5G通信信息技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的應(yīng)用探討

張 堅(jiān)

（中國(guó)電信股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310016）

0 引 言

無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)從根本上改變了人們傳統(tǒng)的生產(chǎn)生活模式，當(dāng)今社會(huì)廣泛通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行生產(chǎn)、辦公、交易、溝通，但由于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有一定的開(kāi)放性和移動(dòng)性特征，更易受到外部條件改變和各種因素的干擾，進(jìn)而可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和安全性下降或者失效的情況發(fā)生。當(dāng)前4G時(shí)代已經(jīng)逐步向5G移動(dòng)時(shí)代演進(jìn)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迭代將對(duì)社會(huì)生產(chǎn)生活模式產(chǎn)生更為巨大的影響，信息意識(shí)水平也隨著通信科技的迅猛發(fā)展而不斷躍進(jìn)。在5G通信技術(shù)與先進(jìn)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和云計(jì)算算力網(wǎng)絡(luò)科技相結(jié)合的整體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，5G物聯(lián)網(wǎng)得到不斷發(fā)展。5G物聯(lián)網(wǎng)的模式下，一定程度上來(lái)說(shuō)，所有的人和物都可以通過(guò)某種鏈接被聯(lián)接起來(lái)并發(fā)生相互作用。萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)徹底改變了社會(huì)群體和個(gè)人的思維、感覺(jué)、行為和生產(chǎn)生活方式，5G通信技術(shù)的加持會(huì)令互聯(lián)世界觀念下的社會(huì)變得更小、更安全、更智能。

1 5G三大應(yīng)用場(chǎng)景

1.1 eMBB增強(qiáng)移動(dòng)寬帶

用戶(hù)能夠深度感知極致數(shù)據(jù)速率和極致用戶(hù)移動(dòng)性。數(shù)據(jù)速率可達(dá)10 G/b，是4G的100倍。利用高功率的無(wú)線(xiàn)電波，甚至是毫米波，實(shí)現(xiàn)高帶寬、高信息量傳遞。各類(lèi)型基站廣覆蓋，針對(duì)高速環(huán)境疊加波速賦形，功率強(qiáng)，保證移動(dòng)性可達(dá)500 km/h以上。結(jié)合SR分段路由的5G承載，降低了網(wǎng)絡(luò)連接的復(fù)雜度，使得業(yè)務(wù)路徑更暢通。同時(shí)，邊緣計(jì)算能力可以為超大規(guī)模語(yǔ)音、視頻、即時(shí)通信、網(wǎng)絡(luò)媒體和物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)能力保障，能夠使視頻云、CDN、游戲云、智慧家庭、互聯(lián)應(yīng)用等服務(wù)能力有質(zhì)的飛躍。

1.2 URLLC

URLLC擁有小于1 ms的時(shí)延，只有4G的10%。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)切片能力，提供物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的差異化需求，保證不同物聯(lián)業(yè)務(wù)的承載。低時(shí)延在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的作用更加強(qiáng)大，大部分物與物的連接中都要求一定的反應(yīng)速度。在工業(yè)控制、智能制造、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、XR元宇宙、游戲穿戴上，低時(shí)延都是一切能力呈現(xiàn)的基礎(chǔ)。在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，端到端低時(shí)延可以做到優(yōu)先級(jí)分類(lèi)和網(wǎng)絡(luò)流量的特殊處理，同時(shí)數(shù)據(jù)通信中的卡頓和延時(shí)也將大大縮減，大數(shù)據(jù)量的碼流、4K和8K視頻流穩(wěn)定流暢。VRAR類(lèi)物聯(lián)環(huán)境以及連接數(shù)激增的情況下，仍可以做到敏感迅捷的交互時(shí)延。

1.3 mMTC海量機(jī)器通信

5G技術(shù)可以做到深度覆蓋、超高密度、超低能耗要求下的海量連接。它的1 M/km的連接數(shù)是4G的100倍，能夠?qū)崿F(xiàn)端到端數(shù)據(jù)直接傳輸。運(yùn)營(yíng)商正在大規(guī)模建設(shè)700 MHz、900 MHz、2.1 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz、毫米波等多種5G頻譜。5G網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)明顯，使得物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力不斷提升；在資源帶寬優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，不斷增加終端接入能力；網(wǎng)絡(luò)靈活多樣，網(wǎng)絡(luò)管理方便迅捷；接入帶寬非常靈活，從不需要支持全帶寬的智能儀表，到碼流需求巨大的自動(dòng)駕駛汽車(chē)，不同帶寬靈活切換，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)整基站UE功耗。5G技術(shù)采取前向兼容，動(dòng)態(tài)配置帶寬和載波間隔，資源預(yù)留、調(diào)度優(yōu)先。

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

2.1 多層級(jí)專(zhuān)網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)

通過(guò)5G設(shè)備單板和電源主設(shè)備實(shí)現(xiàn)單板級(jí)可靠性。通過(guò)RRU環(huán)形組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元級(jí)可靠性。通過(guò)5G低碼率表、回程重復(fù)、上行重復(fù)等方式實(shí)現(xiàn)鏈路級(jí)可靠性。通過(guò)多終端冗余、無(wú)線(xiàn)雙平面、端到端會(huì)話(huà)雙平面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)可靠容災(zāi)。

以上方式在5G技術(shù)中的實(shí)現(xiàn)，使物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜、場(chǎng)景可靠性要求非常高的情況下的需求能夠得到充分滿(mǎn)足。在空口環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)景下，也能充分發(fā)揮5G能力，保障在線(xiàn)業(yè)務(wù)不丟失。對(duì)用戶(hù)層可靠性要求極高的情況下，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)保障安全。即使從無(wú)線(xiàn)側(cè)到核心側(cè)整條鏈路上出現(xiàn)故障，也能充分保證端到端業(yè)務(wù)連續(xù)性。

2.2 QoS對(duì)速率、時(shí)延、抖動(dòng)的服務(wù)質(zhì)量保證

基于5G切片的無(wú)線(xiàn)差異化保障，可應(yīng)用于不同切片下相同的差異化保障。在5G公網(wǎng)中部署基于資源預(yù)留的切片，可靈活滿(mǎn)足高可靠、高安全的物聯(lián)行業(yè)應(yīng)用。結(jié)合帶內(nèi)上行增強(qiáng)和時(shí)頻深度協(xié)同技術(shù)，對(duì)速率進(jìn)行增強(qiáng)。

通過(guò)URLLC的時(shí)延增強(qiáng)功能，實(shí)現(xiàn)URLLC和eMBB兩種下行業(yè)務(wù)共存，滿(mǎn)足URLLC對(duì)低時(shí)延的高要求。同時(shí)5G技術(shù)允許對(duì)終端和核心網(wǎng)有定制化的需求，可以通過(guò)系統(tǒng)面控制精準(zhǔn)地對(duì)時(shí)延進(jìn)行確定性的管控并減少速率抖動(dòng)。

2.3 5G業(yè)務(wù)組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)分流

在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案非常關(guān)鍵。在核心側(cè)，5G技術(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)級(jí)分流、網(wǎng)元級(jí)分流以及會(huì)話(huà)級(jí)分流對(duì)網(wǎng)絡(luò)分域分流管理，以提升安全可靠性。在無(wú)線(xiàn)側(cè)，5G技術(shù)通過(guò)基于IP和DNS的域名分流、園區(qū)切片ID分流，或者指定專(zhuān)網(wǎng)用戶(hù)分流，實(shí)現(xiàn)不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在同一張5G無(wú)線(xiàn)大網(wǎng)下各自的業(yè)務(wù)保證。

2.4 專(zhuān)網(wǎng)行業(yè)定制化需求

5G通過(guò)大帶寬使能3～5 m精準(zhǔn)定位能力，具備高精度、全場(chǎng)景、易維護(hù)、低成本優(yōu)勢(shì)，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維復(fù)雜度和系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，提升可商用性。高精度網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)賦能物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)數(shù)字化改造，對(duì)電力、工控、交通、自動(dòng)駕駛等物聯(lián)應(yīng)用提供同步和高效協(xié)同的基礎(chǔ)保障能力。5G廣覆蓋下，基站位置靈活，可以充分確保重要的專(zhuān)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接。端到端的QoS監(jiān)控能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)檢測(cè)保障。相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)具備端到端時(shí)延和抖動(dòng)等關(guān)鍵指標(biāo)，是實(shí)時(shí)的測(cè)量手段，且不占用大量資源開(kāi)銷(xiāo)，使得物聯(lián)網(wǎng)大連接情況下充分得到網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障監(jiān)控，并且能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)側(cè)可視可管可控，業(yè)務(wù)服務(wù)可保障、可承諾。

3 5G物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的新機(jī)遇

3.1 用戶(hù)側(cè)數(shù)字化變革，物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)下，更多的數(shù)據(jù)將從邊緣處理、工業(yè)制造、電力物聯(lián)網(wǎng)逐步走向智能物聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)在邊緣側(cè)面臨異構(gòu)終端的海量連接、業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性、應(yīng)用智能性、數(shù)據(jù)優(yōu)化和安全隱私等多種挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)簡(jiǎn)化邊緣APP開(kāi)發(fā)和適配，憑借深度開(kāi)放的邊緣計(jì)算和安全防護(hù)能力，幫助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)制造、管理、檢測(cè)、維護(hù)、安全等智能化管理，提高生產(chǎn)效率，提升公共服務(wù)用戶(hù)滿(mǎn)意度。

3.2 與多種新技術(shù)新領(lǐng)域融合

物聯(lián)網(wǎng)與5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)相融合形成移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，例如智能家居、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智能設(shè)備、健康養(yǎng)老等規(guī)?；南M(fèi)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源等傳統(tǒng)行業(yè)深度融合形成產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，成為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)所需的基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵要素，例如智慧工廠、智慧農(nóng)業(yè)、智慧能源等生產(chǎn)性物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)立體化城市信息采集系統(tǒng)正在加快構(gòu)建，智慧城市成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用集成創(chuàng)新的綜合平臺(tái)，例如智慧安防、智慧消防、智能停車(chē)等安全防護(hù)性應(yīng)用。

3.3 4G和5G物聯(lián)網(wǎng)共存化、網(wǎng)絡(luò)切片、綜合運(yùn)維

5G網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋預(yù)計(jì)到2025年左右可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫部署。從網(wǎng)絡(luò)層面看，運(yùn)營(yíng)商不可能同時(shí)全面轉(zhuǎn)向5G。從4G到5G，涉及虛擬設(shè)備和傳統(tǒng)非虛擬設(shè)備的混合運(yùn)維和管理，這對(duì)目前的綜合運(yùn)維方式有很大的沖擊和挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)管與云對(duì)接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、編排、升級(jí)等云網(wǎng)業(yè)務(wù)一體化是綜合運(yùn)維的重點(diǎn)任務(wù)，需要做到網(wǎng)元共管、Pool管理，支持虛擬資源的編排，利用SDN實(shí)現(xiàn)5G部署切片網(wǎng)絡(luò)配置和端到端切片的部署管理。

4 5G通信技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的影響

4.1 5G物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景

5G物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景：eMBB增強(qiáng)移動(dòng)寬帶通信、URLLC超可靠低時(shí)延、mMTC海量物聯(lián)。通俗說(shuō)：eMBB是為人提供更好的感受，URLLC是為車(chē)提供安全保障，mMTC是為物提供更全面靈活的連接能力。NB-IoT/eMTC窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)演進(jìn)，作為5G 物聯(lián)網(wǎng)的重要場(chǎng)景和補(bǔ)充。5G物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展強(qiáng)調(diào)與垂直行業(yè)融合，重點(diǎn)涉及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，面向企業(yè)提供廣覆蓋、低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)，助力企業(yè)建設(shè)。

5G通信技術(shù)具有傳輸速率高、延遲較小等通信速度特質(zhì)，應(yīng)充分應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當(dāng)中，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)展；同時(shí)伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，恰好5G通信技術(shù)可以很好地完成信息傳輸任務(wù)，并在很多方面都起到了較好的推動(dòng)作用。

4.2 5G對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)推動(dòng)

5G低功耗廣域網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的加速建設(shè)，推動(dòng)邊緣計(jì)算、人工智能、海量連接、區(qū)塊鏈等新技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域跨界融合。5G是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的契機(jī)。統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)可以滿(mǎn)足差異化應(yīng)用的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云級(jí)運(yùn)營(yíng)管理，靈活適配應(yīng)用業(yè)務(wù)需求，滿(mǎn)足開(kāi)放式能力，用戶(hù)層部署下沉，減小時(shí)延，降低數(shù)據(jù)承載壓力，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)組網(wǎng)。

4.3 垂直行業(yè)對(duì)5G技術(shù)的需求

引入5G MEC技術(shù)，結(jié)合邊緣DC和中心DC，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理更加分布式地呈現(xiàn)，核心網(wǎng)部署更加邊緣化。MEC組網(wǎng)可使應(yīng)用業(yè)務(wù)本地化、本地分流和緩存加速、路由靈活配置。這些都是實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用近距離部署和訪(fǎng)問(wèn)、用戶(hù)層高效靈活按需部署分布的有效手段。為用戶(hù)提供高帶寬、低時(shí)延傳輸能力的同時(shí)，打造無(wú)線(xiàn)虛擬接入網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步為客戶(hù)提供安全可靠的本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力服務(wù)，確保用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全隱私。

5 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)網(wǎng)設(shè)備向5G的平滑演進(jìn)和人網(wǎng)這張大網(wǎng)緊密關(guān)聯(lián)，5G初期物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)元可以和人網(wǎng)網(wǎng)元合一?？傮w策略上需要保持4G物聯(lián)網(wǎng)的繼承性，同時(shí)也需推動(dòng)窄帶物聯(lián)網(wǎng)深度覆蓋持續(xù)進(jìn)行。5G中后期，構(gòu)建完善的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，加快推進(jìn)5G物聯(lián)，構(gòu)建泛在5G的信息基礎(chǔ)。

伴隨運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)逐步成熟，URLLC/mMTC業(yè)務(wù)將不斷融合網(wǎng)元，按需下沉靠近MEC。建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)保障安全體系，構(gòu)建可控、可管的物聯(lián)網(wǎng)核心架構(gòu)是確保工業(yè)、電力、能源、交通等國(guó)計(jì)民生物聯(lián)垂直行業(yè)的核心安全要求。

物聯(lián)業(yè)務(wù)應(yīng)用是5G物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心訴求，規(guī)模應(yīng)用時(shí)同步開(kāi)展綜合物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定，能夠大力推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)在熱點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用，充分圍繞智慧交通、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智慧電網(wǎng)、智慧制造、工業(yè)互聯(lián)、智慧醫(yī)療、智慧民生等關(guān)系到人民生活的關(guān)鍵行業(yè)和領(lǐng)域，大力推廣物聯(lián)網(wǎng)新產(chǎn)品、新技術(shù)、新模式和新形態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)將迎來(lái)極豐富的智能服務(wù)。