5G和物聯網技術應用發展綜述

劉 霞，姜元山，張光偉

（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

0 引 言

《工業和信息化部辦公廳關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》（工信廳通信[2020]25號）中指出，移動物聯網是新型基礎設施的重要組成部分。在移動物聯網技術演進中，基于蜂窩移動通信的5G技術滿足其更高速率、低時延聯網需求。目前，物聯網技術與5G移動通信技術具有高度融合發展的趨勢（特別是低時延和高可靠性需求的用例），不僅使移動物聯網的服務質量、服務水平得到提高，還使社會經濟得到快速發展。

1 5G通信技術和物聯網技術概述

5G通信技術，即第五代移動通信技術（5th-Generation Mobile Communication Technology），其核心特性為：超高速率、超高容量、超低時延、超節能、全覆蓋；主要有三大應用場景：高可靠性和低時延業務（URLLC）、大規模物聯網業務（mMTC）、大流量移動寬帶業務（eMBB）。相對于4G技術，5G通信技術在連接速率、系統容量、鏈接數量、網絡時延方面都有大幅提升，在物聯網行業有廣闊的應用前景。

物聯網（IoT）網絡架構是由紅外感應器、射頻識別器（RFID）、激光掃描器、GPS/北斗定位器等信息傳感設備組成的，如圖1所示。按照業界已定義標準協議或事實標準，針對將任何物品通過網絡連接到互聯網實現信息的交換及通信，通過互聯網完成物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，強調互聯網鏈接的所有對象（包括人和機器）都擁有唯一的地址，并通過有線或無線網絡進行通信。5G通信技術即物聯網無線網絡通信技術的其中一種。

圖1 物聯網網絡架構

物聯網在各領域的需求主要體現在：（1）大規模設備連接到網絡進行數據傳輸業務，對數據傳輸帶寬要求相對較高，如電力系統能源調控等；（2）對數據通信和傳輸的超高可靠性、超低時延要求，如電力系統控制類業務；（3）對設備的低功耗和低成本要求，以滿足行業部署環境、更新改造需要；（4）后臺智能化處理數據，前端可視化反饋結果，以滿足場景化、易用化。

2 5G與物聯網融合關鍵技術應用及發展

2.1 全頻譜接入

全頻譜接入技術充分組合使用現有的“高頻頻段（6～100 GHz）、低頻頻段（6 GHz以下）”“授權頻譜、非授權頻譜”“對稱頻譜、非對稱頻譜”“連續頻譜、非連續頻譜”等移動通信頻譜資源，有效地使數據傳輸速率、系統容量得到提升。其中，5G毫米波技術是物聯網領域應用的關鍵技術。若拓展物聯網系統覆蓋面，需要接入海量設備，同時5G網絡容量也要增加。5G毫米波帶寬資源豐富、天線增益高，可以支持超高傳輸速率，具有波束窄且靈活可控等優勢，使可接入設備增加。未來將向高頻、超高頻發展，但頻率越高，傳輸距離越短，穿透力越差，會給系統硬件提出更高要求。

2.2 5G時間敏感網絡技術

物聯網領域10%的業務屬于大帶寬、低時延、高可信業務，典型應用是遠程醫療、視頻監控、自動駕駛等，其中涉及工廠自動化（即智能制造）、傳輸工業和電力輸送分配的工業物聯網場景，對時間特別敏感。5G新技術可以實現1 μs同步精度、0.5～1 ms空口實驗，結合R16提出的工業級時間敏感網（TSN），在底層網絡架構標準方面推動工業物聯網應用快速落地；同時配合高精度定位、邊緣計算等技術，可以促進工業控制器能力的提升。

2.3 5G網絡切片技術

5G網絡切片技術的關鍵是網絡設備支持虛擬網絡功能，通過動態組合部署，在一張網絡中實現運營商網絡的動態切分，實現端到端地定制專用網絡能力。在物聯網的重要領域即工業物聯網領域，對控制面、管理面的時延和可靠性要求不同，需要在一張物理網絡中，“切”出端到端的多個獨立的、服務質量保障和服務水平保障不同的邏輯子網絡，以滿足如下要求：（1）通過資源隔離，實現工廠內外數據安全與隔離；工廠內不同業務環節的數據安全與隔離；（2）在成本可控的前提下，實現不同場景、不同環節的特殊需求；（3）滿足工廠控制面超低時延、超高可靠性的服務質量要求。目前在配電網差動保護中，此技術已經被分析應用。

2.4 密集網絡技術

密集網絡技術，即通過增加宏基站外天線數量，使外部有效接入空間拓展，從而使系統容量大幅度提升和系統的靈活性提高。室外網絡各節點的融洽性相對于室內網絡較強，利用密集網絡技術，網絡節點的性能得到有效提高；通過促進節點間自由連接的實現，可管理節點間信息交換效率、準確性。將密集網絡技術應用于物聯網，可應對大規模數據連接及數據傳輸帶寬的問題，使物聯網系統更加高效穩定，滿足行業化應用的相關需求。

2.5 5G邊緣計算技術

5G邊緣計算技術，即在靠近物品或者數據源的運營商部署網絡邊緣位置，融合運營商網絡、數據存儲、計算、應用等核心能力的分布式開放系統，可按需承載部分智能應用，實時處理現場業務數據，并快速反饋結果至現場，滿足實時業務、數據優化、應用智能等需求。在工業制造物聯場景已有典型應用，泛在電力物聯網建設對邊緣計算也有典型需求。

2.6 基于5G技術的低軌衛星物聯網技術

從技術可行性及建設運營成本方面考慮，沙漠、海洋等地表環境會制約運營商的基站建設，導致在某些特定環境條件下，無法實現蜂窩移動網絡的全面連續覆蓋。然而，部分大宗國際業務發展，如遠洋物流等，對物聯網的系統容量、連續覆蓋有更高要求，迫切要求解決物聯網的連續覆蓋問題。將低軌衛星與5G技術融合的物聯網，可有效解決特殊地表環境下的網絡連續覆蓋問題，為海量物聯網終端提供廣域、連續、泛在的接入服務。

3 5G技術和物聯網技術的未來發展

現有的5G關鍵技術，主要通過承載5G工業模組來實現。在5G物聯網商業應用過程中，不僅包含5G工業模組，還需要其他業務場景化軟硬件能力的支撐，即涉及場景化端到端應用的分析及研究。以下是結合當前的產業分析研究，列舉的最重要的技術研究方向。

3.1 5G端到端切片技術

現有的5G切片技術，主要關注無線空口側，在3GPP協議中已經進行標準制定，5G物聯網模組跟隨3GPP協議演進，基本具備支持該技術的能力。但是，在端到端的物聯網中，除了無線空口，還涉及協議轉換側（如路由協議）的配合處理，并且可能涉及到與QoS等網絡協議的端到端解決方案的設計及標準化。

3.2 5G端到端時間敏感網絡技術

5G時間敏感網絡技術重在解決基礎空口網絡的時延問題。在端到端應用中，還涉及工業協議轉換、路由轉發等，如何分段解決時延問題，形成端到端的時間敏感網絡解決方案及標準，是未來發展的重點，也是在各時間敏感行業應用的理論及標準基礎。

3.3 5G端到端可靠性技術

隨著物聯網在各行各業的逐步應用，特別是在可靠性敏感行業（如電力控制面、工業自動化控制等）的海量設備遠程配置管理等。如何保證端到端網絡的可靠性，以滿足行業企業級、通信級業務可靠性要求，也是未來5G與物聯網技術融合發展的重點問題之一。

4 結 語

近年來，隨著5G技術與物聯網技術的融合，各領域對二者的應用越發深入，成效也越發顯著，不僅解決了物聯網應用的痛點，也為物聯網發展帶來新的機遇和挑戰。本文對5G和物聯網技術的應用和發展進行了綜合闡述，對后續5G與物聯網技術融合的研究具有一定的借鑒意義。