面向5G物联网的上行接入技术

文/钱文轩

虽然物联网技术不是新概念，在很多领域都得到了应用，但是，对有些行业而言，无线传感网络的劣质制约了该技术的应用。在技术日益发展的今天，5G网络与物联网的融合逐步成为当代发展的主要趋势，在5G网络基础上物联网技术实现了创新发展，其技术优势更为突出，传输速度快，能源消耗低，因此，5G物联网在未来将具有广阔的应用与发展前景。上行接入技术在5G物联网中的关键技术，其应用提升了5G物联网的实际价值，加快了行业的发展。

1 物联网与5G网络的相关概述

1.1 物联网的涵义

物联网技术基于各种传感器设备，可以将各种物品等接入互联网中，在这个互联网系统中实现信息交互与共享，另外，物联网技术还兼具有定位、追踪、监控、识别、管理的智能化等特征，具有明显的技术优势。就物联网的本质属性来看，该技术是在物联网的背景下实现人、事、物的互通与互联。物联网本身涉及的学科内容较多，包含了通信、计算机、自动化等。物联网技术的起源较早，在上世纪汽车上安装的收音机就是物联网技术的早期应用。随着技术的进步，物联网的应用越发普遍，但是无线传感器网络是制约物联网技术发展的主要因素。网络通信技术逐步发展，虽然解决了传感器能量不足的问题，但是受到节点传输距离的影响，无法彻底解决信号干扰的问题，因此，还需要加大物联网技术的研究。

1.2 物联网下5G的优势

就目前物联网技术的发展来看，主要包含了四个层级：监控应用层、业务管理层、媒体服务层与前端接入层。物联网技术的应用中，包含的智能化前端设备较多，这些设备对于网络宽带的要求较高，需要在应用中达到物联网技术对于网络传播速率、实时监控的标准。就目前5G网络的应用来看，华为实现了5G毫米波的商用通话、主流频段28GHz，此应用的过程中，用户能够感知的速率高达1.25GB/s。

物联网中的主干网络多是由OTN构建而来，本身属于一种刚性带宽通道，具有良好的可扩展性，可以满足物联网有关前端智能设备的网络带宽要求，并且这种带宽通道的延时较低，可以获得良好的应用效果。随着技术的进步，OTN网络逐步实现了软件定义光网络化，本身具有SDH与WDM的优势，本身可以满足物联网技术的带宽要求，在业务调度等方面具有极好的灵活性，可扩展性较高。

2 5G移动网络与物联网之间的融合

近年来，随着技术的进步，5G移动网络的应用不仅能够满足用户的各方面基本使用需求，还能够保证其网络带宽可以满足用户的扩展性需求。在实际的应用中，5G移动网络大大提升了通信网络使用的整体质量，保证了网络数据传输的可靠性与安全性。5G移动网络对于物联网技术的发展也起到了一定的推动作用，使得物联网技术的应用更为广泛与普遍，因此，5G网络与物联网技术的融合是当代技术发展的必然趋势，不仅能够扩展二者的应用范围，还能够充分发挥两种技术的优势，提升技术的经济与社会价值，实现各行各业的进步。5G移动网络与物联网技术的融合还有效解决了传统网络中存在的高延时、高能耗问题，加快了物联网技术的总体发展步伐。

3 物联网上行接入技术浅析

就5G技术未来的应用趋势来看，大规模机器类型通信是最主要的应用场景。有关数据显示，到2021年，世界范围内的联网装置将超过280亿，其中，有50%以上的设备都为物联网装置，而在这些物联网装置中，有大约65%以上的上行接入都属于低速率、低成本、低能耗的设备。对于物联网中存在的低功耗、大规模上行接入场景而言，需要解决技术本身存在的问题，比如连接密度大、终端功耗低、深度覆盖等。就这些连接设备的具体应用来看，其每次发送的数据量极为有限、且数据速率低、延时低，但是这些连接设备对于功耗、覆盖能力等有着严格的要求。从现有的技术发展来看，其蜂窝网络上行接入技术以人类语音通信为研究基础，该网络系统的连接时间长、单次连接的数据具有海量性特征。但是，该网络系统的物理层基于调度传输、OMA，无法满足低功耗大规模连接量等的要求，严重制约了物联网技术的发展，物联网上行通信的海量连接与低功耗广覆盖需求难以实现。因此，5G物联网上行接入技术应考虑以下的应用问题：

（1）5G物联网中包含的IOT设备较多，这些设备存在性能、类型等的差异，但是，这些设备中可以用于机器类型通信的资源容量很有限，无法达到同步通信、海量设备的基本要求。如果在应用中与H2H用户抢占上行通信资源，可能会引发无线通信网络的堵塞等现象。

（2）就传统蜂窝网络的上行接入技术而言，其一般采用的是正交多址与调度接入的方式，这种接入方式的连接资源不够丰富，IOT本身对于同步通信等有着严格的要求，而此接入方式无法达到其基本的标准。

基于这些问题需要进行上行接入技术的深入研究，以解决通信、资源等方面的问题，保证接入方式的科学性，以实现海量资源的合理分配。具体来说，主要包含了以下方面：

（1）就传统的OMA技术而言，以1G频分多址、2G时分多址、3G码分多址技术为例，这些技术存在共有的限制因素，系统可支持的接入数量与系统内的可用通信资源呈正比，这种关系使得系统容量的增长具有一定的难度。在这种背景下，可以使用NOMA技术来解决此类问题，这种技术可以作为上行接入多址的主要方式。

（2）传统的蜂窝网络的上行接入方案以基站端所拥有的所有上行通信设备的信道状态、用户活跃度等信息为基础，在通信资源的分配上需要有关的交互控制命令。而使用mMTC模式的接入方式，本身具有接入的海量性、小包突发等特征，可以达到良好的应用效果。因此，mMTC一般采用的分布式免调度接入方案，有效实现了IOT的海量接入，因此，此种接入技术具有更为高效的应用效果。

（3）IOT设备本身具有覆盖广、单次数据量小的特征，由于在应用中对于能效有着严格的要求。

因此，窄带技术可以获得良好的应用效果，具有高功率谱密度的本质特征，使得其在应用中可以实现低速率、高能效的连接，满足5G物联网中对于成本、性能等的要求，并且窄带宽还能够有效降低信噪比，起到良好的抗干扰作用，因此该技术在地下、海底等的设备中应用较多。

4 结束语

5G物联网技术是当代信息技术、计算机技术等综合发展的产物，能够改变各行各业的发展模式，提升行业的发展水平。上行接入技术是5G物联网中的核心技术，其直接影响着技术的应用成果，需要在应用中针对上行接入中存在的问题，科学进行关键技术的选择，以保证技术的应用效果，发挥5G物联网技术的应用优势。