物聯(lián)網(wǎng)形勢下的5G通信技術(shù)應用

魏文勇，盛 利

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

1 物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)的介紹

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

將物聯(lián)網(wǎng)簡單理解為物與物之間互聯(lián)互通的網(wǎng)絡，它既是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，也是網(wǎng)絡信息時代背景下人與物、物與物之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和信息交換的重要載體。

從信息技術(shù)的層面來看，物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是在物體中嵌入微型感應芯片，以嚴格的網(wǎng)絡協(xié)議為基礎，通過互聯(lián)網(wǎng)、傳感器設備的整合，在人與物品、物品與物品之間建立連接，使得數(shù)據(jù)信息能夠傳輸、共享及交互，從而實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控以及管理等多種功能。近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速。隨著技術(shù)水平的不斷提高，它在社會建設發(fā)展中的應用普及性和重要性不斷提升，已成為智慧城市、智慧交通以及智能家居等領域不可或缺的技術(shù)支撐[1]。

1.2 5G通信技術(shù)及其特點

5G通信技術(shù)指第5代移動通信技術(shù)，是現(xiàn)階段最先進的通信技術(shù)之一。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的定義，5G通信技術(shù)應用在增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時延通信（ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）和海量機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）3大場景。eMBB主要用來應對移動通信數(shù)據(jù)流量爆炸式增長的問題，能夠大幅度提高移動通信數(shù)據(jù)的傳輸效率，給予移動通信網(wǎng)絡用戶更好的使用體驗。uRLLC主要應用在具有較高時延和高可靠性要求的垂直行業(yè)，如自動駕駛、遠程醫(yī)療以及工業(yè)控制等領域，以滿足其對數(shù)據(jù)信息傳輸高速性和穩(wěn)定性的需求。mMTC能夠更好地滿足人們在傳感和數(shù)據(jù)采集方面的高需求，多應用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居以及智慧城市等領域[2]。

作為先進的通信技術(shù)，5G通信技術(shù)具有突出特點。第一，高速率。相關(guān)的技術(shù)標準要求5G通信基站的峰值達到10～20 Gb/s。第二，低時延。通常情況下，5G通信網(wǎng)絡的空中接口時延會低至1 ms。第三，大連接。因具有低功耗、高傳輸速率及穩(wěn)定性優(yōu)勢，5G通信技術(shù)的連接能力遠高于4G通信技術(shù)，可達到100萬/km2。此外，5G通信技術(shù)具有極強的網(wǎng)絡覆蓋能力，無論是廣度覆蓋還是縱深覆蓋，都具有明顯優(yōu)勢，可實現(xiàn)大連接功能。

基于5G通信技術(shù)的特點，它已成為現(xiàn)階段構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐[3]。

2 物聯(lián)網(wǎng)形勢下5G通信技術(shù)的應用

2.1 智能化技術(shù)分析

5G通信技術(shù)的中心網(wǎng)絡本質(zhì)上是一個云計算平臺，由數(shù)據(jù)處理、計算能力極強的大型服務器構(gòu)成。在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的形勢下，大量復雜化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息在中心網(wǎng)絡傳輸。將5G通信技術(shù)應用于物聯(lián)網(wǎng)，能夠借助其關(guān)鍵性的智能化技術(shù)，更加科學、高效地應對數(shù)據(jù)信息的傳輸和處理問題，從而更好地保障物聯(lián)網(wǎng)的運行效率和穩(wěn)定性。

基于5G通信技術(shù)提高機器對機器（Machine to Machine，M2M）通信應用的技術(shù)水平。M2M是物聯(lián)網(wǎng)最常見的應用形式，指機器與機器、人與機器、移動網(wǎng)絡與機器之間的通信，涵蓋了人、機器、網(wǎng)絡之間的通信技術(shù)。應用該技術(shù)的過程中，無須經(jīng)過用戶，設備之間可直接進行通信，具有較高的通信效率和自動化水平，被廣泛應用于城市信息化、安全監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測以及智能電網(wǎng)等領域。然而，在無線網(wǎng)絡連接下，M2M技術(shù)在應用過程中必然會受到一定干擾，影響技術(shù)的應用效果，因此提高無線網(wǎng)的穩(wěn)定性是促進M2M技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。5G通信技術(shù)具有傳輸速率高、應用范圍廣、帶寬大以及低延遲等技術(shù)優(yōu)勢。通過輕量級M2M（Lightweight M2M，LwM2M）協(xié)議，將使用基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LTE-Machineto-Machine，LTE-M）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等蜂窩技術(shù)的M2M設備與5G通信網(wǎng)絡相連接，可為M2M設備提供良好的網(wǎng)絡連接性、穩(wěn)定性以及有保證的服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS），從而最大限度提升M2M技術(shù)的應用水平和效果，進一步突出M2M智能化和智慧化的技術(shù)特征[4]。

此外，5G通信技術(shù)中內(nèi)容分發(fā)技術(shù)（網(wǎng)絡）在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，可通過構(gòu)建智能虛擬網(wǎng)絡的方式，綜合考慮各網(wǎng)絡節(jié)點用戶距離、連接狀態(tài)以及負載狀況等多種因素，將數(shù)據(jù)信息內(nèi)容分發(fā)到距離用戶較近的代理服務器，以有效解決物聯(lián)網(wǎng)使用過程中數(shù)據(jù)信息集中爆發(fā)引發(fā)的網(wǎng)絡擁堵問題，提高物聯(lián)網(wǎng)信息的傳輸和響應速度，保證物聯(lián)網(wǎng)的功能性和智能性[5]。

2.2 超密集網(wǎng)絡技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種智能終端逐漸普及，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量出現(xiàn)井噴式增長。面對這種情況，只有引入5G通信技術(shù)才能妥善完成海量數(shù)據(jù)的傳輸交互工作，確保物聯(lián)網(wǎng)的正常運行。此過程主要依靠的是5G通信技術(shù)中的超密集網(wǎng)絡技術(shù)（Ultra Dense Deployment，UDN）。該技術(shù)的本質(zhì)是通過小基站加密部署的方式，增大目標區(qū)域內(nèi)低功率傳輸節(jié)點的密度，縮小網(wǎng)絡覆蓋范圍，將服務對象局限于少量用戶，以拉近低功率傳輸節(jié)點與終端的距離。該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)局部熱點區(qū)域通信網(wǎng)絡系統(tǒng)容量的百倍量級提升，還能夠分流業(yè)務，使網(wǎng)絡部署更具靈活性，同時頻率復用更具高效性[6]。

目前，UDN在物聯(lián)網(wǎng)中的應用主要有“宏基站+微基站”和“微基站+微基站”2種規(guī)劃部署方式，如圖1所示。在“宏基站+微基站”部署方式下，宏基站負責高移動性、低速率數(shù)據(jù)信息的傳輸，微基站則主要負責高帶寬業(yè)務的承載。這種方式以宏基站負責覆蓋、微基站進行資源協(xié)同管理的方式，實現(xiàn)覆蓋和容量的單獨優(yōu)化設計，以妥善解決多組網(wǎng)環(huán)境下網(wǎng)絡頻繁切換問題，確保物聯(lián)網(wǎng)運行過程中的網(wǎng)絡傳輸穩(wěn)定性，提升用戶體驗感?！拔⒒?微基站”部署方式需要通過信號、信道以及載波等部分資源共享的方式，利用微基站構(gòu)建一個虛擬宏小區(qū)。一方面利用虛擬宏小區(qū)實現(xiàn)主要的數(shù)據(jù)信息承載和傳輸工作，另一方面利用各個微基站的剩余資源單獨完成用戶面的數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)控制面與數(shù)據(jù)面的分離。這樣既能夠在低網(wǎng)絡負載時提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，又能夠在高網(wǎng)絡負載時提高網(wǎng)絡容量，從而最大限度保證物聯(lián)網(wǎng)的運行穩(wěn)定性與高效性[7]。

圖1 超密集網(wǎng)絡規(guī)劃部署

2.3 毫米波技術(shù)分析

作為5G通信技術(shù)的一個關(guān)鍵性技術(shù)，毫米波技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中也發(fā)揮著極為重要的作用。毫米波是5G通信技術(shù)中使用的一個主要頻段，本質(zhì)上屬于一種波長在1～10 mm（頻率為30～300 GHz）的高頻電磁波。相較于其他類型的電磁波，毫米波段可使用的頻譜資源非常豐富，因此毫米波技術(shù)的應用可顯著擴大5G通信網(wǎng)絡的容量，提高傳輸速度?，F(xiàn)階段，5G通信技術(shù)主要使用2個通信頻段，一個是Sub-6 GHz低頻頻段，另一個是24～100 GHz的毫米波頻段。Sub-6 GHz低頻頻段為主的LTE蜂窩系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率不高于1 Gb/s，最大帶寬為100 MHz。對于24～100 GHz的毫米波頻段，以24 GHz、28 GHz、39 GHz以及60 GHz幾個頻段的應用最常見。以該頻段為主的通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率高達10 Gb/s，最大頻率可達400 MHz[8]。

2.4 高頻段傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要以更快的網(wǎng)絡傳輸速度為支撐，但是如今移動通信技術(shù)頻譜資源匱乏。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，頻譜資源應用主要集中在6 GHz以下。若物聯(lián)網(wǎng)建設過程中依然使用低頻頻段，必然會限制數(shù)據(jù)信息的傳輸速度，嚴重影響物聯(lián)網(wǎng)各項功能的發(fā)揮。基于5G通信技術(shù)的高頻段傳輸?shù)?G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計，如圖2所示。它既能夠有效緩解資源緊張問題，又能夠大幅度提高物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息傳輸速率。此外，它具有傳播方向性強、抗干擾性較好、元器件尺寸小以及頻率復用性較高等優(yōu)勢。其中，60 GHz頻段逐漸成為高頻段傳輸技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的一個應用研究熱點[9]。

圖2 基于高頻段傳輸?shù)?G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計示意圖

3 物聯(lián)網(wǎng)形勢下5G通信技術(shù)的發(fā)展方向

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動下，未來5G通信技術(shù)將呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。一方面，進一步提高5G網(wǎng)絡的上行峰值速率。以常見的3.5 GHz頻段、100 MHz帶寬5G網(wǎng)絡來看，上行峰值速率僅為380 Mb/s。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，該上行峰值速率將無法滿足物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。通過靈活的幀結(jié)構(gòu)配置、上行載波聚合等技術(shù)手段，可提高5G網(wǎng)絡的上行峰值速率。這將是物聯(lián)網(wǎng)形勢下5G通信技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。

另一方面，隨著智能家居、智能樓宇以及智能辦公的快速發(fā)展，未來物聯(lián)網(wǎng)的應用范圍會由室外向室內(nèi)延伸，且5G通信網(wǎng)絡室內(nèi)業(yè)務量也會出現(xiàn)大規(guī)模增長。因此，利用分布式Massive MIMO或毫米波等技術(shù)提高5G網(wǎng)絡室內(nèi)容量，促進室內(nèi)容量的彈性躍升，從而為To B產(chǎn)業(yè)提供更高的網(wǎng)絡質(zhì)量，為To C用戶提供更好的業(yè)務體驗，是物聯(lián)網(wǎng)形勢下5G通信技術(shù)發(fā)展的另一個方向[10]。

4 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)是新時期推動社會發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)，2者之間存在相互滲透、相互支持的關(guān)系。從智能化技術(shù)、密集網(wǎng)絡技術(shù)、毫米波技術(shù)以及高頻段傳輸通信技術(shù)這幾個層面出發(fā)，將5G通信技術(shù)合理應用于物聯(lián)網(wǎng)，可為其提供更高效、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡支持，一方面充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的作用和價值，另一方面促進物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)協(xié)同發(fā)展。