物聯(lián)網(wǎng)形勢下的5G通信技術研究

金林仟，朱沛杰，李姝彬

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)若想高效運轉發(fā)展，需依靠龐大的終端量及數(shù)據(jù)高速擴張，和網(wǎng)絡科技結合，予以人們優(yōu)質的服務。在5G網(wǎng)絡下，為物聯(lián)網(wǎng)達到各機器之間穩(wěn)定通訊業(yè)務形式提供支撐，創(chuàng)設衛(wèi)生醫(yī)療、智慧家居等多種場景。而此類場景的實現(xiàn)需要借助海量終端等，筆者探討基于5G技術的物聯(lián)網(wǎng)場景構建。

1 5G通信的特征

一方面，擁有龐大的聯(lián)網(wǎng)裝置。該項特征有效彌補原本無線通信的不足，實踐使用期間，由于數(shù)據(jù)上傳及下載的總量擴大，原本網(wǎng)絡承載力也隨之提高，卡頓的現(xiàn)象時常出現(xiàn)，無法適應正常的網(wǎng)絡使用需要。而5G的出現(xiàn)，大幅度提高網(wǎng)絡的承載量，且與4G相較，數(shù)據(jù)承載容量能超出后者一千倍左右，極少會發(fā)生卡頓的問題。同時，在聯(lián)網(wǎng)裝置持續(xù)增多的過程中，網(wǎng)絡可使用范疇也隨之提升，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性得以優(yōu)化?，F(xiàn)實應用期間，此項技術既能擴大聯(lián)網(wǎng)裝置的總量，又能控制運行成本。另一方面，有優(yōu)質的移動寬帶。網(wǎng)絡速率的峰值階段是指在使用網(wǎng)絡的過程中，網(wǎng)速的兩個限值，和4G相比，此項通信計算的速率有前者十倍左右。在當前的網(wǎng)路環(huán)境中，人們會實地辦理有關的網(wǎng)點業(yè)務，存在不便性。而依托于5G技術，能借助在線平臺，完成各項業(yè)務辦理，提高網(wǎng)絡寬帶應用的便利性。此外，5G能涵蓋多種信息系統(tǒng)，且通常不會發(fā)生明顯的延遲情況，可以應用在多個領域的信息系統(tǒng)內[1]。

2 運用5G通信支撐物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的開展

以物聯(lián)網(wǎng)中的資源管理為例，借助5G技術建立模擬方案，為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供更為智能的運轉場景。

2.1 網(wǎng)絡場景設計

場景設置圍繞城市模擬開展，包含公園以及建筑物等主體空間，還涉及到模型中各條信道的傳播方式，仿真信號的運行路徑以及過程中產(chǎn)生的能量損耗，以及經(jīng)過建筑物的穿透消耗。此外，各個場景因為類型及總量上的差異，形成異構蜂窩，在設置宏基站的基礎上，布設多個發(fā)射功率相對偏小、可允許接入的終端較少的微型基站等，借此保障網(wǎng)絡的覆蓋率。對于系統(tǒng)容量擴大以及用戶的體驗感均有所幫助。筆者以MITIS-2以及3GPP的信道模型用作參照，為降低設計難度，不考慮網(wǎng)絡天線的高度以及敷設角度和信號傳播的承載物類型等變量，僅關注水平面的信號直線傳播。

具體操作過程為：基于MITIS-2，生成模擬場景，在此前提下構建二維的坐標系。下一步結合模擬城市內的道路及各功能建筑的總體布局，整理各坐標及覆蓋范疇。因為現(xiàn)實城市建設布局，基本為規(guī)則的形態(tài)，所以坐標系內的各點設置可采用較為規(guī)則的矩形表示，結合各建筑在虛擬模型中的點位及覆蓋范疇，設置矩形各邊的長度。基于MITIS-2以及3GPP的參數(shù)狀況，明確所有終端與基站對應的屬性，包括發(fā)射功率及終端點位及布局等，繼而計算各終端的間距與穿透消等數(shù)值。為提高計算的效率，將穿透消耗的成因設定為高大建筑，其他因素引起的穿透消耗可以忽略。把該項損耗的計算題目轉化成常規(guī)的數(shù)學題目（如圖1）。

圖1 穿透損耗計算方式

具體計算過程為：把第i個建筑主體標記為 ，坐標中的N表示模型區(qū)域內可和產(chǎn)生穿透損失的總量，把坐標系內的中心點記為 ，建筑物的長是ai，寬為bi。把發(fā)送端T標記為 ，接收端的R標記為 。

在計算前，需要先明確發(fā)送端和接收端的標記坐標能否使公式均成立。

通過把上述情境下得出的墻體穿過總和，與單個墻體消耗量相乘，得出最終的總消耗量[2]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務特征

物聯(lián)網(wǎng)是當代網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵要素，經(jīng)過統(tǒng)籌部署數(shù)個傳感裝置，借助無線射頻、傳感網(wǎng)絡等多項技術，把萬物聯(lián)合起來，構建可有效感知的環(huán)境。在傳感裝置總量不斷擴大中，機器通訊的物聯(lián)業(yè)務隨之增加，為確保所有終端均能實現(xiàn)被寬帶所覆蓋，并和基站建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互關系，應結合物聯(lián)網(wǎng)彼時業(yè)務量，形成資源配置計劃?，F(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務類型可分成四類。

其一是智能電網(wǎng)，此項物聯(lián)業(yè)務包括實時與非實時兩類，后者定期傳輸特定長度的資料，反饋網(wǎng)絡的運轉狀況，使用在遠程及自動化監(jiān)控等。而前者為固定字節(jié)，需要通過基站獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過集中器中轉，相對的終端裝置接收信息，之后借助信息反饋的形式把系統(tǒng)運轉狀況傳給監(jiān)控系統(tǒng)，基本應用在電力裝置方面。各傳輸包的形成間隔符合指數(shù)分布，具體公式為：

其二是自動駕駛，此項業(yè)務包括上行與下行兩類，分別對應由用戶到基站、從基站到用戶的通訊方向。前者包括確定長度的比特位，依托于多種傳感裝置，定期向對應的服務端傳輸數(shù)據(jù)，反饋車輛目前的駕駛狀況以及所處區(qū)域的交通情況。后者和前者的分布特點一致，此部分可反饋路況以及導航，并能應對緊急情景。前者的表達式是：

其三是視頻監(jiān)控，此種業(yè)務通產(chǎn)使用MPEG-4的編碼，完成基本的流量建模，數(shù)據(jù)幀的比特位有差異，各秒內均保持固定的速率完成數(shù)據(jù)傳輸。此類物聯(lián)業(yè)務多應用在圖像采集等情景中，數(shù)據(jù)幀和對數(shù)正態(tài)分布有關，具體的表達式是：

其四是目標追蹤，此類業(yè)務具有觸發(fā)性的特征，在各周期中形成的數(shù)據(jù)包大部分是短包，內包含幾十或幾百個字節(jié)。在生成包期間，通常符合帕累托分布，公式為：

式中的k=﹣0.6，σ=19.654，θ=4.99。

2.3 聯(lián)合模擬規(guī)劃設計

在通訊網(wǎng)絡中，實際的業(yè)務難以保持不變，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺垒^多，系統(tǒng)資源規(guī)模有限等。基于網(wǎng)絡條件與終端需要，以及對調用資源的算法，把網(wǎng)絡資源合理且靈活地完成調配，提升頻譜的應用效率，以免發(fā)生網(wǎng)絡堵塞等問題，確保物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務能高效傳輸，適應用戶的具體需要。在終端規(guī)模過大且業(yè)務量極多的情境下，運用5G通信構建整個虛擬情景。

2.3.1 選擇蜂窩技術

在有數(shù)個蜂窩同時存在的情境中，終端有可能在個別時間被數(shù)個蜂窩應用，此時，終端需要結合自身的情況，挑選出最優(yōu)的蜂窩，該過程便是蜂窩選擇。在該期間，各個終端會以本身的視角策劃，因為蜂窩的容量確定，如果有數(shù)量過大的終端連接蜂窩，會造成其的運轉效率不足。為解決此類問題，終端選擇連接對象中，既需考量信號的強弱以及間隔等常規(guī)數(shù)據(jù)，又應結合物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務、終端部署等其他因素，挑選出最優(yōu)的通信網(wǎng)絡，獲得更為高品質的服務。

第一步，需借助預處理函數(shù)：Pre_Cell_Selection。具體而言，其一，需確認各終端在連接不同蜂窩的間距與過程消耗。其二，確定各終端在獲取基站數(shù)據(jù)時，信號的強弱，同時確認終端和基站之間的傳輸通道容量。其三，按照用戶設定的閾值，得出能連接的蜂窩量與序號，以為后續(xù)選擇提供數(shù)據(jù)。第二步，調取用戶期望應用的蜂窩選擇技術，確認具體連接點，控制各終端之間的影響，使用log格式反饋選用結果[3]。

2.3.2 靜態(tài)干擾協(xié)調

在傳統(tǒng)的此種干擾協(xié)調規(guī)劃中，借助調整頻率降低干擾程度，此種處理方式可以達到防干擾的目的，但會消耗較多的頻譜資源。為減少對此類資源的應用，有效提升頻率的使用程度，頻譜修復方法。利用在小區(qū)中的各個區(qū)域，布設差異化復用因子，基于資源整體與虛擬場景，把現(xiàn)有資源分出多個頻段，同時把蜂窩能包括的范圍從內向外逐步分出數(shù)個圓環(huán)帶。此時，不同圓環(huán)內的終端實現(xiàn)交錯應用頻段，實現(xiàn)控制干擾性、優(yōu)化體驗感等多項作用。具體設計操作為：把所有蜂窩根據(jù)特定順序進行排列，而后按照模擬的參數(shù)設置情景，布設每個圓環(huán)的半徑和復用因子?；诖耍延脩舭才诺綄哪M場景內，保證各相鄰蜂窩都能重合，以此確定此狀態(tài)下的協(xié)調計劃。

圖2 干擾示意圖

2.3.3 動態(tài)干擾協(xié)調

上文的協(xié)調技術較為簡單，且實際操作效率較高，但現(xiàn)實的資源應用效率還需改進。而此類動態(tài)技術，實現(xiàn)過程比較復雜，但應用效果較好?；陟o態(tài)協(xié)調，若其中某幾個圓環(huán)內應用的頻率一致，會形成較強的干擾性，造成邊緣用戶的網(wǎng)絡體驗感質量偏低，系統(tǒng)的容量縮小。所以應借助動態(tài)協(xié)調，細化各頻點的分布。設計意圖是控制各蜂窩的干擾性，借此提升系統(tǒng)的應用效率。其一，需要將終端最多的蜂窩作為分析對象，其他蜂窩是匹配對象，把對應圈頻段進行等分，和分析對象此時圈中的終端保持頻點一致，而后根據(jù)事先設定的編號，諸個配備終端量。其二，把兩個蜂窩內的終端取出，對匹配對象一樣的終端加以干擾，完整準確記錄各終端編號。其三，實行預處理，結合終端和蜂窩的間距與過程消耗等，得出效用矩形，將此傳輸?shù)絼討B(tài)算法中。其四，借助動態(tài)干擾，完成各頻點的安排。

2.3.4 功率分配技術

此項技術是最為關鍵的部分，其功能在確保所有終端的通訊效果的前提下，借助控制數(shù)據(jù)傳輸功率值，弱化對其他終端的干擾，并提升總體的容量。如圖3所示，宏基站能覆蓋到的邊緣終端是UE2，其和微基站的邊緣用戶UE1有一致的頻段，勢必會形成干擾。

圖3 功率分配

此部分的設置和上文的動態(tài)技術一致，要結合終端蜂窩多圈部署及頻段、復用因子實況，統(tǒng)籌調整功率配置，以獲得更優(yōu)的配置方式。第一步，結合模擬情境下的具體狀況，確認各蜂窩內存在一致頻段的圓環(huán)區(qū)域，直接歸納到一組。第二步，增添少量的模擬終端，讓各組的終端量一致，由此得出傳輸過程損耗及頻譜情況等。第三步，基于確定目標函數(shù)，得出矩陣值。通過多次迭代處理，得到最佳的功率數(shù)據(jù)[4]。

3 結語

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)的趨勢下，5G通信使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更為靈敏，運轉效率得以提升，與現(xiàn)實生活逐漸趨近。合理運用現(xiàn)代科技，維護網(wǎng)絡環(huán)境的穩(wěn)定性，盡可能避免發(fā)生相互干擾的情況，為用戶提供多元化的數(shù)據(jù)及線上服務。