基于5G的物联网应用发展

1 引言

随着5G（第五代移动通信网络，5th Generation Wireless Systems）通信时代的到来，最直观就是给移动用户带来了更快的数据传输体验，其高速率、大容量和低时延的网络特点将进一步推动社会信息化、网络化与智能化地快速发展[1]。物联网是信息产业与无线网络技术相结合的产物，主要通过在物体中植入一个芯片，利用无线网络来获取物体的信息变化，就能够将处于不同位置的物体有序的连接在一起，然后通过终端设备对这些物体进行控制[2]。结合5G技术的优势，将物联网与其融合，借助5G产业链迅猛发展的势头，深化物联网应用领域，牢牢抓住行业竞争的主动权。

2 5G发展现状及技术特点

2012年起，欧盟、英国、美国、日本和韩国等陆续开展5G技术专题研究，全面开启5G发展大门。在“5G商用准备”方面，表现活跃的国家集中在亚太、北美和欧洲[3]。GSM（全球移动通讯系统，Global System for Mobile Communication）在2018年6月“世界移动大会·上海”期间发布的《5G连接——亚太》作了定量预测：预计到2025年，亚太有21个国家实现5G商用，全球所有的5G连接（不含蜂窝物联网连接）中，54%将集中于亚太地区。韩国计划2019年3月全国范围推出5G商用服务；日本、欧盟均计划于2020年正式推出5G商用服务；美国AT&T在2018年推出毫米波5G固定无线接入商用服务[4]。

我国自2013年2月，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技部成立了“IMT-2020（5G）推进组以来，颁布了一系列相关的政策和规划路线，旨在大力推进5G关键技术研究，同时还制定了相关统一标准，促进5G产业链全面发展。目前，国内在5G网络架构、基站系统和终端设备方面都有较为成熟的设备厂商，相关高校也在为5G技术的发展添砖加瓦，组建专业团队积极开展研究，这些都为2020年计划的5G大规模商用奠定了坚实基础。

5G需满足增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）和海量机器通信（mMTC）3个场景的应用，因此在速率、流量密度、连接数、时延和可靠性方面均有较大的突破。5G技术的创新主要来源于无线接入技术和网络架构技术两方面[5]。

5G无线接入关键技术包括：

（1）大规模天线阵列（MassiveMIMO）：增加天线端口数，提升相频下的用户数，支持更多用户在同一时间内进行传输，3D-MIMO技术可同时实现水平和垂直方向上的MIMO（多输入多输出系统，Multiple-Input Multiple-Output）。

（2）超密级组网（UDN）：通过增加单位面积内小基站密度，形成超密集组网，满足大容量场景的网络需求，实现易部署、易维护、用户体验轻快的轻型网络。

（3）全频谱接入：增加6 GHz以上的高频段，形成高低频混合组网，将6 GHz以下低频段用于无缝覆盖，6 GHz以上高频段用于热点区域速率提升。

（4）新型多址：该技术可将下行吞吐量提升86%，用户连接数提升3倍，目前主要有华为提出的基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技术SCMA、中兴提出的基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入技术PDMA和大唐提出的基于非正交特征图样的图样分割多址技术MUSA。

（5）新型多载波：可灵活配置的子载波长度，提高频谱效率，目前主要由华为提出的灵活自适应的空口波形技术F-OFDM，中兴提出的一种适合5G的新型多载波技术FB-OFDM和上海贝尔提出的5G新型多载波技术UFOFDM。

（6）终端直连：终端间直接通信，减轻基站负担，减小通信时延。

5G网络架构关键技术包括：

（1）网络切片：VPN（虚拟专用网络，Virtual Private Network）是网络切片的基本版本，SDN（软件定义网络，Software De fi ned Network）通过对流量的顶层设计，实现5G复杂场景下的网络侧的整体接入性能，基于NFV（网络功能虚拟化，Network Function Virtualization）按需编排网络资源，满足端到端的业务体验和高效的网络运营需求。

（2）边缘计算MEC：通过本地计算、存储以快速响应和传输信息，降低业务时延，实现业务本地化，减轻远程传输压力。

（3）网络能力开放：开放调用菜单，方便第三方运营及发展大数据。

3 物联网发展现状及技术特点

全球物联网相关技术、标准、应用、服务还处于起步阶段，物联网核心技术正深入发展，标准体系加快构建，产业体系处于持续建立和完善过程中[6]。世界各国纷纷出台政策进行战略布局，抢抓新一轮信息产业的发展先机。美国以物联网应用为核心的“智慧地球”计划、欧盟的十四点行动计划、日本的“U－Japan计划”、韩国的“IT839战略”和“u－Korea”战略、新加坡的“下一代IHub”计划等都将物联网作为当前发展的重要战略目标。近年来，我国在国家政策地大力扶持和业内企业地不断努力下，物联网产业保持良好的发展势头，关键技术突破取得重大进展，标准体系构建不断完善、产业链全面发展、市场化应用稳步推进。未来十年全球物联网将实现大规模普及，年均复合增速将保持在20%左右，到2023年全球物联网市场规模预计达到2.8万亿美元左右。《2018-2023年中国物联网行业细分市场需求与投资机会分析报告》初步估算，2017年全球物联网设备数量达到84亿，比2016年的64亿增长31%，2020年物联网设备数量将达到 204亿[7]。

按照物联网对信息的感知、数据的传输、处理过程可将其划分为感知层、网络层和应用层。三层结构相互合作、协同完成真正意义的“万物相联”[8]。物联网分层结构如下：

（1）感知层：作为物联网的基础，由各种传感器和终端构成，主要实现信息的采集，捕获和识别。目前感知层的技术主要包括RFID技术（射频识别技术，Radio Frequency IDenti fi cation），MEMS技术（微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems），GPS技术（全球定位系统，Global Position System），自组织网络技术，短距离通信技术等。

（2）网络层：物联网的信息传输和处理层，它包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。信息由感知层获取后，网络层解决其在整个网络中的长距离传输问题，网络层的关键技术有长距离有线和无线通信技术、网络技术等。

（3）应用层：用于支撑平台和应用服务，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，形成各类物联网解决方案，构建智能化的行业应用。

物联网在各行各业的应用不断深化，关键技术研究也日益成熟，其核心关键技术主要包括RFID技术、传感器技术、网络通信技术、人工智能技术和云计算技术[9]。

（1）RFID技术：RFID技术是以射频信号为基础自动识别出目标对象并获取相应数据，识别过程不用人工干涉，能识别出高速运动物体，能同时识别出多个标签，操作起来方便快捷，各种恶劣工作环境都适用。RFID技术涵盖了无线通信技术、天线技术、信息安全技术、芯片技术等多种技术。

（2）传感器技术：利用光电、热电及电容电阻等相关原理，感知速度、加速度，压力、温度湿度等。随着材料科学的发展，各种多功能新材料在传感器制造方面应用，使该技术正朝着多功能化、智能化、耗能少，成本低及环境友好等方向发展。

（3）网络通信技术：网络通信技术给物联网数据传输提供途径，主要分为近距离通信技术与广域网络通信技术，就近距离通信技术而言，目前的主流技术以IEEE802.15.4为代表；就广域网络通信技术而言，具有代表性的就是卫星通信技术、IP互联网、移动2G/3G/4G/5G技术等，迅速发展的5G网络能够解决物联网爆发式增长的井喷问题。

（4）人工智能技术：计算机模拟人的某些思维过程和智能行为(如学习、推理、思考和规划等)的技术。物联网的人工智能技术主要将物品“讲话”的内容进行分析，实现计算机自动处理。

（5）云计算技术：物联网中终端的计算和存储能力有限，云计算平台可以作为物联网的大脑，实现对海量数据的存储和计算。物联网感知层获取的信息以可通过网络层传输至一个标准的平台，利用云计算技术对这些数据信息进行分析和处理，将数据转化成终端用户需要的信息。

4 5G与物联网的融合

5G技术带来了更快的数据传输，成为未来网络需求的主要技术，其拓展了物联网网络层数据传输的平台，在一定程度上加快了物联网业务发展的步伐。基于5G技术的物联网具有快速性、便捷性和经济性的特点[10]。

（1）快速性：基于5G的物联网能够克服以前网络层在数据量庞大时处理能力不足的缺陷，由于5G网络大规模MIMO技术的优越性，所形成的天线阵列能够很大程度满足大量设备在其中应用，在这一阵列下，D2D技术（从出发地到目的地一站直通服务链，Departure to Destination one-stop service）也可以在近距离下直接连接，使数据传输速率大大加快。

（2）便捷性：5G网络的部署与优化可以利用现有的布线规划，不需要大规模拆毁改造，实施过程相对便捷。并且5G通信网络通过毫米波进行通信，能够减小通信设备的体积，促进通信设备向小型化、便捷化发展，使得设备间的信息交换更加方便快捷。

（3）经济性：物联网设备可以借助5G网络直接与5G手机连接，通过5G基站提高信息的实时交互能力。通过5G技术，很多路由器、交换机等网络设备可以省去，极大地减少了网络层设备的成本。

5G网络大容量、高速率和低时延的优势解决了网络堵塞、网络延迟的问题，使得物联网感知层的数据信息能够及时传输到应用层。此外，5G网络在安全架构方面沿用了4G（第四代移动通信网络，4th Generation Wireless Systems）的架构，同时增加了非3GPP（第三代合作伙伴计划，3rd Generation Partnership Project）接入、切片和虚拟网元等安全实体，再加上无线空口安全、网络域安全等一系列完善的安全防护架构与机制地应用，为物联网应用提供了良好的安全保护[11]。因为5G网络对当前网络布局改造较小，所以物联网通过5G技术实现能够避免对现有建筑造成破坏。并且5G通信网络支持的智能设备数量及种类相比4G大幅增加，奠定了物联网应用良好的基础环境。

5 5G技术下的物联网应用

5.1 军用领域

军事物联网是实现人与信息化武器装备和作战系统最佳结合的重要手段，被誉为“一座尚未开采的军事富矿”[12]。美军最先建立军事物联网，先后部署了收集战场信息的“智能微尘”系统、远程监视战场环境的“伦巴斯”系统、侦听武器平台运动的“沙地直线”系统以及专门侦收电磁信号的“狼群”系统等。继美国之后，日本、英国、意大利等国也纷纷展开军事物联网的研究，我国针对军队这个特殊部门，结合国防和军队信息化建设的实际需求，采用军民共建的方式，选择相关项目现行试点，再伞面推广。目前，各国比较成熟的物联网军事应用是军事物流系统，其利用RFID标签标识物资信息，应用射频读写器获取标签上的信息后传输给计算机，使得信息中心能够精确掌握物资流通信息，让军事物资供应透明化，提高后勤保障能力。

5G技术与物联网融合为战场物联网提供了统一的网络传输环境，统一的网络传输规范，统一的信息传输格式，解决了以前军事物联网互联互通存在的障碍。5G的高速率、大容量还解决了军事物联网连接终端众多、网络规模庞大、传输信息量大、种类多的问题，提高战场信息提取及传输的实时性，可应用于预警侦察信息、指挥控制信息、武器装备性能及维护保养信息等场景。另外，5G网络安全性设计增加了军事物联网链路传输的可靠性保障，避免链路失效的发生。

5.2 民用领域

物联网可应用日常生活、智能交通、智能医疗、智慧农业和工业制造等方面[13]。

智慧家庭是最早被提出的物联网应用场景，家庭中所有物品都被装上电子标签通过管理系统联系在一起，家庭成员可以随时掌握任意物品的状况。水表、电表、煤气表等也可以联接到管理系统中，通过远程查询传递和处理信息。家庭内部的物品可以通过窄带物联网联接入管理系统，与手机、汽车等联接的物品需要通过移动互联网接入管理系统。智慧社区包括智慧物业管理、智慧养老服务等，可利用5G网络实现防火防盗系统、停车管理和公共设施管理，确保信息交互的实时性；同时，对社区老人的生活状态和健康情况进行远程监控，及时对其提供需要的服务，特别适合独居或孤寡老人。物联网在智慧城市的应用主要体现在空气质量监控、饮水质量监测、市政设施管理等方面。

物联网汽车、车联网、智慧汽车等逐渐兴起，为汽车工业发展注入新动力。夏季车主可以在进入停车场前通过手机启动汽车空调；车辆停放后，车辆监控设备可以实时记录车辆周边情况，发现偷窃行为系统会自动通过短信或拨打手机向车主报警；汽车芯片感应防盗系统可以正确识别车主，在车主接近或远离车辆时自动打开或关闭车锁；售后服务商可以监测车辆运行状况，对故障进行远程诊断；Car-2-Car通信技术可以使车辆之间保持一定的安全距离，避免对撞或追尾事故。

智能医疗通过传感器对人的生理状态（如心跳频率、体力消耗、血压高低等）进行监测，主要利用医疗可穿戴设备获取生理信息，记录到电子健康文件中，可供个人或医生查阅。另外，通过医疗物联网还能对医疗设备、物品进行监控与管理，实现医疗设备用品可视化。

智慧农业利用物联网实现农业生产全过程的信息感知、精准管理和智能控制，这种全新的农业生产方式，可实现农业可视化诊断、远程控制以及灾害预警等功能。农业种植通过传感器、摄像头和卫星等收集数据，实现农作物数字化和机械装备数字化。畜牧养殖利用传统的耳标、可穿戴设备以及摄像头等收集畜禽产品的数据进行分析，运用算法判断畜禽产品健康状况、喂养情况、位置信息以及发情期预测等。

物联网在工业制造方面应用于制造业供应链管理、生产过程工艺优化、产品设备监控管理、环保监测能源管理及工业安全生产管理，目前比较成熟的工业物联网系统有仓储物流信息系统、安全生产监管监察系统等。

5G技术主要为物联网远程传输业务带来高速率、高可靠的保证，广泛拓展了物联网在生活中的应用场景，增加了用户对物联网应用的友好体验。

6 结束语

5G技术的不断成熟促进了物联网的全面发展，5G网络能够为物联网应用提供实时性和安全性保障。5G技术和物联网的有机融合使物联网应用真正深入到各行各业，成为创造智能信息时代的重要基石。