浅谈5G时代下移动互联网、物联网的发展

李伶俐 付书涵

（1.西华大学 西华学院,四川 成都 610039；2.西华大学 计算机与软件工程学院,四川 成都 610039）

随着移动通信的飞速发展，4G已融入生活的各个方面，“MWC 2018”主办方GMSA发布的一份研究报告就曾指出，在2019年，5G会从“试验”走向“商用”，这无疑是5G技术提速性的发展，5G将很快实现它的全球应用。相比其他代网络，5G所具备的水平更高，它的用户体验速率可达0.1～1Gbps，是4G网络的数十倍，连接数密度更加广泛，ms内的传输时延，以及每小时500KM以上的移动速率和10Gbps以上的峰值速率。用户体验速率、连接数密度和时延是5G最基本的三个性能指标。同时，与4G相比，它的频谱效率提高了5～15倍[1]。在关键技术和应用场景下，5G具有高传输、低时延、万物互联的特征，也正是在此基础上，GTI发布《5G新设备类型白皮书》提出10类5GeMBB创新应用[2]：AR/VR/MR、自动驾驶、信息娱乐、移动媒体、远程教育、远程办公、远程医疗、远端工业应用（如远程机器人）、固定无线接入、流媒体游戏。5G应用业务不断增多，这要求5G要远远前超前几代通讯技术。研究表明，5G让连接不局限于人与人、人与物，还能在物与物之间进行海量大连接，真正实现万物互联。由于5G到来，让我们的互联网和物联网具有更好的发展前景，本文通过阐述5G关键技术和5G应用场景，来浅析未来移动互联网和物联网的发展。

1 通信网络技术的发展

从上世纪80年代起，我国移动通讯技术有了巨大的发展，通讯技术时代也在不断地发生着改变。每一代技术的诞生都有一定的基础。1G采用频分多址（FDMA），是在模拟蜂窝移动通技术下提出的，主要满足人们的语音通话需求，但不能实现远距离的漫游。而2G主要采用时分多址（TDMA），它是一种基于数字蜂窝移动通信技术，实现了从模拟通信向数字通信的转变，能实现数字化语音业务，很大程度上提高了语音通话的质量，可进行漫游。随着带宽不断增加，在宽带数字移动通信下，采用码分多址（CDMA）为技术的3G在宽带数字移动通信中具有更高的频谱利用率和更强的标准兼容性，这让它的数据传输能力也有了很大提高，能实现全球漫游和全球服务，人们可进行低速上网（比如说刷微博）。不断发展的信息技术提供了更多的移动通信业务，这向3G网络的服务业务提出了挑战，再此条件下提出4G，这一代网络技术是集多种标准、多个频段共存的宽带移动通信系统，以正交频分多址（OFDMA）为核心的技术，让4G具有更好的覆盖率、更高的频谱效率和峰值速率、良好的兼容性、灵活性等,其上行速率可达20Mb/s，下行速率可达100Mb/s，能满足人们的互联网需求。但是移动互联网不断发展，衍生出更多的新生技术，随着生活水平的提高，人们对开始享受生活的态度，技术的更新，人民需求都推动着移动通讯技术向更高的水平发展，这促使着5G时代的到来。

研究报告指出，5G具有高传输、低时延、万物互联的特征[3]，大大提高了传输速率，在车联网及物联网中有着相当重要的作用。作为最新一代信息通讯发展的首要方向，信息将在它的基础上突破时间和空间限制，让信息得到更好的交互，为用户带来极具享受的信息盛宴。在未来，5G将会带我们走进另一个高科技世界。

2 5G应用场景

不同应用场景下有不同的性能要求，这将给5G带来很大挑战，不同应用场景面临的性能挑战是不同的，用户体验享受程度、流量传输大小、连接数都在不同场景具有多重挑战。从移动互联网和物联网的主要应用场景和挑战来看，主要的5G主要的场景有，连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠这四种。

2.1 连续广域覆盖

总结起来，这是移动通信最为基本的覆盖，针对用户的移动性的和业务的连续性的特点，建立的极具保证性的技术。这种场景的主要挑战在于任何时间任何地点将向用户的体验速率控制在百兆以上。

2.2 热点高容量

主要关注局部区域热点，让用户所体验的数据传输速率进一步提高，已达到人们对网络流量密度的高要求。1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率和数十Tbps/km2的交通密度要求是该场景面临的困难。

2.3 低功耗大连接

它的应用场景主要包括城市智能化、环境监测、农业、森林防火等这些以传感和数据采集为目标的业务，它的特点是数据包小、功耗低、可进行海量大连接等特点。能适应这个场景的设备数量很多，且种类繁多。它对要求网络的连接及支持能力有很的要求，在以1km2的范围内要能支持最低一百万人的连接数，而且还要能保证对终端功耗的低消耗和低成本。

2.4 低时延高可靠

主要运用在物联网、工业控制等行业如（自动驾驶）的特殊应用需求，这种应用对时延和可靠性具有很高的技术要求，它向用户提供毫秒级的终端到终端的延迟和接近比例为1的安全性和可靠性保证[4]。

总的来说，连续广域覆盖和热点高容量场景作为传统的4G主要技术场景也要广泛运用到5G的移动互联网应用上来。低功耗大连接和低时延高可靠场景主要针对物联网业务，作为一个新兴业务，它关注的是以前的传统移动通信无法带动的物联网及相关产业的应用问题。

3 5G关键技术

面对多样化场景的极端差异化的性能要求，5G难以基于单一技术形成针对所有场景的解决方案，而5G的技术革新主要针对于无线和网络技术。

在无线技术方面，主要有大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术；在网络技术领域，则是基于软件定义网络和网络功能虚拟化的新型网络架构[5]，这里主要介绍5G无线技术。

3.1 大规模天线技术

Massive MIMO（大规模天线技术）。从天线数量来看，传统的TDD网络的天线基本都是2天线、4天线或8天线，而Massive MIMO它的是通道数能达到64、128、256个；从信号的覆盖维度来说，我们称传统的MIMO为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，垂直方向是不动的，信号像是从一个平面发射出去[6]。而大规模MIMO，基于信号电平的空间维数，利用空域的垂直维数来利用它。以电磁波束为辐射状的信号，它的信道数目和多向信号覆盖维数，可以大大提高频谱效率和用户接入能力。

3.2 新型多址技术

5G支持的新型多址接入技术包括 SCMA、NOMA、PDMA、MUSA 以及较为传统的OFDMA等[7]。这种技术不仅可以大大增加用户的连接数量，而且可以有效提高系统频谱传输效率，降低时延。NOMA（非正交多址）是基于功率域重复利用的一种新型多址接入方法，用来增加接收处的复杂程度，并以此来提高频谱效率；PDMA（分割多址接入技术）是基于发送处和接收处联合设计的一种新型非正交多址接入技术，可以提高2到3 倍的系统容量，通信系统的频谱效率也可以提高1.5倍。MUSA（多用户共享接入）是一种以复数域多元码的上行为基础的非正交多址接入技术，它具有多用户共享接入方案无需调度的优势，有利于实现低成本、低功耗的5G 连接（即万物互联）。

3.3 超密集组网

5G的超密集组网网络架构一方面通过控制对承载的分离，及覆盖与容量分离来实现未来网络对与覆盖和容量设计，实现以业务要求为目标的灵活扩展的控制和数据面资源[8]；另一方面，通过抽出基站的无线电控制功能，进行集群集中控制[9]，它实现小区间协调、移动资源协调、移动性管理等这一类目标,增加了网络容量，为用户提供了极佳的业务体验。

3.4 D2D通信技术

D2D 技术指的是通信系统中连接的设备之间的进行通信技术。在无线通信网中，以D2D的进行来实现通信链路连接，则传输网络就就可摆脱中间设备的控制，这项技术降低了通信系统中核心主干路的成本又减小了的数据带来的压力，该技术极大提高了频谱的效率，增加了容量，使通信系统更加高效、稳定、便携。

4 移动互联网应用场景与5G关键技术的关系

移动互联网给人们的生活带来了巨大的改变，越来越多的人在购物、吃饭、外出时和工作或工作间隙时，都自然地拿出手机，工作、娱乐、联系亲人朋友、查看新闻、分享自己感受，人们通过随声携带的智能终端登录到移动互联网，他们将生活、工作、交易、交友扩大到移动互联网上。随着不断增加的使用人数和通讯业务，使得移动互联网的发展具有更大的前景和挑战。相比前几代通信网络，5G要解决区域更广的用户连接和更快的传输速率问题，也就是说，在满足未来的通讯业务的需求时，我们应该考虑到连续广域覆盖和热点高容量场景所面临的技术挑战。根据研究表明，在连续广域覆盖场景中，目前还受限于站址和频谱资源，为了满足不断提高的用户体验速率的需求，还要尽可能多的低频段资源以作为连接的最基本保证，除此，系统的频谱效率也要有很大的改善。作为其中最主要技术之一的大规模天线阵列，可与新型多址技术相结合，让系统频谱效率进一步提高和让更多的多用户能接入互联网。在网络架构体系方面，形成了多种无线接入能力和集中式网络资源协同与控制技术，给了用户一个较高的体验速率保证。在热点高容量场景中，针对不断提升的用户体验速率和流量密度，超密集组网技术可以更充分地利用频率资源，大大提高单位区域内的频率重复利用的效率；全频谱接入可以充分利用低频率和高频率的资源来实现更高的传输速率；大规模天线、新型多址等技术和其他技术相结合，可进一步提升频谱效率。5G应用场景和关键技术可以在很大程度上为移动互联网的发展提供技术条件，从根本上保证移动互联网在未来的能满足人们的需求。

5 物联网应用场景与5G关键技术的关系

5G将会是一个“万物互联”[10]的时代。不仅要满足人们在衣食住行不同领域的多样性业务，还将进入到物联网和各个行业，并与工业的设施建设使用、医疗器械改进、交通等相结合，满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样性的需求。目前，物联网已被广泛运用于各个领域。物联网的设备终端数量正在快速增加，根据预测，2020年联网设备的数量将超过200亿。在如此海量大连接下，物联网将面临巨大挑战。物联网作为低功耗大连接、低时延高可靠的应用场景，就需要面对并解决场景下的技术问题，使物联网高速发展。在低功耗大连接场景中，物联网面临的主要挑战有大规模的设备接通性、低的终端功耗和成本。新型多址技术可以通过广泛用户信息的叠加传输成倍提升系统连接终端的能力，还可不通过调节传输让设备功耗在一定程度上下降[11]；新型多载波技术[12]如F-OFDM和FBMC等使用的分段频谱、支持窄带，也可以有效地减小功耗和降低成本。此外，终端直接通信（D2D）可跨域较长距离，实现基站到终端间的传输，同时也可降低功耗。在低时延高可靠的场景中，要能达到降低传输时延的目的，不仅如此，还要降低重复传输的几率来达到极低的时延和高的质量要求。为此，需采用较先进技术，即在运用调节编码机制和改善重传来提升传输的保障性的同时通过新型多址和D2D等技术来减少信息指令交互和数据传输。另外，在网络架构中，通过提高数据传输能力和控制转发云和访问云边缘附近的业务数据来有效地减少网络延时。

6 移动互联网及物联网的发展

随着移动互联网用户数量不断增长和智能终端使用量不断上升，移动互联网得到快速发展，不断满足人们需要的移动终端业务得到蓬勃发展，因具有多元化的特性，不断运用于生活中的各行各业。移动互联网具有便携性，它能让人们利用碎片时间随时、随地访问互联网，因此，各具特色的移动终端不断被发明，例如智能手环、智能手表、智能眼镜，在移动互联网技术不断提高的同时，移动流量不断增多，这就要求巨大和IP地址数量。现如今IP地址的数量在一定程度上限制了移动互联网的发展。5G技术的飞速发展，给移动互联网带来更多的发展机会，也为解决IP地址数量和移动宽带[13]提供了新的方向，随着用户增多，数据流量也在不断增大，如何解决高数据有效传输是当下5G所面临的关键问题。而5G也正有从此问题出发，不断在突破技术上的瓶颈，大规模天线、新型多址技术等关键技术落实到移动互联网的每个问题之上。2020年，5G将全面应用，而移动互联网预计有三大发展方向。即方向一:将入口争夺将进入到底层；方向二:多屏融合，大数据，云计算等技术的深入使用；方向三:开放平台成为移动互联网主要的部分[14]。

物联网技术于1911年首次提出，到目前为止主要走过了三个阶段，大规模建立联网阶段，大量的连接设备状态被感知到越来越多的设备通过移动网络、WiFi、RFID、ZigBee和其他连接技术连接到网络网；生成海量数据，形成了物联网大数据；人工智能初始化运用已经实现，其对物联网产生的数据进行智能分析。中国物联网处于设备层成熟期，但应用层仍处于成长期，智能制造、汽车联网、自动驾驶、消费智能终端市场等已形成一定的市场规模，并处于成长期。2020年，联网设备在进一步增加，将达到260亿。在5G的助力下，5G的物联网技术将不断突破，在功耗大连接、低时延高可靠5G应用场景和超密集组网、D2D通信技术的基础上将会给物联网应用上带来可观性的发展。比如车联网领域，更低的传输时延确保了其更高的安全性，这将带动车联网快速发展。未来几年内，中国物联网产业将除了率先在智能电网、家居、医疗、还要在车用传感器等领域推广使用，当5G全面到来的时候，我们也就真正的实现了万物互联。