物聯網時代下的5G通信技術探思

李鵬舉

(中國聯合網絡通信有限公司邯鄲市分公司,河北邯鄲 056002)

0 引言

隨著信息技術的不斷發展,物聯網被廣泛應用,中國已全面進入移動互聯網時代。從4G時代發展到5G時代,5G技術為物聯網提供了良好的進步環境和空間,物聯網也為5G技術的發展提供了現實依據。

1 5G通信技術的基本介紹

從移動通信技術的發展來看,2G通信技術規格以數字語音傳輸技術為核心,取得了移動通信技術的跨時代發展;3G技術實現了同時傳送聲音及數據信息的新通信模式;4G技術集3G與WLAN于一體,能夠快速傳輸數據、高質量音頻、視頻和圖像等;而5G,即“第五代移動通信技術”則是由2G、3G和4G系統延伸而來的最新一代蜂窩移動通信技術。和傳統技術相比,5G技術具有比較明顯的優勢:數據速率高、降低時延問題、提高系統容量、節約能源、減少成本等。由于5G技術既能滿足高清視頻,虛擬現實等大數據量傳輸;又能靈活地自動調整,有利于實現互聯網的個性化需求,因此,5G技術被運用于大量的復雜使用環境之中。如今,中國各大運營商以及5G設備商都在大力研究和促進應用5G技術的發展,并已取得了一系列重大成果。他們致力于實現5G網絡技術的商業化發展[1]。

2 物聯網基本介紹

物聯網概念最早被比爾蓋茨提出,是在計算機技術和通信技術結合的基礎上發展而來的。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網,是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。物聯網借助無線通信網絡,運用傳感器技術將各種物體集成到網絡中,通過控制移動終端來實現信息獲取、傳遞和處理。物聯網不僅在工業、農業和環境、安保等基礎設施領域被廣泛應用,有效推動了這些產業的智能化發展,使得資源分配與使用更加合理,從而提高了行業效益;也被教育、醫療健康、金融等生活領域所運用,極大地提高了人們的生活質量。同時,物聯網技術也被運用到軍事領域中,有效提升了軍事的智能化和信息化,極大提升了軍事戰斗力,推動了軍事的發展。盡管物聯網的發展已漸成規模,但在技術、成本及安全等方面仍面臨許多挑戰。

3 5G移動通信技術的優勢

3.1 優秀的節能效果

由于5G移動通信技術強大的兼容性和靈活性,5G通信網絡一般功耗較低,不會消耗過多的能源,有節能減排的效果。5G技術的環保特性,正好符合中國可持續發展的戰略目標,為后續發展提供了非常廣闊的空間。

3.2 高效的網絡使用效率

基于5G技術數據率高的特點,5G網絡無論是接收頻率還是信號傳輸能力都要明顯優于4G。5G技術的發展,極大地提高了網絡的使用效率,能夠輕松應對外部復雜的環境,進一步推動了互聯網技術的發展。5G技術不僅改變企業的經營模式,也改變了人們的生活模式,實現了萬物的互聯。

3.3 良好的可擴展性

5G技術在結合前4代移動通信技術的基礎上,重點研究了“用戶體驗”。5G技術因其高覆蓋和速率高的特點,實現了全新的功能,給用戶提供了更多的便利,極大地提升了用戶體驗。相比前4代通信技術,5G技術的可擴展性取得了極大地提高,大大擴展移動通信的應用廣度與深度,完成了個人到產業的擴展,實現了與實體經濟產業的協同發展,5G技術的擴展性必將推動人類文明更快的發展。

3.4 值得信賴的安全性

和4G相比,5G的信息傳輸延時更低,但系統容量更大,因此5G的實時傳輸效果更好,更為安全可靠。安全協議將進一步優化各方在資源整合、標準制定方面的聯動機制,為保護用戶隱私及安全方面奠定良好基礎,促進行業的可持續發展。

4 物聯網對5G的相關需求

4.1 5G與物聯網的交互作用

就現階段而言,物聯網的良好發展不僅需要一個完整且嚴格標準的網絡系統來維持其運作,還需要能夠連接到移動網絡的覆蓋范圍內。隨著4G網絡的全面覆蓋,谷歌率先完成了4G技術與互聯網技術的結合,形成了一個覆蓋面更大、更現實的移動網絡。但4G能耗較高,速度較低,它相對較低,對網絡安全非常的可靠性要求比較高。物聯網在進行信息交換的過程中需要借助網絡的功能來完成信息的傳送和處理。從發展角度為說,為保證信息的安全及傳輸效率,不僅需要更好技術服務體系,還需要按照相關行業的安全章程來把控。因此5G網絡為物聯網提供了良好的進步空間,創造了更有利的發展環境。

4.2 物聯網的市場需求

隨著中國經濟體制的逐步完善,房地產經濟在國民經濟發展中占據著越來越重要的地位,對中國的發展體系起著一定程度的影響作用。盡管目前中國仍處于發展階段,房地產的發展前景依然廣闊,尤其是住房環境方面仍有非常大的發展空間。現階段,由于智能家電設備造價昂貴,不符合普通群眾的消費水平,智能家居市場存在較大空缺。隨著中國加入世界貿易組織,對研究和發展綠色建筑日益重視,追求環保與可持續發展。物聯網技術也被運用到建筑中,對綠色建筑系統起著非常重要的監管作用,為中國綠色建筑發展奠定了基礎。

5 物聯網中5G技術的應用

5.1 網絡切片技術

相比4G時代,5G時代的移動網絡可以支持更多種的業務類型和更多樣的終端,針對不同的業務類型,網絡技術的要求也不盡相同,因此傳統的“一個大小”滿足所有需求的蜂窩網絡模式已逐漸不能應對越來越個性化的網絡需求。在此基礎上,網絡切片技術應運而生。網絡切片是一種按需組網的方式,即在統一的基礎設施上進行網絡資源切片,分離出多個虛擬網絡,每個網絡切片在性能指標互不影響的前提下,按照該部分業務需求設計對網絡結構進行增強,以適配各種各樣類型的場景,滿足不同個性化服務的需求。網絡切片是一個復雜的系統工程,它不僅需要訪問核心網絡,還需要訪問服務網絡和數據網絡。基于網絡切片,運營商不僅可以把業務從傳統的語音和數據拓展到萬物互聯,還可以形成新的商業模式,極大地提升運營的效率。

5.2 SDN及NFV技術

SDN一般指軟件定義網絡,是一種新型網絡創新結構,通過提升網絡可編程能力,對網絡架構進行優化或重構。SDN按照標準的Openflow協議,把網絡設備分為獨立的控制設備和轉發設備,不僅簡化了轉發設備的功能,也實現了靈活的可編程性,使移動網絡的架構更加靈活。

NFV即網絡功能虛擬化,指通過運用許多類型的網絡設備結合云計算虛擬技術,在一定程度上簡化網絡升級、降低新硬件采購成本的技術。NFV不僅實現了網絡虛擬化,也提供了靈活和低成本的增值功能,增強了網絡的可操作性。NFV的業務功能和SDN的統一控制功能相輔相成,不僅對物聯網中各類數據和業務進行協調控制,增加了系統的靈活性,還非常有效地提高5G網絡彈性,降低了運營成本。

5.3 新空中接口技術

5GNR是基于正交頻分復用的全新空口設計的全球性5G標準,是在4G基礎上進行的技術創新,是非常重要的蜂窩移動技術基礎。5G新空中接口技術的研發,實現了空間和代碼等域的資源重復利用效率提升,達到了節約能源的效果。

正交頻分復用,即OFDM,經過優化后,能夠將高速率數據轉化成正交子載波,因為其數據復雜性較低、頻譜利用率較高的特點,被4G系統廣泛采用。但隨著5G時代的來臨,OFDM靈活性不足的問題也日益顯現。為滿足5G通信系統對資源的個性化業務需求,不同字載波帶的長度和寬度也需要得到相應的發展。基于5G技術的低延遲特性,在頻域中需要較寬的字載波帶才能使得其他系統服務在時域中消耗非常小的傳輸時間間隔,獲得非常短的符號周期。尤其在大規模應用場景中,單個的傳感器數據量都處在極低水平,對子載波帶寬和符號周期及傳輸時間間隔都有了進一步要求, 才能讓網絡能智能應對不同業務的要求。

6 物聯網的發展趨勢

物聯網即“萬物相連的互聯網”,是在互聯網基礎上的延伸和擴展,通過將各類信息傳感裝置與技術接入網絡,來實現在人與物、物與物在任何時間和地點的互聯互通,因此物聯網也被稱為傳感網。隨著科技的發展,物聯網技術被廣泛應用在公共安全服務、城市智能交通系統以及環境監測等多個領域,有效推動了這些產業的智能化發展,使人們的生活更加便捷。物聯網主要由感知層、網絡層和應用層這三個層次構建,是新一代信息技術的重要組成部分。其中,感知層通過運用智能傳感器、二維碼等設備,采集、獲取和識別各類信息。網絡層利用有線和無線網絡對采集到的數據進行編碼、認證和傳輸,實現網絡通信。應用層主要提供服務功能,可以提供如工業監控、環境控制等監控服務。目前,物聯網發展的核心技術是RFID(射頻識別技術),即通過無線射頻方式達到物品識別、信息感應、傳遞、處理和儲存的目的,是最具發展潛力的自動識別技術之一[2]。

物聯網在21世紀獲得關注并迅速發展,美國、日本及歐盟等國家陸續提出物聯網發展戰略,推動了物聯網的高速發展進程。物聯網被多個領域所運用,從而引發了整個行業的創新浪潮。物聯網的發展壯大主要受計算機技術發展的影響,是繼互聯網之后的又一次信息產業熱潮。在信息技術創新發展的大力支持下,物聯網被應用在多個領域,市場前景廣闊,是現階段最具發展潛力的產業之一。但隨著物聯網的發展,其對安全性及時延性要求也越來越高,這也為5G技術在物聯網中得到更好運用奠定了堅實基礎。

7 物聯網、移動技術共同發展

互聯網技術發展受新一代移動通信技術發展的影響,而物聯網發展的核心就是互聯網,因此通信技術的發展對物聯網技術發展起著重要的推動作用。移動網絡通信的發展關鍵是通信速度、網絡延時以及系統容量,新興的5G多址技術可以顛覆傳統的數據傳輸模式,將移動網絡接入的數量提高到近百倍,極大地拓展了數據容量,降低時延問題,在這樣的背景下物聯網的基礎,也就是設備的遠程對接與操控就更加便捷,設備與設備之間的連接數目與數據傳輸效率都大幅度提升,實現超可靠的大規模機械通訊,并且在這樣高性能的基礎上,5G設備的耗能不僅沒有增加, 并且得到了進一步的降低,甚至是超低能耗,為智能化物聯網的發展帶來的更大便利。基于5G網絡覆蓋面更大、組建靈活性更高、性能更加優越等優勢,5G通信網絡即可以支持高密度寬帶業務,還能支持大規模的移動設備通信,從而實現移動終端多元化、融合化發展,能夠滿足人民的個性化生活需求。

將移動通信網絡與物聯網相結合不僅能夠使物聯網具備5G網絡優勢,還能擴大服務的覆蓋面積,減少物聯網的投入成本。5G與物聯網是相互發展且相互依賴的兩項技術,它們共同組成了智能化網絡應用體系[3]。從需求方面來看,物聯網首先需要滿足信息的識別和讀取需求,其次需要通過網絡來傳輸和共享這些信息,然后互聯網用戶增長將帶來系統管理和信息數據分析,最后通過改變企業的經營模式及人們的生活方式,從而達到萬物互聯的追求。未來物聯網市場將向細分、差異化、定制化方向轉變,未來增長有可能超過預期。隨著網絡安全體制的逐步建立,物聯網能選擇最佳的通信網絡,即無線通信網絡體系。目前,全球網絡正在進行不斷融合,呈跨越式發展的趨勢。5G網絡的良好的性能更好地滿足物聯網發展需求,所以5G移動網絡發展和物聯網發展相輔相成,起著互相推動的作用。

8 結語

隨著經濟社會的快速發展,物聯網被越來越多的領域所應用,為人民生活帶來日新月異的影響。而5G移動通信技術的發展則為物聯網應用場景的擴展提供了更多可能性,推動物聯網發展的同時,也使人民獲得更加智能便捷的服務,從而促進了社會更好的發展。