面向5G物聯網的上行接入技術

鄔張帆，莊常進

（湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

隨著當今物聯網技術的發展和社會需求量的提升，物聯網在應用領域和覆蓋范圍上都處于不斷延伸的狀態。在這樣的情況下，物聯網中所接入的通信設備也在種類和數量上呈現出了不斷增加的趨勢，進而讓物聯網的運行伴隨著海量信息數據的產生。隨著數據量的逐漸擴大，當今的移動蜂窩網絡已經無法使其高速率、低延時以及低功耗等各個方面的通信需求得到全面滿足，這就為物聯網技術的應用與發展帶來了一定程度的阻礙[1]。隨著5G時代的到來，面向5G形式的物聯網上行接入技術開始得到了越來越廣泛的應用，H2H（人和人之間的通信技術）已經逐漸被MTC（人和物之間的通信技術）所取代，這樣就實現了物聯網上行接入能力的顯著提升，可對多臺設備的接入提供技術支持，且有著壽命長、時延低等優勢。

1 物聯網技術和5G技術的相關概述

1.1 物聯網技術

物聯網技術就是將各種的傳感器設備作為基礎，讓各種物品都接入到互聯網內，并在這個系統中進行信息的交互和共享的一種技術。同時，物聯網技術也具備智能化、管理、識別、監控、追蹤和定位等特征，其技術優勢十分明顯。從本質屬性來講，物聯網技術就是將物聯網作為背景來實現的人、物、事這三者之間的互相聯通。在物聯網技術中涉及到的學科有很多，如自動化、計算機及通信等。物聯網這一技術的起源也比較早，早在20世紀，物聯網技術就已經開始得到了早期應用，其主要的應用形式是汽車內的收音機安裝。伴隨著當今科學技術的發展，物聯網技術已經得到了越來越廣泛的應用，但是在該技術的具體應用中，無線傳感器網絡卻對其應用與發展造成了很大程度的制約[2]。雖然當今的網絡技術發展已經讓無線傳感器的很多問題都得以有效解決，但是在節點傳輸距離的影響作用下，信號干擾問題依然是一項需要解決的技術難題，物聯網上行接入技術也有待進一步研究。

1.2 5G通信技術在物聯網中的應用優勢分析

當前的物聯網主要層級有4個，一是監控應用層，二是業務管理層，三是媒體服務層，四是前端接入層。具體應用中，前端有著較多的智能化設備，且這些設備在網絡寬帶方面都有著比較高的要求，這樣才可以讓物聯網實時監控方面的標準以及傳輸速率方面的要求得以有效滿足。而5G通信技術可以滿足這些要求。5G通信技術在商用通話方面具有如表1所示的優勢。

表1 5G通信技術商用通話方面的優勢

在物聯網中，大多數的主干網絡都是通過光傳送網（Optical Transport Network，OTN）構建而成，是一種剛性形式的寬帶通道，其可擴展性十分優良，可以讓物聯網相關的前端智能設備實際的網絡寬帶需求得以全面滿足，且這種寬帶通道也有著比較低的延時性，其應用效果十分良好。隨著科學技術的不斷發展，ONT網絡的光網絡化軟件定義也逐漸實現。因為該技術自身的波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和同步數字體系((Synchronous Digital Hierarchy，sdh）優勢十分顯著，所以能夠有效滿足物聯網技術對于寬帶的實際要求，使其業務調度更加靈活，并實現其拓展性的進一步提升[3]。

1.3 物聯網和5G通信技術的融合分析

隨著近年來科學技術的不斷發展，5G通信技術已經不僅僅基于用戶基本應用需求的滿足，同時也讓用戶的網絡寬帶擴展性需求得到了良好滿足。隨著5G通信技術的實際應用，通信網絡的整體應用質量都實現了顯著提升，同時也讓網絡數據的安全性和可靠性得到了進一步保障。而在物聯網技術的應用與發展中，5G通信技術也對其起到了很大程度的推動作用，讓該技術實現了進一步的應用與普及。由此可見，將5G通信技術融入到物聯網技術中已經成為了當今科學技術的一個必然發展趨勢。通過這兩種技術的融合，不僅可以實現彼此之間應用范圍的進一步擴展，同時也可以實現這兩種技術優勢的充分發揮，在促進各個行業技術進步的基礎上實現技術經濟和社會價值的進一步提升[4]。另外，將5G通信技術和物聯網技術融合在一起，也可以讓傳統物聯網延時高、能耗大等的問題得以有效解決，實現物聯網技術的良好應用與發展。

2 物聯網上行接入主要問題分析

在物聯網當前的上行通信中，最主要的一個問題就是海量數據連接所帶來的較大功耗問題，隨著5G通信技術的應用，物聯網在上行接入方面的負擔也就變得更大，其主要問題包括如下兩個方面。

2.1 設備接入量和空間之間的矛盾

隨著物聯網技術的發展，越來越多的通信設備開始接入物聯網，這樣的情況勢必會將上行通信資源占用更多，而且由于通信設備的類型不同，其傳輸速度和數據類型等的諸多方面也都有著比較大的差異性，所以無線網接入堵塞情況就很容易發生。在這樣的情況下，如果不能有效解決物聯網的上行通信問題，不僅會對其遠程傳輸速度造成不利影響，也可能會損害到接入到物聯網中的通信設備。

2.2 4G蜂窩網絡上行接入問題

目前，4G蜂窩網絡依然是物聯網上行接入的主要技術，其接入模式也依然是正交多址形式。雖然這種接入方式可以讓物聯網上行數據保持連續性，但是在物聯網的不斷發展中，數據的多樣化和海量化特征也越來越明顯，而現有的蜂窩網絡上行技術對于小包突發形式的海量機器類通信(massive Machine Type of Communication，mMTC）業務并不能做到有效應對，尤其是在面臨IoT形式的突發性、高能效通信業務需求時，系統的響應速度也很容易變慢，甚至會出現系統不響應情況，對物聯網通信的正常進行造成嚴重干擾[5]。要想有效解決此類問題，就需要將更加優越的5G蜂窩網絡技術在物聯網上行接入中加以合理應用。表2是4G蜂窩網絡和5G蜂窩網絡的數據傳輸對比。

表2 4G蜂窩網絡和5G蜂窩網絡的數據傳輸對比

3 面向5G通信技術的物聯網上行接入技術具體應用分析

3.1 基于NOMA窄帶形式的物聯網上行接入

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）的功率譜密度非常高，而借助于這一本質優勢，該技術可以對物聯網進行高效能、低速率的連接，并使其得到擴展覆蓋，這樣就可以讓5G物聯網中MTCD大量的低成本性能需求得到有效滿足。表3是其技術參數。

表3 NB-IoT（窄帶物聯網技術）參數

通過NOMA的應用，可以為統一頻譜帶上的多個用戶數據同時發送提供支持，其接收端會通過5G通信技術對各種的重疊信號進行分離。具體應用中，為了讓5G物聯網條件下的MTCD海量同步連接需求得以滿足，可以將資源共享這一理念作為基礎，讓同一個窄子載波被多個MTCD所共用。通過這樣的方式，不僅可以實現通信傳輸性能的提升，也可讓上行鏈路實現運行成本的有效降低，讓該技術更具實用性。但是在該技術的實際應用中，窄帶資源分配不足的情況也很可能發生，如果在短時間內有大量的瞬時流量數據涌入物聯網，堵塞和延遲等的問題也可能發生。所以就目前的情況來看，基于NOMA窄帶形式的物聯網上行接入技術依然有待進一步優化。

3.2 基于NOMA免調度形式的分布式上行接入

為實現LTE/LTE-A系統上行輸入的有效性與傳輸的可靠性，一般都需要先隨機接入，然后再對數據進行傳輸，這樣的情況就會導致物理層開銷以及MAC層接入與調度開銷的大量形成。隨著NOMA在近年來的廣泛應用，其5G蜂窩系統中頻率效率的提升也越來越受到研究者的關注，有研究者將5G通信技術中的NOMA以及gran-free新技術作為基礎，進行了一種基于分布式形式的免調度分層NOMA混合上行接入新型框架的設計[6]。在該框架中，免調度形式的NOMA技術主要有兩大應用優勢。第一，可以將上行接入以及通信傳輸中的堵塞、沖突問題解決，在保障信息傳輸更具時效性的同時也進一步提升鏈路的通信速率。第二，可以實現上行連接成功率的進一步提升。經相關實驗發現，免調度形式的NOMA上行接入方式應用之后，其接入的成功率比傳統的OMA接入成功率高出了將近40倍。圖1是該框架的結構示意圖。

圖1 基于分布式形式的免調度分層NOMA混合上行接入新型框架結構示意圖

3.3 基于免調度分布式NOMA穩定性的上行傳輸

雖然免調度形式的NOMA上行技術可以為物聯網的上行接入提供足夠的技術支撐，但是在該技術的具體應用中，零星通信以及小包突發問題依然有待進一步解決，同時系統也會存在一定程度的負載不穩定現象。在正常條件下，因為上行接入選擇了分布式的方式，所以如果負載波動比較小，通信的正常運行也不會受到顯著影響。但是在物聯網的實際運行過程中，隨時可能出現大流量傳輸現象，所以出于安全方面考慮，在具體的5G上行技術應用中，還需要以此為基礎進行穩定傳輸設計的增設。尤其是在遠距離或者是大流量傳輸條件下，穩定傳輸技術的應用更會發揮出關鍵作用。通過研究發現，多信道隨機重傳不僅可實現接入時延的縮短，也不會對通信質量造成明顯影響，所以該方法可作為免調度分布式NOMA上行接入技術中的穩定傳輸技術。

4 結 論

相比較傳統的上行接入技術，將5G通信技術用來進行物聯網的上行接入，將會實現其傳輸速率和穩定性的進一步提升。因此，在對物聯網進行上行接入研究的過程中，技術人員一定要加強5G通信技術的研究，將其與物聯網技術之間進行有機融合，以實現技術優勢的充分發揮。