基于5G通信技術發展視域下的物聯網產業鏈發展

陳國勤

（中國鐵塔股份有限公司 蘇州市分公司，江蘇 蘇州 215001）

0 引 言

萬物互聯是未來人類生產生活的運營常態，而“互聯”的本質則是先進的移動通信技術。隨著移動通信技術從2G到5G 的發展，不斷提升的網絡性能逐步滿足了各行各業的需求，先進移動網絡技術在垂直行業的滲透率也因此提高，引領各行各業不斷向萬物互聯的目標逐步邁進，為物聯網的發展提供了有力的支撐。本文是基于5G通信技術的發展視域對物聯網產業鏈發展進行研究探討。

1 基于5G通信技術發展視域下的物聯網產業鏈總體架構

1.1 物聯網概述

智能系統的建成需要實現對物品的智能化感知、識別、控制和管理，物聯網則是利用傳感器、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、紅外遙感、全球定位系統（Global Position System，GPS）等設備和技術，對需要監控與連接物體的位置、速度、聲音等信息進行實時采集，最后通過網絡連接實現物與物、物與人之間的連接。如今，智慧醫療、智慧交通、智慧物業等領域均大規模應用了傳感器、RFID和網絡通信技術等物聯網主要技術[1]。

1.2 物聯網產業市場規模

作為繼計算機、互聯網之后，全世界信息化革命的第三次浪潮，物聯網產業鏈發展已成為國家科技發展戰略目標之一，是未來戰略新興產業的主導力量。2021年，IDC發布《2021年V1全球物聯網支出指南》，對2020年全球物聯網市場進行了從技術、場景、行業等多角度的系統梳理，并預測了未來5年的市場發展走向，如圖1所示。

圖1 IDC對 2020—2025年中國物聯網支出規模預測

IDC預測，至2025年全球物聯網市場將達到1.1萬億美元，年均復合增長11.4%，彼時中國市場占比提升到25.9%，全球物聯網市場規模排行第一。

1.3 物聯網架構

一般來說，物聯網架構從左至右分為4個層次，分別為感知識別層、網絡傳輸層、平臺管理層和應用服務層，如圖2所示。

圖2 物聯網的整體架構

（1）感知識別層用于識別、感知物體、采集數據信息、自動控制，涉及傳感器、芯片、感知設備的研發及制造。

（2）網絡傳輸層能根據不同的場景應用不同網絡對感知識別層的數據進行傳輸，這里面主要指通信網絡、幫助終端接入網絡的通信模組及基礎通信設施。

（3）作為連接感知層和應用層的橋梁，平臺管理層主要實現信息采集和處理，其中物聯網平臺包括連接管理平臺（Connectivity Management Platform，CMP）、設備管理平臺（Device Management Platform，DMP）、應用使能平臺（Application Enablement Platform，AEP）和業務分析平臺（Business Analytics Platform，BAP），物聯網設備的有效運行則依靠其系統和軟件。

（4）應用服務層是物聯網價值實現的環節，主要指各類智能終端硬件以及系統集成應用服務。用戶根據平臺層匯集處理完的數據對終端進行遠程監控、控制和管理，來實現物聯網的價值。

2 5G通信技術在物聯網產業鏈的應用特點

物聯網是將傳統電信網和互聯網等作為數據載體，讓具有獨立能力的一般物體擁有互通互聯作用且結合起來的一個巨大網絡。從物聯網的含義出發可以分為兩個內容：數據通信網絡與硬件子系統。現如今，物聯網內部的硬件子系統變得更加復雜，這就對信息通信技術帶來了機遇與挑戰，此時5G通信技術在物聯網產業鏈中的應用則充分展現了其技術特點。

2.1 高速率大寬帶

目前，無線通信在技術和應用上不斷實現突破與進步，5G通信的出現使得無線通信技術在傳輸速率和寬帶容量得到了更大的提高，在真空網絡環境下，5G網絡帶給用戶的傳輸速率可以達到1 Gb/s，是4G的10倍，無壓力支持視頻影像的傳輸，為智慧醫療、智慧交通等應用提供了技術基礎保障。

2.2 高可靠低時延

相比于4G技術，5G通過提高高頻通信毫米波穿透性達到高速率的目的，5G的傳輸速率是4G的10倍以上，擁有10 Gb/s的峰值傳輸速率。同時，其上下行傳輸以及保護時隙信息下的子幀結構也將延遲降低至1 ms，相比于4G技術50 ms的延遲，實現了顯著降低，這對提升物聯網產業鏈中的網絡能效顯得極為友好[2]。這一特點主要體現在擁有特殊需求如車聯網、工業控制等垂直行業，車輛傳感器和攝像頭采集的畫面數據、智能系統的邏輯推理和決策以及運動控制操作這些數據信息實時互聯需要超高的傳輸速率、超高的可靠性以及超低的時延。

2.3 連接海量

5G的系統容量、通行效率以及頻譜效率相較于4G大幅度提升，連接的設備可達100萬臺/km2，是4G的10倍之多，這為智慧城市、森林防火、智能家居等應用打下了堅實的技術基礎。

2.4 網絡切片

網絡切片（Network Slicing，NS）是將物理網絡進行虛擬切割，將其劃分成多個虛擬網絡，為適應不同的應用場景，各虛擬網絡根據不同應用場景的不同服務需求來劃分和使用。其中，網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）和軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）是網絡切片實現的基礎。

5G網絡依據不同的應用場景分為3類：移動寬帶、海量物聯網和任務關鍵性物聯網。網絡切片的虛擬切割將物理網絡劃分成多個邏輯網絡來對應不同的應用場景，這樣不僅能節省費用還可以滿足不同的需求，如圖3所示。

圖3 5G 網絡的3 類應用場景

（1）增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）。該場景的高數據速率特性使其成為個人消費市場的核心應用場景。

（2）超可靠低延遲通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）。該場景下擁有支持快速移動、高可靠性、毫秒級低時延的特點，主要針對智慧交通、智慧醫療等應用。

（3）面向海量機器類通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）。該場景支持低速低耗和海量連接，因此主要面向智慧城市、環境監測等以傳感器接入及遠程數據采集的應用。

3 基于5G通信技術的物聯網產業應用場景

3.1 虛擬電廠

能耗過高一直是經濟生活中亟待解決的問題。但能耗高也意味著節電潛力大，所以發展并應用“虛擬電廠”無疑是個不錯的選擇。

虛擬電廠通過結合先進信息通信技術和軟件系統提高整個系統的工作效率，是以一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的電源協調管理系統。5G無線通信技術可以根據虛擬電廠不同業務場景提供安全可信、接入靈活、實時互動的虛擬專用網絡。圖4 為基于5G通信技術的虛擬電廠系統總體結構。

圖4 基于5G 通信技術的虛擬電廠系統總體結構

基于5G 的虛擬電廠通信網絡如圖5所示。虛擬電廠會利用5G 通信網絡為分布式能源、儲能、可控負荷終端的調控提供實時、可靠、安全的數據傳輸通道。

圖5 基于5G 的虛擬電廠通信網絡

3.2 智能巡檢

隨著信息化革命浪潮的到來，如今信息的有效利用率不斷提升。智能巡檢是以更合理、更貼近實際需求的方式對檢測區域進行全方位、多手段融合的系統檢測，及時發現區域設備故障，能夠科學地安排維修、檢修及生產運行管理工作，實現巡檢與主動安全聯動，做到無人巡檢、少人值班。在5G 智能通信技術背景下，現場數據采集與通信對于巡檢機器人來說也并非難事。

以基于5G的變電站電氣設備的智能巡檢為例，變電站巡檢通過安全接入平臺實現接入認證以及數據傳輸加密。構建基于5G 的變電站電氣設備智能巡檢模式可提高變電站內無人值的守管理水平，實現現場工作的實時安全管理。圖6為基于5G智能巡檢綜合方案的總體業務架構。5G通信技術高速率、大寬帶、高可靠、低時延的優勢不僅滿足了巡檢需求，網絡切片技術也為系統帶來更高的安全和實用性，滿足了變電站多樣性業務的不同需求。

圖6 基于5G智能巡檢綜合方案總體業務架構

4 基于5G通信技術發展視域下的物聯網產業鏈的未來發展

4.1 保障物聯網產業的安全隱私

5G通信技術的發展對物聯網產業鏈起到了推動作用，但在安全隱私方面還面臨著一些挑戰，仍處于發展階段的5G通信和物聯網技術既存在著技術缺陷，也存在著網絡漏洞。以毫米波技術為例，其傳輸距離短的特點導致將其應用在高層建筑物之間進行信息傳輸時常出現信號不良、信息丟失等問題，這就需要對物聯網產業鏈的安全性進行全面的評估與分析并加強保護，做到信息安全性與傳遞速度“雙保證”。當前，5G通信技術的安全已受到國家、行業及企業的高度關注，不斷提升信息傳輸安全已經成為5G通信技術發展的重要考慮要素，這必然會有力推動物聯網產業的發展。

4.2 提高物聯網產業鏈能效管理效率

出于節能和降低成本的考慮，物聯網產業鏈中的能耗和能效（Energy Efficiency，EE）是關注的重點。這也意味著要在滿足物聯網業務服務質量（Quality of Service，QoS）的同時進行合理高效的資源分配。

這里的資源分配是網絡技術的資源問題，選取邊緣計算下超高清視頻傳輸場景下的資源分配問題舉例。

邊緣計算是一種新型架構模式，其將計算、處理、存儲等功能從云中心下移到網絡邊緣側，這樣可以有效提高系統效率，給用戶以更好的服務體驗。雖然帶來了較好的體驗，但5G對網絡的覆蓋、容量以及連接數量等有了更高的要求。為了有效減輕回程鏈路壓力和應對5G更嚴格的要求，學者們對邊緣計算展開了研究，其主要思想是將計算、存儲等功能下沉到網絡邊緣（如基站），在保證更好地為用戶提供所需服務和內容的同時最大程度降低回程鏈路流量和減小端到端時延。

雖然邊緣計算能夠提供低時延等優勢，但將存儲和計算資源下移也導致移動邊緣計算的資源管理更為復雜。更由于計算資源受限的原因，尋找高能效的資源分配方法將為邊緣計算的發展提供深遠意義。因此，在滿足應用的QoS 要求的同時，為處理動態復雜5G 邊緣計算環境下終端的多個請求，必須進行高效節能的資源分配，也就是要提高物聯網產業鏈的能效管理效率。

5 結 論

當前物聯網的快速發展對于無線通信技術提出了更高的要求，5G通信技術的出現為物聯網產業鏈的發展提供了許多契機。從5G通信技術在實際應用中展現出的諸多優勢來看，其能更好地承擔起信息傳輸的重任，同時這些優勢優化了物聯網產業鏈的發展格局。作為物聯網行業持續發展的重要支撐，5G通信技術的應用功能和應用場景還需要進一步探究與挖掘，只有牢牢把握住5G通信技術發展契機才能推動物聯網產業鏈在多變的市場環境下長期穩定發展。