5G通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的融合與發(fā)展

劉佳玲

（同濟大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314033）

1 5G通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

1.1 移動通信發(fā)展歷程

移動通信技術(shù)于20世紀(jì)20年代開始發(fā)展到現(xiàn)在大致有5個階段。1978年，貝爾實驗室首次成功研制出先進(jìn)移動電話系統(tǒng)（Advanced Mobile Phone System，AMPS）,同年國際無線電大會批準(zhǔn)800/900 MHz頻段用于移動電話的頻率分配方案。此后，基于頻分復(fù)用技術(shù)（Frequency Division Multiplexing Technique，F(xiàn)DMA）和模擬調(diào)制技術(shù)的第一代移動通信（1G）開始建立。

隨著21世紀(jì)的到來，通信技術(shù)也迎來了2G時代，2G之于1G做出的改變是將模擬調(diào)制技術(shù)改為了數(shù)字傳輸技術(shù)，完成了模擬向數(shù)字的演變[1]。2G技術(shù)有兩種規(guī)格，一種是TDMA發(fā)展來的GSM，另一種是復(fù)用形式的CDMA。

2G到3G的過渡并不像1G到2G那般順利，所以出現(xiàn)了2.5G，2.5G的建設(shè)一般采用GPRS技術(shù)，它是在GSM基礎(chǔ)上的一種過渡技術(shù)。

應(yīng)時而生的3G基本是以CDMA為核心。目前，3G的3個標(biāo)準(zhǔn)分別為CDMA2000、WCDMA以及TD-SCDMA[2]。被傳為3G延伸的4G如今也有很多人在使用，該技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲兴俾士蛇_(dá)20 Mb/s，下行速率高達(dá)100 Mb/s[3]。但是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f，LTE只是3.9G，所以就算被宣傳為4G無線標(biāo)準(zhǔn)，也并沒有被3GPP認(rèn)可為國際電信聯(lián)盟所描述的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)IMTAdvanced.

2009年，我國華為開展了5G通信技術(shù)的相關(guān)早期研究，之后幾年內(nèi)，陸陸續(xù)續(xù)向全球展示了5G基站原型，2013年宣布將在2018年前投資研究5G技術(shù)，并預(yù)言2020年用戶將體驗到商用5G。第五代移動通信（5G通信）技術(shù)快速發(fā)展，包括標(biāo)準(zhǔn)制定和基站建設(shè)等在內(nèi)的各項技術(shù)與建設(shè)得到了長足發(fā)展，2020年成為5G商用元年[4]。

1.2 5G通信技術(shù)

5G通信技術(shù)從字義上來看，被人們認(rèn)知為是4G的延伸，它與前代通信技術(shù)一樣，都是以數(shù)字信號作為基礎(chǔ)。2015年6月，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）將5G正式命名為IMT-2020，并將移動寬帶、大規(guī)模機器通信以及高可靠低時延通信定義為5G主要應(yīng)用場景[5]。

5G的建立首要是滿足了人類對于信息傳播速率“更快”這一要求，再者說，4G通信連接點終端數(shù)量有限，而5G通信能在每平方公里內(nèi)支撐百萬個移動終端，連接的設(shè)備也不止限于移動手機，可以真正實現(xiàn)萬物互聯(lián)。5G通信技術(shù)較于前代技術(shù)而言也更為可靠，它發(fā)送一個32字節(jié)的第二層協(xié)議數(shù)據(jù)單位的成功概率需達(dá)到99.999%，電力系統(tǒng)有效性隨著電力通信有效性的提高也將有所提高。而在傳輸時間方面，5G通信技術(shù)也做的比4G技術(shù)要好得多，雖然說4G的時延50 ms對人類來說確實影響不大，但對于一些工業(yè)應(yīng)用場景來說會使其與預(yù)想效果相差甚遠(yuǎn)，而5G在時延方面也盡可能縮短，其空口時延達(dá)到1 ms，端到端之間也小于10 ms。最后，5G為減小能耗對萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)帶來的影響，對通信硬件協(xié)議等進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工委員會（International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission，ISO/IEC）將物聯(lián)網(wǎng)定義為一種物、人、系統(tǒng)以及信息資源互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合智能服務(wù)，使其能夠處理物理和虛擬世界的信息并做出響應(yīng)，通俗意義上來說物聯(lián)網(wǎng)就是物物相聯(lián)[6]。

一般來說，物聯(lián)網(wǎng)包括如圖1所示5個層面，即利用傳感器元件和裝置獲得實物信息的感知層，傳感器與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)的接入層，實現(xiàn)廣泛信息整合、交換以及共享的網(wǎng)絡(luò)層，對互聯(lián)網(wǎng)信息保護(hù)、加密與管理的管理層以及信息整合和分析的應(yīng)用層。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

1.4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

2019年，國家電網(wǎng)有限公司為了著力構(gòu)造三型兩網(wǎng)、世界一流，繼而提出來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念[7]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)可以理解為泛在、電力以及物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。電力，通俗意義上是以電能作為動力能源，眾多運輸它的通道組成了電網(wǎng)，泛在的概念類似于物聯(lián)網(wǎng)，它不僅包括電網(wǎng)內(nèi)部的脈絡(luò)連接，還包括電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，各種業(yè)務(wù)都要接受。

相較于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)而言，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)注重信息的互聯(lián)共享[8]。其包含更廣，連接方式更廣泛，并且泛在電力物聯(lián)網(wǎng)更是能衍生出其他關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如社會網(wǎng)、資金網(wǎng)以及業(yè)務(wù)網(wǎng)等[9]。

5G通信技術(shù)特點對應(yīng)電力系統(tǒng)需求如表1所示。

表1 5G通信特點與電力系統(tǒng)需求對應(yīng)關(guān)系

2 5G使能下的物聯(lián)網(wǎng)

2.1 寬帶通信

對于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的高清視頻和圖像監(jiān)控，5G通信技術(shù)做出了巨大貢獻(xiàn)。5G通信所擁有的高速率和高帶寬等性質(zhì)使傳輸圖片時更快，提高泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中視頻圖像的流暢度，使監(jiān)控設(shè)施更便捷，效率也更高，從而也能降低通信設(shè)施的成本。

以實驗室經(jīng)常見到的無人機來說，常常可以看到其在空中盤旋錄像，但那個錄像顯然不能實時觀看，再者如果無人機在執(zhí)行任務(wù)時出現(xiàn)故障，也不能第一時間了解解決，而且想反復(fù)觀察偵查的話也有些困難。通過在無人機里加入5G通信技術(shù)就可以在實驗室里實時觀察無人機的動向，一旦出現(xiàn)故障也能第一時間了解解決。將此類監(jiān)控系統(tǒng)放到快遞運輸途中的分揀站，能夠觀察到高清的快遞實時動態(tài)。也可將此系統(tǒng)用于電力系統(tǒng)中，特別是在5G通信時延較低的影響下，微型PMU也可以在電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測中實現(xiàn)各項信息數(shù)據(jù)的高效共享傳輸[10]。檢修人員只需在機房觀察，等待巡視機器發(fā)出指令，就能清楚地實時了解電力系統(tǒng)情況，在檢修及查看電力系統(tǒng)使用情況時能夠事半功倍。

2.2 物聯(lián)生活

我國電力系統(tǒng)如同一個強大的網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)末端連接了成千上萬個用電設(shè)備，讓所有實物看似沒有關(guān)系卻內(nèi)里有著千絲萬縷聯(lián)系，從而使信息匯集，形成一個巨大的信息互聯(lián)網(wǎng)，這也給電力系統(tǒng)帶來了無限的發(fā)展前景。

將家里電器通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)連接就能實現(xiàn)人性化的智能家居。例如，當(dāng)可以分解材質(zhì)的智能型馬桶和可以給出合理建議的冰箱互聯(lián)，它將根據(jù)你今天吃的食物殘渣給出合理的明日食譜，使你營養(yǎng)均衡攝入。再說如果智能鬧鈴能與家里的照明互聯(lián)，它可以根據(jù)你第二天的起床時間來滅燈以幫助你有個合理的睡眠時間，也可與感知重力的智能床連接，在你夜起時為你照明。

不止能實行智慧家居，還可實施智慧出行。隨著節(jié)能減排的推廣，將越來越傾向選擇耗電型汽車，而耗電型汽車目前的航程還是不及耗油型。可以在汽車與充電站之間建立起泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)小車電量只有一半電時，小車智能系統(tǒng)將發(fā)出橙色警告并推薦附近充電站。

這些功能在4G通信系統(tǒng)下很難實現(xiàn)，而5G通信所能連接的終端設(shè)備可達(dá)上百萬個，這讓萬物互聯(lián)最艱難的一步有了解決方法。

2.3 高效安全計算

系統(tǒng)要進(jìn)行多次運算來確保系統(tǒng)運行時的安全性和可靠性，而如果需要收集大量數(shù)據(jù)時就要用上大數(shù)據(jù)計算，這就需要高效的計算方法來支撐，于是云計算在這個泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建立的世界就有了極大用處。

在我國有許多小型售電商和大量用戶沒有龐大的計算資源，也就不具備數(shù)據(jù)收集、儲存的能力和空間，這個時候就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到第三方的云平臺，小型商家也可通過云平臺來展開運營策劃，在5G通信保障計算結(jié)果的高效率和傳輸?shù)母咚俾氏拢刂撇贾玫皆贫说娜蝿?wù)。

但是集中于云端的數(shù)據(jù)還是存在安全隱患，于是可以將分散數(shù)據(jù)直接在邊緣進(jìn)行計算，然后不同邊緣計算共同合作控制整體效果。比如可以利用最優(yōu)潮流分析在多個主配網(wǎng)中開展計算時，同時設(shè)置分布式優(yōu)化算法，從而開展邊緣計算，這樣不僅保障了高效率又解決了數(shù)據(jù)集中帶來的安全隱患。還可以利用邊緣計算來預(yù)防災(zāi)難來臨時的輸變電線路，也可收集數(shù)據(jù)進(jìn)行本地匯總計算，這都是利用邊緣計算的接入、儲存及通信能力。

3 結(jié) 論

5G的建設(shè)與開展是全球通信發(fā)展、電力發(fā)展以及人工智能發(fā)展的一個新紀(jì)元，現(xiàn)在的5G通信技術(shù)還未發(fā)展成熟，但在未來5G將會融入多個行業(yè)，使人民的生活更便利。本文結(jié)合5G通信技術(shù)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特點，重點分析了在5G通信技術(shù)下泛在電力物聯(lián)網(wǎng)對人類的生活、信息傳送以及信息安全的一個未來展望。

5G通信技術(shù)使能下的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的升華，5G的出現(xiàn)使得物理、信息以及社會聯(lián)合得更加完善，使得電力這張網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，為實現(xiàn)智慧一體化，提高數(shù)據(jù)匯總及安全性提供了良好基礎(chǔ)。