浅析5G技术在智能可穿戴设备中的应用

邓开连，刘晓洁，高 生，刘 浩，燕 帅，陈根龙

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）

0 引 言

目前，可穿戴设备作为一种便携式的电子设备广受用户喜爱，用户可以将其作为配件装饰到自己的衣服上或作为小饰品直接穿戴在用户身体上[1]。市场上大多数电子产品都是硬件设备，智能可穿戴设备也不例外。智能可穿戴设备的强大功能可以通过软件设计、信息处理、人机交互等技术完成。伴随着2012年谷歌眼镜的首次亮相，智能可穿戴设备迈出了它的第一步，因此2012年被称作“智能可穿戴设备元年”。智能手机的创新空间正在逐渐收窄并且其市场增量逐渐接近饱和，因此，智能可穿戴设备成为智能终端产业下一个热点并被广泛认可[2]。虽然智能可穿戴设备在近几年的发展下逐渐成型，但是仍然摆脱不了智能手机，或是作为手机的辅助工具，或是对智能手机功能的拓展或平移[3]，并且设备的耗电高、续航能力差，这些问题均是智能可穿戴设备的缺点。伴随移动网络的不断发展，5G技术的出现是科技发展的必然结果。目前研究的第五代移动通信技术（5G技术）主要支持连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠这四类应用场景，旨在满足用户在居住、工作、休闲和交通等各种区域及不同场景的多样化业务需求[4]。因此，5G技术将为智能可穿戴设备的大规模应用提供解决方案。

2015年3月，李克强总理在政府报告中首次提出“互联网+”行动计划，以推动移动互联网、云计算、大数据、物联网[5-6]（Internet of Things, IoT）等与现代制造业结合。物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，同时也是“信息化”时代的重要发展阶段。中国政府的相关政策以及物联网技术在“信息化”时代的重要地位正是5G网络技术发展的两大驱动力。在用户数、连接设备数、数据量等社会因素指标均持续呈指数式增长的今天，云操作、虚拟现实、增强现实、智能设备、智能交通、远程医疗、远程控制等各种应用对移动通信要求日益增加，5G技术的移动性和物联网设计可满足数据日益增长的需求[7]。同时5G将会形成一个智能化、个性化、大规模的通信网，届时，智能可穿戴将实现物理层面和网络层面的近距离、大规模通信，不再作为附属品依赖手机或其他设备工作。

1 智能可穿戴设备存在的问题

随着科技的发展，近几年可穿戴设备的相关技术不断发展与成熟。可穿戴设备是指不依赖智能手机等智能移动设备的操作系统，采用可以完全单独对智能可穿戴设备进行升级和技术应用拓展的自主系统。与可穿戴设备相比，智能可穿戴设备智能化是在已有的可穿戴设备中融入智能化的移动设备，或将可穿戴设备的部分功能加入智能化的移动设备中。智能可穿戴设备是一个全新的电子设计领域，主要包括数据信息处理、硬件和智能化软件等技术[8]。随着智能电子产品的不断发展与普及，电子信息技术进入了大数据时代，云计算、大数据处理[5-6]等技术必然将逐步应用于智能可穿戴设备中。可穿戴设备具有便携性、微型化等特点，但是这些特点也增加了智能可穿戴设备的设计难度。下面将从能源因素、用户隐私安全因素、使用独立性等方面分析智能可穿戴设备现阶段存在的问题。

1.1 电池续航能力差

传统的移动设备对于芯片的体积和功耗没有太严格的要求，然而体积较小的智能可穿戴设备对这方面的要求就严格很多，并且可穿戴设备具有便携性，即设备在面积和体积上都要更加小巧、轻薄。此外，智能可穿戴设备一般要求支持长达数周甚至数月的待机和工作时间，同时还要支持多种传感器的工作[9]。所以，在满足穿戴舒适美观的前提下提高设备的持续待机和工作时间成为人们主要研究的问题之一。

1.2 数据采集准确性差

现阶段的智能可穿戴设备产业和技术还不够完善和成熟，不同品牌的厂家无法实现数据的有效共享，基本处于各自开发自己的应用程序和数据业务平台阶段，智能可穿戴设备无法排斥外界干扰导致的数据准确性差[10]等问题。

1.3 缺乏专业性数据分析

目前，市场上的智能可穿戴设备基本上都是应用于医疗护理领域或消费电子领域。针对医疗护理领域，专业的分析是不可或缺的。由于多数用户将智能可穿戴设备应用于身体指标检测，随着用户的使用，数据量逐渐增大，设备自身无法对用户数据进行专业性的医学健康分析，使得用户在自身健康有危险时无法及时做出相应的应对措施。

1.4 数据同步传输时效性差

部分智能可穿戴设备传输时效性较低，尽管有无线网等数据传输方式，数据同步传输还是较差，从而影响用户使用体验。

1.5 个人隐私及设备安全性无法保障

大部分智能穿戴设备采用开放式操作系统，并且基本采用无线连接的方式[11]。伴随着用户的使用，智能可穿戴设备记录的数据信息量不断增长，这就意味着可能被别人窃取的个人隐私越来越多，自身信息的曝光度不断增加，用户隐私安全性堪忧。目前，内部漏洞和外部黑客的攻击是导致用户数据泄露的两大主要原因，这两个原因也是现阶段智能可穿戴设备所面临的主要安全问题[12]。除了信息安全，设备安全也备受关注，每个电子设备都会产生辐射，长期的佩戴可能会对人体健康构成威胁，虽然辐射的强度小，但是由于辐射的日积月累，存在着安全隐患。

1.6 其他不足

由于可穿戴设备源于传统的穿戴设备，在进行产品设计时缺乏创意、不够精美，有点像新鲜的玩具，缺乏时尚性[13]。毕竟智能可穿戴设备是要穿戴走出去，时尚美观性不可缺少。此外，创新意识缺乏、设计灵感匮乏和同质化竞争等问题在国内外厂商扎堆研发产品时逐渐显露出来[14]。智能可穿戴设备的功能趋于单一化，缺少足够的软件设计和应用。

2 5G技术为智能可穿戴设备提供解决方案

2.1 智能可穿戴设备的续航问题解决方案

解决智能可穿戴设备中待机时间即续航问题主要有3种方法：

（1）从软件和硬件两方面减少功耗，如操作系统、芯片等，最终使性能与功耗均达到最佳状态[11]。将5G的大规模MIMO技术[15]应用于智能可穿戴设备，可实现大功率容量的同时降低能耗，从而满足待机时长的要求。大规模多天线技术与单一天线技术相比，无论是在频谱的利用效率，还是能量的利用效率都有很大的提升。大规模多天线技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域）提升系统的效率[16]，还可大幅降低发射功率[17]、提高功率效率[18]。

（2）从电池本身的容量来提升续航时间。使用柔性技术改变电池的形状，一方面可以提升电池容量；另一方面可以使电池的体积减小，提高电池的空间利用率，并且使得电池的形状因设备的实际情况而做相应的改变。

（3）从充电技术方面提升续航时间，如采用太阳能充电、生物充电和无线充电等[11]。目前，这些充电技术正处于研究阶段，将来会逐步的应用和推广。

2.2 智能可穿戴设备中技术改进

目前智能可穿戴设备技术主要问题集中在数据采集准确性、数据专业分析能力、数据传输时效性、个人隐私及设备安全性等方面。5G技术中的D2D（Device to Device）[19-20]技术和大规模MIMO技术[15]可以有效地解决这些问题。其中：D2D技术是指通信网络中近邻设备之间直接交换信息的技术；大规模MIMO（Multiple Input and Multiple Output,MIMO）通信系统又称为大范围多输入多输出技术。

2.2.1 D2D技术

一般通信设备都是利用基站（Base Station, BS）进行继通信。在建立D2D通信链路后，相距很近的通信设备即近邻用户设备（User Equipment, UE）可以跳过基站进行直接连接与通信[21]。在D2D技术背景下的异构网络中，将同时存在传统的UE-BS连接与D2D连接，其中还包括D2D本地网（D2D-LAN）[22]。跳过像基站一样的核心设备或中心设备而直接进行连接，一方面可以大幅降低大数据给通信系统中的核心网络带来的压力，另一方面还可以使吞吐量、网络容量和频谱利用效率大幅提高。D2D技术的这些特点为降低系统延迟时间（或零延迟）、提高系统运行效率，增强系统智能化，提高系统灵活度等提供支持，进而解决智能可穿戴设备的大数据运算效率低和低时效的问题。5G网络提供的海量数据为智能可穿戴设备的专业指导提供解决方案。在D2D设备研究方案中将用户分为限制发现和公开发现两类。对于限制发现类用户，UE在没有明确许可的情况下是不允许被检测的，用户禁止与陌生设备进行通信连接，以此来保证UE的隐私性和安全性；对于公开发现类用户，只要当前UE是另一个设备的近邻设备，则可被检测到，进而建立联系，这种模式的用户的隐私性较差，但连接的复杂度低[23]。这两种模式适用于不同情况，限制发现是在智能可穿戴设备所在的网络环境较好、选择较多的情况下使用，而公开发现是在网络信号不好或覆盖不全的条件下、又遇上了紧急事件需要发送应急信息或请求救援情况下使用[7]。

2.2.2 大规模MIMO

贝尔实验室的Thomasz在2010年《无线通信》中提出了5G中的大规模多天线的概念[15]：通信系统中，基站的天线数远远高于终端的天线数目时，通过建立极大数目达到终端的信道实现信号的顽健高速传输，并通过大规模天线简化MAC层设计来最终实现信号的低时延传输[16]。5G的超高效能无线传输技术和高密度无线网络（high density wireless network）技术[18]中的基于大规模MIMO的无线传输技术可使频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个数量级[24]，同时提高了传输的可靠性。大规模MIMO技术应用于智能可穿戴设备时，使得网络中多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，在不需要增加基站的密度和带宽的条件下，大幅提高频谱效率[25]，并且波束赋形技术能够让能量极小的波束集中在一块小型区域，从而使信号之间的相互干扰大幅减小。波束赋形技术可以与小区分裂、小区分簇相结合，并与毫米波高频段共同应用于无线短距离传输系统中，将信号强度集中于特定方向与特定用户群，实现信号的可靠高速传输[23]，进而提高智能可穿戴设备的信息数据的准确性、快速性与可靠性。当天线数量足够大时，噪声与不相关的干扰都可以忽略不计[17]。因此将5G技术应用于智能可穿戴设备中将会大幅度改善智能可穿戴设备的性能。

3 结 语

智能可穿戴设备由于其便携性、智能化等优点，必定会成为未来电子设备的重要成员之一。本文针对智能可穿戴设备使用中所遇到的问题，结合5G技术的优点，将5G与智能可穿戴设备结合，并分别从续航、数据采集准确性、数据专业分析能力、数据传输时效性、个人隐私及设备安全性等方面，浅析了5G的一些关键技术在智能可穿戴设备中的应用。