5G通信技术与物联网的融合与发展

刘佳玲

（同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314033）

1 5G通信技术与物联网

1.1 移动通信发展历程

移动通信技术于20世纪20年代开始发展到现在大致有5个阶段。1978年，贝尔实验室首次成功研制出先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）,同年国际无线电大会批准800/900 MHz频段用于移动电话的频率分配方案。此后，基于频分复用技术（Frequency Division Multiplexing Technique，FDMA）和模拟调制技术的第一代移动通信（1G）开始建立。

随着21世纪的到来，通信技术也迎来了2G时代，2G之于1G做出的改变是将模拟调制技术改为了数字传输技术，完成了模拟向数字的演变[1]。2G技术有两种规格，一种是TDMA发展来的GSM，另一种是复用形式的CDMA。

2G到3G的过渡并不像1G到2G那般顺利，所以出现了2.5G，2.5G的建设一般采用GPRS技术，它是在GSM基础上的一种过渡技术。

应时而生的3G基本是以CDMA为核心。目前，3G的3个标准分别为CDMA2000、WCDMA以及TD-SCDMA[2]。被传为3G延伸的4G如今也有很多人在使用，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，其数据传输的上行速率可达20 Mb/s，下行速率高达100 Mb/s[3]。但是严谨的说，LTE只是3.9G，所以就算被宣传为4G无线标准，也并没有被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通信标准IMTAdvanced.

2009年，我国华为开展了5G通信技术的相关早期研究，之后几年内，陆陆续续向全球展示了5G基站原型，2013年宣布将在2018年前投资研究5G技术，并预言2020年用户将体验到商用5G。第五代移动通信（5G通信）技术快速发展，包括标准制定和基站建设等在内的各项技术与建设得到了长足发展，2020年成为5G商用元年[4]。

1.2 5G通信技术

5G通信技术从字义上来看，被人们认知为是4G的延伸，它与前代通信技术一样，都是以数字信号作为基础。2015年6月，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）将5G正式命名为IMT-2020，并将移动宽带、大规模机器通信以及高可靠低时延通信定义为5G主要应用场景[5]。

5G的建立首要是满足了人类对于信息传播速率“更快”这一要求，再者说，4G通信连接点终端数量有限，而5G通信能在每平方公里内支撑百万个移动终端，连接的设备也不止限于移动手机，可以真正实现万物互联。5G通信技术较于前代技术而言也更为可靠，它发送一个32字节的第二层协议数据单位的成功概率需达到99.999%，电力系统有效性随着电力通信有效性的提高也将有所提高。而在传输时间方面，5G通信技术也做的比4G技术要好得多，虽然说4G的时延50 ms对人类来说确实影响不大，但对于一些工业应用场景来说会使其与预想效果相差甚远，而5G在时延方面也尽可能缩短，其空口时延达到1 ms，端到端之间也小于10 ms。最后，5G为减小能耗对万物互联的物联网带来的影响，对通信硬件协议等进行优化。

1.3 物联网

国际标准化组织/国际电工委员会（International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission，ISO/IEC）将物联网定义为一种物、人、系统以及信息资源互联的基础设施，结合智能服务，使其能够处理物理和虚拟世界的信息并做出响应，通俗意义上来说物联网就是物物相联[6]。

一般来说，物联网包括如图1所示5个层面，即利用传感器元件和装置获得实物信息的感知层，传感器与互联网相联的接入层，实现广泛信息整合、交换以及共享的网络层，对互联网信息保护、加密与管理的管理层以及信息整合和分析的应用层。

图1 物联网的层次结构

1.4 泛在电力物联网

2019年，国家电网有限公司为了着力构造三型两网、世界一流，继而提出来泛在电力物联网的概念[7]。泛在电力物联网可以理解为泛在、电力以及物联网的结合。电力，通俗意义上是以电能作为动力能源，众多运输它的通道组成了电网，泛在的概念类似于物联网，它不仅包括电网内部的脉络连接，还包括电力系统的各个环节，各种业务都要接受。

相较于传统物联网而言，泛在电力物联网注重信息的互联共享[8]。其包含更广，连接方式更广泛，并且泛在电力物联网更是能衍生出其他关联网络，如社会网、资金网以及业务网等[9]。

5G通信技术特点对应电力系统需求如表1所示。

表1 5G通信特点与电力系统需求对应关系

2 5G使能下的物联网

2.1 宽带通信

对于泛在电力物联网中的高清视频和图像监控，5G通信技术做出了巨大贡献。5G通信所拥有的高速率和高带宽等性质使传输图片时更快，提高泛在电力物联网中视频图像的流畅度，使监控设施更便捷，效率也更高，从而也能降低通信设施的成本。

以实验室经常见到的无人机来说，常常可以看到其在空中盘旋录像，但那个录像显然不能实时观看，再者如果无人机在执行任务时出现故障，也不能第一时间了解解决，而且想反复观察侦查的话也有些困难。通过在无人机里加入5G通信技术就可以在实验室里实时观察无人机的动向，一旦出现故障也能第一时间了解解决。将此类监控系统放到快递运输途中的分拣站，能够观察到高清的快递实时动态。也可将此系统用于电力系统中，特别是在5G通信时延较低的影响下，微型PMU也可以在电网运行状态监测中实现各项信息数据的高效共享传输[10]。检修人员只需在机房观察，等待巡视机器发出指令，就能清楚地实时了解电力系统情况，在检修及查看电力系统使用情况时能够事半功倍。

2.2 物联生活

我国电力系统如同一个强大的网，网络末端连接了成千上万个用电设备，让所有实物看似没有关系却内里有着千丝万缕联系，从而使信息汇集，形成一个巨大的信息互联网，这也给电力系统带来了无限的发展前景。

将家里电器通过泛在电力物联网连接就能实现人性化的智能家居。例如，当可以分解材质的智能型马桶和可以给出合理建议的冰箱互联，它将根据你今天吃的食物残渣给出合理的明日食谱，使你营养均衡摄入。再说如果智能闹铃能与家里的照明互联，它可以根据你第二天的起床时间来灭灯以帮助你有个合理的睡眠时间，也可与感知重力的智能床连接，在你夜起时为你照明。

不止能实行智慧家居，还可实施智慧出行。随着节能减排的推广，将越来越倾向选择耗电型汽车，而耗电型汽车目前的航程还是不及耗油型。可以在汽车与充电站之间建立起泛在电力物联网，当小车电量只有一半电时，小车智能系统将发出橙色警告并推荐附近充电站。

这些功能在4G通信系统下很难实现，而5G通信所能连接的终端设备可达上百万个，这让万物互联最艰难的一步有了解决方法。

2.3 高效安全计算

系统要进行多次运算来确保系统运行时的安全性和可靠性，而如果需要收集大量数据时就要用上大数据计算，这就需要高效的计算方法来支撑，于是云计算在这个泛在电力物联网建立的世界就有了极大用处。

在我国有许多小型售电商和大量用户没有庞大的计算资源，也就不具备数据收集、储存的能力和空间，这个时候就可以将数据发送到第三方的云平台，小型商家也可通过云平台来展开运营策划，在5G通信保障计算结果的高效率和传输的高速率下，控制布置到云端的任务。

但是集中于云端的数据还是存在安全隐患，于是可以将分散数据直接在边缘进行计算，然后不同边缘计算共同合作控制整体效果。比如可以利用最优潮流分析在多个主配网中开展计算时，同时设置分布式优化算法，从而开展边缘计算，这样不仅保障了高效率又解决了数据集中带来的安全隐患。还可以利用边缘计算来预防灾难来临时的输变电线路，也可收集数据进行本地汇总计算，这都是利用边缘计算的接入、储存及通信能力。

3 结 论

5G的建设与开展是全球通信发展、电力发展以及人工智能发展的一个新纪元，现在的5G通信技术还未发展成熟，但在未来5G将会融入多个行业，使人民的生活更便利。本文结合5G通信技术与泛在电力物联网的特点，重点分析了在5G通信技术下泛在电力物联网对人类的生活、信息传送以及信息安全的一个未来展望。

5G通信技术使能下的泛在电力物联网是传统物联网的升华，5G的出现使得物理、信息以及社会联合得更加完善，使得电力这张网与互联网深度融合，为实现智慧一体化，提高数据汇总及安全性提供了良好基础。