物联网形势下的5G通信技术研究

肖娟

摘   要：当今社会已进入物联网快速发展时期，5G通信技术在其中具有重要的作用。随着5G移动通信技术标准的发布及2020年5G商用，物联网将更加快速地发展。文章介绍物联网及5G通信技术的相关概念及发展概况，研究了适应物联网需求的若干5G关键技术。

关键词：物联网;第5代移动通信技术;移动通信

当今社會已进入物联网快速发展时期，众多国家发布了关于物联网的发展规划。我国亦在2010年后发布了相关文件及发展规划，明确将物联网列为我国重点发展的战略性新兴产业之一，并确定在智能工业、智能农业、智能物流、智能家居、智能交通等9大重点领域开展应用示范[1]。随着物联网产业的发展，物联网对通信技术提出了更高的要求：大规模机器间连接、高可靠、低延迟、低功耗等。物联网形势下，第5代移动通信技术（5th Generation，5G）提出了若干关键技术面向物联网应用。

1    物联网及5G通信技术概述

1.1  物联网概述

物联网的基本思想出现于20世纪90年代，1995年Bill Gates在《未来之路》中提出了“物物互联”的概念;2005年国际电信联盟发布了研究报告《物联网》，预见无所不在的物联网通信时代即将来临;2009年IBM提出了“智慧地球=互联网+物联网”的概念。在我国，2009年温家宝总理提出了“感知中国”，之后我国明确将物联网列为重点发展的战略性新兴产业之一;2011年发布的《物联网“十二五”发展规划》大力推动了物联网的发展，物联网技术已经广泛应用到各行各业中。

物联网是按照约定的协议，将具有“感知、通信、计算”功能的智能物体、系统、信息资源互联起来，实现对物理世界“泛在感知、可靠传输、智慧处理”的智能服务系统。

可以作为物联网发展基础的技术主要有高性能计算机、云计算、大数据等计算机与软件技术;计算机网络，互联网与移动互联网，GPS，3G，4G，5G移动通信技术与机器对机器（Machine To Machine，M2M）通信模式等网络与通信技术;嵌入式技术、微机电技术（Micro Electro Mechanical System，MEMS）、传感器、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、智能手机、可穿戴计算设备等硬件技术;普适计算、并行计算、移动计算、嵌入式计算、基于服务的计算等计算模式;智能控制、数据挖掘、人工智能、机器学习、智能机器人等智能科学与技术。

本文主要介绍为适应物联网大力发展形势，5G移动通信提出相应若干关键技术。

1.2  5G移动通信技术概述

2015年，国际电信联盟明确了5G的名称等关键内容，定义了5G的3大主要应用场景：增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠超低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communications，URLLC）、海量物联（massive Machine Type Communications，mMTC）。

相对于4G，5G带来的是更快的速率、更低的功耗、更短的延迟、更强的稳定性，能支持更多用户使用。5G的用户体验速率可提升至1 Gbps，用户峰值速率可达10 Gbps;5G的时延低至1 ms;连接设备数可达100万连接/km2。

我国于2016年1月开始进行5G技术研发;2017年11月5G频段正式划定;2018年3大运营商确定2019年5G预商用，2020年5G商用;2019年8月5G手机中国上市。

2    物联网形势下若干5G关键技术

为适应万物互联，5G采用了相应的关键技术。本文介绍其中几项。

2.1  Massive  MIMO

大规模天线技术（Massive MIMO）是5G提高系统容量和频谱利用率的关键技术。

Massive MIMO是指通过基站内的大量天线实现同一频率资源与多台空间上分离的用户终端同时通信，并进行多径传输，如图1所示。

图1  Massive MIMO示意

传统的时分双工（Time Division Duplexing，TDD）网络的天线基本是2天线、4天线或8天线，而Massive MIMO通道数可达到64，128，256个。传统的MIMO是2D-MIMO，以8天线为例，实际信号在做覆盖时，只能在水平方向移动，垂直方向不动。而Massive MIMO在水平方向和垂直方向都能随着目标UE的位置进行调整，信号的辐射状是个电磁波束，所以Massive MIMO也称为3D-MIMO。Massive MIMO不仅支持多用户波束智能赋形，同时也降低了用户之间的干扰，结合高频段毫米波技术，可以在一定程度上完善无线信号覆盖性能[2]。

2.2  新型网络架构

新型网络架构基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）、网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）、移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）和雾计算（Fog Computing）等技术，可实现以用户为中心，更灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。

NFV的目标是将不同网络设备整合到工业标准的大量服务器上。SDN的基本原理是将控制面和数据面分拆，网络智能的逻辑集中化以及将物理网络通过标准接口从应用和服务中抽象出来[3]。SDN，NFV等技术实现了5G网络灵活性、延展性和面向服务的管理。

2.3  终端直通技术

常规的蜂窝移动通信系统以基站为中心，实现小区覆盖，而基站与中继站是固定的，网络结构也是固定的，缺乏灵活性。

终端直通（Device-to-Device，D2D）技术是一种无需借助基站，在系统控制下允许终端与终端之间通过复用小区资源直接通信的技术。由于D2D技术不经过基站，可大大节约资源和时间。同时，由于用户是在短距离直接通信，信道质量也得到较大提高。D2D技术能实现较高的信息传输速率、较低的时延和功耗，支持灵活的连接方式和网络架构，提升了网络的灵活性和可靠性[4]。

2.4  超密集组网技术

为适应移动物联网的要求，5G系统要求更高的网络容量和更好的网络覆盖，超密集网络（Ultra Dense Network，UDN）作为5G通信系统的关键技术之一，能有效地實现网络无缝链接的部署方案。与传统的宏基站部署相比，超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用，超密集网络小区由用户部署，减少了成本[5]。

与此同时，密集的网络部署也使得网络拓扑更加复杂，小区间干扰成为制约系统容量增长的主要因素，极大地降低了网络能效。干扰消除、密集小区间协作、小区快速发现、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是密集网络的研究课题。

2.5  新型多址技术

新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力，可有效支撑5G网络千亿设备连接需求。

目前国内提出3个5G新的空中方案：华为的稀疏码分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、大唐的图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）、中兴的多用户共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）。

3    结语

在对物联网及5G移动通信技术相关概念进行介绍的基础上，本文主要介绍了为适应物联网形势，5G采用的Massive MIMO、新型网络架构、D2D、新型多址技术等。物联网行业的不断发展需要足够的网络容量以及传输速率的支持，需要5G通信技术不断完善，以更好促进物联网行业发展。

[参考文献]

[1]吴功宜，吴英.物联网工程导论[M].2版.北京：机械工业出版社，2018.

[2]汪洋溢，田议.5G标准及关键技术[J].信息技术与标准化，2016（6）：47-51

[3]AFIF O，JOSE F M，PATRICK M.5G移动无线通信技术[M].陈明，缪庆育，刘愔，译.北京：人民邮电出版社，2017.

[4]宋耐宝.物联网形势下的5G技术探析[J].数字技术与应用，2017（8）：29-31.

[5]刘海燕.面向5G的超密集网络中分布式无线资源管理的研究[D].北京：北京交通大学，2016.