5G通信技術及其在物聯網形勢下的應用

秦希堯

摘 要：隨著網絡信息時代基礎通信技術不斷地更新迭代，物聯網技術與移動通信技術的逐漸結合成為了通信行業發展的必然趨勢。作為萬物互聯時代關鍵技術的5G通信技術的進步與延伸促進了物聯網產業鏈的深化發展，同時物聯網的發展也對通信技術提出了越來越高的要求。本文從物聯網與5G通信技術的關系切入，介紹了5G移動通信技術的關鍵部分與物聯網技術的基本原理，重點研究了5G通信技術在物聯網形勢下的應用方式，并對其未來發展方向提供了一些參考。

關鍵詞：5G;移動通信技術;應用;物聯網

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0037-02

0 引言

隨著科技的不斷進步與發展，移動通信技術在短短幾十年間得到了飛躍，4G通信技術已然發展到極限，其標準不統一，容量不夠大的缺陷也日益突出，更為高速且容量更大的5G通信技術的發展與應用已成為必然趨勢。與4G通信技術相比，5G的低延遲、高可靠性、多連通性也是使現今的物聯網產業更高效、可靠和安全的重要特性。5G通信技術的應用將會使物聯網產業的發展產生新的突破，從而給予用戶更好的使用體驗。

1 5G通信技術概述

5G通信是預計于2020年投入商用的第五代移動通信技術，對于4G來說，5G通信技術擁有更高的數據傳輸速率、更低的網絡延遲、更大的數據吞吐量。通過小范圍的天線陣列與波束成形的技術，5G通信技術的最低傳輸速率都可達1GMbps，并且網絡延遲進一步縮短到5～10ms，理想條件下甚至可以達到1ms。與4G通信技術相比，5G通信技術的數據吞吐量可達4G的1000倍。5G移動通信技術的廣泛應用，將不僅僅極大的提高用戶的使用體驗，也將進一步拓展物聯網產業的發展面。

以下對5G通信技術的關鍵部分進行概述：

1.1 高頻段傳輸技術

3GHz以內的頻段對于目前使用的第二、三、四代移動通信系統來說，基本能夠滿足其所要求達到的使用需求，當遇到突發情況連接設備數量驟增時，頻譜資源就不能夠滿足設備需求，將會導致網絡連接速度驟降，甚至無法連接，嚴重降低了用戶的使用體驗。于此同時，毫米波頻段的帶寬高達284.7GHz，已經達到了微波帶寬的12倍，頻譜的增加顯著提高了設備的可連接性。由于頻率的提高，天線尺寸可以相應縮小，有效地減小了5G通信設備的體積，并同時提供短距離超高速通信，5G通信技術應運而生。

1.2 多天線傳輸技術

天線是電磁波傳送的重要部件之一，天線的數量對信號的強度及傳輸速率有很大的影響，多根天線發送、多根天線接收的多進多出技術在4G的LTE時代就已經開始應用，但此階段天線數量并不算多，到5G時代，天線數量已經開始按“陣”來計算了，這也是5G通信技術的重要研究方向之一。

1.3 SDN/NFV技術

多個虛擬網絡運行在單一的物理設施之上的技術叫做網絡切片技術。其中網絡功能虛擬化（NFV）通常運行在專有硬件的虛擬機中，并提供防火墻、負載均衡及路由等功能;軟件定義網絡（SDN）則不需要硬件組件就可以對網絡流量進行管理，依靠網絡中的策略通過中央控制平面的應用程序編程接口來工作。這些技術在網絡上創建和劃分不同的業務，使得運營商可以為這些業務提供最好的支持。

1.4 密集網絡技術

電磁波頻率的提高意味著其穿透能力的顯著下降，為了大幅度地提高移動通信網絡的容量，滿足5G通信時代對數據流量和網絡傳輸速率的要求，網絡運營商通過兩種方式來達成目標。一種是擴大網絡覆蓋范圍，這種方式通過依靠施工人員布置密集的設備來實現;另一種是增加室外信號接收強度，這種方式以在宏基站處布置大規模天線陣列來實現。這兩種方式都是5G通信網絡未來的建設方向。

2 物聯網技術概述

物聯網又可稱為傳感器網絡，是在物與物之間建立的一種基于信息技術和計算機技術相融合而成的智能網絡系統。隨著時代的發展，人與人、人與物、物與物之間的信息交互需求越來越旺盛，物聯網逐漸融入到人們的生活，并成為不可或缺的一部分。得益于人工智能技術和大數據的飛速發展，物聯網的應用已不再僅僅局限于智能家居及電子商務。

從物聯網技術現今的發展情況來看，物聯網對終端設備的控制和管理主要依賴于傳感技術、射頻識別技術等，其核心標準有SigFox、NB-IoT、eMTC、LoRa等，其中基于運營商網絡的方案是NB-IoT、eMTC，在這些軟件基礎上，通過將芯片植入到對象中，利用有線和無線的傳輸方式，依托于各種網絡平臺和先進的基礎網絡，將不同位置或空間的連接對象連接起來，再利用終端設備進行控制。

物聯網的基本結構根據其信息處理及響應過程可分為感知層、網絡層和應用層三部分。感知層主要由各類傳感器及終端構成，這些部件對數據進行感知和采集，隨后通過網絡層對數據進行傳輸。網絡層對數據進行簡單處理后，通過通信技術、互聯網等手段安全可靠地將數據傳遞到應用層。應用層的功能是對來自網絡層的數據進行處理和分析，最終目的是通過為設備的控制提供決策數據依據，從而實現應用服務。

3 5G通信技術在物聯網中的應用

物聯網技術并不是完全基于5G通信技術得以發展的，早在3G、4G時代，物聯網就已經開始得到了簡單的應用。對于5G通信技術來說，物聯網產業也只是其應用的某一個領域。5G通信技術自從其標準誕生以來就以滿足各種復雜場景下海量連接、超高速率、超低延時的要求為目標，隨著5G通信技術與物聯網產業的逐步結合，物聯網技術也將逐步從其當前的小范圍、少終端、低速度、低復雜度向高速度、廣泛在、低功耗、低時延、萬物互聯的智慧家庭、智慧城市發展。

3.1 物聯網智能家庭應用

物聯網的智能家庭應用在4G時代已經有了很大的發展，但這個階段的物聯網主要是基于無線局域網進行建設并提供服務的，其對網絡的要求并不高，對數據的處理及分析也相對而言較為簡單和粗略，穩定性也還存在著一定的問題，這部分的應用及發展方向主要有以下幾點：

3.1.1 家用電器管理

通過物聯網技術，我們可以對家庭中的電器運行狀態進行遠程管理，例如空調、電視機、電飯煲的遠程啟停，電冰箱的溫度調節，燈光，窗簾的開合，甚至可以對門鎖進行遠程控制，以方便授權訪客的隨時造訪，也可以通過攝像頭對寵物、孩童進行實時監管，物聯網技術已悄然融入到人們的日常生活中。這些都是物聯網技術的簡單應用，但也已經給人們的生活提供了很大的便利。

3.1.2 智慧生活

以上部分對于物聯網技術的網絡層要求相對較低，也僅僅是提供了遠程控制的功能，與智能家居、智慧生活還有很大的差距。隨著5G通信技術和Wi-Fi技術的發展、家庭網絡帶寬的飛速增加，我們已經可以逐步做到即時對物聯網設備回傳的數據進行分析并反向控制。例如通過溫濕度傳感器回傳的數據對空調溫度進行自動調節，對加濕器、空氣凈化器進行自動化控制，以及根據主人的即時位置啟停燈光、音樂、廚房設備，以及根據睡眠狀態的分析對窗簾和鬧鐘進行管理。以后的智慧生活，不再是人對設備進行單方面的控制，而是設備與人的雙向溝通與交流。

3.2 物聯網的智能城市應用

隨著應用范圍的擴大，Wi-Fi及有線網絡的地理局限性很明顯地暴露出來，與此同時，5G通信技術可以保證在高移動性下仍然提供穩定的連接和較高的數據傳輸速率，這一特性對于智能城市的打造至關重要。

3.2.1 車聯網技術

隨著AI技術及計算機技術的發展，自動駕駛已經開始走入人們的生活，最有代表性的當屬特斯拉的自動駕駛功能，與人員駕駛相比，這一功能已經極大地降低了駕駛難度，提高了乘坐體驗及安全性，但由于本地控制的局限性，這一功能還不能完全離開司機的掌控。

而5G通信技術的極低時延、超高可靠性及大帶寬的特性可以有效解決車輛遇到復雜問題時的控制問題。無論是基于5G通信技術的遠程駕駛還是自動駕駛方案，都可以將具有相應模塊車輛的感知、決策及控制轉移到云端或者遠程計算機上。隨著5G通信技術的廣泛應用，與智能城市的發展，依賴于云計算能力的發展，所有對車輛的監控、調度、管理及控制都可以在城市的調度中心實現，車輛與遠程終端指令、信息交互的時延小于10ms，系統接收和執行指令的速度已完全超越人類的極限。

3.2.2 遠程醫療

對于我國人口、專家資源分布極不平衡的現狀而言，遠程醫療技術的發展與廣泛應用迫在眉睫。在過去的5年，越來越多的醫療設備開始使用物聯網技術，醫療行業已經開始采用可穿戴和便攜式設備進行醫學活動，并結合了遠程手術、遠程診斷、遠程預料監控等方案。在計算機技術的推動下，遠程醫療技術已經有了很大的突破，但仍然存在一些嚴重缺陷。例如信號連接的穩定性直接影響診療過程的連續性，信號傳輸的時延會妨礙到醫療器械的力反饋功能的即時性。

在5G通信技術的幫助下，無線網絡具備了更高的QoS保障特性和低于10ms的網絡時延以及更大的數據傳輸速率。高分辨率和極低延遲的視頻可以使醫生即時對病人的病情進行判斷，高精度的力反饋也可以幫助醫生在使用遠程醫療器械時精準進行操作，穩定的網絡也使得遠程手術不會因為信號問題發生中斷。

3.2.3 智慧城市

在5G全面覆蓋的前提下，物聯網的城市級應用主要涉及交通管理、消防應急方面。基于端對端的5G網絡和終端基礎上，無人機的操控距離將擺脫地理位置的限制，無人機搭載的相機完成視頻的采集并傳輸到核心網，依據定位及傳感技術，通過消防應急中心與車聯網調度中心聯動對交通狀況和最佳路線的分析和規劃，火災、水災及病患的急救將不受交通狀況的影響，極大程度上保障了市民的人身及財產安全。未來的智慧城市中，人工智能與遠程控制相結合，技術含量低、重復度高、危險系數較高的工作將由各類機器人承擔，這些都與物聯網技術和移動通信技術的進一步發展息息相關。

4 結語

萬物互聯是智能互聯網的必然發展方向，物聯網的即時智能感應能力建立在高速度、廣泛在、低功耗、低時延的移動通信技術之上。5G通信技術的發展必然會推動物聯網技術的進一步升級，物聯網技術對通信技術日益增加的需求也在不斷促進著移動通信技術的進步，隨著5G通信技術的進一步發展，物聯網產業也將愈加規范、標準和科學。

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