jìn)行正交、同步，也避免了插入循環(huán)前綴的需求，因此具有更強(qiáng)的靈活性；廣義頻分復(fù)用技術(shù)僅僅需要插入循環(huán)前綴，因此在實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上也能擁有較高的頻譜利用率；通用濾波多載波技術(shù)不需要循環(huán)前綴，但需要設(shè)定時(shí)域保護(hù)前綴，因此復(fù)雜度有所上升。

2.3 全雙工復(fù)用技術(shù)

全雙工復(fù)用技術(shù)指的是通信雙方能夠在同一頻率、同一時(shí)間實(shí)現(xiàn)相互之間的通信，因此能夠在很大程度上縮短通信時(shí)延、提升頻譜利用效率。受技術(shù)限制，現(xiàn)行4G 的移動(dòng)通信系統(tǒng)中還不能實(shí)現(xiàn)全雙工通信，但5G 的出現(xiàn)則使得這一技術(shù)的應(yīng)用成為可能。該技術(shù)面臨的核心問(wèn)題在于有效消除超過(guò)100dB 的自干擾，也就需要考慮發(fā)射信號(hào)在發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的非線性失真，此外還面臨著電路板的設(shè)計(jì)、物理層與媒體介入控制層的優(yōu)化設(shè)計(jì)、半雙工與全雙工之間的動(dòng)態(tài)切換控制面優(yōu)化等問(wèn)題。

2.4 超密集網(wǎng)絡(luò)

5G 網(wǎng)絡(luò)中含有大量的宏站與低功率小站，當(dāng)5G 得到完全的應(yīng)用與普及之后，其中低功率小站的數(shù)量將超過(guò)4G 的10倍以上，進(jìn)而為超密集網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)創(chuàng)造可能。超密集網(wǎng)絡(luò)意味著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互之間的距離及距終端的距離更近，理論上可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)針對(duì)單個(gè)用戶，這將意味著系統(tǒng)容量、通信效率及頻譜效率的大幅提升，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)大量的干擾。盡管無(wú)線回傳組網(wǎng)技術(shù)能夠在很大程度上解決這一問(wèn)題，然而無(wú)線回傳組網(wǎng)技術(shù)本身具有極高的復(fù)雜度，因而該技術(shù)的應(yīng)用還需要進(jìn)行大量研究。

2.5 自組織網(wǎng)絡(luò)

所謂的自組織網(wǎng)絡(luò)還有另外一個(gè)便于理解的稱呼：網(wǎng)絡(luò)智能化。其本質(zhì)是將自組織能力引入到網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而使網(wǎng)絡(luò)本身具備自優(yōu)化、自配置、自愈合的能力，這種能力的實(shí)現(xiàn)能在很大程度上節(jié)約人力成本?，F(xiàn)行的SON 技術(shù)并不支持多網(wǎng)協(xié)同，因此這部分內(nèi)容就成了5G 的重點(diǎn)研究工作[2]。5G 中應(yīng)用的超密集網(wǎng)絡(luò)同樣需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)，來(lái)使自配置功能得到有效實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)本身的自優(yōu)化也會(huì)因?yàn)槊媾R大量干擾源，呈現(xiàn)出實(shí)施難度較高的特征。除此之外，回傳網(wǎng)絡(luò)智能化在有效獲取自組織網(wǎng)絡(luò)配合的前提下才能實(shí)現(xiàn)，大規(guī)模天線陣列同樣也會(huì)面臨其特有的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。由此可見(jiàn)，自組織網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是5G 技術(shù)中難度最高的內(nèi)容。

3 5G 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景

我國(guó)有據(jù)可查的對(duì)5G 的研究早在2013年初就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行，并在后續(xù)時(shí)間內(nèi)相繼出臺(tái)了5本內(nèi)容不同的白皮書(shū)，對(duì)5G 相關(guān)的研究及應(yīng)用內(nèi)容進(jìn)行了不同角度的描述。

于2014年5月出臺(tái)的首部白皮書(shū)《5G 愿景與需求》中明確描述了5G 可能對(duì)未來(lái)生活產(chǎn)生的變化，這部分內(nèi)容中著重描述了物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)的優(yōu)化與可能性。服務(wù)于農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)可用于采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)信息，在對(duì)這些信息進(jìn)行詳細(xì)處理之后，就能夠制定出相應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方案并保證方案的精準(zhǔn)程度。事實(shí)上，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)需要海量網(wǎng)絡(luò)支持設(shè)備的連接及各種類型的小數(shù)據(jù)包，同時(shí)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所處的環(huán)境信號(hào)強(qiáng)度有限，因此5G 必須具備更強(qiáng)的信號(hào)覆蓋能力、靈活性、可擴(kuò)展程度及更低的功耗、時(shí)延與成本。

隨后2015 年2 月的《5G 概念》白皮書(shū)中則重點(diǎn)闡述了5G 背景下的無(wú)線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，也就明確了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中農(nóng)情監(jiān)測(cè)與精細(xì)化控制的技術(shù)要求。這部分內(nèi)容在特征上與上述內(nèi)容高度相似，但卻對(duì)新型多載波技術(shù)、低功耗大連接場(chǎng)景及終端直接通信的應(yīng)用提出要求，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了連接密度、有效性及功耗成本的重要性。

三個(gè)月后的《5G 無(wú)線技術(shù)架構(gòu)》與《5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)》中分別對(duì)5G 新空口及新型連接管理方式進(jìn)行了說(shuō)明，并明確了以簡(jiǎn)略為主要策略的管理方式、管理指標(biāo)及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信令風(fēng)暴、報(bào)頭開(kāi)銷大、處理效率低等風(fēng)險(xiǎn)的有效規(guī)避，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可采用簡(jiǎn)化改進(jìn)位置管理相關(guān)協(xié)議的方式減少信令交互的時(shí)間與頻次。及至2016年6月的《5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)》白皮書(shū)中則提出了5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的方案，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片、按需網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、移動(dòng)邊緣計(jì)算等技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的提煉，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中“萬(wàn)物互聯(lián)”局面的實(shí)現(xiàn)打下了良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合上述內(nèi)容來(lái)看，在5G 技術(shù)得到開(kāi)發(fā)之后，國(guó)家已經(jīng)對(duì)5G 技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，其最終目的在于借助5G 強(qiáng)大的信息技術(shù)能力，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”，進(jìn)而推動(dòng)5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)效發(fā)展。