面向5G物联网的上行接入技术

2020-02-02邬张帆庄常进

通信电源技术 2020年20期

邬张帆，庄常进

（湖北邮电规划设计有限公司，湖北武汉 430023）

0 引言

随着当今物联网技术的发展和社会需求量的提升，物联网在应用领域和覆盖范围上都处于不断延伸的状态。在这样的情况下，物联网中所接入的通信设备也在种类和数量上呈现出了不断增加的趋势，进而让物联网的运行伴随着海量信息数据的产生。随着数据量的逐渐扩大，当今的移动蜂窝网络已经无法使其高速率、低延时以及低功耗等各个方面的通信需求得到全面满足，这就为物联网技术的应用与发展带来了一定程度的阻碍[1]。随着5G时代的到来，面向5G形式的物联网上行接入技术开始得到了越来越广泛的应用，H2H（人和人之间的通信技术）已经逐渐被MTC（人和物之间的通信技术）所取代，这样就实现了物联网上行接入能力的显著提升，可对多台设备的接入提供技术支持，且有着寿命长、时延低等优势。

1 物联网技术和5G技术的相关概述

1.1 物联网技术

物联网技术就是将各种的传感器设备作为基础，让各种物品都接入到互联网内，并在这个系统中进行信息的交互和共享的一种技术。同时，物联网技术也具备智能化、管理、识别、监控、追踪和定位等特征，其技术优势十分明显。从本质属性来讲，物联网技术就是将物联网作为背景来实现的人、物、事这三者之间的互相联通。在物联网技术中涉及到的学科有很多，如自动化、计算机及通信等。物联网这一技术的起源也比较早，早在20世纪，物联网技术就已经开始得到了早期应用，其主要的应用形式是汽车内的收音机安装。伴随着当今科学技术的发展，物联网技术已经得到了越来越广泛的应用，但是在该技术的具体应用中，无线传感器网络却对其应用与发展造成了很大程度的制约[2]。虽然当今的网络技术发展已经让无线传感器的很多问题都得以有效解决，但是在节点传输距离的影响作用下，信号干扰问题依然是一项需要解决的技术难题，物联网上行接入技术也有待进一步研究。

1.2 5G通信技术在物联网中的应用优势分析

当前的物联网主要层级有4个，一是监控应用层，二是业务管理层，三是媒体服务层，四是前端接入层。具体应用中，前端有着较多的智能化设备，且这些设备在网络宽带方面都有着比较高的要求，这样才可以让物联网实时监控方面的标准以及传输速率方面的要求得以有效满足。而5G通信技术可以满足这些要求。5G通信技术在商用通话方面具有如表1所示的优势。

表1 5G通信技术商用通话方面的优势

在物联网中，大多数的主干网络都是通过光传送网（Optical Transport Network，OTN）构建而成，是一种刚性形式的宽带通道，其可扩展性十分优良，可以让物联网相关的前端智能设备实际的网络宽带需求得以全面满足，且这种宽带通道也有着比较低的延时性，其应用效果十分良好。随着科学技术的不断发展，ONT网络的光网络化软件定义也逐渐实现。因为该技术自身的波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和同步数字体系((Synchronous Digital Hierarchy，sdh）优势十分显著，所以能够有效满足物联网技术对于宽带的实际要求，使其业务调度更加灵活，并实现其拓展性的进一步提升[3]。

1.3 物联网和5G通信技术的融合分析

随着近年来科学技术的不断发展，5G通信技术已经不仅仅基于用户基本应用需求的满足，同时也让用户的网络宽带扩展性需求得到了良好满足。随着5G通信技术的实际应用，通信网络的整体应用质量都实现了显著提升，同时也让网络数据的安全性和可靠性得到了进一步保障。而在物联网技术的应用与发展中，5G通信技术也对其起到了很大程度的推动作用，让该技术实现了进一步的应用与普及。由此可见，将5G通信技术融入到物联网技术中已经成为了当今科学技术的一个必然发展趋势。通过这两种技术的融合，不仅可以实现彼此之间应用范围的进一步扩展，同时也可以实现这两种技术优势的充分发挥，在促进各个行业技术进步的基础上实现技术经济和社会价值的进一步提升[4]。另外，将5G通信技术和物联网技术融合在一起，也可以让传统物联网延时高、能耗大等的问题得以有效解决，实现物联网技术的良好应用与发展。

2 物联网上行接入主要问题分析

在物联网当前的上行通信中，最主要的一个问题就是海量数据连接所带来的较大功耗问题，随着5G通信技术的应用，物联网在上行接入方面的负担也就变得更大，其主要问题包括如下两个方面。

2.1 设备接入量和空间之间的矛盾

随着物联网技术的发展，越来越多的通信设备开始接入物联网，这样的情况势必会将上行通信资源占用更多，而且由于通信设备的类型不同，其传输速度和数据类型等的诸多方面也都有着比较大的差异性，所以无线网接入堵塞情况就很容易发生。在这样的情况下，如果不能有效解决物联网的上行通信问题，不仅会对其远程传输速度造成不利影响，也可能会损害到接入到物联网中的通信设备。

2.2 4G蜂窝网络上行接入问题

目前，4G蜂窝网络依然是物联网上行接入的主要技术，其接入模式也依然是正交多址形式。虽然这种接入方式可以让物联网上行数据保持连续性，但是在物联网的不断发展中，数据的多样化和海量化特征也越来越明显，而现有的蜂窝网络上行技术对于小包突发形式的海量机器类通信(massive Machine Type of Communication，mMTC）业务并不能做到有效应对，尤其是在面临IoT形式的突发性、高能效通信业务需求时，系统的响应速度也很容易变慢，甚至会出现系统不响应情况，对物联网通信的正常进行造成严重干扰[5]。要想有效解决此类问题，就需要将更加优越的5G蜂窝网络技术在物联网上行接入中加以合理应用。表2是4G蜂窝网络和5G蜂窝网络的数据传输对比。

表2 4G蜂窝网络和5G蜂窝网络的数据传输对比

3 面向5G通信技术的物联网上行接入技术具体应用分析

3.1 基于NOMA窄带形式的物联网上行接入

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）的功率谱密度非常高，而借助于这一本质优势，该技术可以对物联网进行高效能、低速率的连接，并使其得到扩展覆盖，这样就可以让5G物联网中MTCD大量的低成本性能需求得到有效满足。表3是其技术参数。

表3 NB-IoT（窄带物联网技术）参数

通过NOMA的应用，可以为统一频谱带上的多个用户数据同时发送提供支持，其接收端会通过5G通信技术对各种的重叠信号进行分离。具体应用中，为了让5G物联网条件下的MTCD海量同步连接需求得以满足，可以将资源共享这一理念作为基础，让同一个窄子载波被多个MTCD所共用。通过这样的方式，不仅可以实现通信传输性能的提升，也可让上行链路实现运行成本的有效降低，让该技术更具实用性。但是在该技术的实际应用中，窄带资源分配不足的情况也很可能发生，如果在短时间内有大量的瞬时流量数据涌入物联网，堵塞和延迟等的问题也可能发生。所以就目前的情况来看，基于NOMA窄带形式的物联网上行接入技术依然有待进一步优化。

3.2 基于NOMA免调度形式的分布式上行接入

为实现LTE/LTE-A系统上行输入的有效性与传输的可靠性，一般都需要先随机接入，然后再对数据进行传输，这样的情况就会导致物理层开销以及MAC层接入与调度开销的大量形成。随着NOMA在近年来的广泛应用，其5G蜂窝系统中频率效率的提升也越来越受到研究者的关注，有研究者将5G通信技术中的NOMA以及gran-free新技术作为基础，进行了一种基于分布式形式的免调度分层NOMA混合上行接入新型框架的设计[6]。在该框架中，免调度形式的NOMA技术主要有两大应用优势。第一，可以将上行接入以及通信传输中的堵塞、冲突问题解决，在保障信息传输更具时效性的同时也进一步提升链路的通信速率。第二，可以实现上行连接成功率的进一步提升。经相关实验发现，免调度形式的NOMA上行接入方式应用之后，其接入的成功率比传统的OMA接入成功率高出了将近40倍。图1是该框架的结构示意图。

图1 基于分布式形式的免调度分层NOMA混合上行接入新型框架结构示意图

3.3 基于免调度分布式NOMA稳定性的上行传输

虽然免调度形式的NOMA上行技术可以为物联网的上行接入提供足够的技术支撑，但是在该技术的具体应用中，零星通信以及小包突发问题依然有待进一步解决，同时系统也会存在一定程度的负载不稳定现象。在正常条件下，因为上行接入选择了分布式的方式，所以如果负载波动比较小，通信的正常运行也不会受到显著影响。但是在物联网的实际运行过程中，随时可能出现大流量传输现象，所以出于安全方面考虑，在具体的5G上行技术应用中，还需要以此为基础进行稳定传输设计的增设。尤其是在远距离或者是大流量传输条件下，稳定传输技术的应用更会发挥出关键作用。通过研究发现，多信道随机重传不仅可实现接入时延的缩短，也不会对通信质量造成明显影响，所以该方法可作为免调度分布式NOMA上行接入技术中的稳定传输技术。