5G通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的應(yīng)用

葉立彩，馬曉宇

（廣西通信規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是1種將各種事物連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)。眾所周知，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)變得越來(lái)越普遍，它不但可以把各類信息資源進(jìn)行整合，而且還能與人們的日常生活緊密聯(lián)系。在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，一般都會(huì)在控制設(shè)備上安裝一塊芯片，用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送和接收，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展則是建立在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，如果沒(méi)有了網(wǎng)絡(luò)，就不可能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，許多先進(jìn)的計(jì)算方法都使其具備了一定的學(xué)習(xí)性能。因?yàn)槭芫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的制約，其在實(shí)際中的應(yīng)用還存在著一定局限，所以在大規(guī)模的應(yīng)用中，通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)其進(jìn)行了廣泛的部署和應(yīng)用[1-4]。

1 5G通信技術(shù)的主要特點(diǎn)

1.1 更快速的信息傳送和更大的寬帶能力

從80年代初的無(wú)線通信技術(shù)，到后來(lái)的2G、3G、4G和5G，隨著5G技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用，使其在傳輸速度、寬帶容量等方面都得到了極大的提升，4G、5G網(wǎng)絡(luò)中的基站峰值速率達(dá)到20 Gb/s以上。這些技術(shù)性能的提高使用戶有很好的上網(wǎng)體驗(yàn)，方便用戶在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行高清晰度的圖像和視頻的傳輸。在5G快速發(fā)展的新時(shí)代背景下，5G通信技術(shù)將會(huì)有著更大的發(fā)展空間，只有這樣才能滿足時(shí)代發(fā)展的需求[4-6]。

1.2 全網(wǎng)絡(luò)、低延遲傳輸

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活節(jié)奏的加快，信息的重要性日益凸顯，對(duì)通信的需求也日益增長(zhǎng)。因此，為了保證信息智能化服務(wù)，除了要保證覆蓋范圍外，還要提高移動(dòng)通信的靈活性和連接密度。5G通信技術(shù)使得大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)覆蓋不再局限于高原、山區(qū)等自然環(huán)境和地域。5G技術(shù)最大的特點(diǎn)之一是延時(shí)小，也是5G技術(shù)的一大突破。5G對(duì)延時(shí)的要求是1 ms以內(nèi)，幾乎讓人感覺(jué)不到。和4G相比，5G的性能有了很大提高（如圖1所示），還能實(shí)現(xiàn)同步控制。5G技術(shù)在某些高智能產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的高延遲通信技術(shù)相比，能夠很好地滿足這類工業(yè)對(duì)信息傳輸?shù)囊骩7-10]。

圖1 5G與4G對(duì)比

2 物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 移動(dòng)寬帶增強(qiáng)（enhanced Mobile Broadband，eMBB）

使用者可以深刻感受到物聯(lián)網(wǎng)最大的數(shù)據(jù)率和最高的使用流動(dòng)性，傳輸速率達(dá)到10 Gb/s，比4G快100倍。高帶寬和高信息量的傳輸，可以使數(shù)據(jù)通過(guò)高能量的無(wú)線電波甚至毫米波。各種類型的基站具有廣泛的覆蓋面，在高速環(huán)境下進(jìn)行波速賦形，功率大，可確保移動(dòng)速度超過(guò)500 km/h。5G載體與分段路由（Segment Routing，SR）相結(jié)合，減少了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，使業(yè)務(wù)通路更加順暢，同時(shí)可以為大規(guī)模語(yǔ)音、視頻、即時(shí)通信、網(wǎng)絡(luò)媒體以及物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等提供基礎(chǔ)的技術(shù)支撐。

2.2 超高可靠超低時(shí)延通信（uRLLC）

超高可靠超低時(shí)延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communications，uRLLC）的延遲不足 1 ms，僅為4G的10%。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的差異性要求，將5G網(wǎng)絡(luò)的切片能力與之相結(jié)合，可確保不同的物流服務(wù)。在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，低時(shí)延的功能突出。許多事物之間的聯(lián)系都需要有相應(yīng)的響應(yīng)能力。在5G網(wǎng)絡(luò)中，采用低延遲的端到端延遲，可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級(jí)分級(jí)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行專門的處理，大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時(shí)間，使海量的碼流、4K的視頻流、8K的視頻流能夠平穩(wěn)、流暢地傳輸。在uRLLC類型的物理環(huán)境中，即使連接數(shù)目亟劇增加，交互時(shí)延依然很高。

2.3 大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（massive Machine Type Communication，mMTC）

5G技術(shù)能夠可在深度覆蓋條件下進(jìn)行大規(guī)?；ヂ?lián)，其中每平方千米106的網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量比4G多100倍，可以進(jìn)行終端對(duì)終端的數(shù)據(jù)傳輸。運(yùn)營(yíng)商正大量建造各種5G頻譜，如700 MHz、900 MHz、2.1 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz以及毫米波。5G與其他網(wǎng)絡(luò)相比具有顯著的互補(bǔ)性，使物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用能力有進(jìn)一步的提高。例如，在資源、帶寬等方面，不斷改進(jìn)終端接入能力；靈活、易用的網(wǎng)絡(luò)，更易于管理；存取帶寬靈活，且不需要任何智能設(shè)備；對(duì)數(shù)據(jù)流量要求很高的無(wú)人駕駛車輛，有多種帶寬可以自由切換；無(wú)線基站的功率消耗較低。5G技術(shù)有正向兼容性和多個(gè)頻段，且頻段能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)分配、資源預(yù)留和調(diào)度優(yōu)先。

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的5G關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多層次網(wǎng)絡(luò)的可靠度設(shè)計(jì)

采用5G器件的單板與電源的主要器件，可達(dá)到單板級(jí)的可靠性。通過(guò)遙控射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）環(huán)網(wǎng)，可以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)單元的可靠度。通過(guò)使用5G低碼率表、重復(fù)上行等方法，可以提高系統(tǒng)的可靠性。該方案采用多端冗余、無(wú)線雙平面、端到端雙平面的結(jié)構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)層次上保障了系統(tǒng)的安全性。

以上方法用于5G，能夠充分滿足復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和高可靠度的應(yīng)用需求。在空口條件相對(duì)苛刻的情況下，5G技術(shù)可以保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不丟失。當(dāng)用戶層的可靠性非常高時(shí)，可采用冗余方法保證系統(tǒng)的安全性。當(dāng)整個(gè)線路發(fā)生故障時(shí)，可以充分保障終端對(duì)端的服務(wù)連續(xù)性。

3.2 服務(wù)質(zhì)量保障（速率、延時(shí)、抖動(dòng)）

基于5G切片的無(wú)線差別保證，可以在不同的切片中實(shí)現(xiàn)同樣的差別保障。在5G公共網(wǎng)絡(luò)中，采用預(yù)留資源的方式，可以靈活滿足物聯(lián)工業(yè)的高可靠和高安全性要求。同時(shí)，將頻段內(nèi)部的上行增強(qiáng)技術(shù)與時(shí)-頻深度聯(lián)合技術(shù)相結(jié)合，可進(jìn)一步提高傳輸速度。

該方法利用uRLLC的延遲增強(qiáng)能力，使uRLLC和eMBB這2種下行服務(wù)并存，以適應(yīng)uRLLC的高延遲需求。5G技術(shù)還滿足對(duì)終端和核心網(wǎng)絡(luò)的個(gè)性化要求，能夠精確控制時(shí)延，降低網(wǎng)絡(luò)的速率抖動(dòng)。

3.3 5G業(yè)務(wù)組網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)分流

網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心問(wèn)題。在核心端，5G技術(shù)采用網(wǎng)絡(luò)級(jí)分流、網(wǎng)元級(jí)分流和會(huì)話級(jí)分流來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。無(wú)線方面，5G技術(shù)可以在同一5G網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol，IP）、域名系統(tǒng)（Domain Name System，DNS）進(jìn)行域名分流、園區(qū)切片ID分流、或指定專用網(wǎng)絡(luò)用戶分流等方式，實(shí)現(xiàn)不同物聯(lián)網(wǎng)在同一網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)保障。該方法利用uRLLC的延遲增強(qiáng)能力，使uRLLC和eMBB這2種下行服務(wù)并存，以適應(yīng)uRLLC的高延遲需求。

3.4 專用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的定制要求

5G具有高精度、高帶寬的實(shí)時(shí)定位功能，降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，減少了系統(tǒng)開銷成本，提高了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的可用性。高精確度的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段。

5G覆蓋范圍大，基站定位靈活，可確保關(guān)鍵專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫銜接。通過(guò)對(duì)端服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）的監(jiān)控，可以保證5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)相比，5G的終端對(duì)端延遲、抖動(dòng)等重要性能指標(biāo)具有實(shí)時(shí)性，不需要耗費(fèi)太多資源。在大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境下，5G可以充分保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的可控性、業(yè)務(wù)服務(wù)可保障與可承諾的功能。

配電物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用前景如圖2所示。

圖2 配電物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用前景

4 5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的新機(jī)會(huì)

4.1 實(shí)現(xiàn)用戶端的數(shù)字轉(zhuǎn)換，提高物聯(lián)網(wǎng)的底層結(jié)構(gòu)

隨著數(shù)字化發(fā)展，將會(huì)有越來(lái)越多的數(shù)據(jù)從邊緣處理逐步發(fā)展到智能物聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)的邊界北側(cè)臨近異質(zhì)終端的大量連接，從而使5G有著業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性、應(yīng)用的智能性、數(shù)據(jù)的優(yōu)化以及保密的安全性特點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)能夠充分發(fā)揮邊緣計(jì)算和安全防護(hù)的深度開放性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶、制造以及管理安全等方面的智能化管理，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和公眾的滿意度。

4.2 新技術(shù)和新領(lǐng)域的結(jié)合

物聯(lián)網(wǎng)與5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合，將會(huì)形成一個(gè)新的龐大的物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)與以往的工業(yè)行業(yè)進(jìn)行深度融合，可逐漸構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。智慧工廠、智慧農(nóng)業(yè)以及智慧能源等物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要基礎(chǔ)和核心要素。隨著城市信息化建設(shè)的不斷深入，智慧城市將成為一個(gè)綜合性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)智慧安防、智慧消防以及智能停車等功能。

4.3 4G、5G共存，網(wǎng)絡(luò)切片，綜合運(yùn)維

5G網(wǎng)絡(luò)有望在2025年前達(dá)到無(wú)縫部署。從4G向5G發(fā)展，涉及虛擬設(shè)備與傳統(tǒng)非虛擬設(shè)備的混合運(yùn)營(yíng)與管理，對(duì)現(xiàn)有的集成運(yùn)行模式提出了新的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)管與云計(jì)算的連接，可實(shí)現(xiàn)云計(jì)算集成的監(jiān)控、編排以及升級(jí)等，也可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元共管，支持虛擬資源的編排，還能實(shí)現(xiàn)5G部署、網(wǎng)絡(luò)配置和端到端切片的部署管理。

5 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和5G的平穩(wěn)演化與巨大的網(wǎng)絡(luò)息息相關(guān)。5G早期，物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)可以和人的網(wǎng)絡(luò)元素結(jié)合在一起。在保證4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，可以繼續(xù)推進(jìn)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的深度覆蓋。到5G發(fā)展的中后期，要建立健全物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系，加速5G物聯(lián)的發(fā)展，為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著電信運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)的逐漸成熟，uRLLC/mMTC服務(wù)將會(huì)繼續(xù)與網(wǎng)元結(jié)合，并向移動(dòng)邊緣計(jì)算的需求下沉。構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)安全保障系統(tǒng)和可控制、可管理的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可滿足工業(yè)、電力、能源以及交通等關(guān)乎民生的物聯(lián)產(chǎn)業(yè)的核心安全需求。