5G+物联网的技术与发展趋势探讨

2023-04-15黄钰旋

通信电源技术 2023年1期

黄钰旋

（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

随着移动通信网络的发展，5G移动通信技术（以下简称5G）成为通信领域发展的主流，其高速率、低时延、大连接的特点满足了物联网更高速率、更低时延的连接需求，成为推动物联网发展的关键技术。而相对于4G，5G可以提供更高的速率、更低的时延、更多的连接数、更快的移动速率、更高的安全性以及更灵活的业务部署能力，其作用只有在万物互联得以实现的情况下才能得以完全发挥。因此，尤其在要求低延迟和高可靠性的场景运用下，物联网技术的发展和5G移动通信技术有相互支撑、促进、融合的趋势[1]。

1 5G移动通信技术

作为新一代宽带移动通信技术，5G具有高速率、低时延和大连接特点。5G通信设施是实现人、机器、物体互相连接的网络基础设施。国际电信联盟定义了5G的三大应用场景，即增强型行动宽频（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、低时延高可靠通信（ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）和海量机器类通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）[2]。

1.1 eMBB

eMBB场景是一种以人为本的应用场景，要求为网络区域内的用户提供一致的同步体验，要求在Gb/s级别上实现高数据传输速率和低访问延迟。该场景着重于超高传输数据速率、大覆盖下的移动性保证等，最直观的是提高移动网速，应用于3D视频、超高清（Ultra High Definition，UHD）视频、虚拟现实、增强现实、边缘计算部署等。

1.2 mMTC

mMTC场景要求网络支持超过1 000亿个连接的能力、100万/km2的设备连接密度以及超低的功耗和终端成本，主要支持传感和数据收集服务，如智慧城市、智能家居和森林防火等。

1.3 uRLLC

uRLLC场景要求网络具有高可靠性和低延迟性。在这种情况下，连接时延要达到ms级别，而且要支持高速移动（速度达500 km/h）情况下的高可靠性（一次传送32字节包的可靠性为99.999%。）连接，主要提供具有即时可访问性要求的实时服务和特殊应用，更多面向自动驾驶、工业应用控制、远程医疗等。

2 物联网技术

物联网是指通过多种传感器设备、全球定位系统、激光扫描仪、红外传感器等现代先进技术实现对物品和流程的智能感知、识别与管理，因此也被称为传感器网络，其基本特征为全面感知、可靠传输、智能传输。

近年来，物联网核心技术不断发展，标准体系持续构建，市场规模在产业建立和完善的过程中持续扩张。如果说互联网是实现人与人之间的连接，那么物联网就是实现物与物之间的连接。物联网作为一种网络技术，将互联网与物结合，交换信息，实现智能定位和监督管理；信息传感设备和连接的对象被编织成一个广袤的网络，从而达到连接所有事物的目的。

2.1 全面感知

物联网要将大量物体接入网络并进行通信活动，对物体的全面感知十分重要。全面感知是指利用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、定位器以及二维码等信息收集手段，时刻采集和获取物体信息。为了获得物体所在环境的温度、湿度、位置、运动速度等信息，物联网需要能够全面感知所要考虑物体的各种状态。

2.2 可靠传输

可靠传输对整个网络的高效和正确运行起着重要作用，这是物联网的一个重要特征，通过各种网络融合、业务融合、终端融合、运营管理融合，将物体的信息实时准确地传递出去，从而实现信息的交互和有效处理。可靠传输在人体系统中相当于神经系统，它将各个器官收集的各种信息传输到大脑，由大脑发出正确的指令，同时也将大脑发出的指令传输到各个部位，以做出相应的改变和动作。

2.3 智能处理

智能处理是指利用云计算、模糊识别等智能计算技术，对不同空间、不同行业和领域接收到的物体数据与信息进行分析处理，对物体进行实时智能化控制。它是物联网应用程序实现的核心。智能处理相当于大脑根据神经信号做出决策，指导相应的器官进行活动。在物联网系统中，智能处理会对收集到的数据进行处理和计算，然后做出相应的决策，以指导系统进行相应的操作。

3 5G技术在物联网应用中的技术优势

相比以往的通信技术（如4G移动通信技术），5G具有显著优势。

（1）在数据传输方面，5G速度更快，延迟更短，传输距离更长，且支持10～20 Gb/s的峰值速度和1 Gb/s的速度，延迟低至1 ms，传输距离高达2 km。（2）在系统效率和容量方面，5G的功耗和运行成本较低，频谱利用率和信息利用率较高，并支持更多用户。（3）5G具有更高的稳定性和更强的加密能力，允许用户在不卡顿的情况下查看照片和视频，以获得更好的用户体验。（4）与无线蓝牙的兼容性良好。

随着物联网产业的不断发展，物联网在应用中不可避免地被越来越多的技术瓶颈掣肘，尤其是通信网络技术方面的瓶颈。5G的出现，有效弥补了4G网络通信技术各项性能的不足，很大程度上解决了物联网发展所面临的网络问题，助力物联网的进一步发展。

3.1 多层级可靠性

板级可靠性通过5G设备板和电源主设备实现，射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）环网用于实现网元级可靠性。提升链路级可靠性的关键性技术有5个，具体为同时同频全双工技术、密集网络技术、多天线传输技术、网络架构新技术以及智能化技术。网络级可靠容灾通过多终端冗余、无线双平面和端到端会话双平面实现[3]。

上述方法在5G中的实现，使得当环境复杂且场景的可靠性要求非常高时，物联网的需求能够得到充分满足。在空口环境恶劣的情况下，还可以充分利用5G功能，确保在线服务不会丢失。当用户层的可靠性极高时，冗余设计可确保安全性。即使从无线侧到核心侧的整个链路出现故障，也可以充分确保端到端的服务连续性。

3.2 网络分流

在物联网的发展中，网络组网是至关重要的技术。在核心侧，5G通过网络级分流、网元级分流以及会话级分流对网络进行分域分流管理，以提高安全性和可靠性；在无线侧，5G通过基于IP和域名系统（Domain Name System，DNS）的域名分流、园区切片ID分流或者指定专网用户分流，实现同一5G无线网络下不同物联网服务的服务保障。

3.3 定制化专网

5G通过大带宽使其具有3～5 m精准定位能力，具备高精度、全场景、易维护、低成本等优势，能够降低网络运维的复杂度和系统开销，提高商用性。高精度网络计时技术助力物联网行业数字化改造，面对电力、工控、交通、自动驾驶等物联应用提供同步和高效协同的基础保障能力。在5G广覆盖下，基站位置可实现灵活，充分确保重要的专业物联网络无缝连接。端到端的服务质量（Quality of Service，QoS）监控能够实现精准检测保障。与传统网络相比，5G网络具有端到端时延和抖动等关键指标，是一种实时测量方法，不占用大量资源开销，因此在物联网大连接的情况下可以充分获得网络质量保证监控，用户侧可见、可管、可控，业务服务可保障、可承诺。

4 5G与物联网的融合发展

4.1 推动工业互联网升级

作为一个制造业国家，我国推进制造业数字化转型和现代化生产迫在眉睫。作为新基础设施的关键组成部分，5G与工业互联网的深度融合可以推进提升传统制造业企业的智能产能，提高生产效率，改善产品质量，为中国工业生产转型升级、实现弯道超车提供一个良好基础。

5G的特点契合工业场景中对连接、通信多样化、性能差异化的要求，具备数据采集速度高、远程控制以及稳定可靠的数据传输能力，可助力工业互联网实现数字化、网络化、智能化。

4.2 支撑智慧农业发展

随着5G、物联网、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、农业大数据等技术应用在农业中，智慧农业也得到了快速发展。

农村环境地形复杂，农产品种植地区分散，导致农业最新信息无法快速传递到农民手中。在5G发展迅速的今天，简化了网络架构，降低网络建设难度，提高农业信息数据的传输稳定性。

在智慧农业产业园里，农作物的大数据传输受各种因素的影响，现有的网络下，大分辨率的作物影像数据的传输速率较低。而在5G网络环境下，数据传输问题得到有效解决。5G的低延时为智慧农业实时场景数据交互提供极低的延迟时间，对于农作物病虫害诊断等服务提供精确的判断[4]。

在农业环境中，5G的出现推动智慧农业的技术革新，智慧农业产业园建设发展变得更加快捷、智能。农业物联网的发展不仅能够提升农业领域的生产效率，同时也能够推动农业生产集约化，这样不仅能释放出更多的劳动力，同时也能降低农业生产的成本。未来，在农业物联网的推动下，农业生产与社会需求的对接会更加直接，农业生产也会逐渐走向绿色环保，实现可持续发展[5]。

4.3 助力医疗保健行业普及

医疗从业者也可以从实施5G物联网设备中受益。例如，可以借助适合高速5G的增强现实/虚拟现实（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）技术进行手术训练；通过5G提供的高质量视频通信加强远程医疗服务；通过安全可靠的5G帮助机器人进行医疗实践；对从5G管理的各种物联网设备收集的海量数据集进行数据分析[6]。此外，高速服务交付对医疗行业至关重要，因为即使几秒钟也可以挽救生命，而5G可以为智慧医疗提供速率上的保障。

4.4 赋能自动驾驶和智慧城市

考虑到智慧城市的发展，5G可以通过实现各种交通物联网设备（包括监控摄像头和交通灯传感器）之间的高效连接来加强交通管理，还可以通过有效监测能源消耗和确定节约资源的方法来提高城市的能源效率[7]。在不久的将来，5G也将有助于将无人驾驶汽车连接到所有交通物联网设备，创造一个智能交通环境。另外，在城市实施5G的另一种方式是空气监测系统，当空气污染超过安全限值时，该系统会进行预警通知。

4.5 高效智能家居管理

除了企业使用之外，5G物联网正变得越来越普遍，以满足消费者的需求，如连接智能家庭设备。结合机器学习、人工智能以及大数据技术，5G可以高效地收集和处理从家庭物联网设备中收集的所有数据，从而深入了解高效的家庭管理。此外，5G还负责提供高清视频，实现沉浸式电视和游戏体验以及高质量的视频会议。物联网家庭设备有了5G的加持，消费者可以充分发挥其潜力。