物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下的5G通信技術(shù)研究

肖娟

摘? ?要：當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展時(shí)期，5G通信技術(shù)在其中具有重要的作用。隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布及2020年5G商用，物聯(lián)網(wǎng)將更加快速地發(fā)展。文章介紹物聯(lián)網(wǎng)及5G通信技術(shù)的相關(guān)概念及發(fā)展概況，研究了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)需求的若干5G關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);第5代移動(dòng)通信技術(shù);移動(dòng)通信

當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展時(shí)期，眾多國(guó)家發(fā)布了關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)亦在2010年后發(fā)布了相關(guān)文件及發(fā)展規(guī)劃，明確將物聯(lián)網(wǎng)列為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，并確定在智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能家居、智能交通等9大重點(diǎn)領(lǐng)域開展應(yīng)用示范[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)通信技術(shù)提出了更高的要求：大規(guī)模機(jī)器間連接、高可靠、低延遲、低功耗等。物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下，第5代移動(dòng)通信技術(shù)（5th Generation，5G）提出了若干關(guān)鍵技術(shù)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1? ? 物聯(lián)網(wǎng)及5G通信技術(shù)概述

1.1? 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)的基本思想出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，1995年Bill Gates在《未來之路》中提出了“物物互聯(lián)”的概念;2005年國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布了研究報(bào)告《物聯(lián)網(wǎng)》，預(yù)見無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來臨;2009年IBM提出了“智慧地球=互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)”的概念。在我國(guó)，2009年溫家寶總理提出了“感知中國(guó)”，之后我國(guó)明確將物聯(lián)網(wǎng)列為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一;2011年發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》大力推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)中。

物聯(lián)網(wǎng)是按照約定的協(xié)議，將具有“感知、通信、計(jì)算”功能的智能物體、系統(tǒng)、信息資源互聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界“泛在感知、可靠傳輸、智慧處理”的智能服務(wù)系統(tǒng)。

可以作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展基礎(chǔ)的技術(shù)主要有高性能計(jì)算機(jī)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù);計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，GPS，3G，4G，5G移動(dòng)通信技術(shù)與機(jī)器對(duì)機(jī)器（Machine To Machine，M2M）通信模式等網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù);嵌入式技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）、傳感器、射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）、智能手機(jī)、可穿戴計(jì)算設(shè)備等硬件技術(shù);普適計(jì)算、并行計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、嵌入式計(jì)算、基于服務(wù)的計(jì)算等計(jì)算模式;智能控制、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能機(jī)器人等智能科學(xué)與技術(shù)。

本文主要介紹為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大力發(fā)展形勢(shì)，5G移動(dòng)通信提出相應(yīng)若干關(guān)鍵技術(shù)。

1.2? 5G移動(dòng)通信技術(shù)概述

2015年，國(guó)際電信聯(lián)盟明確了5G的名稱等關(guān)鍵內(nèi)容，定義了5G的3大主要應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠超低時(shí)延通信（Ultra Reliable Low Latency Communications，URLLC）、海量物聯(lián)（massive Machine Type Communications，mMTC）。

相對(duì)于4G，5G帶來的是更快的速率、更低的功耗、更短的延遲、更強(qiáng)的穩(wěn)定性，能支持更多用戶使用。5G的用戶體驗(yàn)速率可提升至1 Gbps，用戶峰值速率可達(dá)10 Gbps;5G的時(shí)延低至1 ms;連接設(shè)備數(shù)可達(dá)100萬連接/km2。

我國(guó)于2016年1月開始進(jìn)行5G技術(shù)研發(fā);2017年11月5G頻段正式劃定;2018年3大運(yùn)營(yíng)商確定2019年5G預(yù)商用，2020年5G商用;2019年8月5G手機(jī)中國(guó)上市。

2? ? 物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下若干5G關(guān)鍵技術(shù)

為適應(yīng)萬物互聯(lián)，5G采用了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹其中幾項(xiàng)。

2.1? Massive? MIMO

大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）是5G提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。

Massive MIMO是指通過基站內(nèi)的大量天線實(shí)現(xiàn)同一頻率資源與多臺(tái)空間上分離的用戶終端同時(shí)通信，并進(jìn)行多徑傳輸，如圖1所示。

圖1? Massive MIMO示意

傳統(tǒng)的時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）網(wǎng)絡(luò)的天線基本是2天線、4天線或8天線，而Massive MIMO通道數(shù)可達(dá)到64，128，256個(gè)。傳統(tǒng)的MIMO是2D-MIMO，以8天線為例，實(shí)際信號(hào)在做覆蓋時(shí)，只能在水平方向移動(dòng)，垂直方向不動(dòng)。而Massive MIMO在水平方向和垂直方向都能隨著目標(biāo)UE的位置進(jìn)行調(diào)整，信號(hào)的輻射狀是個(gè)電磁波束，所以Massive MIMO也稱為3D-MIMO。Massive MIMO不僅支持多用戶波束智能賦形，同時(shí)也降低了用戶之間的干擾，結(jié)合高頻段毫米波技術(shù)，可以在一定程度上完善無線信號(hào)覆蓋性能[2]。

2.2? 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）、移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）和霧計(jì)算（Fog Computing）等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)以用戶為中心，更靈活、智能、高效和開放的5G新型網(wǎng)絡(luò)。

NFV的目標(biāo)是將不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的大量服務(wù)器上。SDN的基本原理是將控制面和數(shù)據(jù)面分拆，網(wǎng)絡(luò)智能的邏輯集中化以及將物理網(wǎng)絡(luò)通過標(biāo)準(zhǔn)接口從應(yīng)用和服務(wù)中抽象出來[3]。SDN，NFV等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)靈活性、延展性和面向服務(wù)的管理。

2.3? 終端直通技術(shù)

常規(guī)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)以基站為中心，實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站與中繼站是固定的，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是固定的，缺乏靈活性。

終端直通（Device-to-Device，D2D）技術(shù)是一種無需借助基站，在系統(tǒng)控制下允許終端與終端之間通過復(fù)用小區(qū)資源直接通信的技術(shù)。由于D2D技術(shù)不經(jīng)過基站，可大大節(jié)約資源和時(shí)間。同時(shí)，由于用戶是在短距離直接通信，信道質(zhì)量也得到較大提高。D2D技術(shù)能實(shí)現(xiàn)較高的信息傳輸速率、較低的時(shí)延和功耗，支持靈活的連接方式和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性[4]。

2.4? 超密集組網(wǎng)技術(shù)

為適應(yīng)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的要求，5G系統(tǒng)要求更高的網(wǎng)絡(luò)容量和更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，超密集網(wǎng)絡(luò)（Ultra Dense Network，UDN）作為5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，能有效地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無縫鏈接的部署方案。與傳統(tǒng)的宏基站部署相比，超密集網(wǎng)絡(luò)能夠改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用，超密集網(wǎng)絡(luò)小區(qū)由用戶部署，減少了成本[5]。

與此同時(shí)，密集的網(wǎng)絡(luò)部署也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，小區(qū)間干擾成為制約系統(tǒng)容量增長(zhǎng)的主要因素，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)能效。干擾消除、密集小區(qū)間協(xié)作、小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)、基于終端能力提升的移動(dòng)性增強(qiáng)方案等，都是密集網(wǎng)絡(luò)的研究課題。

2.5? 新型多址技術(shù)

新型多址技術(shù)通過發(fā)送信號(hào)的疊加傳輸來提升系統(tǒng)的接入能力，可有效支撐5G網(wǎng)絡(luò)千億設(shè)備連接需求。

目前國(guó)內(nèi)提出3個(gè)5G新的空中方案：華為的稀疏碼分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、大唐的圖樣分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）、中興的多用戶共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）。

3? ? 結(jié)語

在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)及5G移動(dòng)通信技術(shù)相關(guān)概念進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，本文主要介紹了為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)，5G采用的Massive MIMO、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、D2D、新型多址技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的不斷發(fā)展需要足夠的網(wǎng)絡(luò)容量以及傳輸速率的支持，需要5G通信技術(shù)不斷完善，以更好促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]吳功宜，吳英.物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2]汪洋溢，田議.5G標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2016（6）：47-51

[3]AFIF O，JOSE F M，PATRICK M.5G移動(dòng)無線通信技術(shù)[M].陳明，繆慶育，劉愔，譯.北京：人民郵電出版社，2017.

[4]宋耐寶.物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下的5G技術(shù)探析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（8）：29-31.

[5]劉海燕.面向5G的超密集網(wǎng)絡(luò)中分布式無線資源管理的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2016.