物联网形势下的5G通信技术研究

金林仟，朱沛杰，李姝彬

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

物联网若想高效运转发展，需依靠庞大的终端量及数据高速扩张，和网络科技结合，予以人们优质的服务。在5G网络下，为物联网达到各机器之间稳定通讯业务形式提供支撑，创设卫生医疗、智慧家居等多种场景。而此类场景的实现需要借助海量终端等，笔者探讨基于5G技术的物联网场景构建。

1 5G通信的特征

一方面，拥有庞大的联网装置。该项特征有效弥补原本无线通信的不足，实践使用期间，由于数据上传及下载的总量扩大，原本网络承载力也随之提高，卡顿的现象时常出现，无法适应正常的网络使用需要。而5G的出现，大幅度提高网络的承载量，且与4G相较，数据承载容量能超出后者一千倍左右，极少会发生卡顿的问题。同时，在联网装置持续增多的过程中，网络可使用范畴也随之提升，数据传输的稳定性得以优化。现实应用期间，此项技术既能扩大联网装置的总量，又能控制运行成本。另一方面，有优质的移动宽带。网络速率的峰值阶段是指在使用网络的过程中，网速的两个限值，和4G相比，此项通信计算的速率有前者十倍左右。在当前的网路环境中，人们会实地办理有关的网点业务，存在不便性。而依托于5G技术，能借助在线平台，完成各项业务办理，提高网络宽带应用的便利性。此外，5G能涵盖多种信息系统，且通常不会发生明显的延迟情况，可以应用在多个领域的信息系统内[1]。

2 运用5G通信支撑物联网业务的开展

以物联网中的资源管理为例，借助5G技术建立模拟方案，为物联网业务提供更为智能的运转场景。

2.1 网络场景设计

场景设置围绕城市模拟开展，包含公园以及建筑物等主体空间，还涉及到模型中各条信道的传播方式，仿真信号的运行路径以及过程中产生的能量损耗，以及经过建筑物的穿透消耗。此外，各个场景因为类型及总量上的差异，形成异构蜂窝，在设置宏基站的基础上，布设多个发射功率相对偏小、可允许接入的终端较少的微型基站等，借此保障网络的覆盖率。对于系统容量扩大以及用户的体验感均有所帮助。笔者以MITIS-2以及3GPP的信道模型用作参照，为降低设计难度，不考虑网络天线的高度以及敷设角度和信号传播的承载物类型等变量，仅关注水平面的信号直线传播。

具体操作过程为：基于MITIS-2，生成模拟场景，在此前提下构建二维的坐标系。下一步结合模拟城市内的道路及各功能建筑的总体布局，整理各坐标及覆盖范畴。因为现实城市建设布局，基本为规则的形态，所以坐标系内的各点设置可采用较为规则的矩形表示，结合各建筑在虚拟模型中的点位及覆盖范畴，设置矩形各边的长度。基于MITIS-2以及3GPP的参数状况，明确所有终端与基站对应的属性，包括发射功率及终端点位及布局等，继而计算各终端的间距与穿透消等数值。为提高计算的效率，将穿透消耗的成因设定为高大建筑，其他因素引起的穿透消耗可以忽略。把该项损耗的计算题目转化成常规的数学题目（如图1）。

图1 穿透损耗计算方式

具体计算过程为：把第i个建筑主体标记为 ，坐标中的N表示模型区域内可和产生穿透损失的总量，把坐标系内的中心点记为 ，建筑物的长是ai，宽为bi。把发送端T标记为 ，接收端的R标记为 。

在计算前，需要先明确发送端和接收端的标记坐标能否使公式均成立。

通过把上述情境下得出的墙体穿过总和，与单个墙体消耗量相乘，得出最终的总消耗量[2]。

2.2 物联网业务特征

物联网是当代网络发展的关键要素，经过统筹部署数个传感装置，借助无线射频、传感网络等多项技术，把万物联合起来，构建可有效感知的环境。在传感装置总量不断扩大中，机器通讯的物联业务随之增加，为确保所有终端均能实现被宽带所覆盖，并和基站建立稳定的数据交互关系，应结合物联网彼时业务量，形成资源配置计划。现阶段，物联网典型业务类型可分成四类。

其一是智能电网，此项物联业务包括实时与非实时两类，后者定期传输特定长度的资料，反馈网络的运转状况，使用在远程及自动化监控等。而前者为固定字节，需要通过基站获取数据，经过集中器中转，相对的终端装置接收信息，之后借助信息反馈的形式把系统运转状况传给监控系统，基本应用在电力装置方面。各传输包的形成间隔符合指数分布，具体公式为：

其二是自动驾驶，此项业务包括上行与下行两类，分别对应由用户到基站、从基站到用户的通讯方向。前者包括确定长度的比特位，依托于多种传感装置，定期向对应的服务端传输数据，反馈车辆目前的驾驶状况以及所处区域的交通情况。后者和前者的分布特点一致，此部分可反馈路况以及导航，并能应对紧急情景。前者的表达式是：

其三是视频监控，此种业务通产使用MPEG-4的编码，完成基本的流量建模，数据帧的比特位有差异，各秒内均保持固定的速率完成数据传输。此类物联业务多应用在图像采集等情景中，数据帧和对数正态分布有关，具体的表达式是：

其四是目标追踪，此类业务具有触发性的特征，在各周期中形成的数据包大部分是短包，内包含几十或几百个字节。在生成包期间，通常符合帕累托分布，公式为：

式中的k=﹣0.6，σ=19.654，θ=4.99。

2.3 联合模拟规划设计

在通讯网络中，实际的业务难以保持不变，且数据传输的信道较多，系统资源规模有限等。基于网络条件与终端需要，以及对调用资源的算法，把网络资源合理且灵活地完成调配，提升频谱的应用效率，以免发生网络堵塞等问题，确保物联网业务能高效传输，适应用户的具体需要。在终端规模过大且业务量极多的情境下，运用5G通信构建整个虚拟情景。

2.3.1 选择蜂窝技术

在有数个蜂窝同时存在的情境中，终端有可能在个别时间被数个蜂窝应用，此时，终端需要结合自身的情况，挑选出最优的蜂窝，该过程便是蜂窝选择。在该期间，各个终端会以本身的视角策划，因为蜂窝的容量确定，如果有数量过大的终端连接蜂窝，会造成其的运转效率不足。为解决此类问题，终端选择连接对象中，既需考量信号的强弱以及间隔等常规数据，又应结合物联网业务、终端部署等其他因素，挑选出最优的通信网络，获得更为高品质的服务。

第一步，需借助预处理函数：Pre_Cell_Selection。具体而言，其一，需确认各终端在连接不同蜂窝的间距与过程消耗。其二，确定各终端在获取基站数据时，信号的强弱，同时确认终端和基站之间的传输通道容量。其三，按照用户设定的阈值，得出能连接的蜂窝量与序号，以为后续选择提供数据。第二步，调取用户期望应用的蜂窝选择技术，确认具体连接点，控制各终端之间的影响，使用log格式反馈选用结果[3]。

2.3.2 静态干扰协调

在传统的此种干扰协调规划中，借助调整频率降低干扰程度，此种处理方式可以达到防干扰的目的，但会消耗较多的频谱资源。为减少对此类资源的应用，有效提升频率的使用程度，频谱修复方法。利用在小区中的各个区域，布设差异化复用因子，基于资源整体与虚拟场景，把现有资源分出多个频段，同时把蜂窝能包括的范围从内向外逐步分出数个圆环带。此时，不同圆环内的终端实现交错应用频段，实现控制干扰性、优化体验感等多项作用。具体设计操作为：把所有蜂窝根据特定顺序进行排列，而后按照模拟的参数设置情景，布设每个圆环的半径和复用因子。基于此，把用户安排到对应的模拟场景内，保证各相邻蜂窝都能重合，以此确定此状态下的协调计划。

图2 干扰示意图

2.3.3 动态干扰协调

上文的协调技术较为简单，且实际操作效率较高，但现实的资源应用效率还需改进。而此类动态技术，实现过程比较复杂，但应用效果较好。基于静态协调，若其中某几个圆环内应用的频率一致，会形成较强的干扰性，造成边缘用户的网络体验感质量偏低，系统的容量缩小。所以应借助动态协调，细化各频点的分布。设计意图是控制各蜂窝的干扰性，借此提升系统的应用效率。其一，需要将终端最多的蜂窝作为分析对象，其他蜂窝是匹配对象，把对应圈频段进行等分，和分析对象此时圈中的终端保持频点一致，而后根据事先设定的编号，诸个配备终端量。其二，把两个蜂窝内的终端取出，对匹配对象一样的终端加以干扰，完整准确记录各终端编号。其三，实行预处理，结合终端和蜂窝的间距与过程消耗等，得出效用矩形，将此传输到动态算法中。其四，借助动态干扰，完成各频点的安排。

2.3.4 功率分配技术

此项技术是最为关键的部分，其功能在确保所有终端的通讯效果的前提下，借助控制数据传输功率值，弱化对其他终端的干扰，并提升总体的容量。如图3所示，宏基站能覆盖到的边缘终端是UE2，其和微基站的边缘用户UE1有一致的频段，势必会形成干扰。

图3 功率分配

此部分的设置和上文的动态技术一致，要结合终端蜂窝多圈部署及频段、复用因子实况，统筹调整功率配置，以获得更优的配置方式。第一步，结合模拟情境下的具体状况，确认各蜂窝内存在一致频段的圆环区域，直接归纳到一组。第二步，增添少量的模拟终端，让各组的终端量一致，由此得出传输过程损耗及频谱情况等。第三步，基于确定目标函数，得出矩阵值。通过多次迭代处理，得到最佳的功率数据[4]。

3 结语

综上所述，在物联网的趋势下，5G通信使得物联网系统更为灵敏，运转效率得以提升，与现实生活逐渐趋近。合理运用现代科技，维护网络环境的稳定性，尽可能避免发生相互干扰的情况，为用户提供多元化的数据及线上服务。