淺談5G時代下移動互聯網、物聯網的發展

李伶俐 付書涵

（1.西華大學 西華學院,四川 成都 610039；2.西華大學 計算機與軟件工程學院,四川 成都 610039）

隨著移動通信的飛速發展，4G已融入生活的各個方面，“MWC 2018”主辦方GMSA發布的一份研究報告就曾指出，在2019年，5G會從“試驗”走向“商用”，這無疑是5G技術提速性的發展，5G將很快實現它的全球應用。相比其他代網絡，5G所具備的水平更高，它的用戶體驗速率可達0.1～1Gbps，是4G網絡的數十倍，連接數密度更加廣泛，ms內的傳輸時延，以及每小時500KM以上的移動速率和10Gbps以上的峰值速率。用戶體驗速率、連接數密度和時延是5G最基本的三個性能指標。同時，與4G相比，它的頻譜效率提高了5～15倍[1]。在關鍵技術和應用場景下，5G具有高傳輸、低時延、萬物互聯的特征，也正是在此基礎上，GTI發布《5G新設備類型白皮書》提出10類5GeMBB創新應用[2]：AR/VR/MR、自動駕駛、信息娛樂、移動媒體、遠程教育、遠程辦公、遠程醫療、遠端工業應用（如遠程機器人）、固定無線接入、流媒體游戲。5G應用業務不斷增多，這要求5G要遠遠前超前幾代通訊技術。研究表明，5G讓連接不局限于人與人、人與物，還能在物與物之間進行海量大連接，真正實現萬物互聯。由于5G到來，讓我們的互聯網和物聯網具有更好的發展前景，本文通過闡述5G關鍵技術和5G應用場景，來淺析未來移動互聯網和物聯網的發展。

1 通信網絡技術的發展

從上世紀80年代起，我國移動通訊技術有了巨大的發展，通訊技術時代也在不斷地發生著改變。每一代技術的誕生都有一定的基礎。1G采用頻分多址（FDMA），是在模擬蜂窩移動通技術下提出的，主要滿足人們的語音通話需求，但不能實現遠距離的漫游。而2G主要采用時分多址（TDMA），它是一種基于數字蜂窩移動通信技術，實現了從模擬通信向數字通信的轉變，能實現數字化語音業務，很大程度上提高了語音通話的質量，可進行漫游。隨著帶寬不斷增加，在寬帶數字移動通信下，采用碼分多址（CDMA）為技術的3G在寬帶數字移動通信中具有更高的頻譜利用率和更強的標準兼容性，這讓它的數據傳輸能力也有了很大提高，能實現全球漫游和全球服務，人們可進行低速上網（比如說刷微博）。不斷發展的信息技術提供了更多的移動通信業務，這向3G網絡的服務業務提出了挑戰，再此條件下提出4G，這一代網絡技術是集多種標準、多個頻段共存的寬帶移動通信系統，以正交頻分多址（OFDMA）為核心的技術，讓4G具有更好的覆蓋率、更高的頻譜效率和峰值速率、良好的兼容性、靈活性等,其上行速率可達20Mb/s，下行速率可達100Mb/s，能滿足人們的互聯網需求。但是移動互聯網不斷發展，衍生出更多的新生技術，隨著生活水平的提高，人們對開始享受生活的態度，技術的更新，人民需求都推動著移動通訊技術向更高的水平發展，這促使著5G時代的到來。

研究報告指出，5G具有高傳輸、低時延、萬物互聯的特征[3]，大大提高了傳輸速率，在車聯網及物聯網中有著相當重要的作用。作為最新一代信息通訊發展的首要方向，信息將在它的基礎上突破時間和空間限制，讓信息得到更好的交互，為用戶帶來極具享受的信息盛宴。在未來，5G將會帶我們走進另一個高科技世界。

2 5G應用場景

不同應用場景下有不同的性能要求，這將給5G帶來很大挑戰，不同應用場景面臨的性能挑戰是不同的，用戶體驗享受程度、流量傳輸大小、連接數都在不同場景具有多重挑戰。從移動互聯網和物聯網的主要應用場景和挑戰來看，主要的5G主要的場景有，連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠這四種。

2.1 連續廣域覆蓋

總結起來，這是移動通信最為基本的覆蓋，針對用戶的移動性的和業務的連續性的特點，建立的極具保證性的技術。這種場景的主要挑戰在于任何時間任何地點將向用戶的體驗速率控制在百兆以上。

2.2 熱點高容量

主要關注局部區域熱點，讓用戶所體驗的數據傳輸速率進一步提高，已達到人們對網絡流量密度的高要求。1Gbps用戶體驗速率、數十Gbps峰值速率和數十Tbps/km2的交通密度要求是該場景面臨的困難。

2.3 低功耗大連接

它的應用場景主要包括城市智能化、環境監測、農業、森林防火等這些以傳感和數據采集為目標的業務，它的特點是數據包小、功耗低、可進行海量大連接等特點。能適應這個場景的設備數量很多，且種類繁多。它對要求網絡的連接及支持能力有很的要求，在以1km2的范圍內要能支持最低一百萬人的連接數，而且還要能保證對終端功耗的低消耗和低成本。

2.4 低時延高可靠

主要運用在物聯網、工業控制等行業如（自動駕駛）的特殊應用需求，這種應用對時延和可靠性具有很高的技術要求，它向用戶提供毫秒級的終端到終端的延遲和接近比例為1的安全性和可靠性保證[4]。

總的來說，連續廣域覆蓋和熱點高容量場景作為傳統的4G主要技術場景也要廣泛運用到5G的移動互聯網應用上來。低功耗大連接和低時延高可靠場景主要針對物聯網業務，作為一個新興業務，它關注的是以前的傳統移動通信無法帶動的物聯網及相關產業的應用問題。

3 5G關鍵技術

面對多樣化場景的極端差異化的性能要求，5G難以基于單一技術形成針對所有場景的解決方案，而5G的技術革新主要針對于無線和網絡技術。

在無線技術方面，主要有大規模天線陣列、超密集組網、新型多址和全頻譜接入等技術；在網絡技術領域，則是基于軟件定義網絡和網絡功能虛擬化的新型網絡架構[5]，這里主要介紹5G無線技術。

3.1 大規模天線技術

Massive MIMO（大規模天線技術）。從天線數量來看，傳統的TDD網絡的天線基本都是2天線、4天線或8天線，而Massive MIMO它的是通道數能達到64、128、256個；從信號的覆蓋維度來說，我們稱傳統的MIMO為2D-MIMO，以8天線為例，實際信號在做覆蓋時，只能在水平方向移動，垂直方向是不動的，信號像是從一個平面發射出去[6]。而大規模MIMO，基于信號電平的空間維數，利用空域的垂直維數來利用它。以電磁波束為輻射狀的信號，它的信道數目和多向信號覆蓋維數，可以大大提高頻譜效率和用戶接入能力。

3.2 新型多址技術

5G支持的新型多址接入技術包括 SCMA、NOMA、PDMA、MUSA 以及較為傳統的OFDMA等[7]。這種技術不僅可以大大增加用戶的連接數量，而且可以有效提高系統頻譜傳輸效率，降低時延。NOMA（非正交多址）是基于功率域重復利用的一種新型多址接入方法，用來增加接收處的復雜程度，并以此來提高頻譜效率；PDMA（分割多址接入技術）是基于發送處和接收處聯合設計的一種新型非正交多址接入技術，可以提高2到3 倍的系統容量，通信系統的頻譜效率也可以提高1.5倍。MUSA（多用戶共享接入）是一種以復數域多元碼的上行為基礎的非正交多址接入技術，它具有多用戶共享接入方案無需調度的優勢，有利于實現低成本、低功耗的5G 連接（即萬物互聯）。

3.3 超密集組網

5G的超密集組網網絡架構一方面通過控制對承載的分離，及覆蓋與容量分離來實現未來網絡對與覆蓋和容量設計，實現以業務要求為目標的靈活擴展的控制和數據面資源[8]；另一方面，通過抽出基站的無線電控制功能，進行集群集中控制[9]，它實現小區間協調、移動資源協調、移動性管理等這一類目標,增加了網絡容量，為用戶提供了極佳的業務體驗。

3.4 D2D通信技術

D2D 技術指的是通信系統中連接的設備之間的進行通信技術。在無線通信網中，以D2D的進行來實現通信鏈路連接，則傳輸網絡就就可擺脫中間設備的控制，這項技術降低了通信系統中核心主干路的成本又減小了的數據帶來的壓力，該技術極大提高了頻譜的效率，增加了容量，使通信系統更加高效、穩定、便攜。

4 移動互聯網應用場景與5G關鍵技術的關系

移動互聯網給人們的生活帶來了巨大的改變，越來越多的人在購物、吃飯、外出時和工作或工作間隙時，都自然地拿出手機，工作、娛樂、聯系親人朋友、查看新聞、分享自己感受，人們通過隨聲攜帶的智能終端登錄到移動互聯網，他們將生活、工作、交易、交友擴大到移動互聯網上。隨著不斷增加的使用人數和通訊業務，使得移動互聯網的發展具有更大的前景和挑戰。相比前幾代通信網絡，5G要解決區域更廣的用戶連接和更快的傳輸速率問題，也就是說，在滿足未來的通訊業務的需求時，我們應該考慮到連續廣域覆蓋和熱點高容量場景所面臨的技術挑戰。根據研究表明，在連續廣域覆蓋場景中，目前還受限于站址和頻譜資源，為了滿足不斷提高的用戶體驗速率的需求，還要盡可能多的低頻段資源以作為連接的最基本保證，除此，系統的頻譜效率也要有很大的改善。作為其中最主要技術之一的大規模天線陣列，可與新型多址技術相結合，讓系統頻譜效率進一步提高和讓更多的多用戶能接入互聯網。在網絡架構體系方面，形成了多種無線接入能力和集中式網絡資源協同與控制技術，給了用戶一個較高的體驗速率保證。在熱點高容量場景中，針對不斷提升的用戶體驗速率和流量密度，超密集組網技術可以更充分地利用頻率資源，大大提高單位區域內的頻率重復利用的效率；全頻譜接入可以充分利用低頻率和高頻率的資源來實現更高的傳輸速率；大規模天線、新型多址等技術和其他技術相結合，可進一步提升頻譜效率。5G應用場景和關鍵技術可以在很大程度上為移動互聯網的發展提供技術條件，從根本上保證移動互聯網在未來的能滿足人們的需求。

5 物聯網應用場景與5G關鍵技術的關系

5G將會是一個“萬物互聯”[10]的時代。不僅要滿足人們在衣食住行不同領域的多樣性業務，還將進入到物聯網和各個行業，并與工業的設施建設使用、醫療器械改進、交通等相結合，滿足工業、醫療、交通等垂直行業的多樣性的需求。目前，物聯網已被廣泛運用于各個領域。物聯網的設備終端數量正在快速增加，根據預測，2020年聯網設備的數量將超過200億。在如此海量大連接下，物聯網將面臨巨大挑戰。物聯網作為低功耗大連接、低時延高可靠的應用場景，就需要面對并解決場景下的技術問題，使物聯網高速發展。在低功耗大連接場景中，物聯網面臨的主要挑戰有大規模的設備接通性、低的終端功耗和成本。新型多址技術可以通過廣泛用戶信息的疊加傳輸成倍提升系統連接終端的能力，還可不通過調節傳輸讓設備功耗在一定程度上下降[11]；新型多載波技術[12]如F-OFDM和FBMC等使用的分段頻譜、支持窄帶，也可以有效地減小功耗和降低成本。此外，終端直接通信（D2D）可跨域較長距離，實現基站到終端間的傳輸，同時也可降低功耗。在低時延高可靠的場景中，要能達到降低傳輸時延的目的，不僅如此，還要降低重復傳輸的幾率來達到極低的時延和高的質量要求。為此，需采用較先進技術，即在運用調節編碼機制和改善重傳來提升傳輸的保障性的同時通過新型多址和D2D等技術來減少信息指令交互和數據傳輸。另外，在網絡架構中，通過提高數據傳輸能力和控制轉發云和訪問云邊緣附近的業務數據來有效地減少網絡延時。

6 移動互聯網及物聯網的發展

隨著移動互聯網用戶數量不斷增長和智能終端使用量不斷上升，移動互聯網得到快速發展，不斷滿足人們需要的移動終端業務得到蓬勃發展，因具有多元化的特性，不斷運用于生活中的各行各業。移動互聯網具有便攜性，它能讓人們利用碎片時間隨時、隨地訪問互聯網，因此，各具特色的移動終端不斷被發明，例如智能手環、智能手表、智能眼鏡，在移動互聯網技術不斷提高的同時，移動流量不斷增多，這就要求巨大和IP地址數量。現如今IP地址的數量在一定程度上限制了移動互聯網的發展。5G技術的飛速發展，給移動互聯網帶來更多的發展機會，也為解決IP地址數量和移動寬帶[13]提供了新的方向，隨著用戶增多，數據流量也在不斷增大，如何解決高數據有效傳輸是當下5G所面臨的關鍵問題。而5G也正有從此問題出發，不斷在突破技術上的瓶頸，大規模天線、新型多址技術等關鍵技術落實到移動互聯網的每個問題之上。2020年，5G將全面應用，而移動互聯網預計有三大發展方向。即方向一:將入口爭奪將進入到底層；方向二:多屏融合，大數據，云計算等技術的深入使用；方向三:開放平臺成為移動互聯網主要的部分[14]。

物聯網技術于1911年首次提出，到目前為止主要走過了三個階段，大規模建立聯網階段，大量的連接設備狀態被感知到越來越多的設備通過移動網絡、WiFi、RFID、ZigBee和其他連接技術連接到網絡網；生成海量數據，形成了物聯網大數據；人工智能初始化運用已經實現，其對物聯網產生的數據進行智能分析。中國物聯網處于設備層成熟期，但應用層仍處于成長期，智能制造、汽車聯網、自動駕駛、消費智能終端市場等已形成一定的市場規模，并處于成長期。2020年，聯網設備在進一步增加，將達到260億。在5G的助力下，5G的物聯網技術將不斷突破，在功耗大連接、低時延高可靠5G應用場景和超密集組網、D2D通信技術的基礎上將會給物聯網應用上帶來可觀性的發展。比如車聯網領域，更低的傳輸時延確保了其更高的安全性，這將帶動車聯網快速發展。未來幾年內，中國物聯網產業將除了率先在智能電網、家居、醫療、還要在車用傳感器等領域推廣使用，當5G全面到來的時候，我們也就真正的實現了萬物互聯。