5G 关键技术及其在精准农业中的应用前景分析

2021-06-04彭艺真

数字通信世界 2021年5期

彭艺真

（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，广东深圳 518038）

0 引言

相比现有的4G 移动通信系统，5G 是新出现的一代移动通信系统，且会在未来很短时间内全面投入使用。5G 在频谱利用率及传输速度上远远超过4G，不仅能满足未来十年内的信息传输需求，还能帮助各类型智能设备之间实现信息的海量传输、网络智能化、物联网，最终形成“万物互联”的局面。这就意味着5G 关键技术能够在农业中得到应用，并促成精准农业的实现[1]，因此，对5G 关键技术在精准农业中应用前景的分析就显得至关重要。

1 物联网与精准农业

5G 技术的出现在很大程度上推动了物联网的发展，使得物联网的成型成为可能。物联网指的是在各类型物品上装设信息传感设备，进而使物品能够有效接入互联网，并实现相互之间的交互与通信。信息传感设备的接入使得物品能够实现精准的识别、定位、跟踪、监控及管理。显而易见，该技术在应用到农业中之后，主要对接的是各种农业机械设备，通过实时查探农业设备的作业运行状态，能够帮助农业实现生产的高效化、优质化、环保化与安全化，进而推动农业的智能化、信息化与现代化发展。

精准农业的实现需要信息技术的支持，主要是根据农业生产过程中产生的空间变化，以定位、定时、定量的方式设计一套完整且具有一定现代化水准的农业生产作业操作技术管理系统，在信息技术层面为农业生产提供系统化的可靠支持。3G 时代就已经对精准农业有所涉猎，在4G 时代精准农业则获得了一定程度的推进，但尚未完全成型，预计5G 时代信息技术的质变强化将极大程度推动精准农业的发展。如图1所示。

图1 物联网下实现精准农业的概念图

2 5G 移动通信的关键技术

相比4G，5G 业务能力的提升主要体现在资源利用率（提升十倍以上）、系统吞吐量（25倍提升）、频谱资源（4倍扩展）三方面的强化。而这三方面的强化则取自于以下几项关键技术。

2.1 大规模天线阵列

MIMO（多入多出）技术能使系统频谱效率与信息传输的可靠性同步获得提升，这一提升与天线的数量呈正比，应用的天线越多，性能的提升程度就越高，这就使得大规模天线阵列这一技术得到广泛重视。当前大规模天线阵列及数分为集中式与分布式两种，但无论哪种形式，都能够大幅提升空间分辨率，也就能够强效降低干扰及发射功率。5G 中的大规模天线阵列指的是位于基站的天线系统，据推测其频谱可能应用的是毫米波，毫米波技术的优势在于提升设备集成的简易程度，进而使得MIMO 天线系统能够同时应用三种不同模式，也就是使波束赋形、空间分集及空间复用同时得到应用，进而使得传输的可靠性、传输容量及频谱利用率同时获得提升。

2.2 多载波技术

现有的正交频分复用技术尚不能有效、灵活利用零碎闲散的频谱资源，那么以滤波器组实现的多载波方案就开始受到重视与开发。滤波器组多载波技术相比正交频分复用技术而言，不需要进行正交、同步，也避免了插入循环前缀的需求，因此具有更强的灵活性；广义频分复用技术仅仅需要插入循环前缀，因此在实现较为简单的基础上也能拥有较高的频谱利用率；通用滤波多载波技术不需要循环前缀，但需要设定时域保护前缀，因此复杂度有所上升。

2.3 全双工复用技术

全双工复用技术指的是通信双方能够在同一频率、同一时间实现相互之间的通信，因此能够在很大程度上缩短通信时延、提升频谱利用效率。受技术限制，现行4G 的移动通信系统中还不能实现全双工通信，但5G 的出现则使得这一技术的应用成为可能。该技术面临的核心问题在于有效消除超过100dB 的自干扰，也就需要考虑发射信号在发射过程中产生的非线性失真，此外还面临着电路板的设计、物理层与媒体介入控制层的优化设计、半双工与全双工之间的动态切换控制面优化等问题。

2.4 超密集网络

5G 网络中含有大量的宏站与低功率小站，当5G 得到完全的应用与普及之后，其中低功率小站的数量将超过4G 的10倍以上，进而为超密集网络的出现创造可能。超密集网络意味着网络节点相互之间的距离及距终端的距离更近，理论上可以实现单个服务节点针对单个用户，这将意味着系统容量、通信效率及频谱效率的大幅提升，但同时也会带来大量的干扰。尽管无线回传组网技术能够在很大程度上解决这一问题，然而无线回传组网技术本身具有极高的复杂度，因而该技术的应用还需要进行大量研究。

2.5 自组织网络

所谓的自组织网络还有另外一个便于理解的称呼：网络智能化。其本质是将自组织能力引入到网络中，进而使网络本身具备自优化、自配置、自愈合的能力，这种能力的实现能在很大程度上节约人力成本。现行的SON 技术并不支持多网协同，因此这部分内容就成了5G 的重点研究工作[2]。5G 中应用的超密集网络同样需要开发新技术，来使自配置功能得到有效实现，网络本身的自优化也会因为面临大量干扰源，呈现出实施难度较高的特征。除此之外，回传网络智能化在有效获取自组织网络配合的前提下才能实现，大规模天线阵列同样也会面临其特有的实现问题。由此可见，自组织网络的实现是5G 技术中难度最高的内容。

3 5G 在精准农业中的应用前景

我国有据可查的对5G 的研究早在2013年初就已经开始进行，并在后续时间内相继出台了5本内容不同的白皮书，对5G 相关的研究及应用内容进行了不同角度的描述。

于2014年5月出台的首部白皮书《5G 愿景与需求》中明确描述了5G 可能对未来生活产生的变化，这部分内容中着重描述了物联网高速发展为精准农业的实现带来的优化与可能性。服务于农业的物联网可用于采集农作物生长环境的监测信息，在对这些信息进行详细处理之后，就能够制定出相应的农业生产方案并保证方案的精准程度。事实上，精准农业的实现需要海量网络支持设备的连接及各种类型的小数据包，同时农业物联网设备所处的环境信号强度有限，因此5G 必须具备更强的信号覆盖能力、灵活性、可扩展程度及更低的功耗、时延与成本。

随后2015 年2 月的《5G 概念》白皮书中则重点阐述了5G 背景下的无线技术及网络技术领域的关键技术，也就明确了精准农业中农情监测与精细化控制的技术要求。这部分内容在特征上与上述内容高度相似，但却对新型多载波技术、低功耗大连接场景及终端直接通信的应用提出要求，进一步强调了连接密度、有效性及功耗成本的重要性。

三个月后的《5G 无线技术架构》与《5G 网络技术架构》中分别对5G 新空口及新型连接管理方式进行了说明，并明确了以简略为主要策略的管理方式、管理指标及风险应对方式，以实现对信令风暴、报头开销大、处理效率低等风险的有效规避，而农业物联网可采用简化改进位置管理相关协议的方式减少信令交互的时间与频次。及至2016年6月的《5G 网络架构设计》白皮书中则提出了5G 网络架构设计的方案，并对网络切片、按需网络重构、移动边缘计算等技术进行了进一步的提炼，为农业物联网中“万物互联”局面的实现打下了良好基础。