5G技術(shù)下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探討

程希睿

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計咨詢有限公司，北京 100070）

0 引 言

近年來，隨著智能化技術(shù)發(fā)展的日新月異，物聯(lián)網(wǎng)作為人工智能時代的一大方向得到了各方面的關(guān)注。由于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展受即時傳輸能力和無線網(wǎng)絡(luò)帶寬限制，因此互聯(lián)水平仍然較低。5G技術(shù)的成熟應(yīng)用為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展前景，具備的低延遲、高可靠性以及多連通性滿足了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的核心需求，極大地提升了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用效果，給用戶帶來了更優(yōu)的使用體驗。

1 5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 5G技術(shù)概況

5G技術(shù)作為第5代移動通信技術(shù)，是當(dāng)今社會正在積極發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ITU-R定義了5G的3大應(yīng)用場景：一是增強(qiáng)移動寬帶（eMBB），5G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率是4G網(wǎng)絡(luò)的10倍以上，適用于超高清視頻和VR等高寬帶業(yè)務(wù)；二是大連接（海量機(jī)器類通信）（mMTC），可實現(xiàn)從消費(fèi)到生產(chǎn)的全環(huán)節(jié)及從人到物的全場景覆蓋，適用于智能水表等大規(guī)模應(yīng)用場景；三是高可靠低時延通信（uRLLC），通信響應(yīng)速度將降至毫秒級，適用于自動駕駛和工業(yè)生產(chǎn)等低延時性和高可靠性要求高的業(yè)務(wù)[1]。

相比傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)主要有以下8大關(guān)鍵技術(shù)。一是大規(guī)模MIMO技術(shù)。通過多天線進(jìn)行多收多發(fā)，有效提升信道容量。二是超密集異構(gòu)技術(shù)。利用大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的建設(shè)，極大提升重點區(qū)域的系統(tǒng)傳輸容量。三是全頻譜接入技術(shù)。通過高頻和低頻的混合組網(wǎng)，從而達(dá)到高容量、高帶寬以及無縫覆蓋等效果。四是新型多址技術(shù)。通過同一資源上多用戶信息的疊加傳輸，利用接收算法在接收側(cè)分離多用戶信息，從而有效增加系統(tǒng)接入容量，提高頻譜效率。五是新型多載波技術(shù)。將信息信號送入載波，經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送給對方，再通過解調(diào)和濾波得到有效的原信息。六是先進(jìn)編碼調(diào)制技術(shù)。保證系統(tǒng)有效傳輸速率的同時，進(jìn)行高效的編碼和調(diào)制。七是SDN/NFV（軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)。通過對無線頻譜、空口以及功率等資源的虛擬化以及對數(shù)據(jù)和控制單元等部分核心側(cè)功能的虛擬化，有效調(diào)度和利用無線網(wǎng)資源，提高使用效率。八是網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。將一個物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個專用虛擬網(wǎng)絡(luò)，并保證各自邏輯獨立。針對不同的業(yè)務(wù)場景，可定制相對應(yīng)的功能與特性，提高服務(wù)效率和成本效益。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)概況

根據(jù)ITU的定義，物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)有的和演進(jìn)的可互操作的信息通信技術(shù)，通過互聯(lián)（物理和虛擬）物件提供先進(jìn)服務(wù)的全球信息社會基礎(chǔ)設(shè)施。其中，虛擬物件是在信息世界可存儲、處理及接入的內(nèi)容，如多媒體內(nèi)容和應(yīng)用軟件等[2]。從物聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)看，可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層3個部分。感知層作為物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)的基礎(chǔ)，主要是獲取前端數(shù)據(jù)，通過不同的傳感器設(shè)備對信息進(jìn)行感知和收集。例如，使用環(huán)境監(jiān)測傳感器獲得二氧化碳含量等信息。網(wǎng)絡(luò)層作為通道，負(fù)責(zé)向應(yīng)用層傳送數(shù)據(jù)信息和向感知層傳達(dá)指令。應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理分析來自感知層的信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)具體應(yīng)用并下達(dá)需求指令[2]。

目前，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主要存在NB-IoT技術(shù)、eMTC技術(shù)以及5G海量機(jī)器類通信（mMTC）技術(shù)3種關(guān)鍵技術(shù)。NB-IoT是NB-CIoT（華為、Vodafone、高通以及Neul聯(lián)合提出）和NB-LTE（愛立信和諾基亞）的合體，主要具有廣覆蓋、低功耗、大連接以及低成本特點，針對的主要是低功耗和廣覆蓋的相關(guān)業(yè)務(wù)。eMTC是基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要滿足語音通話、中帶寬速率以及移動性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。mMTC作為5G技術(shù)的3大應(yīng)用場景之一，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

2 5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢分析

物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是一種服務(wù)，主要的服務(wù)對象是人工智能。人工智能通過加工整理物聯(lián)網(wǎng)采集的信息數(shù)據(jù)服務(wù)于人類。IMT-2020（5G）從移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，將5G的主要應(yīng)用場景歸納為連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接以及低時延高可靠。其中，連續(xù)廣域覆蓋和熱點高容量場景主要滿足未來的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，提升物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力；低功耗大連接和低時延高可靠場景作為5G的獨有場景，重點支撐傳統(tǒng)移動通信技術(shù)無法滿足的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[3]。

2.1 連續(xù)廣域覆蓋

5G技術(shù)結(jié)合新型多址技術(shù)和大規(guī)模天線陣列技術(shù)，有效擴(kuò)大了信號覆蓋范圍，并大幅提升了網(wǎng)絡(luò)接入能力，保證用戶在不同條件下可獲得連續(xù)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信號。此外，它還滿足超過1 Gb/s的下載速度，使用戶享受更優(yōu)更好的使用體驗，為5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中更好地運(yùn)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

2.2 熱點高容量

將5G技術(shù)中的密集組網(wǎng)、全頻譜接入、大規(guī)模天線以及新型多址等技術(shù)相結(jié)合，可極大地提升頻率復(fù)用效率和傳輸速率。用戶可隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)，并有效避免網(wǎng)絡(luò)擁擠或掉線等問題，從而提升物聯(lián)網(wǎng)的傳輸速率，給物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了有利條件。

2.3 低功耗大連接

5G技術(shù)中的新型多址技術(shù)和終端直接通信技術(shù)（D2D）可有效提升設(shè)備的連接能力，降低終端功耗，且新型多載波技術(shù)在降低功耗和成本方面具有明顯優(yōu)勢。低功耗大連接在數(shù)據(jù)采集工作中得到了良好運(yùn)用，如在智能農(nóng)業(yè)、智慧城市、公路交通監(jiān)測以及森林防火等應(yīng)用場景中，對數(shù)據(jù)傳輸即時性和信息有效性有著較高的要求。同時，此類業(yè)務(wù)范圍廣且數(shù)量多，對海量連接能力和密度有一定的要求。利用5G技術(shù)，可在低功耗和低成本水平的網(wǎng)絡(luò)連接下，極大地提升物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的連通效率，從而滿足物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

2.4 低延時高可靠

5G技術(shù)通過D2D及新型多址等技術(shù)減少了數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和信令交互環(huán)節(jié)，并通過云邊緣等技術(shù)優(yōu)化通道降低了網(wǎng)絡(luò)時延，有力保障了傳輸效率。另外，調(diào)制編碼和重傳機(jī)制保障了傳輸?shù)目煽啃浴９I(yè)控制、無人駕駛以及智慧小區(qū)等應(yīng)用場景，對延時性和可靠性有著很高的指標(biāo)要求。5G技術(shù)滿足這些條件，可極大地降低兩端的時間延遲，提供可靠的服務(wù)。

3 5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 智慧生活應(yīng)用

目前，家居物聯(lián)網(wǎng)主要在家庭網(wǎng)絡(luò)如WiFi等環(huán)境下提供應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)要求較低，信息的分析處理達(dá)不到智能化標(biāo)準(zhǔn)，連接的穩(wěn)定性也會受到信號質(zhì)量的影響。可以通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制家庭設(shè)施，如智能電飯煲的手機(jī)啟動、監(jiān)控遠(yuǎn)程查看兒童的在家情況等。此類物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的簡單應(yīng)用給日常生活帶來了極大方便。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)可以實時分析處理傳感器設(shè)備上傳的信息數(shù)據(jù)。例如，特定傳感器設(shè)備根據(jù)實時反饋的濕度數(shù)據(jù)自動調(diào)整加濕器，感知家庭主人的實時位置操控?zé)艄獾拈_關(guān)等。未來的日常生活，不單是人對家庭器具的單向操控，而是實現(xiàn)器具與人的主動交互。

3.2 工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以通過采集大量的實時信息更快更準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題，從而達(dá)到質(zhì)量控制的效果。5G技術(shù)的廣域覆蓋、低延時性以及高可靠性，給工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)經(jīng)營帶來了新發(fā)展，如自動化露天開采等。目前，工業(yè)生產(chǎn)中部分危險環(huán)境的工作仍需要人工操作，無法保障人員安全。另外，遠(yuǎn)程作業(yè)受網(wǎng)絡(luò)限制，發(fā)展較為緩慢，無法大量實際應(yīng)用。通過5G技術(shù)可將設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)即時連接，實時分析操作，遠(yuǎn)程完成工作任務(wù)。

3.3 智能交通應(yīng)用

目前，智能交通尚在定位導(dǎo)航階段，因網(wǎng)絡(luò)效率低下，無法對信息進(jìn)行即時發(fā)送接收。各大汽車廠商正在積極研究的無人駕駛技術(shù)，對延時性、可靠性以及穩(wěn)定性都有著苛刻要求。為保證無人駕駛的正常有效運(yùn)行，需要大量的實時信息交互。除了獲取氣候溫度、GPS定位以及周邊路況等信息外，還需要關(guān)注道路行人和基礎(chǔ)設(shè)施等信息。5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程駕駛和無人駕駛的實現(xiàn)過程相同，先由車上的物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)備通過傳感器系統(tǒng)采集整理需求信息，再由5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)即時傳遞給云端或遠(yuǎn)程服務(wù)器，并將應(yīng)用平臺反饋信息在極低延遲內(nèi)傳達(dá)給駕駛車輛，使車輛駕駛員可以掌握車況，清晰掌握前方路況，從而優(yōu)化行駛速度和前行路線。

3.4 遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用

醫(yī)療過程中需要記錄患者各方面的病情，如生命體征、藥物信息以及人體掃描等。單個的掃描文件都可能占用大量數(shù)據(jù)，且在病情分析環(huán)節(jié)需要多次共享傳輸記錄的信息，加大了對高帶寬速率的需求。我國各地區(qū)人口和醫(yī)學(xué)專家資源不均衡，因此對遠(yuǎn)程治療的需求越來越大。遠(yuǎn)程醫(yī)療在過去幾年里雖然穩(wěn)步發(fā)展，但仍然存在一些關(guān)鍵問題，如傳輸信號的穩(wěn)定性和時延性等。這些問題直接影響治療結(jié)果，存在不可預(yù)估的風(fēng)險。5G技術(shù)具備更高的QoS保障特性、更低的網(wǎng)絡(luò)時延以及更大的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以通過傳輸實時的低延時高清視頻和照片，為醫(yī)生判斷病情提供有力支撐。醫(yī)生通過遠(yuǎn)程機(jī)械進(jìn)行醫(yī)療操作時，高精準(zhǔn)的反饋和穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)可以使得遠(yuǎn)程手術(shù)順利進(jìn)行。

3.5 智慧城市應(yīng)用

智慧城市是指綜合利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)建立的全面覆蓋和深度互聯(lián)的城市信息化系統(tǒng)，重點感知城市的多方面信息并進(jìn)行智能化利用。智慧城市主要關(guān)注城市交通、應(yīng)急管理以及公共設(shè)施等方面。另外，受益于5G的連續(xù)廣域覆蓋能力，無人機(jī)的活動范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，其配置的相機(jī)在完成信息記錄后，可將記錄的信息傳送到中心平臺，由應(yīng)急管理中心聯(lián)合交通管理中心輔助定位感應(yīng)系統(tǒng)對現(xiàn)場交通情況和路線進(jìn)行分析研判，從而在自然災(zāi)害和重大事故的救援中避免道路堵塞等影響，有效保證市民的人身財產(chǎn)安全。隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的不斷發(fā)展，可以通過建設(shè)智能化的公交系統(tǒng)減少擁堵，建設(shè)具有運(yùn)動傳感器的路燈節(jié)省能源，還可以通過燈柱收集城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

全球物聯(lián)作為智能化時代的目標(biāo)之一，它的發(fā)展與人們息息相關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)傳輸速率、接入能力以及數(shù)據(jù)容量等方面的應(yīng)用需求，促使5G技術(shù)快速發(fā)展。而5G技術(shù)的成熟應(yīng)用，使萬物可連成為可能。