5G通信技术在物联网时代的应用

叶立彩，马晓宇

（广西通信规划设计咨询有限公司，广西 南宁 530007）

0 引 言

物联网（Internet of Things，IoT）是1种将各种事物连接起来的网络。众所周知，随着通信技术的发展，互联网已经变得越来越普遍，它不但可以把各类信息资源进行整合，而且还能与人们的日常生活紧密联系。在物联网的发展中，一般都会在控制设备上安装一块芯片，用来实现信号的发送和接收，而物联网技术的发展则是建立在网络的基础上，如果没有了网络，就不可能实现物联网技术的发展。随着科学技术的进步，物联网技术的发展已经取得了很大的进展，许多先进的计算方法都使其具备了一定的学习性能。因为受网络技术的制约，其在实际中的应用还存在着一定局限，所以在大规模的应用中，通信技术的发展对其进行了广泛的部署和应用[1-4]。

1 5G通信技术的主要特点

1.1 更快速的信息传送和更大的宽带能力

从80年代初的无线通信技术，到后来的2G、3G、4G和5G，随着5G技术的发展和无线通信技术的应用，使其在传输速度、宽带容量等方面都得到了极大的提升，4G、5G网络中的基站峰值速率达到20 Gb/s以上。这些技术性能的提高使用户有很好的上网体验，方便用户在数据网络中进行高清晰度的图像和视频的传输。在5G快速发展的新时代背景下，5G通信技术将会有着更大的发展空间，只有这样才能满足时代发展的需求[4-6]。

1.2 全网络、低延迟传输

随着社会经济的发展和生活节奏的加快，信息的重要性日益凸显，对通信的需求也日益增长。因此，为了保证信息智能化服务，除了要保证覆盖范围外，还要提高移动通信的灵活性和连接密度。5G通信技术使得大规模的网络覆盖不再局限于高原、山区等自然环境和地域。5G技术最大的特点之一是延时小，也是5G技术的一大突破。5G对延时的要求是1 ms以内，几乎让人感觉不到。和4G相比，5G的性能有了很大提高（如图1所示），还能实现同步控制。5G技术在某些高智能产业中的应用，与传统的高延迟通信技术相比，能够很好地满足这类工业对信息传输的要求[7-10]。

图1 5G与4G对比

2 物联网的主要应用场景

2.1 移动宽带增强（enhanced Mobile Broadband，eMBB）

使用者可以深刻感受到物联网最大的数据率和最高的使用流动性，传输速率达到10 Gb/s，比4G快100倍。高带宽和高信息量的传输，可以使数据通过高能量的无线电波甚至毫米波。各种类型的基站具有广泛的覆盖面，在高速环境下进行波速赋形，功率大，可确保移动速度超过500 km/h。5G载体与分段路由（Segment Routing，SR）相结合，减少了网络的复杂性，使业务通路更加顺畅，同时可以为大规模语音、视频、即时通信、网络媒体以及物联网络等提供基础的技术支撑。

2.2 超高可靠超低时延通信（uRLLC）

超高可靠超低时延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communications，uRLLC）的延迟不足 1 ms，仅为4G的10%。针对物联网络的差异性要求，将5G网络的切片能力与之相结合，可确保不同的物流服务。在物联网络中，低时延的功能突出。许多事物之间的联系都需要有相应的响应能力。在5G网络中，采用低延迟的端到端延迟，可实现对网络的优先级分级，并对网络流量进行专门的处理，大大降低了数据传输的延迟时间，使海量的码流、4K的视频流、8K的视频流能够平稳、流畅地传输。在uRLLC类型的物理环境中，即使连接数目亟剧增加，交互时延依然很高。

2.3 大规模物联网（massive Machine Type Communication，mMTC）

5G技术能够可在深度覆盖条件下进行大规模互联，其中每平方千米106的网络连接数量比4G多100倍，可以进行终端对终端的数据传输。运营商正大量建造各种5G频谱，如700 MHz、900 MHz、2.1 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz以及毫米波。5G与其他网络相比具有显著的互补性，使物联网在网络上的应用能力有进一步的提高。例如，在资源、带宽等方面，不断改进终端接入能力；灵活、易用的网络，更易于管理；存取带宽灵活，且不需要任何智能设备；对数据流量要求很高的无人驾驶车辆，有多种带宽可以自由切换；无线基站的功率消耗较低。5G技术有正向兼容性和多个频段，且频段能够实现网络的动态分配、资源预留和调度优先。

3 物联网环境下的5G关键技术

3.1 多层次网络的可靠度设计

采用5G器件的单板与电源的主要器件，可达到单板级的可靠性。通过遥控射频单元（Remote Radio Unit，RRU）环网，可以达到网络单元的可靠度。通过使用5G低码率表、重复上行等方法，可以提高系统的可靠性。该方案采用多端冗余、无线双平面、端到端双平面的结构，从网络层次上保障了系统的安全性。

以上方法用于5G，能够充分满足复杂网络环境和高可靠度的应用需求。在空口条件相对苛刻的情况下，5G技术可以保证网络服务不丢失。当用户层的可靠性非常高时，可采用冗余方法保证系统的安全性。当整个线路发生故障时，可以充分保障终端对端的服务连续性。

3.2 服务质量保障（速率、延时、抖动）

基于5G切片的无线差别保证，可以在不同的切片中实现同样的差别保障。在5G公共网络中，采用预留资源的方式，可以灵活满足物联工业的高可靠和高安全性要求。同时，将频段内部的上行增强技术与时-频深度联合技术相结合，可进一步提高传输速度。

该方法利用uRLLC的延迟增强能力，使uRLLC和eMBB这2种下行服务并存，以适应uRLLC的高延迟需求。5G技术还满足对终端和核心网络的个性化要求，能够精确控制时延，降低网络的速率抖动。

3.3 5G业务组网与网络分流

网络组网是物联网发展的核心问题。在核心端，5G技术采用网络级分流、网元级分流和会话级分流来提高网络的安全性。无线方面，5G技术可以在同一5G网络中，通过网际协议（Internet Protocol，IP）、域名系统（Domain Name System，DNS）进行域名分流、园区切片ID分流、或指定专用网络用户分流等方式，实现不同物联网在同一网络中的服务保障。该方法利用uRLLC的延迟增强能力，使uRLLC和eMBB这2种下行服务并存，以适应uRLLC的高延迟需求。

3.4 专用网络产业的定制要求

5G具有高精度、高带宽的实时定位功能，降低了网络复杂度，减少了系统开销成本，提高了物联网产业的可用性。高精确度的网络实时技术是实现物联网产业数字化转型的重要手段。

5G覆盖范围大，基站定位灵活，可确保关键专业物联网络的无缝衔接。通过对端服务质量（Quality of Service，QoS）的监控，可以保证5G网络的实时监测。与传统的无线局域网相比，5G的终端对端延迟、抖动等重要性能指标具有实时性，不需要耗费太多资源。在大规模互联网环境下，5G可以充分保证网络质量，同时可以实现用户侧的可控性、业务服务可保障与可承诺的功能。

配电物联网平台应用前景如图2所示。

图2 配电物联网平台应用前景

4 5G网络时代的新机会

4.1 实现用户端的数字转换，提高物联网的底层结构

随着数字化发展，将会有越来越多的数据从边缘处理逐步发展到智能物联。网络的边界北侧临近异质终端的大量连接，从而使5G有着业务的实时性、应用的智能性、数据的优化以及保密的安全性特点。5G网络能够充分发挥边缘计算和安全防护的深度开放性，从而实现对用户、制造以及管理安全等方面的智能化管理，提高企业的生产效率和公众的满意度。

4.2 新技术和新领域的结合

物联网与5G无线网络的融合，将会形成一个新的庞大的物联网。物联网与以往的工业行业进行深度融合，可逐渐构建工业物联网。智慧工厂、智慧农业以及智慧能源等物联网的应用，是产业转型升级的重要基础和核心要素。随着城市信息化建设的不断深入，智慧城市将成为一个综合性的物联网应用平台，可实现智慧安防、智慧消防以及智能停车等功能。

4.3 4G、5G共存，网络切片，综合运维

5G网络有望在2025年前达到无缝部署。从4G向5G发展，涉及虚拟设备与传统非虚拟设备的混合运营与管理，对现有的集成运行模式提出了新的挑战。5G网管与云计算的连接，可实现云计算集成的监控、编排以及升级等，也可实现网元共管，支持虚拟资源的编排，还能实现5G部署、网络配置和端到端切片的部署管理。

5 结 论

物联网专用网络设备和5G的平稳演化与巨大的网络息息相关。5G早期，物联网的核心网络可以和人的网络元素结合在一起。在保证4G网络的基础上，可以继续推进窄带物联网的深度覆盖。到5G发展的中后期，要建立健全物联网生态体系，加速5G物联的发展，为5G网络建设奠定坚实的基础。随着电信运营商5G网络的逐渐成熟，uRLLC/mMTC服务将会继续与网元结合，并向移动边缘计算的需求下沉。构建物联网安全保障系统和可控制、可管理的网络基础设施，可满足工业、电力、能源以及交通等关乎民生的物联产业的核心安全需求。