5G 移動通信技術下的物聯網演進和發展

李世杰 天津恒達文博科技股份有限公司

關鍵字：5G 移動通信 物聯網安全 mMTC（大規模物聯） uRLLC（高可靠低延遲關鍵任務型物聯）

1 前言

物聯網是互聯網的一種發展和應用演進形式，移動通信網絡是它重要的載體之一。5G 移動通信網絡在交通、倉儲、展館、工廠等物聯網復雜應用環境中具有低功耗、低成本、低延時以及高速率、高可靠的特點。并且5G 移動通信網絡的相關標準中還專門制訂了物聯網應用場景。

2 5G 移動通信技術之于物聯網的演進和應用

5G 移動通信網絡相關標準的制定和推出的時間正逢產業互聯網發展的關鍵時期，處于各行業從消費互聯網向產業互聯網轉型升級的機遇期和窗口期。作為產業互聯網的基礎，基于5G 移動通信網絡的物聯網應用發展，將進一步打破產業互聯網發展的瓶頸，并對物聯網在各產業應用中的發展起到重大的推動和促進作用。

提到5G 移動通信技術之于物聯網的演進和應用就不得不提網絡切片技術(Network Slicing)。網絡切片技術，簡單的說就是將5G移動通信網絡運營商的物理網絡，根據實際需求劃分為多個類型的“虛擬網絡”，不同的虛擬網絡根據不同的應用訴求，如帶寬、延時、可靠性、安全性等來規劃設計，以最高效、最貼合應用目標的方式來應對不同的網絡應用場景。當前5G 移動通信網絡主要應對大寬帶移動通信（eMBB）、大規模物聯（mMTC）和高可靠低延遲關鍵任務型物聯（uRLLC）。 5G 標準在定義初期，就把物聯網應用納入考慮，三大應用場景中有兩個是和物聯網應用相關的，足見ITU（國際電信聯盟）對于物聯網應用的重視。

5G mMTC 大規模物聯，針對大規模的物聯網業務，重點運行于6GHz 以下頻段，可看做是NB-IoT、LTE 等的演變。以往廣泛應用的Wi-Fi、RFID、紫峰、藍牙等非蜂窩聯網技術屬于自建小范圍通信技術，廣域回程鏈路主要靠4G LTE 等蜂窩網絡。而5G mMTC 的發展很可能會使未來物聯網領域變為“租賃”的時代，5G 時代連接設備密度將會是4G 時代的100 倍以上，達到每平方公里數百萬個。消費者將不再一定靠購買聯網設備和自建私有物聯網來達成所需的目的，透過公有的運營商5G 移動通信mMTC 物聯網所形成的租賃服務，來實現私有的物聯網本地化應用將越來越普及。例如像是場館環境溫濕度監測，遺址、文物預防性保護監測等應用的數據傳輸量小，對網絡延遲時間的要求也不高，采用mMTC 會是比較理想的選擇。這些應用場景的共同特征在于同時在線連接的設備數量非常多，相對低量的對延遲非敏感的數據，低成本和非常長的電池壽命要求。

對于某些攸關人身安全的物聯網應用，例如工業領域危險環境下的遠程作業，智能交通行業的無人駕駛車聯網應用，遠程醫療手術等，網絡延遲時間和可靠性就顯得非常重要。

5G uRLLC 高可靠低延遲關鍵任務型物聯，以足夠低的延遲和足夠高的可靠性支持需要實時響應的關鍵應用。無人駕駛汽車的應用場景要求控制信令的通信延遲低到幾毫秒的級別。發布自NHTSA(美國國家公路交通安全管理局)的調查報告指出，80%的公路交通事故是由駕駛人在事故發生前3s 內的疏忽大意造成的。汽車主機廠商的實驗也表明，如果提前0.5s 警告駕駛人，可以大概率避免60%左右的追尾事故。若駕駛人能提前1.5s 得到預警并采取適當措施，則可以避免90%以上的追尾事故。我們目前使用的4G 網絡，平均數據傳輸時延達到了50ms 以上，無法實現實時控制。5G 網絡通信uRLLC 的到來，讓端到端的數據傳輸時延可達1ms 以內，滿足自動駕駛的苛刻要求。同時借助物聯網，自動駕駛汽車可以自動化收集各種數據，包括加速、剎車、轉向等重要參數，以及ECU、ESP、ABS 等輸出的關鍵數據，車廠使用算法可以利用這些數據跟蹤車況和改善車輛設計。在生產制造型工廠，大量設備內建傳感器，從傳感器、傳輸網絡、下發指令，再回傳設備本身的這些過程，如果以現有的4G網絡傳輸，將出現很明顯的延遲，可能引發生產安全事故。有鑒于此，uRLLC 將網絡延遲時間壓低到1 毫秒以下，將使應用廣域蜂窩物聯網和公有工業云的智慧工廠形式成為可能。醫療健康領域也將會是5G 與物聯網結合應用的重點之一，隨著心電監護、超聲波檢查設備、CT、MRI 等不同醫療設備尤其是醫療機器人成為物聯網應用中的一環，醫療健康服務也將受益于基于5G 的醫療物聯網發展。缺乏醫療設施和高水平醫師的農村地區或偏遠地區的患者將受益于高可靠低延遲關鍵任務型物聯網連接。隨著低延遲、高可靠的5G uRLLC普及，使得之前只存在于科幻影片中的遠程協同外科手術成為可能。國內頂尖醫院的機器人遠程手術中心通過5G 網絡，協同省市級醫院成功完成了全球首例多人5G 遠程協同手術。

3 5G 移動通信技術之于物聯網應用的安全隱憂

信息產業發展的種種跡象表明“萬物互聯”的時代正在5G 通信技術的支持下加速到來，將深刻的改變這個社會和我們的生活。但挑戰總是和機遇并存，物聯網安全問題成為了不得不重視的隱憂。

根據Statista 統計與調查門戶的數據顯示，物聯網設備使用量將會加速增長，到2020 年將有310 億支持物聯網的設備在線，到2025 年在線連接設備將增加到740 億。通過這些數量我們就能大概預測黑客攻擊的方式和可能性將會發生較大的改變。到2025 年，黑客很可能將有機會在廣域物聯網安全鏈的近千億個可能入侵點中進行選擇。黑客不僅可能會攻擊社會基礎設施和電網系統，而且還可能破解醫療設備，讓聯網自動駕駛汽車陷入失控狀態乃至引發事故。由于5G 移動通信物聯網絡通過巨大、不可見的無線網絡相互連接海量的重要設備，事關國計民生的各個方面，我們必須高度重視5G 移動通信網絡的安全問題。

5G 移動通信時代的物聯網應需要應對技術進步帶來的新威脅。單靠人力無法跟蹤和解決大型5G 通信網絡中的所有安全威脅，但是具有AI 能力的機器可以。5G 移動通信網絡可以通過AI 機器“學習”新的安全威脅，實時識別這些威脅，并啟動自動修復策略。安全技術和安全框架的發展必須能夠及時跟上技術和應用的進步。

4 結束語

當下5G 通信技術之所以火熱，讓各大陣營掙得“頭破血流”，其原因在于5G 網絡帶來的，不僅僅是網速的變化，更多的將是生活方式的顛覆?？梢哉f，誰掌握了5G 通信技術和上下游產業鏈，誰就掌握了下一個信息時代。5G 通信技術的高速發展，物聯網可能是最大的受益者。分散在各垂直領域的物聯網應用，正是組成5G 生態圈的重要基礎。5G 移動通信網絡技術的應用和發展有助于解析和吞噬各種復雜數據，滿足不同用戶對物聯網的多樣化需求。在當前的社會背景下，對5G 移動網絡通信相關技術的深入研究，可以有效促進移動物聯網絡的可持續發展，為物聯網的后續發展鋪平道路。