基于物聯(lián)網(wǎng)形勢下的5G通信技術(shù)應(yīng)用探索

鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 馮文革 雷軍麗 張玉嬌

信息時代通常指的是計算機(jī)時代或數(shù)字時代。每個人都有機(jī)會自由地傳遞信息，并及時獲得信息。物聯(lián)網(wǎng)是“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，也稱泛互聯(lián)網(wǎng)。泛互聯(lián)網(wǎng)與移動通信技術(shù)的高度融合是信息時代的重要標(biāo)志。近年來，隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，各種優(yōu)勢得到了發(fā)展，也構(gòu)成了對4G技術(shù)的全面升級。在泛互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大背景下，5G通信技術(shù)的推廣應(yīng)用必將帶來人們生活質(zhì)量的提高。因此，本文簡要介紹了泛互聯(lián)和5G通信技術(shù)的基本特點和應(yīng)用中存在的問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)與5G通信技術(shù)的概念

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）以無線通訊技術(shù)和計算機(jī)信息技術(shù)為基礎(chǔ)，將互聯(lián)網(wǎng)與各種對象連接起來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的相互聯(lián)通的互聯(lián)網(wǎng)，也稱之為泛互聯(lián)網(wǎng)。

從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)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)，實現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，它包括互聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)上所有的資源，兼容互聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用，但物聯(lián)網(wǎng)中所有的元素（所有的設(shè)備、資源及通信等）都是個性化和私有化。

1.2 5G通訊技術(shù)

5G通信技術(shù)是繼4G通信技術(shù)后的新一代蜂窩移動通信技術(shù)。它具有高數(shù)據(jù)速率運行、網(wǎng)絡(luò)延時小、功耗低等優(yōu)點，也是推動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要原因。在高連通性的情況下，仍然是多個通信頻段，保持了較高的可靠性和穩(wěn)定性，使移動通信用戶的流量數(shù)據(jù)和連接密度有了很大的提高，也提升了系統(tǒng)同化水平以及實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間靈活的調(diào)整?；诨ヂ?lián)網(wǎng)5G通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使泛互聯(lián)網(wǎng)概念得到了深刻的擴(kuò)展，從而促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 5G技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的作用

2.1 信息技術(shù)的發(fā)展

移動通信技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有幾十年的歷史了，幾十年來也發(fā)生了一些變革。一代通訊技術(shù)（1G）主要用于調(diào)頻調(diào)制、模擬信號傳輸，最初用于實現(xiàn)無限遠(yuǎn)程呼叫。當(dāng)集成電路等一系列的發(fā)展和二代通信技術(shù)（2G）的問世，數(shù)字信號傳播取代了模擬信號傳輸，提高了抗干擾通訊性能，隨之而來的是各種信息服務(wù)的出現(xiàn)，是通訊技術(shù)的一次質(zhì)的提升。而三代和四代在二代的基礎(chǔ)上再次提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸速度:從就真正意義上來說，三代通信技術(shù)帶來了整個移動互聯(lián)網(wǎng)。 當(dāng)前，4G通信是我國應(yīng)用最廣泛的第四代通信方式。它大大提高了網(wǎng)絡(luò)速度，從而進(jìn)一步推動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使通信設(shè)備不在拘泥于通話和短信，這使得數(shù)據(jù)傳輸功能特別重要，給泛互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造了足夠的想象空間。

每一代通信技術(shù)的創(chuàng)新都將會對社會帶來創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。當(dāng)前為止，5G通信時代早已到來，從2016年開始截止到2018年就已經(jīng)開始制定第五代標(biāo)準(zhǔn)。2019年成為新的5G通信元年，而2020年，5G通信已經(jīng)開始大規(guī)模的商用。

2.2 5G通信技術(shù)基本原理

從二代通信技術(shù)到5G通信技術(shù)這一階段，移動通信技術(shù)基本上都是以數(shù)字信號為主。移動通信利用電磁波在空氣中的傳播進(jìn)行通信，它通常包括信號發(fā)生器和信號接收器，包括調(diào)制和解調(diào)等基本步驟。無線通信的電磁波與有線通信的區(qū)別在于它在空氣傳播途徑中有反射、衍射和散射等情況，從而抵達(dá)多個路徑目的地[2]。

2.3 5G通信的基本特點

根據(jù)IMT-2020推進(jìn)組對5G通信的基本要求，5G通信技術(shù)在未來至少包含高速率、高容量、高可靠性、低延時與低能耗等五個方面，簡單來說就是“三高兩低”。

2.3.1 高速率

峰值、區(qū)域、邊緣速率是五代通信速率的三個指標(biāo)，峰值速率要求高于20Gbps，指最佳條件下的最大速率；區(qū)域速率就是指通信系統(tǒng)同時支持的總速率，通常用單位面積速率來描述，是4G通信的千倍以上。邊緣速率又稱5%速率，這是用戶用最差的五分之一所獲取的通信速率。通常，它必須在100Mbps到1Gbps之間。

2.3.2 高容量

傳統(tǒng)的4G通信一般都是以手機(jī)為基礎(chǔ)的，可以連接的終端數(shù)量非常有限，而5G可以連接到大量的設(shè)備，每平方公里可以支持100萬個移動終端。包括家用電器和各種便攜式電器與設(shè)備等。

2.3.3 高可靠性

超可靠低延遲通信（uRLLC）是3GPP（第三代合作項目）第15版定的5G新無線電（NR）標(biāo)準(zhǔn)所支持的不同類型的用例之一。垂直行業(yè)中的許多應(yīng)用場景都需要Urllc來提供端到端傳輸安全性和99.999%的傳輸可靠性，同時確保低延遲。

2.3.4 低延時

信息通信時延是指從一個終端到另一個終端的時間，傳統(tǒng)的4G通信時延約為50ms，對于人與人之間的社會互動影響并不大，但對于泛互聯(lián)網(wǎng)中的某些人與場景來說并不適合，電力以光速傳播，并存在多種協(xié)同控制場景。5G通訊端口的時延達(dá)到1ms，終端對終端則達(dá)到10ms，為電力系統(tǒng)的靈活響應(yīng)提供了多種支持。

2.3.5 低能耗

如果傳感器和通信設(shè)備經(jīng)常需要更換電池或充電，這將給互聯(lián)網(wǎng)帶來很大的障礙，因此，5G通信將通過優(yōu)化硬件協(xié)議和其他低功耗特性來有效地解決這一問題。

3 5G通信技術(shù)在泛互聯(lián)網(wǎng)中的融合應(yīng)用

基于泛互聯(lián)網(wǎng)之下達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)需求的主要目標(biāo)是5G通信技術(shù)，它在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方面更加寬廣。在目前階段，5G移動通信技術(shù)逐步在遠(yuǎn)程醫(yī)療治療及手術(shù)方面、虛擬現(xiàn)實操控?zé)o人機(jī)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等項目中展開融合。

3.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療治療及手術(shù)

通過5G通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的融合，極大的縮減了醫(yī)生與患者的空間距離，實現(xiàn)了空間跨度來完成診治與手術(shù)。早在2019年一月中旬，華為聯(lián)合中國聯(lián)通福建分公司、福建醫(yī)科大、北京301、蘇州康多機(jī)器人有限公司等通過5G遠(yuǎn)程外科手術(shù)成功實施了“世界首例5G遠(yuǎn)程外科手術(shù)”——外科手術(shù)動物實驗。通過高清畫面，實施信號傳導(dǎo)，遠(yuǎn)程控制50公里外機(jī)器人手術(shù)鉗及電刀，對福建醫(yī)科大學(xué)孟超肝膽醫(yī)院內(nèi)的一只小豬進(jìn)行了肝小葉的切除，用時一小時，并且術(shù)后良好，生命體征平穩(wěn)。同年3月16日，全國首例5G遠(yuǎn)程人體手術(shù)——帕金森病“腦起搏器”植入手術(shù)成功的在我們中國人民解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院完成，這場手術(shù)時通過解放軍總院的神經(jīng)外科的凌至培主任來親自通過5G移動網(wǎng)絡(luò)的指導(dǎo)下進(jìn)行的腦起搏器植入手術(shù)操作，凌主任表示這是異?？绲貐^(qū)手術(shù)操作和指導(dǎo)，是新型的信息技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)的新結(jié)合，不僅可以幫助患者降低醫(yī)療的成本還可以吸引優(yōu)質(zhì)資源，這在醫(yī)療領(lǐng)域有著重要的意義。

3.2 虛擬現(xiàn)實無人機(jī)

對于高級無人機(jī)，4G技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了對無人機(jī)的應(yīng)用，目前無人機(jī)應(yīng)用分為個人應(yīng)用和行業(yè)應(yīng)用，對于個人應(yīng)用而言，3G/4G通信技術(shù)無法滿足用戶對于無人機(jī)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨?，這使得5G技術(shù)為無人機(jī)帶來新的發(fā)展空間。以5G技術(shù)作為基礎(chǔ)，給網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)帶來了實時超高清圖傳、遠(yuǎn)程低延時控制以及海量數(shù)據(jù)處理等極為重要的能力。例如經(jīng)典的5G無人機(jī)應(yīng)用有倉儲物流運送服務(wù)、娛樂直播、農(nóng)林植保、地理測繪、基礎(chǔ)巡檢等。雖然現(xiàn)在5G和無人機(jī)的運用處于融合發(fā)展的初期階段，但是目前主要進(jìn)行的應(yīng)用有:

3.2.1 物流運送

低空無人駕駛飛機(jī)通過遙控和自動飛行，可以自動將包裹運送到目的地，避免了交通堵塞，消除了地形干擾，提高了運送效率。

3.2.2 視頻直播

360度全景鏡頭安裝在無人機(jī)上進(jìn)行視頻拍攝。全景攝像機(jī)完成對視頻流的捕獲、拼接和處理，然后通過5G網(wǎng)絡(luò)下行鏈路傳輸給用戶。用戶可以隨時隨地通過終端感受到人們心中的場景。

3.2.3 農(nóng)林植保

通過對無人機(jī)進(jìn)行個性化負(fù)載實現(xiàn)植保機(jī)械化，通過5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合實現(xiàn)無人機(jī)與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)交換。云平臺對負(fù)載采集的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，協(xié)助數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

3.2.4 地理測繪

利用5G網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)可以對周圍的環(huán)境生成實時的地圖模型，就可以實現(xiàn)在應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)的挖掘。

采集環(huán)境數(shù)據(jù)并生成實時地圖模型的技術(shù)方案，可以實現(xiàn)在不同的環(huán)境下，應(yīng)用于不同的場景下基于地圖的數(shù)據(jù)挖掘，是對傳統(tǒng)航空攝影測量的有力補(bǔ)充。在教育，城市規(guī)劃以及科研等的場景下的應(yīng)用給他們的發(fā)展提供了無限的空間。

3.2.5 基礎(chǔ)巡檢

無人機(jī)因其成本低、靈活性強(qiáng)、安全性高、對自然環(huán)境和地形影響小、視角好等優(yōu)點在基礎(chǔ)設(shè)施檢測領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。主要包括:建筑外墻檢測、供電檢測、基站檢測、輸油管道檢測、河流檢測等。

4 泛互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在5G時代的發(fā)展戰(zhàn)略

4.1 泛互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時代

為了不斷提高上述內(nèi)容所描述的數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)能力和應(yīng)用結(jié)果，廣義人工智能結(jié)合了統(tǒng)計、計算、優(yōu)化等跨學(xué)科技術(shù)，已經(jīng)成為連接泛互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)之間的紐帶。將5G通信技術(shù)下的大數(shù)據(jù)與AI、泛互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，完善互補(bǔ)運行機(jī)制，將成為當(dāng)今時代最先進(jìn)的生產(chǎn)力工具[3]。

以智能駕駛領(lǐng)域的無人駕駛汽車為例。由于其強(qiáng)大的全球傳感器設(shè)備，算力架構(gòu)以及車機(jī)優(yōu)化，33個傳感器，一套激光雷達(dá)與11個高清攝像頭配合，通過人工智能將傳感器數(shù)據(jù)、無限感知結(jié)論和機(jī)器視覺反饋進(jìn)行結(jié)合。

4.2 5G智能化技術(shù)的運用

智能化技術(shù)是在五代通信技術(shù)的應(yīng)用中極其重要的一項技術(shù)，它根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀的不斷改變從而提供多種多樣的服務(wù)，數(shù)據(jù)量的龐大復(fù)雜將會上傳到網(wǎng)絡(luò)終端。而5G通信技術(shù)中的新網(wǎng)絡(luò)云計算平臺可以負(fù)擔(dān)一系列的傳輸。在泛互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，5G通信技術(shù)已經(jīng)達(dá)到并提供了新的智能化運營標(biāo)準(zhǔn)，能否滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要。在這方面，無論是在生活中還是在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，5G通信技術(shù)都起著至關(guān)重要的作用。

5 結(jié)語

5G通信技術(shù)的出現(xiàn)取代了前四代通信技術(shù)，為國民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)帶來了更優(yōu)質(zhì)更高校的服務(wù)。目前，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式下，與4G通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)更適合行業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展領(lǐng)域更為開放。在這個大數(shù)據(jù)的時代之下，推動信息生產(chǎn)力發(fā)展的決定性因素是信息化，而5G技術(shù)的出現(xiàn)使得更精確的規(guī)劃和管理成為可能。實現(xiàn)了通信技術(shù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的融合。使先進(jìn)的電子信息技術(shù)更好地準(zhǔn)備好控制各行業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的共同發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，實現(xiàn)通信技術(shù)的立體化發(fā)展。