物聯網形勢下的5G通信技術應用

魏文勇，盛 利

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

1 物聯網和5G通信技術的介紹

1.1 物聯網

將物聯網簡單理解為物與物之間互聯互通的網絡，它既是互聯網的延伸和擴展，也是網絡信息時代背景下人與物、物與物之間實現數據通信和信息交換的重要載體。

從信息技術的層面來看，物聯網的本質是在物體中嵌入微型感應芯片，以嚴格的網絡協議為基礎，通過互聯網、傳感器設備的整合，在人與物品、物品與物品之間建立連接，使得數據信息能夠傳輸、共享及交互，從而實現智能化識別、定位、跟蹤、監控以及管理等多種功能。近幾年，物聯網技術發展迅速。隨著技術水平的不斷提高，它在社會建設發展中的應用普及性和重要性不斷提升，已成為智慧城市、智慧交通以及智能家居等領域不可或缺的技術支撐[1]。

1.2 5G通信技術及其特點

5G通信技術指第5代移動通信技術，是現階段最先進的通信技術之一。根據國際電信聯盟的定義，5G通信技術應用在增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時延通信（ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）和海量機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）3大場景。eMBB主要用來應對移動通信數據流量爆炸式增長的問題，能夠大幅度提高移動通信數據的傳輸效率，給予移動通信網絡用戶更好的使用體驗。uRLLC主要應用在具有較高時延和高可靠性要求的垂直行業，如自動駕駛、遠程醫療以及工業控制等領域，以滿足其對數據信息傳輸高速性和穩定性的需求。mMTC能夠更好地滿足人們在傳感和數據采集方面的高需求，多應用于環境監測、智能家居以及智慧城市等領域[2]。

作為先進的通信技術，5G通信技術具有突出特點。第一，高速率。相關的技術標準要求5G通信基站的峰值達到10～20 Gb/s。第二，低時延。通常情況下，5G通信網絡的空中接口時延會低至1 ms。第三，大連接。因具有低功耗、高傳輸速率及穩定性優勢，5G通信技術的連接能力遠高于4G通信技術，可達到100萬/km2。此外，5G通信技術具有極強的網絡覆蓋能力，無論是廣度覆蓋還是縱深覆蓋，都具有明顯優勢，可實現大連接功能。

基于5G通信技術的特點，它已成為現階段構建物聯網的重要技術支撐[3]。

2 物聯網形勢下5G通信技術的應用

2.1 智能化技術分析

5G通信技術的中心網絡本質上是一個云計算平臺，由數據處理、計算能力極強的大型服務器構成。在物聯網快速發展的形勢下，大量復雜化、非結構化的數據信息在中心網絡傳輸。將5G通信技術應用于物聯網，能夠借助其關鍵性的智能化技術，更加科學、高效地應對數據信息的傳輸和處理問題，從而更好地保障物聯網的運行效率和穩定性。

基于5G通信技術提高機器對機器（Machine to Machine，M2M）通信應用的技術水平。M2M是物聯網最常見的應用形式，指機器與機器、人與機器、移動網絡與機器之間的通信，涵蓋了人、機器、網絡之間的通信技術。應用該技術的過程中，無須經過用戶，設備之間可直接進行通信，具有較高的通信效率和自動化水平，被廣泛應用于城市信息化、安全監測、環境監測以及智能電網等領域。然而，在無線網絡連接下，M2M技術在應用過程中必然會受到一定干擾，影響技術的應用效果，因此提高無線網的穩定性是促進M2M技術發展的關鍵。5G通信技術具有傳輸速率高、應用范圍廣、帶寬大以及低延遲等技術優勢。通過輕量級M2M（Lightweight M2M，LwM2M）協議，將使用基于LTE演進的物聯網技術（LTE-Machineto-Machine，LTE-M）、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等蜂窩技術的M2M設備與5G通信網絡相連接，可為M2M設備提供良好的網絡連接性、穩定性以及有保證的服務質量（Quality of Service，QoS），從而最大限度提升M2M技術的應用水平和效果，進一步突出M2M智能化和智慧化的技術特征[4]。

此外，5G通信技術中內容分發技術（網絡）在物聯網中的應用，可通過構建智能虛擬網絡的方式，綜合考慮各網絡節點用戶距離、連接狀態以及負載狀況等多種因素，將數據信息內容分發到距離用戶較近的代理服務器，以有效解決物聯網使用過程中數據信息集中爆發引發的網絡擁堵問題，提高物聯網信息的傳輸和響應速度，保證物聯網的功能性和智能性[5]。

2.2 超密集網絡技術

隨著物聯網技術的不斷發展，各種智能終端逐漸普及，網絡數據流量出現井噴式增長。面對這種情況，只有引入5G通信技術才能妥善完成海量數據的傳輸交互工作，確保物聯網的正常運行。此過程主要依靠的是5G通信技術中的超密集網絡技術（Ultra Dense Deployment，UDN）。該技術的本質是通過小基站加密部署的方式，增大目標區域內低功率傳輸節點的密度，縮小網絡覆蓋范圍，將服務對象局限于少量用戶，以拉近低功率傳輸節點與終端的距離。該方法不僅能夠實現局部熱點區域通信網絡系統容量的百倍量級提升，還能夠分流業務，使網絡部署更具靈活性，同時頻率復用更具高效性[6]。

目前，UDN在物聯網中的應用主要有“宏基站+微基站”和“微基站+微基站”2種規劃部署方式，如圖1所示。在“宏基站+微基站”部署方式下，宏基站負責高移動性、低速率數據信息的傳輸，微基站則主要負責高帶寬業務的承載。這種方式以宏基站負責覆蓋、微基站進行資源協同管理的方式，實現覆蓋和容量的單獨優化設計，以妥善解決多組網環境下網絡頻繁切換問題，確保物聯網運行過程中的網絡傳輸穩定性，提升用戶體驗感。“微基站+微基站”部署方式需要通過信號、信道以及載波等部分資源共享的方式，利用微基站構建一個虛擬宏小區。一方面利用虛擬宏小區實現主要的數據信息承載和傳輸工作，另一方面利用各個微基站的剩余資源單獨完成用戶面的數據傳輸，以實現控制面與數據面的分離。這樣既能夠在低網絡負載時提高數據傳輸質量，又能夠在高網絡負載時提高網絡容量，從而最大限度保證物聯網的運行穩定性與高效性[7]。

圖1 超密集網絡規劃部署

2.3 毫米波技術分析

作為5G通信技術的一個關鍵性技術，毫米波技術在物聯網中也發揮著極為重要的作用。毫米波是5G通信技術中使用的一個主要頻段，本質上屬于一種波長在1～10 mm（頻率為30～300 GHz）的高頻電磁波。相較于其他類型的電磁波，毫米波段可使用的頻譜資源非常豐富，因此毫米波技術的應用可顯著擴大5G通信網絡的容量，提高傳輸速度。現階段，5G通信技術主要使用2個通信頻段，一個是Sub-6 GHz低頻頻段，另一個是24～100 GHz的毫米波頻段。Sub-6 GHz低頻頻段為主的LTE蜂窩系統，數據速率不高于1 Gb/s，最大帶寬為100 MHz。對于24～100 GHz的毫米波頻段，以24 GHz、28 GHz、39 GHz以及60 GHz幾個頻段的應用最常見。以該頻段為主的通信系統，數據速率高達10 Gb/s，最大頻率可達400 MHz[8]。

2.4 高頻段傳輸技術

物聯網的發展需要以更快的網絡傳輸速度為支撐，但是如今移動通信技術頻譜資源匱乏。相關數據顯示，頻譜資源應用主要集中在6 GHz以下。若物聯網建設過程中依然使用低頻頻段，必然會限制數據信息的傳輸速度，嚴重影響物聯網各項功能的發揮。基于5G通信技術的高頻段傳輸的5G網絡結構設計，如圖2所示。它既能夠有效緩解資源緊張問題，又能夠大幅度提高物聯網的數據信息傳輸速率。此外，它具有傳播方向性強、抗干擾性較好、元器件尺寸小以及頻率復用性較高等優勢。其中，60 GHz頻段逐漸成為高頻段傳輸技術在物聯網中的一個應用研究熱點[9]。

圖2 基于高頻段傳輸的5G網絡結構設計示意圖

3 物聯網形勢下5G通信技術的發展方向

在物聯網發展的推動下，未來5G通信技術將呈現出以下發展趨勢。一方面，進一步提高5G網絡的上行峰值速率。以常見的3.5 GHz頻段、100 MHz帶寬5G網絡來看，上行峰值速率僅為380 Mb/s。隨著物聯網的快速發展，該上行峰值速率將無法滿足物聯網的數據傳輸需求。通過靈活的幀結構配置、上行載波聚合等技術手段，可提高5G網絡的上行峰值速率。這將是物聯網形勢下5G通信技術的一個重要發展方向。

另一方面，隨著智能家居、智能樓宇以及智能辦公的快速發展，未來物聯網的應用范圍會由室外向室內延伸，且5G通信網絡室內業務量也會出現大規模增長。因此，利用分布式Massive MIMO或毫米波等技術提高5G網絡室內容量，促進室內容量的彈性躍升，從而為To B產業提供更高的網絡質量，為To C用戶提供更好的業務體驗，是物聯網形勢下5G通信技術發展的另一個方向[10]。

4 結 論

物聯網和5G通信技術是新時期推動社會發展的關鍵性技術，2者之間存在相互滲透、相互支持的關系。從智能化技術、密集網絡技術、毫米波技術以及高頻段傳輸通信技術這幾個層面出發，將5G通信技術合理應用于物聯網，可為其提供更高效、更穩定的網絡支持，一方面充分發揮物聯網的作用和價值，另一方面促進物聯網和5G通信技術協同發展。