5G技術下的物聯網應用探討

程希睿

（北京中網華通設計咨詢有限公司，北京 100070）

0 引 言

近年來，隨著智能化技術發展的日新月異，物聯網作為人工智能時代的一大方向得到了各方面的關注。由于物聯網發展受即時傳輸能力和無線網絡帶寬限制，因此互聯水平仍然較低。5G技術的成熟應用為物聯網領域帶來了新的發展前景，具備的低延遲、高可靠性以及多連通性滿足了物聯網業務的核心需求，極大地提升了物聯網技術的應用效果，給用戶帶來了更優的使用體驗。

1 5G技術與物聯網概述

1.1 5G技術概況

5G技術作為第5代移動通信技術，是當今社會正在積極發展的網絡技術。ITU-R定義了5G的3大應用場景：一是增強移動寬帶（eMBB），5G網絡的峰值速率是4G網絡的10倍以上，適用于超高清視頻和VR等高寬帶業務；二是大連接（海量機器類通信）（mMTC），可實現從消費到生產的全環節及從人到物的全場景覆蓋，適用于智能水表等大規模應用場景；三是高可靠低時延通信（uRLLC），通信響應速度將降至毫秒級，適用于自動駕駛和工業生產等低延時性和高可靠性要求高的業務[1]。

相比傳統無線通信網絡，5G網絡主要有以下8大關鍵技術。一是大規模MIMO技術。通過多天線進行多收多發，有效提升信道容量。二是超密集異構技術。利用大量網絡設施的建設，極大提升重點區域的系統傳輸容量。三是全頻譜接入技術。通過高頻和低頻的混合組網，從而達到高容量、高帶寬以及無縫覆蓋等效果。四是新型多址技術。通過同一資源上多用戶信息的疊加傳輸，利用接收算法在接收側分離多用戶信息，從而有效增加系統接入容量，提高頻譜效率。五是新型多載波技術。將信息信號送入載波，經過調制后發送給對方，再通過解調和濾波得到有效的原信息。六是先進編碼調制技術。保證系統有效傳輸速率的同時，進行高效的編碼和調制。七是SDN/NFV（軟件定義網絡/網絡功能虛擬化）技術。通過對無線頻譜、空口以及功率等資源的虛擬化以及對數據和控制單元等部分核心側功能的虛擬化，有效調度和利用無線網資源，提高使用效率。八是網絡切片技術。將一個物理網絡劃分為多個專用虛擬網絡，并保證各自邏輯獨立。針對不同的業務場景，可定制相對應的功能與特性，提高服務效率和成本效益。

1.2 物聯網概況

根據ITU的定義，物聯網是基于現有的和演進的可互操作的信息通信技術，通過互聯（物理和虛擬）物件提供先進服務的全球信息社會基礎設施。其中，虛擬物件是在信息世界可存儲、處理及接入的內容，如多媒體內容和應用軟件等[2]。從物聯網的基本結構看，可分為感知層、網絡層以及應用層3個部分。感知層作為物聯網基本架構的基礎，主要是獲取前端數據，通過不同的傳感器設備對信息進行感知和收集。例如，使用環境監測傳感器獲得二氧化碳含量等信息。網絡層作為通道，負責向應用層傳送數據信息和向感知層傳達指令。應用層負責處理分析來自感知層的信息數據，實現具體應用并下達需求指令[2]。

目前，蜂窩物聯網主要存在NB-IoT技術、eMTC技術以及5G海量機器類通信（mMTC）技術3種關鍵技術。NB-IoT是NB-CIoT（華為、Vodafone、高通以及Neul聯合提出）和NB-LTE（愛立信和諾基亞）的合體，主要具有廣覆蓋、低功耗、大連接以及低成本特點，針對的主要是低功耗和廣覆蓋的相關業務。eMTC是基于LTE演進的物聯網技術，主要滿足語音通話、中帶寬速率以及移動性的物聯網應用需求。mMTC作為5G技術的3大應用場景之一，主要應用于物聯網業務。

2 5G技術在物聯網中的優勢分析

物聯網的本質是一種服務，主要的服務對象是人工智能。人工智能通過加工整理物聯網采集的信息數據服務于人類。IMT-2020（5G）從移動互聯網和物聯網的主要應用場景、業務需求及挑戰出發，將5G的主要應用場景歸納為連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接以及低時延高可靠。其中，連續廣域覆蓋和熱點高容量場景主要滿足未來的移動互聯網業務需求，提升物聯網業務能力；低功耗大連接和低時延高可靠場景作為5G的獨有場景，重點支撐傳統移動通信技術無法滿足的物聯網應用[3]。

2.1 連續廣域覆蓋

5G技術結合新型多址技術和大規模天線陣列技術，有效擴大了信號覆蓋范圍，并大幅提升了網絡接入能力，保證用戶在不同條件下可獲得連續穩定的數據信號。此外，它還滿足超過1 Gb/s的下載速度，使用戶享受更優更好的使用體驗，為5G技術在物聯網中更好地運用奠定了堅實基礎。

2.2 熱點高容量

將5G技術中的密集組網、全頻譜接入、大規模天線以及新型多址等技術相結合，可極大地提升頻率復用效率和傳輸速率。用戶可隨時隨地接入網絡，并有效避免網絡擁擠或掉線等問題，從而提升物聯網的傳輸速率，給物聯網的發展帶來了有利條件。

2.3 低功耗大連接

5G技術中的新型多址技術和終端直接通信技術（D2D）可有效提升設備的連接能力，降低終端功耗，且新型多載波技術在降低功耗和成本方面具有明顯優勢。低功耗大連接在數據采集工作中得到了良好運用，如在智能農業、智慧城市、公路交通監測以及森林防火等應用場景中，對數據傳輸即時性和信息有效性有著較高的要求。同時，此類業務范圍廣且數量多，對海量連接能力和密度有一定的要求。利用5G技術，可在低功耗和低成本水平的網絡連接下，極大地提升物聯網網絡的連通效率，從而滿足物聯網業務的應用需求。

2.4 低延時高可靠

5G技術通過D2D及新型多址等技術減少了數據中轉和信令交互環節，并通過云邊緣等技術優化通道降低了網絡時延，有力保障了傳輸效率。另外，調制編碼和重傳機制保障了傳輸的可靠性。工業控制、無人駕駛以及智慧小區等應用場景，對延時性和可靠性有著很高的指標要求。5G技術滿足這些條件，可極大地降低兩端的時間延遲，提供可靠的服務。

3 5G技術在物聯網中的應用

3.1 智慧生活應用

目前，家居物聯網主要在家庭網絡如WiFi等環境下提供應用，對網絡要求較低，信息的分析處理達不到智能化標準，連接的穩定性也會受到信號質量的影響。可以通過無線網絡遠程控制家庭設施，如智能電飯煲的手機啟動、監控遠程查看兒童的在家情況等。此類物聯網技術的簡單應用給日常生活帶來了極大方便。隨著5G技術的發展，物聯網可以實時分析處理傳感器設備上傳的信息數據。例如，特定傳感器設備根據實時反饋的濕度數據自動調整加濕器，感知家庭主人的實時位置操控燈光的開關等。未來的日常生活，不單是人對家庭器具的單向操控，而是實現器具與人的主動交互。

3.2 工業領域應用

工業物聯網可以通過采集大量的實時信息更快更準地發現生產問題，從而達到質量控制的效果。5G技術的廣域覆蓋、低延時性以及高可靠性，給工業領域生產經營帶來了新發展，如自動化露天開采等。目前，工業生產中部分危險環境的工作仍需要人工操作，無法保障人員安全。另外，遠程作業受網絡限制，發展較為緩慢，無法大量實際應用。通過5G技術可將設備與網絡即時連接，實時分析操作，遠程完成工作任務。

3.3 智能交通應用

目前，智能交通尚在定位導航階段，因網絡效率低下，無法對信息進行即時發送接收。各大汽車廠商正在積極研究的無人駕駛技術，對延時性、可靠性以及穩定性都有著苛刻要求。為保證無人駕駛的正常有效運行，需要大量的實時信息交互。除了獲取氣候溫度、GPS定位以及周邊路況等信息外，還需要關注道路行人和基礎設施等信息。5G網絡遠程駕駛和無人駕駛的實現過程相同，先由車上的物聯網模塊設備通過傳感器系統采集整理需求信息，再由5G網絡將數據即時傳遞給云端或遠程服務器，并將應用平臺反饋信息在極低延遲內傳達給駕駛車輛，使車輛駕駛員可以掌握車況，清晰掌握前方路況，從而優化行駛速度和前行路線。

3.4 遠程醫療應用

醫療過程中需要記錄患者各方面的病情，如生命體征、藥物信息以及人體掃描等。單個的掃描文件都可能占用大量數據，且在病情分析環節需要多次共享傳輸記錄的信息，加大了對高帶寬速率的需求。我國各地區人口和醫學專家資源不均衡，因此對遠程治療的需求越來越大。遠程醫療在過去幾年里雖然穩步發展，但仍然存在一些關鍵問題，如傳輸信號的穩定性和時延性等。這些問題直接影響治療結果，存在不可預估的風險。5G技術具備更高的QoS保障特性、更低的網絡時延以及更大的數據傳輸速率，可以通過傳輸實時的低延時高清視頻和照片，為醫生判斷病情提供有力支撐。醫生通過遠程機械進行醫療操作時，高精準的反饋和穩定可靠的網絡可以使得遠程手術順利進行。

3.5 智慧城市應用

智慧城市是指綜合利用物聯網和大數據等技術建立的全面覆蓋和深度互聯的城市信息化系統，重點感知城市的多方面信息并進行智能化利用。智慧城市主要關注城市交通、應急管理以及公共設施等方面。另外，受益于5G的連續廣域覆蓋能力，無人機的活動范圍將進一步擴大，其配置的相機在完成信息記錄后，可將記錄的信息傳送到中心平臺，由應急管理中心聯合交通管理中心輔助定位感應系統對現場交通情況和路線進行分析研判，從而在自然災害和重大事故的救援中避免道路堵塞等影響，有效保證市民的人身財產安全。隨著物聯網和5G技術的不斷發展，可以通過建設智能化的公交系統減少擁堵，建設具有運動傳感器的路燈節省能源，還可以通過燈柱收集城市的空氣質量數據。

4 結 論

全球物聯作為智能化時代的目標之一，它的發展與人們息息相關。物聯網傳輸速率、接入能力以及數據容量等方面的應用需求，促使5G技術快速發展。而5G技術的成熟應用，使萬物可連成為可能。