5G+物聯網的技術與發展趨勢探討

黃鈺旋

（廣東南方電信規劃咨詢設計院有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引 言

隨著移動通信網絡的發展，5G移動通信技術（以下簡稱5G）成為通信領域發展的主流，其高速率、低時延、大連接的特點滿足了物聯網更高速率、更低時延的連接需求，成為推動物聯網發展的關鍵技術。而相對于4G，5G可以提供更高的速率、更低的時延、更多的連接數、更快的移動速率、更高的安全性以及更靈活的業務部署能力，其作用只有在萬物互聯得以實現的情況下才能得以完全發揮。因此，尤其在要求低延遲和高可靠性的場景運用下，物聯網技術的發展和5G移動通信技術有相互支撐、促進、融合的趨勢[1]。

1 5G移動通信技術

作為新一代寬帶移動通信技術，5G具有高速率、低時延和大連接特點。5G通信設施是實現人、機器、物體互相連接的網絡基礎設施。國際電信聯盟定義了5G的三大應用場景，即增強型行動寬頻（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、低時延高可靠通信（ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）和海量機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）[2]。

1.1 eMBB

eMBB場景是一種以人為本的應用場景，要求為網絡區域內的用戶提供一致的同步體驗，要求在Gb/s級別上實現高數據傳輸速率和低訪問延遲。該場景著重于超高傳輸數據速率、大覆蓋下的移動性保證等，最直觀的是提高移動網速，應用于3D視頻、超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻、虛擬現實、增強現實、邊緣計算部署等。

1.2 mMTC

mMTC場景要求網絡支持超過1 000億個連接的能力、100萬/km2的設備連接密度以及超低的功耗和終端成本，主要支持傳感和數據收集服務，如智慧城市、智能家居和森林防火等。

1.3 uRLLC

uRLLC場景要求網絡具有高可靠性和低延遲性。在這種情況下，連接時延要達到ms級別，而且要支持高速移動（速度達500 km/h）情況下的高可靠性（一次傳送32字節包的可靠性為99.999%。）連接，主要提供具有即時可訪問性要求的實時服務和特殊應用，更多面向自動駕駛、工業應用控制、遠程醫療等。

2 物聯網技術

物聯網是指通過多種傳感器設備、全球定位系統、激光掃描儀、紅外傳感器等現代先進技術實現對物品和流程的智能感知、識別與管理，因此也被稱為傳感器網絡，其基本特征為全面感知、可靠傳輸、智能傳輸。

近年來，物聯網核心技術不斷發展，標準體系持續構建，市場規模在產業建立和完善的過程中持續擴張。如果說互聯網是實現人與人之間的連接，那么物聯網就是實現物與物之間的連接。物聯網作為一種網絡技術，將互聯網與物結合，交換信息，實現智能定位和監督管理；信息傳感設備和連接的對象被編織成一個廣袤的網絡，從而達到連接所有事物的目的。

2.1 全面感知

物聯網要將大量物體接入網絡并進行通信活動，對物體的全面感知十分重要。全面感知是指利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、傳感器、定位器以及二維碼等信息收集手段，時刻采集和獲取物體信息。為了獲得物體所在環境的溫度、濕度、位置、運動速度等信息，物聯網需要能夠全面感知所要考慮物體的各種狀態。

2.2 可靠傳輸

可靠傳輸對整個網絡的高效和正確運行起著重要作用，這是物聯網的一個重要特征，通過各種網絡融合、業務融合、終端融合、運營管理融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去，從而實現信息的交互和有效處理。可靠傳輸在人體系統中相當于神經系統，它將各個器官收集的各種信息傳輸到大腦，由大腦發出正確的指令，同時也將大腦發出的指令傳輸到各個部位，以做出相應的改變和動作。

2.3 智能處理

智能處理是指利用云計算、模糊識別等智能計算技術，對不同空間、不同行業和領域接收到的物體數據與信息進行分析處理，對物體進行實時智能化控制。它是物聯網應用程序實現的核心。智能處理相當于大腦根據神經信號做出決策，指導相應的器官進行活動。在物聯網系統中，智能處理會對收集到的數據進行處理和計算，然后做出相應的決策，以指導系統進行相應的操作。

3 5G技術在物聯網應用中的技術優勢

相比以往的通信技術（如4G移動通信技術），5G具有顯著優勢。

（1）在數據傳輸方面，5G速度更快，延遲更短，傳輸距離更長，且支持10～20 Gb/s的峰值速度和1 Gb/s的速度，延遲低至1 ms，傳輸距離高達2 km。（2）在系統效率和容量方面，5G的功耗和運行成本較低，頻譜利用率和信息利用率較高，并支持更多用戶。（3）5G具有更高的穩定性和更強的加密能力，允許用戶在不卡頓的情況下查看照片和視頻，以獲得更好的用戶體驗。（4）與無線藍牙的兼容性良好。

隨著物聯網產業的不斷發展，物聯網在應用中不可避免地被越來越多的技術瓶頸掣肘，尤其是通信網絡技術方面的瓶頸。5G的出現，有效彌補了4G網絡通信技術各項性能的不足，很大程度上解決了物聯網發展所面臨的網絡問題，助力物聯網的進一步發展。

3.1 多層級可靠性

板級可靠性通過5G設備板和電源主設備實現，射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）環網用于實現網元級可靠性。提升鏈路級可靠性的關鍵性技術有5個，具體為同時同頻全雙工技術、密集網絡技術、多天線傳輸技術、網絡架構新技術以及智能化技術。網絡級可靠容災通過多終端冗余、無線雙平面和端到端會話雙平面實現[3]。

上述方法在5G中的實現，使得當環境復雜且場景的可靠性要求非常高時，物聯網的需求能夠得到充分滿足。在空口環境惡劣的情況下，還可以充分利用5G功能，確保在線服務不會丟失。當用戶層的可靠性極高時，冗余設計可確保安全性。即使從無線側到核心側的整個鏈路出現故障，也可以充分確保端到端的服務連續性。

3.2 網絡分流

在物聯網的發展中，網絡組網是至關重要的技術。在核心側，5G通過網絡級分流、網元級分流以及會話級分流對網絡進行分域分流管理，以提高安全性和可靠性；在無線側，5G通過基于IP和域名系統（Domain Name System，DNS）的域名分流、園區切片ID分流或者指定專網用戶分流，實現同一5G無線網絡下不同物聯網服務的服務保障。

3.3 定制化專網

5G通過大帶寬使其具有3～5 m精準定位能力，具備高精度、全場景、易維護、低成本等優勢，能夠降低網絡運維的復雜度和系統開銷，提高商用性。高精度網絡計時技術助力物聯網行業數字化改造，面對電力、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。在5G廣覆蓋下，基站位置可實現靈活，充分確保重要的專業物聯網絡無縫連接。端到端的服務質量（Quality of Service，QoS）監控能夠實現精準檢測保障。與傳統網絡相比，5G網絡具有端到端時延和抖動等關鍵指標，是一種實時測量方法，不占用大量資源開銷，因此在物聯網大連接的情況下可以充分獲得網絡質量保證監控，用戶側可見、可管、可控，業務服務可保障、可承諾。

4 5G與物聯網的融合發展

4.1 推動工業互聯網升級

作為一個制造業國家，我國推進制造業數字化轉型和現代化生產迫在眉睫。作為新基礎設施的關鍵組成部分，5G與工業互聯網的深度融合可以推進提升傳統制造業企業的智能產能，提高生產效率，改善產品質量，為中國工業生產轉型升級、實現彎道超車提供一個良好基礎。

5G的特點契合工業場景中對連接、通信多樣化、性能差異化的要求，具備數據采集速度高、遠程控制以及穩定可靠的數據傳輸能力，可助力工業互聯網實現數字化、網絡化、智能化。

4.2 支撐智慧農業發展

隨著5G、物聯網、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、農業大數據等技術應用在農業中，智慧農業也得到了快速發展。

農村環境地形復雜，農產品種植地區分散，導致農業最新信息無法快速傳遞到農民手中。在5G發展迅速的今天，簡化了網絡架構，降低網絡建設難度，提高農業信息數據的傳輸穩定性。

在智慧農業產業園里，農作物的大數據傳輸受各種因素的影響，現有的網絡下，大分辨率的作物影像數據的傳輸速率較低。而在5G網絡環境下，數據傳輸問題得到有效解決。5G的低延時為智慧農業實時場景數據交互提供極低的延遲時間，對于農作物病蟲害診斷等服務提供精確的判斷[4]。

在農業環境中，5G的出現推動智慧農業的技術革新，智慧農業產業園建設發展變得更加快捷、智能。農業物聯網的發展不僅能夠提升農業領域的生產效率，同時也能夠推動農業生產集約化，這樣不僅能釋放出更多的勞動力，同時也能降低農業生產的成本。未來，在農業物聯網的推動下，農業生產與社會需求的對接會更加直接，農業生產也會逐漸走向綠色環保，實現可持續發展[5]。

4.3 助力醫療保健行業普及

醫療從業者也可以從實施5G物聯網設備中受益。例如，可以借助適合高速5G的增強現實/虛擬現實（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）技術進行手術訓練；通過5G提供的高質量視頻通信加強遠程醫療服務；通過安全可靠的5G幫助機器人進行醫療實踐；對從5G管理的各種物聯網設備收集的海量數據集進行數據分析[6]。此外，高速服務交付對醫療行業至關重要，因為即使幾秒鐘也可以挽救生命，而5G可以為智慧醫療提供速率上的保障。

4.4 賦能自動駕駛和智慧城市

考慮到智慧城市的發展，5G可以通過實現各種交通物聯網設備（包括監控攝像頭和交通燈傳感器）之間的高效連接來加強交通管理，還可以通過有效監測能源消耗和確定節約資源的方法來提高城市的能源效率[7]。在不久的將來，5G也將有助于將無人駕駛汽車連接到所有交通物聯網設備，創造一個智能交通環境。另外，在城市實施5G的另一種方式是空氣監測系統，當空氣污染超過安全限值時，該系統會進行預警通知。

4.5 高效智能家居管理

除了企業使用之外，5G物聯網正變得越來越普遍，以滿足消費者的需求，如連接智能家庭設備。結合機器學習、人工智能以及大數據技術，5G可以高效地收集和處理從家庭物聯網設備中收集的所有數據，從而深入了解高效的家庭管理。此外，5G還負責提供高清視頻，實現沉浸式電視和游戲體驗以及高質量的視頻會議。物聯網家庭設備有了5G的加持，消費者可以充分發揮其潛力。

5 結 論

5G和物聯網融合發展、互相促進是必然的趨勢與歷程，5G為智慧工業、智慧農業、智慧醫療、智慧城市以及智慧家居呈現提供了技術支撐，能夠幫助許多尚處于理論或示范階段的物聯網應用技術得以實現和進一步推廣。未來是物聯網的時代，而5G網絡使萬物互聯、數據交互成為可能，使物聯網的發展前景更加廣闊明朗。