物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的5G關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應用

徐 瑤，王 玢

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

隨著我國5G技術(shù)的大力建設(shè)布局，以及它高速傳輸、低延時的技術(shù)特性，賦能于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，將加速該行業(yè)的發(fā)展進程，促進產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的擴大，對該行業(yè)帶來突破性的深遠影響。

1 5G通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

1.1 5G通信技術(shù)

5G技術(shù)指的是5G移動通信技術(shù)，其特點包括：一是數(shù)據(jù)傳輸速度更快，滿足了大型互聯(lián)網(wǎng)活動的需求；二是安全性提升，強大的傳輸速度帶來的低延遲，保證了5G信號在傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)時的可靠性和即時性；三是數(shù)據(jù)量變大，傳輸速度的提升使得5G網(wǎng)絡(luò)可以快速傳輸海量長視頻或直播數(shù)據(jù)，這要求它必須具備強大的數(shù)據(jù)處理能力。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）又被稱為“萬物互聯(lián)”（IoE），強調(diào)了互聯(lián)網(wǎng)連接的所有對象（包括人和機器）都擁有惟一的地址，并通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。[1]

2 5G關(guān)鍵技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的具體應用

2.1 密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應用

與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)依賴占用空間更少的技術(shù)手段連接了大量無線接入技術(shù)，從而保證高效率的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度與廣闊的覆蓋范圍。為實現(xiàn)以上目標，必須構(gòu)建極其詳細的區(qū)域劃分，密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是目前解決這一問題的有效策略，也是5G網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。[2]該技術(shù)主要包括兩方面的應用：一是在基站附近搭建更多高增益天線，擴大室外網(wǎng)絡(luò)空間，同時實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效擴容，提高信息傳輸?shù)撵`活性。二是布局完善的密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，增加網(wǎng)絡(luò)天線，增強系統(tǒng)靈活性，使得不同網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點自由連接，并且穩(wěn)定而精確地交互信息。

2.2 獨立組網(wǎng)技術(shù)

獨立組網(wǎng)技術(shù)就是重新搭建全新的網(wǎng)絡(luò)，涵蓋核心網(wǎng)絡(luò)、回程鏈路以及全新基站。獨立組網(wǎng)模式不僅包括全新的網(wǎng)元以及5G網(wǎng)絡(luò)接口，還會與5GNR結(jié)合，并引入一系列新技術(shù)，如SDN和NFV等。獨立組網(wǎng)模式中的核心網(wǎng)能夠支持D2D的網(wǎng)絡(luò)切片、MEC等網(wǎng)絡(luò)服務，增強了業(yè)務支持能力；同時該模式同時涵蓋了獨立無線網(wǎng)與核心網(wǎng)，在4G與5G中均新增核心網(wǎng)接口，可實現(xiàn)互操作，十分靈活；獨立組網(wǎng)僅支持4G或者5G單獨連接，終端簡單、功耗低、成本低。因此，獨立組網(wǎng)模式可以實現(xiàn)全部的5G網(wǎng)絡(luò)功能與特性，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)傳輸過程中的低延遲。

2.3 SDN/NFV技術(shù)

SDN/NFV指的是借助軟件功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，SDN/NFV技術(shù)可以根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)定與其匹配的特定參數(shù)，并通過軟件程序有效調(diào)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。在5G環(huán)境中，不僅可以設(shè)定控制層、管理層與應用層，還能實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)控制與監(jiān)測，使用自動配置代替原有的手動配置，節(jié)省了5G技術(shù)中的管理成本與時間。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中搭載SDN/NFV技術(shù)，不僅可以搭建起領(lǐng)先的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，還能讓網(wǎng)絡(luò)適應工作中的不同情況。

2.4 D2D通信技術(shù)的應用

D2D通信技術(shù)，即設(shè)備與設(shè)備之間的即時通信。傳統(tǒng)4G移動通信發(fā)射網(wǎng)絡(luò)的特點是利用基站來組建小型的通信網(wǎng)絡(luò)，這種基站弊端較多，比如必須建設(shè)在沒有建筑物遮擋的開闊地區(qū)，同時中央移動網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋區(qū)域內(nèi)的邊緣用戶，必須在許可頻段內(nèi)工作，抗干擾能力差，且安全性較低，而且對建設(shè)基站的材料結(jié)構(gòu)也有較高要求等。而D2D技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，它能夠在短距離通信中依靠蜂窩用戶的授權(quán)頻帶工作，通過移動網(wǎng)絡(luò)之間進行直接通信，解決以上不良的用戶體驗，安全性更高，抗干擾能力更強。

隨著5G技術(shù)的成熟，我們可以在物聯(lián)網(wǎng)中的智能農(nóng)業(yè)中應用這一通信技術(shù)，通過各大傳感設(shè)備的直接通信，及時而準確地將數(shù)據(jù)傳輸至專家手中，加速農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。

2.5 高頻段通信技術(shù)的應用

在傳統(tǒng)4G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，由于通信網(wǎng)絡(luò)頻譜資源不足，系統(tǒng)容量一直是難以解決的問題，而5G通信網(wǎng)絡(luò)包含2種頻率范圍，一是頻率范圍在450MHz-6GHz的FR1，與4G網(wǎng)絡(luò)范圍差不多；二是頻率范圍在24.25GHz-52.6GHz的FR2，遠高于目前使用的通信頻段。5G技術(shù)可以使用這2中頻率范圍實現(xiàn)全頻段通信。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的全頻段通信中，還可以使用高頻毫米波天線來發(fā)射信號，以較小的設(shè)備體積帶來非常大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

在大型線上網(wǎng)絡(luò)活動中，有限的頻段無法應對短時間的網(wǎng)絡(luò)流量大幅增長，極易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵甚至網(wǎng)絡(luò)崩潰，因此利用5G全頻段覆蓋及高頻段毫米波傳輸技術(shù)，可以大大增加網(wǎng)絡(luò)容量，提升傳輸速度，并且通過更加小型的設(shè)備，滿足人們隨時攜帶的生活需求。

2.6 智能化技術(shù)的應用

在未來物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，各類智能化的電子設(shè)備將在智能家居、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域頻繁應用，充分融入人們的日常生活，為搭建提供便捷化的服務，這些多樣化的服務，會將大量的多方位的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G核心網(wǎng)絡(luò)中，因此，核心網(wǎng)絡(luò)必須能夠處理大量不同的且多樣化的數(shù)據(jù)，這也意味著5G通信技術(shù)中的智能化技術(shù)成為核心的一項技術(shù)項目。

5G通信技術(shù)通過一個個云計算中心，匯集成具有極高計算能力的大型服務器。這種服務器借助網(wǎng)絡(luò)交換機與其他網(wǎng)絡(luò)進行交互連接，實現(xiàn)有效的多方位數(shù)據(jù)連接，不僅能夠快速處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還能根據(jù)信息的不同類型與性質(zhì)予以劃分。舉例來說，結(jié)合了5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居市場，可以快速進行有效的科學規(guī)劃，幫助不同的品牌進行打通連接，通過云端控制滿足不同用戶的需求。

3 5G通信技術(shù)下的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化應用

3.1 智能家居

可以通過物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)對家中的電器（如冰箱、洗衣機等）進行遠程控制；也可以通過一些智能電子設(shè)備查找物品的位置和相關(guān)信息；還可以利用5G的網(wǎng)絡(luò)速度，物聯(lián)網(wǎng)的攝像監(jiān)控功能，實時遠程查看家中狀況，保證家居環(huán)境的安全。

3.2 智慧醫(yī)療

首先，5G技術(shù)保證了患者異地也能線上掛號問診的需求，在家也能享受高清的醫(yī)療服務，解決了醫(yī)院聚集堵塞、交叉感染的問題；其次，醫(yī)生可以跨地域遠程指導一些簡單的手術(shù)，提高邊遠地區(qū)基層醫(yī)院的手術(shù)質(zhì)量；同時，5G技術(shù)作用下的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應用于救護車的車載設(shè)備，實時記錄患者的體征數(shù)據(jù)，提前傳送至醫(yī)院醫(yī)生手中，幫助醫(yī)生快速了解情況并提前安排住院流程。

3.3 智能建筑

首先，大量決策者和設(shè)計師可以因5G技術(shù)在不同地方實時互動，及時調(diào)整策略，減少施工期間的大量細節(jié)問題；其次，物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器技術(shù)可以對建筑工地的重型設(shè)備進行實時監(jiān)測，幫助相關(guān)人員了解施工情況；同時，5G+物聯(lián)網(wǎng)還能對周邊環(huán)境進行監(jiān)測，保證了施工現(xiàn)場人員的人身安全，防止安全事故的發(fā)生。

3.4 智慧城市

智慧城市系統(tǒng)包括智慧交通、智慧政務、智慧校園等涉獵廣泛的內(nèi)容，比如在智慧交通中，我們可以對交通運輸情況進行更加及時的管控，提高人們的生活品質(zhì)。

4 結(jié)束語

移動通信技術(shù)為互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)以及我們的生活帶來了日新月異的變化，而隨著5G通信技術(shù)的成熟與產(chǎn)業(yè)化覆蓋，相信必將發(fā)展壯大剛剛起步的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，為人們帶來前所未有的體驗。