物联网中5G通信技术的应用研究*

田云霞 林海霞 韩琛晔

河北工程技术学院 河北 石家庄 050091

1 研究背景、目的及意义

5G是第五代移动通信技术的简称，是在第四代移动通信技术（4G）的基础上演进而来的。2016年6月ITU公布了5G技术标准化的时间表，自2019年11月我国正式进入5G商用时代以来，5G在各行各业中的角色日益重要。2020年年初以来5G加快建设速度,每周大概增加1万多个5G基站。物联网以严格的协议为基础，通过传感设备以实现不同类型的网络互联在一起，使数据和信息之间能够高效稳定的传输、交换，使信息得以精准的定位、跟踪，达到万物互联。由于智慧生活发展步伐的加快，车联网进程的推进，物联网的应用范围还会不断地扩大，同时，5G技术的发展，也会对物联网产生很大的推动作用[1]。

通信技术与物联网密不可分，物联网中海量终端连接、高速可靠的数据传输、实时控制等技术离不开通信技术。未来物联网的需求将会不断增长，海量终端的连接、数据流量倍增、毫秒级别的网络时延是物联网场景下的核心需求，5G通信技术由于新天线技术、超密集组网、新型多址、全频谱接入等技术特点将能满足物联网广覆盖、低时延、低功耗的需求。5G的实现不仅会给物联网带来深远的影响，也将极大推动我国社会经济的发展。因此，研究物联网中5G通信技术的应用具有重要的理论价值、技术价值和实用价值。

2 5G通信技术的特点

通信技术作为现代社会的高级神经中枢，可谓发展迅猛。尤其是移动通信技术，从第一代移动通信到现在的5G，从2.4b/s的速率到10Gb/s的速率，从简单的语音通信到现在的全互联，移动通信技术发生着翻天覆地的变化。5G是在4G基础上演进而来的，相比4G所带来的移动互联网的繁荣，5G与各行各业深度融合带来“万物互联”的新纪元。相比于4G主要追求高速率，5G追求的是更人性化更综合的性能指标：用户体验速率更快，可达到1Gb/s，是4G的100倍；连接数量密度更高，可达到100万/平方公里，是4G的50倍；空口时延更低，可低至1ms，是4G的1/5。除此之外，5G还具有500Km/h的移动性、数十Tbps/平方公里的流量密度、超低功耗、超低成本、高频谱效率以及QoS保障下的接近100%的高可靠性等关键指标，这就决定了5G的应用场景不仅关注人与人，也关注人与物、物与物：增强型移动宽带场景（eMBB）；低功耗、大连接场景（ mMTC）；低时延、高可靠场景（ uRLLC）。其中低功耗大连接与低时延高可靠场景两项指标是物联网业务的核心要求，也是5G拓展物联网的核心场景，解决了 4G 无法完美支持物联网及其相关垂直应用的问题[2]。

3 5G的关键技术

3.1 新天线技术

5G所采用的大规模天线技术基于多用户波束赋形原理，基站会根据覆盖区域人口密度进行信号合理分配，并且基站也会通过这一技术根据用户位置，对其进行实时跟踪，可保证信号的质量。同时，多个基站同时服务于单一用户，并能预感知用户的基站切换，避免丢失信号同时确保信号质量。通过大规模天线技术，可以大幅度提高网络容量，减小发射功率，同时还能大幅度降低时延。

3.2 超密集组网技术

5G通信技术将多种无线接入技术有机地联系在一起，通过超密集组网技术可以使覆盖范围进行更小的分割。超密集网络技术，一方面体现在宏基站的外部，通过设置多条天线，从而使得使室外的空间得以扩宽，在一定程度上加大系统的容量，同时还会大大提高系统的灵活性。另一方面主要体现在室外，通过设置多个密集网络，从而对不同网络节点进行协调合作，这样便能够提高相邻节点工作的准确性，使得信噪比增益得到很大程度的改善。同时，在5G通信技术中，通过应用密集组网技术，消除网络盲点，扩大网络的覆盖面积，增强系统容量，最大化地把网络优势充分地发挥出来。

3.3 新型网络构架

5G组网方式有两种：非独立组网和独立组网。非独立组网（NSA）是在4G网络基础上的演进和发展，以形成更综合的5G网络构架，可以实现更快商用。独立组网（SA）充分利用5G技术自身的优势，通过关键技术——网络切片来更好地满足垂直行业各种业务的需求。

3.4 网络切片技术

eMBB-增强移动宽带；mMTC-海量物联；uRLLC-低时延高可靠连接，三大能力之间互相有冲突。基于5G的网络切片技术可实现选择保留一部分、牺牲一部分，以合理权衡与协调各性能指标实现之间的关系，以根据不同行业应用场景，对同一网络进行分片管理及应用[3]。

4 物联网技术

物联网（Internet of things）就是“物物相连的互联网”，即“万物皆可通过网络互联”。从技术架构上，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层主要由各种传感器以及其网关构成，其作用是感知、识别并获取物体的信息，关键指标在于更精确、更全面、低成本、低功耗的感知能力，主要设备有传感器、RFID、二维码、摄像头、红外线、GPS等。网络层由各种传输、通信网络组成，是整个物联网的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息，连接感知层和应用层，目前标准化程度最高，产业化能力最强。网络层的关键在于更高速率、更低时延、更低成本、更可靠的信息传输和处理。应用层是物联网和用户的接口，是物联网的智能应用，应用范围广泛，但受制于前两层的技术发展，关键在于与行业需求的深度融合[4]。

5 5G技术在物联网中的应用

5G拥有三大特性：大容量、高速率、低延迟。而物联网是一个不断增长的物理设备网络，具有收集和共享大量数据的能力，有海量的连接需求，不同的连接场景下，用户对带宽体验、时延也有了更高要求，需要有高效网络的支持才能充分发挥其潜力。5G技术则将是物联网整体的重要支撑和承载，5G技术对网络的升级使“万物互联”现实化。

5.1 海量机器连接

此场景体现了“物”与“物”之间的通信需求，5G超强大的连接能力促进物联网和垂直行业的快速深度融合。传统基站能够承载的最高连接设备数不能够满足物联网设备的高速成长。相对于4G，5G网络具备更加强大的通信和连接能力，能够满足物联网应用高速稳定、覆盖面广等需求。mMTC的重要用处就是对万物互联这样需要大量连接和自动化灵活控制的场景起核心支撑，当前传统基站用户接入范围也就仅仅几个到几十个而已，而在5G时代一个基站通过海量连接可以实现成千上万终端接入，保证某一个区域内多终端的顺利通信。

基于mMTC场景和低功耗传感器等技术，5G可以通过打造智能制造、智慧城市、智慧农业等实现产业创新、万物互联。

5.2 低时延高可靠通信

此场景体现了“人”与“物”之间的超低时延、超高可靠性的通信需求。物联网环境下，大量设备对网络上传、下载和时延的要求存在区别，网络必须有一定的智能性。uRLLC通过超低时延保证微秒级响应时间，这项技术最重要的运用场景是以极低响应时间为重要指标的车联网例如无人驾驶场景、远程驾驶。例如车联网场景下为了保证自动驾驶的安全性，车与车之间、车与云端之间的时延在5ms以内，可靠性在 99.999%以下，而且在车辆发生拥塞或大量节点共享有限频谱资源时，仍能够保证可靠的传输；相距千里的远程驾驶中对网速和时延提出了高要求，网速要求在40Mb/s，时延在10ms以内，可实现实时操控行进车辆。车联网颠覆了传统的汽车产业，只有5G能满足驱动车联网发展的关键技术所需要的高可靠、低时延、高宽带和高安全性的连接。

可见，5G从传统运营商范畴中变得更强大了，移动宽带变得更强大了，其次它也有机会扩展行业的边界，进入车联网等更多的行业。车联网是跨越了通信、汽车、交通这三个万亿级产业的一个新领域，未来的发展潜力是非常巨大的，车联网也已成为很多国家的重点发展领域，也是物联网发展的核心方向之一。

物联网的终端应用还聚焦了远程医疗、远程手术等领域，通过5G的高网速可以远程操控模拟手术乃至真实手术。基于eMBB+uRLLC场景，借助M-MIMO和波束赋形等技术，能够为无人机发展提供条件。无人机全球市场在过去十年间飞速发展，近几年向农林、能源、公共事业事业等垂直领域快速渗透。4G技术已基本可以满足无人机的上行状态信息采集及飞行管控指令下发，但无法满足实时图传等高精度应用需求。随着5G技术的日趋成熟，将助力行业无人机高清图传、精准定位、实时控制等能力的发展。

5.3 增强型移动宽带

此场景体现了以“人”为中心的对超高数据速率、广覆盖下移动性的需求。对于eMBB而言，最重要的是可能会产生海量数据的工业物联网场景，虽然对整体时延需求不高，但会产生大量数据向云端传输。例如，工厂工人带上5G+8K的VR眼镜/头盔，可以将看到的东西与本身真实工作紧密结合起来，基于云的AR/VR技术对于网络的需求很高，只有“5G+边缘计算”才能满足VR/AR毫秒级时延的应用[5]。

6 结束语

综上所述，随着5G技术的大规模商用，5G与各行各业深度融合，尤其体现在与物联网行业的相互促进和相互发展。5G 三大应用场景 eMBB、mMTC和 uRLLC，正是体现通过对“物”的联网和控制来实现对“人”的服务。三大应用场景相互交叉相互渗透，呈现出“无边界”的行业特征。而在这种交叉渗透下的跨行业、跨场景的物联网是5G的核心应用场景，占有80%以上的5G应用场景。随着5G技术和物联网技术的发展与成熟，两种相互催化、相互激励，将促进5G在物联网行业的广泛、深度应用，优化我国物联网行业的格局，促进我国物联网产业更快、更高质量的发展。