5G移動通信技術下的物聯網時代

林 璐

（廣東省電信規劃設計院有限公司福州分公司，福州 350003）

隨著經濟的發展和社會的進步，特別是信息化技術的深入發展，我國已經全面進入信息化網絡化時代，物聯網應用爆發式增長，移動通信技術從4G時代推進到5G時代，也進一步推動了物聯網發展。據此，下文針對5G移動通信技術下的物聯網時代等相關內容進行簡要分析。

1 物聯網時代概述

物聯網簡單說就是物物相連組成的網絡，是通過各種信息傳感設備，將文章連接到互聯網進行信息交換和通信的網絡，以實現智能識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網的層次結構分為三層：感知層、網絡層和應用層。傳感層位于底層，由各種傳感器組成，包括射頻識別裝置（射頻識別裝置）、攝像頭、條形碼/二維碼掃描儀、溫度、濕度等傳感器和終端，這些都是信息采集的關鍵部分。網絡層由各種有線和無線通信網絡、互聯網、網絡管理系統和云計算平臺組成，負責傳輸和處理感知層獲取的信息。應用層負責提供豐富的應用程序，利用云計算、數據挖掘等技術結合行業需求實現廣泛的智能應用解決方案。

車聯網、智能家居、遠程醫療、智慧城市、工業4.0等名詞大熱，物聯網應用爆發式增長，數以千億的設備將接入網絡，未來物聯網將遍及世界的每個角落，實現“萬物互聯”。

2 5G移動通信技術在物聯網中的應用

2.1 網絡切片

在5G時代，移動網絡能夠支持的業務種類、終端種類與4G時代相比更加豐富多樣，并且不同業務對網絡技術指標的要求也不盡相同，例如移動性要求、時延要求、可靠性要求等，因此傳統的蜂窩網絡“一刀切”的模式已經不能滿足5G時代各行各業對網絡的不同需求。

網絡切片是將單一物理網絡劃分為多個虛擬網絡，將網絡資源進行切片，為典型的業務場景分配獨立的切片，在切片內針對業務需求設計增強的網絡架構，對時延、帶寬等性能指標進行靈活配置，并且切片之間互不影響，從而滿足不同業務的個性化需求。多個網絡切片共用網絡基礎設施，也提高了網絡資源利用率。

網絡切片是一個端到端的復雜的系統工程，需要經過三個穿透的網絡：接入網絡、核心網絡、數據和服務網絡。網絡切片不是一個單獨的技術，它是基于云計算、SDN、NFV、分布式云架構等幾大技術群而實現的。

2.2 SDN/NFV技術

SDN（軟件定義網絡）主要是優化網絡基礎設施架構，比如交換機、路由器等。SDN解耦了控制平面與數據平面，網絡設備分為獨立的控制設備和轉發設備，簡化了轉發設備的功能，控制和轉發遵循標準的Openflow協議，實現了控制層和轉發層的分離。可以在接口上開發應用軟件，實現靈活的可編程性，使移動網絡的組成更加靈活。

NFV（網絡功能虛擬化）主要是提供增值功能的靈活性和低成本，虛擬化技術利用軟硬件解耦和功能抽象來降低設備成本。根據業務需求，實現自動部署和靈活擴展。承載各種網絡功能的通用硬件與云計算虛擬化技術相結合，實現網元虛擬化和虛擬網絡可編程性，簡化網絡升級步驟，降低購買新硬件的成本。

SDN和NFV兩者互補，對提升5G網絡彈性十分有效，SDN提供的集中式管理控制功能和NFV提供的業務功能虛擬化，可以協調管控分布式IoT系統中的各種數據流和業務流。

2.3 5G新空口技術

5G時代的應用空前繁榮，不同應用對空口技術要求也是復雜多樣的。搭建5GNR并非從零開始，而是以4G為基礎，充分利用和創新現有先進技術，不斷提升頻域、時域、空域、碼域的資源復用效率。

基于OFDM優化的多址技術：OFDM（正交頻分復用）被4G系統廣泛采用，將高速率數據通過串并轉換調制到相互正交的子載波上，具有高頻譜效率和較低的數據復雜性，但其主要問題是不夠靈活。5G時代，無人駕駛等低時延業務，要求極短的時域符號周期與傳輸時間間隔，需要在頻域有較寬的子載波帶寬；而海量連接的應用場景中，單個傳感器數據量極低，需在頻域上配置較窄的子載波帶寬，而在時域上符號周期與傳輸時間間隔可以足夠長。4G的OFDM頻域子載波帶寬和時域符號周期長度都是固定的，在5G時代需要相應地演進，為不同類型的業務智能地提供不同的子載波帶寬、符號周期長度、保護間隔/循環前綴長度配置，以滿足不同業務對于5G移動通信系統時域資源以及頻域資源的需求。

毫米波：5G首次將28GHz及以上的高頻應用于移動寬帶通信。大量可用的高頻段頻譜可提供極致數據傳輸速度和容量，非常適用于數Gbps的鏈路。毫米波具有更高的自由空間路徑損耗，衍射效果差，需通過天線陣列來提升增益。幸運的是天線振子的尺寸與頻率成反比，與低頻天線陣列相比，相同尺寸高頻天線陣列可容納更多數量的天線振子。

3 5G移動網絡與物聯網的融合發展

未來5G移動網絡將與工業設施、醫療儀器、交通工具等深度融合，有效滿足工業、醫療、交通等垂直行業的信息化服務需要，能寬能窄、能快能慢地應對物聯網業務需求。

5G中窄帶的分支，從eMTC和NB-loT演進而來，實現每平方公里百萬級接入和超低功耗、超低成本的mMTC場景。這種低功耗廣域網絡傳輸的數據具有“小包、低頻”的特點，可承擔大量并不要求實時性、敏感性的通信任務，也是5G“慢”的場景。

5G中寬帶的分支，主要是增強型移動互聯網（eMBB），可以提供高達1Gps到數十Gbps的帶寬，主要針對3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務。

5G中的“快”的分支，就是高可靠低時延通信（uRLLC），高帶寬不代表速度的本質提升，更需突破“時延”的障礙。“時延”是端到端傳輸的速度，未來5G端到端的時延要達到毫秒級別，在工業自動化、自動駕駛場景下，這樣的網絡反應速度才是可靠的。

4 結束語

隨著5G移動通信技術的進一步發展和成熟，應用范圍更加廣泛，從與人直接相關的VR、AR，到自動駕駛、遠程醫療，再到物流倉儲、工業自動化等，作為信息化的基礎設施，5G將提供適配不同領域需求的網絡連接特性，推動各行業的能力提升及轉型，進一步促進物聯網實現更深層次的普及和推行，進而有效推動萬物互聯。