5G通信信息技術在物聯網時代的應用探討

張 堅

（中國電信股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310016）

0 引 言

無線通信網絡從根本上改變了人們傳統的生產生活模式，當今社會廣泛通過網絡進行生產、辦公、交易、溝通，但由于無線通信技術具有一定的開放性和移動性特征，更易受到外部條件改變和各種因素的干擾，進而可能導致網絡穩定性和安全性下降或者失效的情況發生。當前4G時代已經逐步向5G移動時代演進，無線通信技術的迭代將對社會生產生活模式產生更為巨大的影響，信息意識水平也隨著通信科技的迅猛發展而不斷躍進。在5G通信技術與先進的存儲轉發和云計算算力網絡科技相結合的整體網絡環境下，5G物聯網得到不斷發展。5G物聯網的模式下，一定程度上來說，所有的人和物都可以通過某種鏈接被聯接起來并發生相互作用。萬物互聯的物聯網徹底改變了社會群體和個人的思維、感覺、行為和生產生活方式，5G通信技術的加持會令互聯世界觀念下的社會變得更小、更安全、更智能。

1 5G三大應用場景

1.1 eMBB增強移動寬帶

用戶能夠深度感知極致數據速率和極致用戶移動性。數據速率可達10 G/b，是4G的100倍。利用高功率的無線電波，甚至是毫米波，實現高帶寬、高信息量傳遞。各類型基站廣覆蓋，針對高速環境疊加波速賦形，功率強，保證移動性可達500 km/h以上。結合SR分段路由的5G承載，降低了網絡連接的復雜度，使得業務路徑更暢通。同時，邊緣計算能力可以為超大規模語音、視頻、即時通信、網絡媒體和物聯網絡提供基礎能力保障，能夠使視頻云、CDN、游戲云、智慧家庭、互聯應用等服務能力有質的飛躍。

1.2 URLLC

URLLC擁有小于1 ms的時延，只有4G的10%。結合5G網絡切片能力，提供物聯網絡的差異化需求，保證不同物聯業務的承載。低時延在物聯網絡中的作用更加強大，大部分物與物的連接中都要求一定的反應速度。在工業控制、智能制造、自動駕駛、遠程醫療、XR元宇宙、游戲穿戴上，低時延都是一切能力呈現的基礎。在5G網絡環境下，端到端低時延可以做到優先級分類和網絡流量的特殊處理，同時數據通信中的卡頓和延時也將大大縮減，大數據量的碼流、4K和8K視頻流穩定流暢。VRAR類物聯環境以及連接數激增的情況下，仍可以做到敏感迅捷的交互時延。

1.3 mMTC海量機器通信

5G技術可以做到深度覆蓋、超高密度、超低能耗要求下的海量連接。它的1 M/km的連接數是4G的100倍，能夠實現端到端數據直接傳輸。運營商正在大規模建設700 MHz、900 MHz、2.1 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz、毫米波等多種5G頻譜。5G網絡與其他網絡的互補優勢明顯，使得物聯網的網絡應用能力不斷提升；在資源帶寬優勢基礎上，不斷增加終端接入能力；網絡靈活多樣，網絡管理方便迅捷；接入帶寬非常靈活，從不需要支持全帶寬的智能儀表，到碼流需求巨大的自動駕駛汽車，不同帶寬靈活切換，網絡自動調整基站UE功耗。5G技術采取前向兼容，動態配置帶寬和載波間隔，資源預留、調度優先。

2 物聯網環境下的5G關鍵技術

2.1 多層級專網可靠性設計

通過5G設備單板和電源主設備實現單板級可靠性。通過RRU環形組網實現網元級可靠性。通過5G低碼率表、回程重復、上行重復等方式實現鏈路級可靠性。通過多終端冗余、無線雙平面、端到端會話雙平面實現網絡級可靠容災。

以上方式在5G技術中的實現，使物聯網環境復雜、場景可靠性要求非常高的情況下的需求能夠得到充分滿足。在空口環境比較惡劣的場景下，也能充分發揮5G能力，保障在線業務不丟失。對用戶層可靠性要求極高的情況下，通過冗余設計保障安全。即使從無線側到核心側整條鏈路上出現故障，也能充分保證端到端業務連續性。

2.2 QoS對速率、時延、抖動的服務質量保證

基于5G切片的無線差異化保障，可應用于不同切片下相同的差異化保障。在5G公網中部署基于資源預留的切片，可靈活滿足高可靠、高安全的物聯行業應用。結合帶內上行增強和時頻深度協同技術，對速率進行增強。

通過URLLC的時延增強功能，實現URLLC和eMBB兩種下行業務共存，滿足URLLC對低時延的高要求。同時5G技術允許對終端和核心網有定制化的需求，可以通過系統面控制精準地對時延進行確定性的管控并減少速率抖動。

2.3 5G業務組網及網絡分流

在物聯網的發展中，網絡組網方案非常關鍵。在核心側，5G技術通過網絡級分流、網元級分流以及會話級分流對網絡分域分流管理，以提升安全可靠性。在無線側，5G技術通過基于IP和DNS的域名分流、園區切片ID分流，或者指定專網用戶分流，實現不同物聯網業務在同一張5G無線大網下各自的業務保證。

2.4 專網行業定制化需求

5G通過大帶寬使能3～5 m精準定位能力，具備高精度、全場景、易維護、低成本優勢，降低網絡運維復雜度和系統開銷，提升可商用性。高精度網絡授時技術賦能物聯網行業數字化改造，對電力、工控、交通、自動駕駛等物聯應用提供同步和高效協同的基礎保障能力。5G廣覆蓋下，基站位置靈活，可以充分確保重要的專業物聯網絡無縫連接。端到端的QoS監控能夠實現精準檢測保障。相比傳統網絡，5G網絡具備端到端時延和抖動等關鍵指標，是實時的測量手段，且不占用大量資源開銷，使得物聯網大連接情況下充分得到網絡質量保障監控，并且能夠實現用戶側可視可管可控，業務服務可保障、可承諾。

3 5G物聯網帶來的新機遇

3.1 用戶側數字化變革，物聯網基礎設施升級

在數字化轉型的趨勢下，更多的數據將從邊緣處理、工業制造、電力物聯網逐步走向智能物聯。網絡在邊緣側面臨異構終端的海量連接、業務的實時性、應用智能性、數據優化和安全隱私等多種挑戰。5G網絡可通過簡化邊緣APP開發和適配，憑借深度開放的邊緣計算和安全防護能力，幫助用戶實現制造、管理、檢測、維護、安全等智能化管理，提高生產效率，提升公共服務用戶滿意度。

3.2 與多種新技術新領域融合

物聯網與5G無線網相融合形成移動物聯網，例如智能家居、車聯網、可穿戴設備、智能設備、健康養老等規模化的消費應用。物聯網與工業、農業、能源等傳統行業深度融合形成產業物聯網，成為行業轉型升級所需的基礎設施和關鍵要素，例如智慧工廠、智慧農業、智慧能源等生產性物聯網應用。物聯網立體化城市信息采集系統正在加快構建，智慧城市成為物聯網應用集成創新的綜合平臺，例如智慧安防、智慧消防、智能停車等安全防護性應用。

3.3 4G和5G物聯網共存化、網絡切片、綜合運維

5G網絡的廣覆蓋預計到2025年左右可以實現無縫部署。從網絡層面看，運營商不可能同時全面轉向5G。從4G到5G，涉及虛擬設備和傳統非虛擬設備的混合運維和管理，這對目前的綜合運維方式有很大的沖擊和挑戰。5G網管與云對接，實現監控、編排、升級等云網業務一體化是綜合運維的重點任務，需要做到網元共管、Pool管理，支持虛擬資源的編排，利用SDN實現5G部署切片網絡配置和端到端切片的部署管理。

4 5G通信技術對物聯網發展的影響

4.1 5G物聯網典型應用場景

5G物聯網典型應用場景：eMBB增強移動寬帶通信、URLLC超可靠低時延、mMTC海量物聯。通俗說：eMBB是為人提供更好的感受，URLLC是為車提供安全保障，mMTC是為物提供更全面靈活的連接能力。NB-IoT/eMTC窄帶物聯網標準繼續演進，作為5G 物聯網的重要場景和補充。5G物聯網發展強調與垂直行業融合，重點涉及工業互聯網，面向企業提供廣覆蓋、低時延、高可靠的網絡，助力企業建設。

5G通信技術具有傳輸速率高、延遲較小等通信速度特質，應充分應用到物聯網技術當中，推動物聯網高度發展；同時伴隨著技術的不斷發展，人們對于物聯網技術提出了越來越高的要求，恰好5G通信技術可以很好地完成信息傳輸任務，并在很多方面都起到了較好的推動作用。

4.2 5G對物聯網的演進推動

5G低功耗廣域網等基礎設施的加速建設，推動邊緣計算、人工智能、海量連接、區塊鏈等新技術與物聯網結合，進入物聯網領域跨界融合。5G是無線網絡面向數字化轉型的契機。統一的網絡可以滿足差異化應用的需求，能夠實現網絡云級運營管理，靈活適配應用業務需求，滿足開放式能力，用戶層部署下沉，減小時延，降低數據承載壓力，實現異構組網。

4.3 垂直行業對5G技術的需求

引入5G MEC技術，結合邊緣DC和中心DC，物聯網數據的處理更加分布式地呈現，核心網部署更加邊緣化。MEC組網可使應用業務本地化、本地分流和緩存加速、路由靈活配置。這些都是實現5G業務網絡應用近距離部署和訪問、用戶層高效靈活按需部署分布的有效手段。為用戶提供高帶寬、低時延傳輸能力的同時，打造無線虛擬接入網絡。進一步為客戶提供安全可靠的本地數據存儲和處理能力服務，確保用戶數據的安全隱私。

5 結 語

物聯網專網設備向5G的平滑演進和人網這張大網緊密關聯，5G初期物聯網核心網元可以和人網網元合一。總體策略上需要保持4G物聯網的繼承性，同時也需推動窄帶物聯網深度覆蓋持續進行。5G中后期，構建完善的物聯網生態，加快推進5G物聯，構建泛在5G的信息基礎。

伴隨運營商5G網絡逐步成熟，URLLC/mMTC業務將不斷融合網元，按需下沉靠近MEC。建設物聯網保障安全體系，構建可控、可管的物聯網核心架構是確保工業、電力、能源、交通等國計民生物聯垂直行業的核心安全要求。

物聯業務應用是5G物聯網發展的核心訴求，規模應用時同步開展綜合物聯網標準的制定，能夠大力推動物聯網在熱點行業應用，充分圍繞智慧交通、車聯網、智慧電網、智慧制造、工業互聯、智慧醫療、智慧民生等關系到人民生活的關鍵行業和領域，大力推廣物聯網新產品、新技術、新模式和新形態，物聯網將迎來極豐富的智能服務。