物聯網及5G通信系統綜述

陳連順

摘要：本文對物聯網（IoT）、下一代移動通信系統（5G）相關技術進行了簡要介紹，同時，對物聯網及5G網絡的特點和主要應用進行了概括總結。

關鍵詞：物聯網;5G通信系統;通信網絡

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0029-01

0 引言

隨著智能化社會不斷發展，人們希望通過將不同事物、不同服務、不同人組成一個龐大的異構網絡來進行信息交互。由于第四代移動通信技術（4G）體制的限制，人們需要一種新的能夠提供高速率、低延時、大容量的下一代移動通信系統來滿足聯網需求，由此推動了第五代通信系統（5G）應運而生。

1 物聯網技術及架構

物聯網（Internet of Things，IoT）是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信。物聯網的目的是實現不受地點、時間限制，長期快速的連接如智能家庭、智能城市和郊區等應用環境中的移動設備，這種連接人和物的需求也是推動5G發展的兩大需求之一，如圖1所示。文獻[1]介紹了物聯網協同工作平臺架構，其包括以下三層：

（1）感知層：設備感知物理環境，收集實時數據，重建虛擬世界中數據的一般感知。用來識別物理對象和感知物理參數應用的是射頻識別（RFID）和傳感器技術。而用于數據采集的是IEEE 802.15.4和藍牙技術;（2）傳輸層：將收集到的數據傳輸到應用程序和不同的外部服務器。通過網關和諸如有線、無線和衛星等異構通信技術以及尋址和路由來訪問網絡;（3）應用層：對信息流進行處理和分析，向應用程序和服務發送數據，提供反饋以控制應用程序。它還負責如設備發現、管理、數據過濾和信息利用/分發等關鍵功能的實現。

2 物聯網技術特征及應用場景

以感知和數據采集為目標的物聯網技術的應用，將給我們的生活帶來許多好處，例如在農業中，它可以為生產者或消費者提供關于農產品從產地到屬性等細節信息。文獻[2]提出了物聯網技術包括三個特征：

（1）事物綜合感知：識別和認證物體是實現感知的前提。利用射頻識別（RFID）、傳感器和條形碼隨時隨地的獲取信息，是綜合感知技術的發展方向;（2）信息可靠傳輸：由于可以用不同的異構網絡傳輸感知數據，信息可以在任何時間任何地點通過包括有線和無線傳輸技術、交換、網絡和網關技術進行交換。它進一步創造了物理世界、虛擬世界、數字世界和社會之間的信息交換;（3）信息智能處理：通過分布式云計算，物聯網可以瞬間處理數十億的數據，并將物聯網數據收集到數據庫中。

3 5G通信網絡技術

作為下一代移動通信技術，5G結合正交頻分多址（OFDMA）和非正交多址（NOMA）作為自己的復用技術。形成一個“以用戶為中心”、個性化定制的新型無線網絡，通過支持更為靈活的資源調度和復用，來滿足多樣化的應用需求，同時提高網絡資源利用率。文獻[3]介紹，5G網絡支持三的個通用服務：增強的移動寬帶（Enhanced mobile broadband，eMBB）、大規模機器類型通信（Massive machine-type communication，mMTC）和超可靠和低延遲通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）。

增強的移動寬帶（eMBB）：提供更高的數據速率和更大的網絡覆蓋面積;大規模機器類型通信（mMTC）：控制大量無線設備之間的數據流，以保證網絡性能水平;超可靠低延遲通信（URLLC）：為諸如自動駕駛和健康監控等關鍵應用提供認證服務。

4 5G通信網絡的優勢及應用

5G網絡可以為用戶提供高效率，低不可達率，更大的靈活性和低成本的移動網絡接入體驗，文獻[4]總結并說明了5G通信系統在兩個主要方面的應用優勢：

（1）移動寬帶：5G網絡允許用戶體驗高速數據和低延遲，以支持3D和超高清視頻應用的無線寬帶網絡;（2）物聯網：5G網絡支持將大規模不同的設備連接在一起，形成一個龐大的網絡集群。

5G通信系統的發展在諸多領域所帶來的收益：（1）遠程醫療：用戶可以通過遠程健康監控系統隨時隨地獲得醫生的幫助;（2）遠程地理數據處理應用：用戶可以通過查詢全球定位系統（GPS）和地理信息系統（GIS）來獲得位置;（3）遠程教育：通過網絡平臺繼續教育，提供低成本甚至免費的學習機會;（4）人工智能：通過開發與人類和機器溝通的智能系統，以方便人類生活;（5）經濟增長：基于網絡和新系統的大規模開發，將使消費者和企業受益;（6）信息安全：執行各供應商之間的認證、授權、加密、服務策略協議的建立與實現等功能。

5 結語

總之，下一代移動通信技術（5G）與物聯網具有密切關系，可以說物聯網技術的應用需求持續推動著移動通信技術發展。

參考文獻

[1] L.A.Amaral，E.De Matos，R.T.Tiburski，F.Hessel，W.T.Middleware Technology for IoT Systems：Challenges and Perspectives Toward 5G[J].Internet of Things（IoT）in 5G Mobile Technologies，2016（21）：333-367.

[2] Surajit Mondal.A Vision of IoT：Applications， Challenges，and Opportunities with Dehradun Perspective[C].Proceeding of International Conference on Intelligent Communication，Control and Devices，2016.

[3] A.F.Demir，M.H.Elkourdi，M.Ibrahim，H.Arslan.Waveform designfor 5G and beyond[J].Electrical Engineering and Systems Science，2018（2）：51-76.

[4] G.S.A.E.Report and Q.Copyright.5G Requirements：Applications， Requirements and Candidate Technologies[J].November，2016（19）：9-22.