淺析5G技術(shù)在智能可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用

鄧開連，劉曉潔，高 生，劉 浩，燕 帥，陳根龍

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

目前，可穿戴設(shè)備作為一種便攜式的電子設(shè)備廣受用戶喜愛(ài)，用戶可以將其作為配件裝飾到自己的衣服上或作為小飾品直接穿戴在用戶身體上[1]。市場(chǎng)上大多數(shù)電子產(chǎn)品都是硬件設(shè)備，智能可穿戴設(shè)備也不例外。智能可穿戴設(shè)備的強(qiáng)大功能可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)、信息處理、人機(jī)交互等技術(shù)完成。伴隨著2012年谷歌眼鏡的首次亮相，智能可穿戴設(shè)備邁出了它的第一步，因此2012年被稱作“智能可穿戴設(shè)備元年”。智能手機(jī)的創(chuàng)新空間正在逐漸收窄并且其市場(chǎng)增量逐漸接近飽和，因此，智能可穿戴設(shè)備成為智能終端產(chǎn)業(yè)下一個(gè)熱點(diǎn)并被廣泛認(rèn)可[2]。雖然智能可穿戴設(shè)備在近幾年的發(fā)展下逐漸成型，但是仍然擺脫不了智能手機(jī)，或是作為手機(jī)的輔助工具，或是對(duì)智能手機(jī)功能的拓展或平移[3]，并且設(shè)備的耗電高、續(xù)航能力差，這些問(wèn)題均是智能可穿戴設(shè)備的缺點(diǎn)。伴隨移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，5G技術(shù)的出現(xiàn)是科技發(fā)展的必然結(jié)果。目前研究的第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G技術(shù)）主要支持連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠這四類應(yīng)用場(chǎng)景，旨在滿足用戶在居住、工作、休閑和交通等各種區(qū)域及不同場(chǎng)景的多樣化業(yè)務(wù)需求[4]。因此，5G技術(shù)將為智能可穿戴設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用提供解決方案。

2015年3月，李克強(qiáng)總理在政府報(bào)告中首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，以推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)[5-6]（Internet of Things, IoT）等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合。物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，同時(shí)也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。中國(guó)政府的相關(guān)政策以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在“信息化”時(shí)代的重要地位正是5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)力。在用戶數(shù)、連接設(shè)備數(shù)、數(shù)據(jù)量等社會(huì)因素指標(biāo)均持續(xù)呈指數(shù)式增長(zhǎng)的今天，云操作、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、智能設(shè)備、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程控制等各種應(yīng)用對(duì)移動(dòng)通信要求日益增加，5G技術(shù)的移動(dòng)性和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)可滿足數(shù)據(jù)日益增長(zhǎng)的需求[7]。同時(shí)5G將會(huì)形成一個(gè)智能化、個(gè)性化、大規(guī)模的通信網(wǎng)，屆時(shí)，智能可穿戴將實(shí)現(xiàn)物理層面和網(wǎng)絡(luò)層面的近距離、大規(guī)模通信，不再作為附屬品依賴手機(jī)或其他設(shè)備工作。

1 智能可穿戴設(shè)備存在的問(wèn)題

隨著科技的發(fā)展，近幾年可穿戴設(shè)備的相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展與成熟。可穿戴設(shè)備是指不依賴智能手機(jī)等智能移動(dòng)設(shè)備的操作系統(tǒng)，采用可以完全單獨(dú)對(duì)智能可穿戴設(shè)備進(jìn)行升級(jí)和技術(shù)應(yīng)用拓展的自主系統(tǒng)。與可穿戴設(shè)備相比，智能可穿戴設(shè)備智能化是在已有的可穿戴設(shè)備中融入智能化的移動(dòng)設(shè)備，或?qū)⒖纱┐髟O(shè)備的部分功能加入智能化的移動(dòng)設(shè)備中。智能可穿戴設(shè)備是一個(gè)全新的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主要包括數(shù)據(jù)信息處理、硬件和智能化軟件等技術(shù)[8]。隨著智能電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展與普及，電子信息技術(shù)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理[5-6]等技術(shù)必然將逐步應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備中。可穿戴設(shè)備具有便攜性、微型化等特點(diǎn)，但是這些特點(diǎn)也增加了智能可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)難度。下面將從能源因素、用戶隱私安全因素、使用獨(dú)立性等方面分析智能可穿戴設(shè)備現(xiàn)階段存在的問(wèn)題。

1.1 電池續(xù)航能力差

傳統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備對(duì)于芯片的體積和功耗沒(méi)有太嚴(yán)格的要求，然而體積較小的智能可穿戴設(shè)備對(duì)這方面的要求就嚴(yán)格很多，并且可穿戴設(shè)備具有便攜性，即設(shè)備在面積和體積上都要更加小巧、輕薄。此外，智能可穿戴設(shè)備一般要求支持長(zhǎng)達(dá)數(shù)周甚至數(shù)月的待機(jī)和工作時(shí)間，同時(shí)還要支持多種傳感器的工作[9]。所以，在滿足穿戴舒適美觀的前提下提高設(shè)備的持續(xù)待機(jī)和工作時(shí)間成為人們主要研究的問(wèn)題之一。

1.2 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性差

現(xiàn)階段的智能可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)和技術(shù)還不夠完善和成熟，不同品牌的廠家無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效共享，基本處于各自開發(fā)自己的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺(tái)階段，智能可穿戴設(shè)備無(wú)法排斥外界干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差[10]等問(wèn)題。

1.3 缺乏專業(yè)性數(shù)據(jù)分析

目前，市場(chǎng)上的智能可穿戴設(shè)備基本上都是應(yīng)用于醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域或消費(fèi)電子領(lǐng)域。針對(duì)醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域，專業(yè)的分析是不可或缺的。由于多數(shù)用戶將智能可穿戴設(shè)備應(yīng)用于身體指標(biāo)檢測(cè)，隨著用戶的使用，數(shù)據(jù)量逐漸增大，設(shè)備自身無(wú)法對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)性的醫(yī)學(xué)健康分析，使得用戶在自身健康有危險(xiǎn)時(shí)無(wú)法及時(shí)做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1.4 數(shù)據(jù)同步傳輸時(shí)效性差

部分智能可穿戴設(shè)備傳輸時(shí)效性較低，盡管有無(wú)線網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)同步傳輸還是較差，從而影響用戶使用體驗(yàn)。

1.5 個(gè)人隱私及設(shè)備安全性無(wú)法保障

大部分智能穿戴設(shè)備采用開放式操作系統(tǒng)，并且基本采用無(wú)線連接的方式[11]。伴隨著用戶的使用，智能可穿戴設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)信息量不斷增長(zhǎng)，這就意味著可能被別人竊取的個(gè)人隱私越來(lái)越多，自身信息的曝光度不斷增加，用戶隱私安全性堪憂。目前，內(nèi)部漏洞和外部黑客的攻擊是導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)泄露的兩大主要原因，這兩個(gè)原因也是現(xiàn)階段智能可穿戴設(shè)備所面臨的主要安全問(wèn)題[12]。除了信息安全，設(shè)備安全也備受關(guān)注，每個(gè)電子設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生輻射，長(zhǎng)期的佩戴可能會(huì)對(duì)人體健康構(gòu)成威脅，雖然輻射的強(qiáng)度小，但是由于輻射的日積月累，存在著安全隱患。

1.6 其他不足

由于可穿戴設(shè)備源于傳統(tǒng)的穿戴設(shè)備，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)缺乏創(chuàng)意、不夠精美，有點(diǎn)像新鮮的玩具，缺乏時(shí)尚性[13]。畢竟智能可穿戴設(shè)備是要穿戴走出去，時(shí)尚美觀性不可缺少。此外，創(chuàng)新意識(shí)缺乏、設(shè)計(jì)靈感匱乏和同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外廠商扎堆研發(fā)產(chǎn)品時(shí)逐漸顯露出來(lái)[14]。智能可穿戴設(shè)備的功能趨于單一化，缺少足夠的軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

2 5G技術(shù)為智能可穿戴設(shè)備提供解決方案

2.1 智能可穿戴設(shè)備的續(xù)航問(wèn)題解決方案

解決智能可穿戴設(shè)備中待機(jī)時(shí)間即續(xù)航問(wèn)題主要有3種方法：

（1）從軟件和硬件兩方面減少功耗，如操作系統(tǒng)、芯片等，最終使性能與功耗均達(dá)到最佳狀態(tài)[11]。將5G的大規(guī)模MIMO技術(shù)[15]應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)大功率容量的同時(shí)降低能耗，從而滿足待機(jī)時(shí)長(zhǎng)的要求。大規(guī)模多天線技術(shù)與單一天線技術(shù)相比，無(wú)論是在頻譜的利用效率，還是能量的利用效率都有很大的提升。大規(guī)模多天線技術(shù)能夠通過(guò)不同的維度（空域、時(shí)域、頻域、極化域）提升系統(tǒng)的效率[16]，還可大幅降低發(fā)射功率[17]、提高功率效率[18]。

（2）從電池本身的容量來(lái)提升續(xù)航時(shí)間。使用柔性技術(shù)改變電池的形狀，一方面可以提升電池容量；另一方面可以使電池的體積減小，提高電池的空間利用率，并且使得電池的形狀因設(shè)備的實(shí)際情況而做相應(yīng)的改變。

（3）從充電技術(shù)方面提升續(xù)航時(shí)間，如采用太陽(yáng)能充電、生物充電和無(wú)線充電等[11]。目前，這些充電技術(shù)正處于研究階段，將來(lái)會(huì)逐步的應(yīng)用和推廣。

2.2 智能可穿戴設(shè)備中技術(shù)改進(jìn)

目前智能可穿戴設(shè)備技術(shù)主要問(wèn)題集中在數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)專業(yè)分析能力、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性、個(gè)人隱私及設(shè)備安全性等方面。5G技術(shù)中的D2D（Device to Device）[19-20]技術(shù)和大規(guī)模MIMO技術(shù)[15]可以有效地解決這些問(wèn)題。其中：D2D技術(shù)是指通信網(wǎng)絡(luò)中近鄰設(shè)備之間直接交換信息的技術(shù)；大規(guī)模MIMO（Multiple Input and Multiple Output,MIMO）通信系統(tǒng)又稱為大范圍多輸入多輸出技術(shù)。

2.2.1 D2D技術(shù)

一般通信設(shè)備都是利用基站（Base Station, BS）進(jìn)行繼通信。在建立D2D通信鏈路后，相距很近的通信設(shè)備即近鄰用戶設(shè)備（User Equipment, UE）可以跳過(guò)基站進(jìn)行直接連接與通信[21]。在D2D技術(shù)背景下的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，將同時(shí)存在傳統(tǒng)的UE-BS連接與D2D連接，其中還包括D2D本地網(wǎng)（D2D-LAN）[22]。跳過(guò)像基站一樣的核心設(shè)備或中心設(shè)備而直接進(jìn)行連接，一方面可以大幅降低大數(shù)據(jù)給通信系統(tǒng)中的核心網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的壓力，另一方面還可以使吞吐量、網(wǎng)絡(luò)容量和頻譜利用效率大幅提高。D2D技術(shù)的這些特點(diǎn)為降低系統(tǒng)延遲時(shí)間（或零延遲）、提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，增強(qiáng)系統(tǒng)智能化，提高系統(tǒng)靈活度等提供支持，進(jìn)而解決智能可穿戴設(shè)備的大數(shù)據(jù)運(yùn)算效率低和低時(shí)效的問(wèn)題。5G網(wǎng)絡(luò)提供的海量數(shù)據(jù)為智能可穿戴設(shè)備的專業(yè)指導(dǎo)提供解決方案。在D2D設(shè)備研究方案中將用戶分為限制發(fā)現(xiàn)和公開發(fā)現(xiàn)兩類。對(duì)于限制發(fā)現(xiàn)類用戶，UE在沒(méi)有明確許可的情況下是不允許被檢測(cè)的，用戶禁止與陌生設(shè)備進(jìn)行通信連接，以此來(lái)保證UE的隱私性和安全性；對(duì)于公開發(fā)現(xiàn)類用戶，只要當(dāng)前UE是另一個(gè)設(shè)備的近鄰設(shè)備，則可被檢測(cè)到，進(jìn)而建立聯(lián)系，這種模式的用戶的隱私性較差，但連接的復(fù)雜度低[23]。這兩種模式適用于不同情況，限制發(fā)現(xiàn)是在智能可穿戴設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好、選擇較多的情況下使用，而公開發(fā)現(xiàn)是在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好或覆蓋不全的條件下、又遇上了緊急事件需要發(fā)送應(yīng)急信息或請(qǐng)求救援情況下使用[7]。

2.2.2 大規(guī)模MIMO

貝爾實(shí)驗(yàn)室的Thomasz在2010年《無(wú)線通信》中提出了5G中的大規(guī)模多天線的概念[15]：通信系統(tǒng)中，基站的天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于終端的天線數(shù)目時(shí)，通過(guò)建立極大數(shù)目達(dá)到終端的信道實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頑健高速傳輸，并通過(guò)大規(guī)模天線簡(jiǎn)化MAC層設(shè)計(jì)來(lái)最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低時(shí)延傳輸[16]。5G的超高效能無(wú)線傳輸技術(shù)和高密度無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（high density wireless network）技術(shù)[18]中的基于大規(guī)模MIMO的無(wú)線傳輸技術(shù)可使頻譜效率和功率效率在4G的基礎(chǔ)上再提升一個(gè)數(shù)量級(jí)[24]，同時(shí)提高了傳輸?shù)目煽啃浴４笠?guī)模MIMO技術(shù)應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備時(shí)，使得網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)用戶可以在同一時(shí)頻資源上利用大規(guī)模MIMO提供的空間自由度與基站同時(shí)進(jìn)行通信，在不需要增加基站的密度和帶寬的條件下，大幅提高頻譜效率[25]，并且波束賦形技術(shù)能夠讓能量極小的波束集中在一塊小型區(qū)域，從而使信號(hào)之間的相互干擾大幅減小。波束賦形技術(shù)可以與小區(qū)分裂、小區(qū)分簇相結(jié)合，并與毫米波高頻段共同應(yīng)用于無(wú)線短距離傳輸系統(tǒng)中，將信號(hào)強(qiáng)度集中于特定方向與特定用戶群，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠高速傳輸[23]，進(jìn)而提高智能可穿戴設(shè)備的信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、快速性與可靠性。當(dāng)天線數(shù)量足夠大時(shí)，噪聲與不相關(guān)的干擾都可以忽略不計(jì)[17]。因此將5G技術(shù)應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備中將會(huì)大幅度改善智能可穿戴設(shè)備的性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

智能可穿戴設(shè)備由于其便攜性、智能化等優(yōu)點(diǎn)，必定會(huì)成為未來(lái)電子設(shè)備的重要成員之一。本文針對(duì)智能可穿戴設(shè)備使用中所遇到的問(wèn)題，結(jié)合5G技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將5G與智能可穿戴設(shè)備結(jié)合，并分別從續(xù)航、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)專業(yè)分析能力、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性、個(gè)人隱私及設(shè)備安全性等方面，淺析了5G的一些關(guān)鍵技術(shù)在智能可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。