探討5G+物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)及其應(yīng)用

柴華芳?陳富光?汪芳君?童孝波?婁嘉駿

摘? 要：介紹了5G物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)和形態(tài)，以4G技術(shù)為比較，詳細(xì)闡述了5G技術(shù)的高速率、高密度、高流量、低延時(shí)、高流動(dòng)性和高頻譜的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)洪流時(shí)代社會(huì)資源快速的優(yōu)化、分配與再生。基于當(dāng)前的行業(yè)特點(diǎn)與需求，文章分析了5G+物聯(lián)網(wǎng)在eMBB、uRLLC及mMTC的三種應(yīng)用場(chǎng)景，介紹了該技術(shù)在AR/VR、車(chē)聯(lián)網(wǎng)及智慧城市行業(yè)中所帶來(lái)的影響。5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)令我們的生活產(chǎn)生翻天覆地的變化，最終將帶給我們新的價(jià)值與契機(jī)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);5G技術(shù);技術(shù)特點(diǎn);應(yīng)用場(chǎng)景

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）06-0175-03

Discussion on Characteristics and Application of 5G+ Internet of Things

CHAI Huafang， CHEN Fuguang， WANG Fangjun， TONG Xiaobo， LOU Jiajun

（Ningbo Water Meter （Group） Co.， Ltd.， Ningbo? 315033， China）

Abstract： This paper introduces the development trend and form of 5G IoT era， takes 4G technology for comparison and expounds the characteristics of 5G technology such as high speed， high density， high flow， low delay， high mobility and high frequency spectrum in detail， and realizes the rapid optimization， distribution and regeneration of social resources in data torrent era. Based on the current industry characteristics and needs， this paper analyzes three application scenarios of 5G IoT in eMBB， uRLLC and mMTC， and introduces the impact of this technology in AR/VR， Internet of Vehicles and smart city industries. 5G IoT technology has brought tremendous changes in our lives， which will eventually bring us new value and opportunities.

Keywords： IoT technology; 5G technology; technical feature; application scenario

0? 引? 言

移動(dòng)通信經(jīng)過(guò)持續(xù)的技術(shù)升級(jí)，經(jīng)歷了模擬時(shí)代、數(shù)字時(shí)代、移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代等里程碑式的變革，到20世紀(jì)20年代進(jìn)入了萬(wàn)物互聯(lián)的數(shù)據(jù)洪流時(shí)代。伴隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)建設(shè)的推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展。2020年全球各網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量已經(jīng)達(dá)到有50多億，寬帶、窄帶、物聯(lián)網(wǎng)齊頭并進(jìn)。其中5G網(wǎng)絡(luò)的商用與發(fā)展又進(jìn)一步推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)成為萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物感知和萬(wàn)物智能時(shí)代的經(jīng)濟(jì)建設(shè)風(fēng)向標(biāo)。今后5G將逐步成為產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)力量，融合數(shù)字化新要素，深入企業(yè)運(yùn)營(yíng)流程，推動(dòng)行業(yè)的變革，推動(dòng)數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合，成為企業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

近幾十年來(lái)，我國(guó)一直走在信息科技變革的前沿，在5G技術(shù)的研究及發(fā)展上，一直處于國(guó)際領(lǐng)先的地位。2012年，我國(guó)開(kāi)始著手于5G技術(shù)的研究，經(jīng)過(guò)幾年的技術(shù)沉淀，明確了5G的技術(shù)場(chǎng)景、關(guān)鍵性能指標(biāo)，經(jīng)歷了5G技術(shù)驗(yàn)證階段、方案驗(yàn)證階段和系統(tǒng)驗(yàn)證階段，首次在世界通訊舞臺(tái)上成了領(lǐng)導(dǎo)者的角色。同時(shí)我國(guó)推出以5G技術(shù)為基礎(chǔ)，大力建設(shè)以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)的新型基礎(chǔ)設(shè)施，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展、賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、轉(zhuǎn)型升級(jí)方面的重要作用。據(jù)公開(kāi)資料顯示，未來(lái)幾年，5G將在中國(guó)產(chǎn)生滲透式發(fā)展，其中用戶規(guī)模預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。這將為中國(guó)建成全球規(guī)模最大的5G獨(dú)立主網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同發(fā)展的綜合生態(tài)體系邁出重要一步。

1? 5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

移動(dòng)通信經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索，實(shí)現(xiàn)了4G的全面普及，完成了高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)應(yīng)用，使用戶的數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到100 MHz的速率。但是在數(shù)字經(jīng)濟(jì)下，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它需要通過(guò)大數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別、選擇、過(guò)濾、存儲(chǔ)、使用以及引導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些社會(huì)資源快速的優(yōu)化、分配與再生，但是4G技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。

5G的出現(xiàn)給物聯(lián)網(wǎng)的全面發(fā)展帶來(lái)了曙光，表1展示了4G與5G網(wǎng)絡(luò)在6個(gè)性能上的對(duì)比指標(biāo)。

相比于4G，5G技術(shù)擁有如下六個(gè)性能優(yōu)點(diǎn)[1，2]：

（1）高速率。真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，5G網(wǎng)絡(luò)帶給用戶數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到1 Gbps，相當(dāng)于4G的10倍，完全可以無(wú)壓力支持視頻影像的傳輸，對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育等行業(yè)的概念轉(zhuǎn)向應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)保障。

（2）高密度設(shè)備連接[3]。高密度指的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互之間的距離及與終端的距離更近，這將意味著系統(tǒng)容量、通信效率及頻譜效率的大幅提升。其中5G連接的設(shè)備密度可達(dá)100萬(wàn)臺(tái)/km2，約為4G的10倍之多，這能夠?yàn)楦呱健{谷等地的廣泛覆蓋實(shí)現(xiàn)了可能。

（3）低時(shí)延。3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延約100 ms，4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延約20 ms～80 ms，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延下降到1 ms ～10 ms。5G對(duì)于時(shí)延的終極要求是1 ms，甚至更低。同時(shí)，5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中將引入邊緣計(jì)算技術(shù)，進(jìn)一步縮短由數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬限制所帶來(lái)的延時(shí)，并可對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)做初步分析，推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)應(yīng)用。

（4）高流量密度。流量密度指單位面積區(qū)域內(nèi)的總流量。4G網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)性能指標(biāo)為0.1 M/m2，而5G可達(dá)到10 M/m2。5G物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，幾乎身邊的每個(gè)應(yīng)用物件都在時(shí)時(shí)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，每平方公里至少需要支持?jǐn)?shù)十Tbps的流量。尤其在流集密集需求的港口等行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)所，港區(qū)生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)控制、遠(yuǎn)程數(shù)字化操作及視頻監(jiān)控等都依賴(lài)5G完成它的智慧升級(jí)，完成產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

（5）高速移動(dòng)性。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性是指在滿足一定系統(tǒng)性能的前提下，收發(fā)雙方最大相對(duì)移動(dòng)速度，它是歷代移動(dòng)通信系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)需要支持飛機(jī)、高速公路、城市地鐵等超高速移動(dòng)場(chǎng)景，同時(shí)也需要支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等低速移動(dòng)或非移動(dòng)場(chǎng)景。因此，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要支持更廣泛的移動(dòng)性。5G通訊的移動(dòng)性指標(biāo)可達(dá)到500 km/h，很好地支持了各種移動(dòng)場(chǎng)景的需求。

（6）高頻譜效率。4G和5G支持不同的帶寬，因此衡量它們的能力就需要用頻譜效率的概念，即峰值的傳輸速率下所占信道的寬度，又稱(chēng)凈比特率。據(jù)測(cè)試結(jié)果看，5G網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率大約為4G的3至5倍，相當(dāng)于在同樣大小帶寬的基礎(chǔ)上，5G能實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)在我們正慢慢從全云的時(shí)代走向全AI的時(shí)代，但只有在實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物感知基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)足夠大，才能夠?qū)崿F(xiàn)萬(wàn)物智聯(lián)。這個(gè)概念從原理上主要包含四個(gè)層次：第一，全息構(gòu)建，即構(gòu)建的基礎(chǔ)就是萬(wàn)物感知;第二，全息仿真，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)共生;第三，虛實(shí)融合，所有物理世界和虛擬世界要形成一定的信息交互;第四，虛實(shí)聯(lián)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)虛實(shí)控制，包括機(jī)器人等。

2? 應(yīng)用探討

5G+物聯(lián)網(wǎng)基于時(shí)代的行業(yè)需求以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特征，將實(shí)現(xiàn)多元化的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1? eMBB應(yīng)用

這種應(yīng)用場(chǎng)景需要增強(qiáng)型的移動(dòng)寬帶，可以進(jìn)行大流量的數(shù)據(jù)傳輸。比較典型的應(yīng)用包括UHD超高清直播/點(diǎn)播，AR/VR，云游戲等行業(yè)。5G為上述業(yè)務(wù)中所存在的下行超寬帶、媒體同步低延遲、邊際緩沖分發(fā)等特殊需求提供技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的有效支撐。在傳統(tǒng)的AR/VR的應(yīng)用上，存在著延遲過(guò)長(zhǎng)引起的眩暈，帶寬不足引起的在線人數(shù)少，視場(chǎng)角小引起的沉浸感差以及手勢(shì)動(dòng)作追蹤不成熟引起的交互性差等缺點(diǎn)，5G網(wǎng)絡(luò)憑借著超低的延時(shí)、超高的傳輸速率，可同時(shí)支持4K或8K的視頻，從而改善用戶體驗(yàn)。同時(shí)，5G引入的云端處理能力，將部分內(nèi)容從核心網(wǎng)下沉到基站，進(jìn)一步降低訪問(wèn)延時(shí)。

2.2? uRLLC應(yīng)用

5G技術(shù)具有即時(shí)并且可靠的特點(diǎn)，簡(jiǎn)單來(lái)講就是傳輸速度快，這可以加快改善傳統(tǒng)行業(yè)往智能化的方向發(fā)展的速度。在智能電網(wǎng)中，5G技術(shù)將配電終端進(jìn)行全國(guó)性的聯(lián)網(wǎng)，完成全國(guó)范圍內(nèi)的電力調(diào)配，解決能源不均衡的現(xiàn)狀[4]。5G物聯(lián)技術(shù)通過(guò)對(duì)所有應(yīng)用場(chǎng)景的大量數(shù)據(jù)采集以及視頻監(jiān)控，根據(jù)用電習(xí)慣，配置各配電站的額度數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)信息管理。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)也是在5G技術(shù)下發(fā)展起來(lái)的新概念。它指車(chē)輛上的車(chē)載設(shè)備通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)，對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中的所有車(chē)輛的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行有效利用，在車(chē)輛運(yùn)行中提供不同的功能服務(wù)。它以行駛中的車(chē)輛為信息感知對(duì)象，借助新一代信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)與X（即車(chē)與車(chē)、人、路、服務(wù)平臺(tái)）之間的網(wǎng)絡(luò)連接[5，6]。車(chē)聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

5G技術(shù)使車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用安全性大幅提高，達(dá)到車(chē)路協(xié)同，把車(chē)輛感知信息、路況環(huán)境感知信息、高精地圖信息進(jìn)行高速融合，通過(guò)5G切片技術(shù)處理混合場(chǎng)景傳輸，采用5G邊緣計(jì)算進(jìn)行多級(jí)協(xié)同控制，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)提供車(chē)路系統(tǒng)的技術(shù)保障。uRLLC的應(yīng)用場(chǎng)景還包括遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能港口、智能礦山等行業(yè)。

2.3? mMTC應(yīng)用

這種應(yīng)用場(chǎng)景主要體現(xiàn)的是5G技術(shù)的宏觀層面，即可以同時(shí)處理海量的機(jī)器通信需求。智慧城市、智能家居、智慧社區(qū)就是整個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的主要代表。5G技術(shù)的全頻譜覆蓋技術(shù)可支持大面積低頻廣域覆蓋，同時(shí)使用高頻+高密度小基站，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)密集覆蓋。在智慧城市中需要有超前的鏈接功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)節(jié)信息的連接性以及共享性，并且物聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)高度的融合，達(dá)到萬(wàn)物互聯(lián)的場(chǎng)景，推動(dòng)城市資源優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)城市類(lèi)型智能、優(yōu)化、靈活響應(yīng)、降本增效，促進(jìn)城市管理精細(xì)化、低碳化。

終端平臺(tái)是5G+物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的核心。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，創(chuàng)新的核心在于智能手機(jī)。應(yīng)用于智能手機(jī)端的APP大量搜集人類(lèi)的各種行為，利用智能操作系統(tǒng)把應(yīng)用快速部署并分發(fā)到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)，因此智能手機(jī)成為原始數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)及服務(wù)的分發(fā)點(diǎn)。5G+物聯(lián)網(wǎng)將聚焦各種應(yīng)用場(chǎng)景，泛智能終端采集多元化數(shù)據(jù)，承載多種類(lèi)應(yīng)用。因此它的基礎(chǔ)創(chuàng)新模式將是圍繞某一類(lèi)場(chǎng)景將終端整合，同時(shí)收集多形態(tài)的數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)造為智能生活、產(chǎn)業(yè)賦能和社會(huì)治理共同使用的應(yīng)用體系來(lái)實(shí)現(xiàn)多元化。在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，泛智能終端涉及方方面面，終端模型支持終端的統(tǒng)一適配，滿足多協(xié)議、多支持終端接入需求，兼容多平臺(tái)sdk的開(kāi)發(fā)和移植。各類(lèi)表計(jì)、門(mén)鎖、攝像、煙感等平時(shí)生活中所見(jiàn)到的終端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至終端平臺(tái)，平臺(tái)通過(guò)聚合應(yīng)用，把數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別過(guò)濾等操作，并且通過(guò)跨界融合，集成創(chuàng)新，使之成為一種生產(chǎn)資料，實(shí)現(xiàn)信息化能力共建、共享，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)、終端側(cè)的能力和服務(wù)延伸。

3? 結(jié)? 論

物聯(lián)網(wǎng)從2008年開(kāi)始到現(xiàn)在，經(jīng)歷過(guò)坎坷，也經(jīng)歷過(guò)高潮，現(xiàn)在又重新崛起。而當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)來(lái)到了一個(gè)新的發(fā)展轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這得益于5G的出現(xiàn)，也離不開(kāi)AI人工智能、區(qū)塊鏈技術(shù)、云計(jì)算能力、邊緣計(jì)算技術(shù)等的應(yīng)用支撐。反過(guò)來(lái)物聯(lián)網(wǎng)又給這些技術(shù)的融合、商用提供了一個(gè)很好的載體，所以這是互相促進(jìn)的一個(gè)過(guò)程，最終的結(jié)果將呈現(xiàn)給我們新的規(guī)模和新的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郝鳳蕾，李鵬，李淑敬.5G標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景分析 [J].通訊世界，2019，26（2）：12-13.

[2] 錢(qián)承遠(yuǎn).5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)的分析及其未來(lái)發(fā)展前景 [J].通訊世界，2017（14）：125-126.

[3] 劉永旺，趙向帥.5G關(guān)鍵技術(shù)及其在智慧能源行業(yè)應(yīng)用探討 [J].電子元器件與信息技術(shù)，2020，4（8）：43-47.

[4] 谷碧玲. 5G關(guān)鍵技術(shù)及其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的影響 [J].無(wú)線互聯(lián)科技，2019，16（7）：30-31.

[5] 劉小洋，伍民友.車(chē)聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)在城市交通網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（4）：900-904.

[6] 彭藝真.5G關(guān)鍵技術(shù)及其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景分析 [J].數(shù)字通信世界，2021，5：198-199.

作者簡(jiǎn)介：柴華芳（1964—），男，漢族，浙江寧波人，工程師，本科，研究方向：無(wú)線遠(yuǎn)程通信與設(shè)備應(yīng)用。

收稿日期：2022-02-20