5G通信技術(shù)背景下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展窺探研析討論

黃旭鳳

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司茂名市分公司，廣東 茂名525000）

1 5G無線接入和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

5G無線接入關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾種：①大規(guī)模天線陣列技術(shù)。該技術(shù)增加了天線端口數(shù)量，可以方便眾多用戶同時(shí)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用3D-MIMO技術(shù)，可以同時(shí)在垂直與水平方向完成數(shù)據(jù)的輸入輸出[1]。②全頻譜介入技術(shù)。該技術(shù)增設(shè)了超過6 GHz的高頻段，使混合組網(wǎng)同時(shí)具備高低頻，應(yīng)用6 GHz以下的低頻段達(dá)到無縫覆蓋的效果，超過6 GHz的高頻段則用于提升位于熱點(diǎn)區(qū)域的速率[2]。③新型多載波技術(shù)。新型多載波本質(zhì)是一段子載波長(zhǎng)度，可以提高配置的靈活性，提升頻譜效率。當(dāng)前發(fā)展較為成熟的有華為旗下的空口波形技術(shù)F-OFDM、中興研發(fā)的FB-OFDM新型多載波技術(shù)。④終端直連技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同終端通信的銜接，使基站負(fù)擔(dān)相應(yīng)減輕，避免出現(xiàn)較大通信時(shí)延[3]。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾種：①網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片基本版本是VPN，也就是虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，通過SDN對(duì)流量頂層進(jìn)行設(shè)計(jì)，在復(fù)雜性相對(duì)較強(qiáng)的環(huán)境下，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)整體接入性能。②邊緣計(jì)算MEC。通過本地計(jì)算與存儲(chǔ)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的快速響應(yīng)，提高傳輸速度，使業(yè)務(wù)時(shí)延進(jìn)一步降低，防止為遠(yuǎn)程傳輸帶來較大壓力。

2 邊緣云和5G網(wǎng)絡(luò)融合部署

邊緣云作為一種新型開放平臺(tái)，融合了計(jì)算與存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化數(shù)據(jù)、保護(hù)隱私等多種功能，作為就近計(jì)算概念的一種，可以將計(jì)算能力帶到網(wǎng)絡(luò)邊緣。這樣數(shù)據(jù)就無需向集中云上傳，減少了等待時(shí)延，也減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，可以加快用戶需求的響應(yīng)速度。

為達(dá)到5G萬物互聯(lián)的效果，運(yùn)營商在確定核心網(wǎng)設(shè)計(jì)模型的問題上，主要以CT思路為基礎(chǔ)，也就是服務(wù)化架構(gòu)。未來5G給予服務(wù)化的架構(gòu)，將支持控制面與用戶面兩者之間的分離，在部署上更加靈活，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能相互之間的交叉，進(jìn)一步弱化接入網(wǎng)等功能。這種服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計(jì)模式優(yōu)勢(shì)較為明顯，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用，提高網(wǎng)絡(luò)能力，加快網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更迭的速度。

引入虛擬化技術(shù)過后，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)核心網(wǎng)網(wǎng)元的軟硬件解耦。3GPP定義的服務(wù)化結(jié)構(gòu)，拆分網(wǎng)絡(luò)功能整體，為不同自管理、自包含的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)，互相之間能夠解耦，也能獨(dú)立升級(jí)、獨(dú)立彈性，而且標(biāo)準(zhǔn)接口和網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)互通，可以基于不同需求，通過編排工具進(jìn)行實(shí)例化部署。在服務(wù)化架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)元素較多，例如AMF、SMF等，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素都能相互之間快速交互，基于業(yè)務(wù)需求進(jìn)行優(yōu)化，這和4GEPC架構(gòu)的工作方式相比，靈活性優(yōu)勢(shì)更加明顯。

傳統(tǒng)核心網(wǎng)網(wǎng)元之間的通信為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，這同樣是一種互相耦合的模式。在5G核心網(wǎng)架構(gòu)之下的網(wǎng)路功能服務(wù)，這種通信機(jī)制將向生產(chǎn)者、消費(fèi)者模式進(jìn)行解耦，生產(chǎn)者不會(huì)在意消費(fèi)者的身份和位置，消費(fèi)者也一樣，在通信雙方接口解耦方面，適用性較強(qiáng)。

3 5G基站節(jié)能降耗技術(shù)

在5G通信技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代背景下，如果想要提高技術(shù)應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)5G通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，一定要重視5G通信技術(shù)產(chǎn)生的能耗問題。運(yùn)用5G技術(shù)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的傳輸和接收，產(chǎn)生的高能耗也將加劇通信行業(yè)問題。在能耗構(gòu)成方面，基站設(shè)備能耗占比較高，因此建設(shè)基站時(shí)，應(yīng)當(dāng)重視5G基站節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用。具體而言，主要有以下三種類型的技術(shù)。

3.1 硬件節(jié)能技術(shù)

硬件節(jié)能技術(shù)主要包含以下方面：①對(duì)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使硬件能效水平得以提升。5G協(xié)議和功能在不斷成熟發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)用ASIC專用芯片替代FPGA高功耗器件，使硬件平臺(tái)集成度和性能進(jìn)一步提高，降低了設(shè)備基礎(chǔ)功率。②提高半導(dǎo)體工藝演進(jìn)速度，進(jìn)一步提升硬件集成度?，F(xiàn)階段，基站設(shè)備普遍應(yīng)用14 nm或28 nm技術(shù)，發(fā)展過后，會(huì)應(yīng)用10 nm或7 nm技術(shù)，芯片工藝進(jìn)步的同時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)功耗下降的情況。③應(yīng)當(dāng)重視新技術(shù)和新材料的引入，使功放效率全面提升。例如，應(yīng)用漏壓調(diào)節(jié)，或者GaN等技術(shù)，對(duì)PA設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)備功率利用率得以提升。

3.2 軟件節(jié)能技術(shù)

軟件節(jié)能技術(shù)包含符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷等特性。其中，符號(hào)關(guān)斷特性主要是通過不連續(xù)發(fā)射功放，使AAU功耗降低。若AAU檢測(cè)到在下行符號(hào)發(fā)送時(shí)，若沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，將關(guān)閉功放；若符號(hào)周期內(nèi)出現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度情況，功放會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)，不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生任何影響。符號(hào)關(guān)斷比例和基站調(diào)度方式息息相關(guān)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果的提升，可以優(yōu)化調(diào)度算法，在特定符號(hào)內(nèi)集中用戶數(shù)據(jù)，在空閑符號(hào)比例增加的前提下，實(shí)現(xiàn)符號(hào)關(guān)斷節(jié)能效果的增強(qiáng)，進(jìn)而達(dá)到關(guān)斷智能化符號(hào)的目的。

通道關(guān)斷等特性在AAU設(shè)備上應(yīng)用較多，在業(yè)務(wù)量變化的基礎(chǔ)上，對(duì)一些射頻通道進(jìn)行休眠操作，達(dá)到節(jié)能的目的。若增加業(yè)務(wù)量，則應(yīng)將處于關(guān)閉狀態(tài)的通道全部打開，向多通道發(fā)射狀態(tài)發(fā)射。通道關(guān)斷之后，因?yàn)闇p少了AAU射頻通道數(shù)量，基站覆蓋能力也會(huì)因此受到較大影響。為全方位為網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定性提供保障，在關(guān)閉通道時(shí)，應(yīng)當(dāng)將控制信道發(fā)射功率提高，并開啟上行接收通道，防止接入終端時(shí)受到影響。中興和華為的平均功耗對(duì)比如表1所示，由表1可以看出，無論是空載還是滿載，BBU功耗都不會(huì)相差太多；而AAU功耗則包含靜態(tài)和共臺(tái)功耗兩個(gè)方面，靜態(tài)功耗主要與設(shè)備硬件性能緊密相關(guān)，和業(yè)務(wù)負(fù)荷關(guān)系不大，而動(dòng)態(tài)功耗則會(huì)緊隨業(yè)務(wù)負(fù)荷波動(dòng)，出現(xiàn)較大變化時(shí)，業(yè)務(wù)負(fù)荷越高，功耗就會(huì)越大。

表1 中興和華為的平均功耗對(duì)比

3.3 基于AI的智能節(jié)能技術(shù)

該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程，主要包含以下環(huán)節(jié)：①基站設(shè)備制式和頻段不同，會(huì)通過網(wǎng)管接口將各種業(yè)務(wù)性能數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)管平臺(tái)；②AI平臺(tái)會(huì)持續(xù)獲取來源于網(wǎng)管平臺(tái)的業(yè)務(wù)性能數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式深入分析數(shù)據(jù)，在分析結(jié)果基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)能基站進(jìn)行識(shí)別，促進(jìn)節(jié)能策略的生成；③AI平臺(tái)向節(jié)能基站下發(fā)節(jié)能策略，使基站進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)；④在業(yè)務(wù)負(fù)荷變化的前提下，AI平臺(tái)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和節(jié)能效果進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，對(duì)節(jié)能策略進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整優(yōu)化，提升節(jié)能效果。

4 5G基站節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用策略

基站節(jié)能降耗的實(shí)現(xiàn)，需要借助硬件節(jié)能技術(shù)，該技術(shù)可以在節(jié)能方面取得較為明顯的效果，可以同時(shí)降低AAU與BBU的能耗，改善基站能效水準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)硬件節(jié)能，既需要5G關(guān)鍵器件較為成熟，還需要基站硬件架構(gòu)演進(jìn)達(dá)到一定程度，這也是硬件節(jié)能技術(shù)應(yīng)用需要時(shí)間周期的原因。與之相對(duì)的，軟件節(jié)能技術(shù)則主要可以減少AAU動(dòng)態(tài)功耗，對(duì)BBU功耗沒有較大影響。通常情況下，基站負(fù)荷越低，節(jié)能效果就會(huì)越明顯。另外，節(jié)能效果同樣和節(jié)能參數(shù)息息相關(guān)，節(jié)能特性生效時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)能增益也會(huì)更加明顯。實(shí)際應(yīng)用層面，可以視節(jié)能場(chǎng)景不同，對(duì)參數(shù)進(jìn)行配置，提高節(jié)能需求的差異化程度?；?G網(wǎng)絡(luò)打底覆蓋，開啟5G小區(qū)關(guān)斷特性，顯著降低5G網(wǎng)絡(luò)能耗，未來應(yīng)結(jié)合5G業(yè)務(wù)特征，與AI技術(shù)高度結(jié)合，應(yīng)用通道關(guān)斷等節(jié)能特性，提高軟件節(jié)能水平。AAU內(nèi)部原理如圖1所示。

圖1 AAU內(nèi)部原理

5 結(jié)束語

綜上所述，從業(yè)人員應(yīng)當(dāng)重視提升5G通信技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)性，強(qiáng)化5G通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，并通過降低5G基站節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用，減少能耗，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展注入新活力，促進(jìn)5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展。5G基站節(jié)能可以從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)，不僅可以通過引入新材料、新技術(shù)，還可以通過通道關(guān)斷、符號(hào)關(guān)斷等形式，減少AAU閑時(shí)能耗。未來可以基于軟件節(jié)能特性，達(dá)到優(yōu)化和增強(qiáng)的作用，實(shí)現(xiàn)5G技術(shù)的智能化發(fā)展。