基于物聯(lián)網(wǎng)的5G通信技術(shù)分析

周芳華

（中電科普天科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)不僅為人們提供了智能化生活場(chǎng)景，而且有效促進(jìn)了虛擬電廠(chǎng)、智能巡檢、智慧城市等眾多行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。通信技術(shù)作為萬(wàn)物互聯(lián)的核心，5G 通信技術(shù)使物聯(lián)網(wǎng)迎來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇。因此，文章展開(kāi)了基于物聯(lián)網(wǎng)的5G 通信技術(shù)研究。

1 基于5G 通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分析

目前，基于5G 通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)主要分為4 個(gè)層次，分別是感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、平臺(tái)管理層以及應(yīng)用服務(wù)層。

1.1 感知識(shí)別層

感知識(shí)別層的主要作用是通過(guò)終端設(shè)備識(shí)別周邊環(huán)境以及聲音、光強(qiáng)度、風(fēng)速、濕度、圖像等各類(lèi)因素，同時(shí)可以采集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)信息，即將圖像信息、聲音信息等轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息并上傳至數(shù)據(jù)中心[1]。此外，可以通過(guò)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)對(duì)感知識(shí)別層中各類(lèi)終端設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一化管理或?qū)ζ漭斎胫付ㄋ惴ㄊ蛊淠軌驅(qū)崿F(xiàn)基于算法開(kāi)展周期性的自動(dòng)運(yùn)行效果。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸層而言，其主要功能是可以根據(jù)感知識(shí)別層所處的各類(lèi)場(chǎng)景條件，傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)感知識(shí)別層所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，其中主要包括通信模組協(xié)議、基礎(chǔ)通信設(shè)施、終端設(shè)備接入的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及通信網(wǎng)絡(luò)流速等相關(guān)條件。

1.3 平臺(tái)管理層

平臺(tái)管理層的主要作用是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)層與感知識(shí)別層之間的有效連接，其主要功能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸層所上傳的各類(lèi)感知識(shí)別層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行針對(duì)性處理與分類(lèi)，從而為應(yīng)用服務(wù)層提供存在價(jià)值或需求的數(shù)據(jù)信息，為應(yīng)用服務(wù)層的順利運(yùn)行提供重要依據(jù)。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中的平臺(tái)管理層主要包括業(yè)務(wù)分析平臺(tái)、應(yīng)用使能平臺(tái)、設(shè)備管理平臺(tái)以及連接管理平臺(tái)等。

1.4 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的核心部分，也是有效體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)用服務(wù)層中主要包括各類(lèi)系統(tǒng)集成的應(yīng)用服務(wù)、智能終端硬件控制程序等相關(guān)內(nèi)容。用戶(hù)可以通過(guò)接入物聯(lián)網(wǎng)的中控設(shè)備接入應(yīng)用服務(wù)層，當(dāng)平臺(tái)有效處理所匯聚的數(shù)據(jù)信息后，便可實(shí)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中利用中控設(shè)備對(duì)其他終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離管理、控制以及監(jiān)控等相關(guān)行為，從而有效體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的萬(wàn)物互聯(lián)、改變生活的價(jià)值[2]。

2 5G 通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用特點(diǎn)

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言，其本質(zhì)是以各類(lèi)終端設(shè)備作為信息接入渠道，同時(shí)將互聯(lián)網(wǎng)以及電信網(wǎng)作為數(shù)據(jù)信息傳輸與共享的主要載體，以此有效整合各類(lèi)具有獨(dú)立運(yùn)行能力的終端設(shè)備，從而使其形成能夠進(jìn)行互通互聯(lián)、統(tǒng)一管理、自動(dòng)運(yùn)行的巨大整體。從物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行角度分析，其主要由2 大方面支撐，分別是硬件子系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)通暢的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1 高速率

隨著通信行業(yè)的持續(xù)性發(fā)展以及對(duì)高質(zhì)量通信技術(shù)的不斷研發(fā)，5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速率、大寬帶通信效果奠定了重要基礎(chǔ)。在真空網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，5G 通信技術(shù)的實(shí)際傳輸效率可達(dá)到10 Gb/s，是傳統(tǒng)4G 通信技術(shù)的10 倍?；?G通信技術(shù)，能夠在某些場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)對(duì)高質(zhì)量影像或視頻的瞬時(shí)傳輸，此特性為智慧城市、智慧交通以及智慧醫(yī)療等相關(guān)方面的建設(shè)提供了先決條件。

2.2 傳輸延遲低且可靠性高

5G 通信技術(shù)在實(shí)際傳輸期間能夠以加強(qiáng)高頻通信毫米波穿透性的方式，切實(shí)提高數(shù)據(jù)信息的整體傳輸效率。另外，5G 通信技術(shù)的上行傳輸、下行傳輸以及在保護(hù)時(shí)隙信息下的子幀結(jié)構(gòu)的傳輸延時(shí)也會(huì)被壓縮至1 ms 左右，此特性能夠確保物聯(lián)網(wǎng)中各類(lèi)終端設(shè)備能夠更加快速、靈敏地接收運(yùn)行指令并開(kāi)展自動(dòng)運(yùn)行效果?；?G 通信技術(shù)的此種特點(diǎn)，其也被廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制、智慧車(chē)輛控制等相關(guān)需要超高傳輸速度、超低延遲以及高可靠性的場(chǎng)景中，如車(chē)輛傳感器的數(shù)據(jù)信息采集、機(jī)械設(shè)備行為控制等方面[3]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片主要指將實(shí)際存在的物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有規(guī)劃的切割，從而形成能夠有效滿(mǎn)足各個(gè)場(chǎng)景中多樣化終端設(shè)備運(yùn)行需求、運(yùn)行服務(wù)等的若干個(gè)虛擬子網(wǎng)絡(luò)。而此特性能夠有效滿(mǎn)足基于5G 通信技術(shù)所構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行需求，即有效滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)多樣化場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多元化需求[4]。一般情況下，5G 通信網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同分為3 種類(lèi)型，分別是任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)、海量物聯(lián)網(wǎng)以及移動(dòng)寬帶。5G 網(wǎng)絡(luò)的3 類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景如表1 所示。

表1 5G 網(wǎng)絡(luò)的3 類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景

3 不同物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下的5G 通信技術(shù)分析

3.1 虛擬電廠(chǎng)

傳統(tǒng)電廠(chǎng)存在能耗過(guò)高問(wèn)題，且電廠(chǎng)建設(shè)與管理需要耗費(fèi)大量資金成本。因此，如何響應(yīng)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，減少電廠(chǎng)能耗、節(jié)約資金成本是推進(jìn)新時(shí)期電力行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵[5]。虛擬電廠(chǎng)建設(shè)具有十分廣闊的發(fā)展前景，通過(guò)使用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、分布式存儲(chǔ)以及物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)可以構(gòu)建虛擬的管理系統(tǒng)，用以協(xié)調(diào)各類(lèi)資源，保證電力電網(wǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，其虛擬管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 虛擬管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在5G 通信技術(shù)的靈活應(yīng)用下，能夠充分保障差異化業(yè)務(wù)場(chǎng)景下虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的接入、實(shí)時(shí)互動(dòng)、通信管理質(zhì)量?；谖锫?lián)網(wǎng)的5G 通信技術(shù)虛擬電廠(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)搭建如圖2 所示，在5G 通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的支持下，虛擬電廠(chǎng)能夠借助分布式能源、可控負(fù)荷終端等進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的5G 通信技術(shù)虛擬電廠(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)搭建

3.2 智能巡檢

傳統(tǒng)巡檢方式往往需要耗費(fèi)大量人力資源和時(shí)間成本，巡檢效率較為低下，并不能滿(mǎn)足智能巡檢的發(fā)展需求。因此，借助物聯(lián)網(wǎng)和5G 通信技術(shù)構(gòu)建智能巡檢模式更為符合時(shí)代發(fā)展，且在相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用下能夠?qū)崿F(xiàn)自主故障檢測(cè)、主動(dòng)安全聯(lián)動(dòng)、24 h無(wú)人巡檢等巡檢功能[6]。某變電站電氣設(shè)備智能巡檢如圖3 所示，通過(guò)構(gòu)建智能巡檢模式可以有效加強(qiáng)變電站管理效率和質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全天候的安全管理。

圖3 某變電站電氣設(shè)備智能巡檢

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的5G 核心通信技術(shù)

4.1 智能化技術(shù)

5G 通信技術(shù)的誕生為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的順利應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)整體建設(shè)提供了先決條件。對(duì)于5G 通信技術(shù)而言，其運(yùn)行基礎(chǔ)是由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所搭建的云計(jì)算平臺(tái)，云計(jì)算平臺(tái)在實(shí)際運(yùn)行期間能夠同時(shí)處理多樣化類(lèi)型的數(shù)據(jù)信息，有效保障數(shù)據(jù)信息的處理效率與處理質(zhì)量，處理各個(gè)類(lèi)型業(yè)務(wù)的服務(wù)器會(huì)由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理并形成巨大的數(shù)據(jù)信息處理中心。將物聯(lián)網(wǎng)中各個(gè)終端設(shè)備接入至云計(jì)算平臺(tái)后，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)終端設(shè)備進(jìn)行低延時(shí)控制與數(shù)據(jù)信息通信。此外，5G 通信技術(shù)是順利開(kāi)展對(duì)海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、處理、分析以及存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，因此用戶(hù)可以通過(guò)基于5G 通信技術(shù)所搭建的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)用與存儲(chǔ)，以此形成優(yōu)質(zhì)服務(wù)平臺(tái)為用戶(hù)開(kāi)展個(gè)性化服務(wù)。

4.2 直接通信技術(shù)

對(duì)于5G 通信技術(shù)而言，其中的端到端通信技術(shù)，即終端直通（Device-to-Device，D2D）技術(shù)被諸多場(chǎng)景所應(yīng)用。所謂端到端通信，其主要指在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中2 個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行直接通信，有效省略數(shù)據(jù)信息在實(shí)際傳輸過(guò)程中因需要經(jīng)過(guò)各類(lèi)基站或中繼站而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量消耗，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)信息在實(shí)際傳輸期間的延遲并提高了其傳輸質(zhì)量和傳輸效率。另外，端到端通信技術(shù)可以將用戶(hù)節(jié)點(diǎn)模擬為服務(wù)端或客戶(hù)端2 種角色。具體而言，當(dāng)某區(qū)域中A 角色需要調(diào)用某類(lèi)數(shù)據(jù)，在5G 通信技術(shù)中端到端技術(shù)下，如果與A 角色處于同一區(qū)域中的B 角色同樣需要調(diào)用相同數(shù)據(jù)信息，則無(wú)需從主服務(wù)器端進(jìn)行調(diào)用，而是從A 角色端進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)A 角色作為服務(wù)端服務(wù)B 角色客戶(hù)端的效果，降低互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)流量的占用情況，大幅提高相關(guān)數(shù)據(jù)信息的傳輸效率與傳輸質(zhì)量。通過(guò)上述場(chǎng)景模擬，可以在一定程度上削弱數(shù)據(jù)信息傳輸期間因外界因素對(duì)傳輸質(zhì)量的干擾，也可以有效避免因基站性能不佳而出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)中斷現(xiàn)象。此外，D2D 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用期間能夠切實(shí)緩解無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)運(yùn)行期間所存在的頻譜資源匱乏問(wèn)題，有效滿(mǎn)足互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中人們對(duì)通信質(zhì)量與效率方面的要求[7]。

5 結(jié) 論

在物聯(lián)網(wǎng)背景下，5G 通信技術(shù)充分發(fā)揮了其諸多優(yōu)勢(shì)并有效保障了物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)不僅有效推動(dòng)了諸多技術(shù)領(lǐng)域的突破，同時(shí)切實(shí)改善了傳統(tǒng)工作模式，有效解決了傳輸效率低下、傳輸延遲高的痛點(diǎn)，提高了物聯(lián)網(wǎng)中通信技術(shù)的應(yīng)用效果，為物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)提供了更強(qiáng)的安全性與高效性，從而為高速率、低延時(shí)的數(shù)據(jù)信息安全傳輸?shù)於ㄖ匾A(chǔ)。