面向5G物聯(lián)網(wǎng)的上行接入技術(shù)

文/錢(qián)文軒

雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不是新概念，在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，但是，對(duì)有些行業(yè)而言，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的劣質(zhì)制約了該技術(shù)的應(yīng)用。在技術(shù)日益發(fā)展的今天，5G網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的融合逐步成為當(dāng)代發(fā)展的主要趨勢(shì)，在5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新發(fā)展，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為突出，傳輸速度快，能源消耗低，因此，5G物聯(lián)網(wǎng)在未來(lái)將具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。上行接入技術(shù)在5G物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用提升了5G物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際價(jià)值，加快了行業(yè)的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)與5G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的涵義

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基于各種傳感器設(shè)備，可以將各種物品等接入互聯(lián)網(wǎng)中，在這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信息交互與共享，另外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還兼具有定位、追蹤、監(jiān)控、識(shí)別、管理的智能化等特征，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。就物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)屬性來(lái)看，該技術(shù)是在物聯(lián)網(wǎng)的背景下實(shí)現(xiàn)人、事、物的互通與互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)本身涉及的學(xué)科內(nèi)容較多，包含了通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的起源較早，在上世紀(jì)汽車(chē)上安裝的收音機(jī)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的早期應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越發(fā)普遍，但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是制約物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的主要因素。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)逐步發(fā)展，雖然解決了傳感器能量不足的問(wèn)題，但是受到節(jié)點(diǎn)傳輸距離的影響，無(wú)法徹底解決信號(hào)干擾的問(wèn)題，因此，還需要加大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)下5G的優(yōu)勢(shì)

就目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，主要包含了四個(gè)層級(jí)：監(jiān)控應(yīng)用層、業(yè)務(wù)管理層、媒體服務(wù)層與前端接入層。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用中，包含的智能化前端設(shè)備較多，這些設(shè)備對(duì)于網(wǎng)絡(luò)寬帶的要求較高，需要在應(yīng)用中達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳播速率、實(shí)時(shí)監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)。就目前5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用來(lái)看，華為實(shí)現(xiàn)了5G毫米波的商用通話、主流頻段28GHz，此應(yīng)用的過(guò)程中，用戶(hù)能夠感知的速率高達(dá)1.25GB/s。

物聯(lián)網(wǎng)中的主干網(wǎng)絡(luò)多是由OTN構(gòu)建而來(lái)，本身屬于一種剛性帶寬通道，具有良好的可擴(kuò)展性，可以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)前端智能設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，并且這種帶寬通道的延時(shí)較低，可以獲得良好的應(yīng)用效果。隨著技術(shù)的進(jìn)步，OTN網(wǎng)絡(luò)逐步實(shí)現(xiàn)了軟件定義光網(wǎng)絡(luò)化，本身具有SDH與WDM的優(yōu)勢(shì)，本身可以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的帶寬要求，在業(yè)務(wù)調(diào)度等方面具有極好的靈活性，可擴(kuò)展性較高。

2 5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)之間的融合

近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不僅能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的各方面基本使用需求，還能夠保證其網(wǎng)絡(luò)帶寬可以滿(mǎn)足用戶(hù)的擴(kuò)展性需求。在實(shí)際的應(yīng)用中，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大大提升了通信網(wǎng)絡(luò)使用的整體質(zhì)量，保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也起到了一定的推動(dòng)作用，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛與普遍，因此，5G網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合是當(dāng)代技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，不僅能夠擴(kuò)展二者的應(yīng)用范圍，還能夠充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提升技術(shù)的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)的進(jìn)步。5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合還有效解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中存在的高延時(shí)、高能耗問(wèn)題，加快了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的總體發(fā)展步伐。

3 物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)淺析

就5G技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用趨勢(shì)來(lái)看，大規(guī)模機(jī)器類(lèi)型通信是最主要的應(yīng)用場(chǎng)景。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，到2021年，世界范圍內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)裝置將超過(guò)280億，其中，有50%以上的設(shè)備都為物聯(lián)網(wǎng)裝置，而在這些物聯(lián)網(wǎng)裝置中，有大約65%以上的上行接入都屬于低速率、低成本、低能耗的設(shè)備。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)中存在的低功耗、大規(guī)模上行接入場(chǎng)景而言，需要解決技術(shù)本身存在的問(wèn)題，比如連接密度大、終端功耗低、深度覆蓋等。就這些連接設(shè)備的具體應(yīng)用來(lái)看，其每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量極為有限、且數(shù)據(jù)速率低、延時(shí)低，但是這些連接設(shè)備對(duì)于功耗、覆蓋能力等有著嚴(yán)格的要求。從現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，其蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行接入技術(shù)以人類(lèi)語(yǔ)音通信為研究基礎(chǔ)，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接時(shí)間長(zhǎng)、單次連接的數(shù)據(jù)具有海量性特征。但是，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的物理層基于調(diào)度傳輸、OMA，無(wú)法滿(mǎn)足低功耗大規(guī)模連接量等的要求，嚴(yán)重制約了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)上行通信的海量連接與低功耗廣覆蓋需求難以實(shí)現(xiàn)。因此，5G物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)應(yīng)考慮以下的應(yīng)用問(wèn)題：

（1）5G物聯(lián)網(wǎng)中包含的IOT設(shè)備較多，這些設(shè)備存在性能、類(lèi)型等的差異，但是，這些設(shè)備中可以用于機(jī)器類(lèi)型通信的資源容量很有限，無(wú)法達(dá)到同步通信、海量設(shè)備的基本要求。如果在應(yīng)用中與H2H用戶(hù)搶占上行通信資源，可能會(huì)引發(fā)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的堵塞等現(xiàn)象。

（2）就傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的上行接入技術(shù)而言，其一般采用的是正交多址與調(diào)度接入的方式，這種接入方式的連接資源不夠豐富，IOT本身對(duì)于同步通信等有著嚴(yán)格的要求，而此接入方式無(wú)法達(dá)到其基本的標(biāo)準(zhǔn)。

基于這些問(wèn)題需要進(jìn)行上行接入技術(shù)的深入研究，以解決通信、資源等方面的問(wèn)題，保證接入方式的科學(xué)性，以實(shí)現(xiàn)海量資源的合理分配。具體來(lái)說(shuō)，主要包含了以下方面：

（1）就傳統(tǒng)的OMA技術(shù)而言，以1G頻分多址、2G時(shí)分多址、3G碼分多址技術(shù)為例，這些技術(shù)存在共有的限制因素，系統(tǒng)可支持的接入數(shù)量與系統(tǒng)內(nèi)的可用通信資源呈正比，這種關(guān)系使得系統(tǒng)容量的增長(zhǎng)具有一定的難度。在這種背景下，可以使用NOMA技術(shù)來(lái)解決此類(lèi)問(wèn)題，這種技術(shù)可以作為上行接入多址的主要方式。

（2）傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的上行接入方案以基站端所擁有的所有上行通信設(shè)備的信道狀態(tài)、用戶(hù)活躍度等信息為基礎(chǔ)，在通信資源的分配上需要有關(guān)的交互控制命令。而使用mMTC模式的接入方式，本身具有接入的海量性、小包突發(fā)等特征，可以達(dá)到良好的應(yīng)用效果。因此，mMTC一般采用的分布式免調(diào)度接入方案，有效實(shí)現(xiàn)了IOT的海量接入，因此，此種接入技術(shù)具有更為高效的應(yīng)用效果。

（3）IOT設(shè)備本身具有覆蓋廣、單次數(shù)據(jù)量小的特征，由于在應(yīng)用中對(duì)于能效有著嚴(yán)格的要求。

因此，窄帶技術(shù)可以獲得良好的應(yīng)用效果，具有高功率譜密度的本質(zhì)特征，使得其在應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)低速率、高能效的連接，滿(mǎn)足5G物聯(lián)網(wǎng)中對(duì)于成本、性能等的要求，并且窄帶寬還能夠有效降低信噪比，起到良好的抗干擾作用，因此該技術(shù)在地下、海底等的設(shè)備中應(yīng)用較多。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合發(fā)展的產(chǎn)物，能夠改變各行各業(yè)的發(fā)展模式，提升行業(yè)的發(fā)展水平。上行接入技術(shù)是5G物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)，其直接影響著技術(shù)的應(yīng)用成果，需要在應(yīng)用中針對(duì)上行接入中存在的問(wèn)題，科學(xué)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的選擇，以保證技術(shù)的應(yīng)用效果，發(fā)揮5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。