淺析5G技術在智能可穿戴設備中的應用

鄧開連，劉曉潔，高 生，劉 浩，燕 帥，陳根龍

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引 言

目前，可穿戴設備作為一種便攜式的電子設備廣受用戶喜愛，用戶可以將其作為配件裝飾到自己的衣服上或作為小飾品直接穿戴在用戶身體上[1]。市場上大多數電子產品都是硬件設備，智能可穿戴設備也不例外。智能可穿戴設備的強大功能可以通過軟件設計、信息處理、人機交互等技術完成。伴隨著2012年谷歌眼鏡的首次亮相，智能可穿戴設備邁出了它的第一步，因此2012年被稱作“智能可穿戴設備元年”。智能手機的創新空間正在逐漸收窄并且其市場增量逐漸接近飽和，因此，智能可穿戴設備成為智能終端產業下一個熱點并被廣泛認可[2]。雖然智能可穿戴設備在近幾年的發展下逐漸成型，但是仍然擺脫不了智能手機，或是作為手機的輔助工具，或是對智能手機功能的拓展或平移[3]，并且設備的耗電高、續航能力差，這些問題均是智能可穿戴設備的缺點。伴隨移動網絡的不斷發展，5G技術的出現是科技發展的必然結果。目前研究的第五代移動通信技術（5G技術）主要支持連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠這四類應用場景，旨在滿足用戶在居住、工作、休閑和交通等各種區域及不同場景的多樣化業務需求[4]。因此，5G技術將為智能可穿戴設備的大規模應用提供解決方案。

2015年3月，李克強總理在政府報告中首次提出“互聯網+”行動計劃，以推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網[5-6]（Internet of Things, IoT）等與現代制造業結合。物聯網作為新一代信息技術的重要組成部分，同時也是“信息化”時代的重要發展階段。中國政府的相關政策以及物聯網技術在“信息化”時代的重要地位正是5G網絡技術發展的兩大驅動力。在用戶數、連接設備數、數據量等社會因素指標均持續呈指數式增長的今天，云操作、虛擬現實、增強現實、智能設備、智能交通、遠程醫療、遠程控制等各種應用對移動通信要求日益增加，5G技術的移動性和物聯網設計可滿足數據日益增長的需求[7]。同時5G將會形成一個智能化、個性化、大規模的通信網，屆時，智能可穿戴將實現物理層面和網絡層面的近距離、大規模通信，不再作為附屬品依賴手機或其他設備工作。

1 智能可穿戴設備存在的問題

隨著科技的發展，近幾年可穿戴設備的相關技術不斷發展與成熟。可穿戴設備是指不依賴智能手機等智能移動設備的操作系統，采用可以完全單獨對智能可穿戴設備進行升級和技術應用拓展的自主系統。與可穿戴設備相比，智能可穿戴設備智能化是在已有的可穿戴設備中融入智能化的移動設備，或將可穿戴設備的部分功能加入智能化的移動設備中。智能可穿戴設備是一個全新的電子設計領域，主要包括數據信息處理、硬件和智能化軟件等技術[8]。隨著智能電子產品的不斷發展與普及，電子信息技術進入了大數據時代，云計算、大數據處理[5-6]等技術必然將逐步應用于智能可穿戴設備中?？纱┐髟O備具有便攜性、微型化等特點，但是這些特點也增加了智能可穿戴設備的設計難度。下面將從能源因素、用戶隱私安全因素、使用獨立性等方面分析智能可穿戴設備現階段存在的問題。

1.1 電池續航能力差

傳統的移動設備對于芯片的體積和功耗沒有太嚴格的要求，然而體積較小的智能可穿戴設備對這方面的要求就嚴格很多，并且可穿戴設備具有便攜性，即設備在面積和體積上都要更加小巧、輕薄。此外，智能可穿戴設備一般要求支持長達數周甚至數月的待機和工作時間，同時還要支持多種傳感器的工作[9]。所以，在滿足穿戴舒適美觀的前提下提高設備的持續待機和工作時間成為人們主要研究的問題之一。

1.2 數據采集準確性差

現階段的智能可穿戴設備產業和技術還不夠完善和成熟，不同品牌的廠家無法實現數據的有效共享，基本處于各自開發自己的應用程序和數據業務平臺階段，智能可穿戴設備無法排斥外界干擾導致的數據準確性差[10]等問題。

1.3 缺乏專業性數據分析

目前，市場上的智能可穿戴設備基本上都是應用于醫療護理領域或消費電子領域。針對醫療護理領域，專業的分析是不可或缺的。由于多數用戶將智能可穿戴設備應用于身體指標檢測，隨著用戶的使用，數據量逐漸增大，設備自身無法對用戶數據進行專業性的醫學健康分析，使得用戶在自身健康有危險時無法及時做出相應的應對措施。

1.4 數據同步傳輸時效性差

部分智能可穿戴設備傳輸時效性較低，盡管有無線網等數據傳輸方式，數據同步傳輸還是較差，從而影響用戶使用體驗。

1.5 個人隱私及設備安全性無法保障

大部分智能穿戴設備采用開放式操作系統，并且基本采用無線連接的方式[11]。伴隨著用戶的使用，智能可穿戴設備記錄的數據信息量不斷增長，這就意味著可能被別人竊取的個人隱私越來越多，自身信息的曝光度不斷增加，用戶隱私安全性堪憂。目前，內部漏洞和外部黑客的攻擊是導致用戶數據泄露的兩大主要原因，這兩個原因也是現階段智能可穿戴設備所面臨的主要安全問題[12]。除了信息安全，設備安全也備受關注，每個電子設備都會產生輻射，長期的佩戴可能會對人體健康構成威脅，雖然輻射的強度小，但是由于輻射的日積月累，存在著安全隱患。

1.6 其他不足

由于可穿戴設備源于傳統的穿戴設備，在進行產品設計時缺乏創意、不夠精美，有點像新鮮的玩具，缺乏時尚性[13]。畢竟智能可穿戴設備是要穿戴走出去，時尚美觀性不可缺少。此外，創新意識缺乏、設計靈感匱乏和同質化競爭等問題在國內外廠商扎堆研發產品時逐漸顯露出來[14]。智能可穿戴設備的功能趨于單一化，缺少足夠的軟件設計和應用。

2 5G技術為智能可穿戴設備提供解決方案

2.1 智能可穿戴設備的續航問題解決方案

解決智能可穿戴設備中待機時間即續航問題主要有3種方法：

（1）從軟件和硬件兩方面減少功耗，如操作系統、芯片等，最終使性能與功耗均達到最佳狀態[11]。將5G的大規模MIMO技術[15]應用于智能可穿戴設備，可實現大功率容量的同時降低能耗，從而滿足待機時長的要求。大規模多天線技術與單一天線技術相比，無論是在頻譜的利用效率，還是能量的利用效率都有很大的提升。大規模多天線技術能夠通過不同的維度（空域、時域、頻域、極化域）提升系統的效率[16]，還可大幅降低發射功率[17]、提高功率效率[18]。

（2）從電池本身的容量來提升續航時間。使用柔性技術改變電池的形狀，一方面可以提升電池容量；另一方面可以使電池的體積減小，提高電池的空間利用率，并且使得電池的形狀因設備的實際情況而做相應的改變。

（3）從充電技術方面提升續航時間，如采用太陽能充電、生物充電和無線充電等[11]。目前，這些充電技術正處于研究階段，將來會逐步的應用和推廣。

2.2 智能可穿戴設備中技術改進

目前智能可穿戴設備技術主要問題集中在數據采集準確性、數據專業分析能力、數據傳輸時效性、個人隱私及設備安全性等方面。5G技術中的D2D（Device to Device）[19-20]技術和大規模MIMO技術[15]可以有效地解決這些問題。其中：D2D技術是指通信網絡中近鄰設備之間直接交換信息的技術；大規模MIMO（Multiple Input and Multiple Output,MIMO）通信系統又稱為大范圍多輸入多輸出技術。

2.2.1 D2D技術

一般通信設備都是利用基站（Base Station, BS）進行繼通信。在建立D2D通信鏈路后，相距很近的通信設備即近鄰用戶設備（User Equipment, UE）可以跳過基站進行直接連接與通信[21]。在D2D技術背景下的異構網絡中，將同時存在傳統的UE-BS連接與D2D連接，其中還包括D2D本地網（D2D-LAN）[22]。跳過像基站一樣的核心設備或中心設備而直接進行連接，一方面可以大幅降低大數據給通信系統中的核心網絡帶來的壓力，另一方面還可以使吞吐量、網絡容量和頻譜利用效率大幅提高。D2D技術的這些特點為降低系統延遲時間（或零延遲）、提高系統運行效率，增強系統智能化，提高系統靈活度等提供支持，進而解決智能可穿戴設備的大數據運算效率低和低時效的問題。5G網絡提供的海量數據為智能可穿戴設備的專業指導提供解決方案。在D2D設備研究方案中將用戶分為限制發現和公開發現兩類。對于限制發現類用戶，UE在沒有明確許可的情況下是不允許被檢測的，用戶禁止與陌生設備進行通信連接，以此來保證UE的隱私性和安全性；對于公開發現類用戶，只要當前UE是另一個設備的近鄰設備，則可被檢測到，進而建立聯系，這種模式的用戶的隱私性較差，但連接的復雜度低[23]。這兩種模式適用于不同情況，限制發現是在智能可穿戴設備所在的網絡環境較好、選擇較多的情況下使用，而公開發現是在網絡信號不好或覆蓋不全的條件下、又遇上了緊急事件需要發送應急信息或請求救援情況下使用[7]。

2.2.2 大規模MIMO

貝爾實驗室的Thomasz在2010年《無線通信》中提出了5G中的大規模多天線的概念[15]：通信系統中，基站的天線數遠遠高于終端的天線數目時，通過建立極大數目達到終端的信道實現信號的頑健高速傳輸，并通過大規模天線簡化MAC層設計來最終實現信號的低時延傳輸[16]。5G的超高效能無線傳輸技術和高密度無線網絡（high density wireless network）技術[18]中的基于大規模MIMO的無線傳輸技術可使頻譜效率和功率效率在4G的基礎上再提升一個數量級[24]，同時提高了傳輸的可靠性。大規模MIMO技術應用于智能可穿戴設備時，使得網絡中多個用戶可以在同一時頻資源上利用大規模MIMO提供的空間自由度與基站同時進行通信，在不需要增加基站的密度和帶寬的條件下，大幅提高頻譜效率[25]，并且波束賦形技術能夠讓能量極小的波束集中在一塊小型區域，從而使信號之間的相互干擾大幅減小。波束賦形技術可以與小區分裂、小區分簇相結合，并與毫米波高頻段共同應用于無線短距離傳輸系統中，將信號強度集中于特定方向與特定用戶群，實現信號的可靠高速傳輸[23]，進而提高智能可穿戴設備的信息數據的準確性、快速性與可靠性。當天線數量足夠大時，噪聲與不相關的干擾都可以忽略不計[17]。因此將5G技術應用于智能可穿戴設備中將會大幅度改善智能可穿戴設備的性能。

3 結 語

智能可穿戴設備由于其便攜性、智能化等優點，必定會成為未來電子設備的重要成員之一。本文針對智能可穿戴設備使用中所遇到的問題，結合5G技術的優點，將5G與智能可穿戴設備結合，并分別從續航、數據采集準確性、數據專業分析能力、數據傳輸時效性、個人隱私及設備安全性等方面，淺析了5G的一些關鍵技術在智能可穿戴設備中的應用。