5G在物联网中的作用和对新技术的需求论文_黄俊

摘要：如果说，4G实现了在任何地方、任何时间与任何人之间的通信联系，5G则将这种人与人之间“无缝隙”通信延伸到物与物、人与物的智能互联，即物联网（IoT），这是人类社会信息化达到的一个新的高峰，是构建“智慧地球”的基础。本文对5G在物联网中的作用和对新技术的需求进行探讨。

关键词：5G；物联网；新技术

1 物联网的原理与应用

所谓物联网，是指利用局域网络或互联网等把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联（图1），实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网完成之日，便是“万物互联”时代的到来。

图1 物联网的三维坐标表示

物联网是以感知为目的万物互联系统，涉及网络、通信、传感器、数据挖掘等众多领域。我们用图2来说明万物（包括人与物）的互联情况。

图2 万物互联的实现

人：在IoT中，人能通过诸多途径联接到互联网，目前可利用的工具有手机、平板电脑、智能电话、互动TV，以及社会网络如博客、微信等，随着互联网向物联网发展，还会有更多的连接途径，如在医疗保健领域，未来人们吞下一颗药丸，对其消化道的状况进行检测后，将检查结果通过保密安全的互联网，报告某医院的医生；还可通过可穿戴的传感器设备，向对接的远处医疗机构提供其生命体征信息。就是说，人将成为互联网上的一个节点，此网络具有静态信息和时变活动系统信息交互的功能。

数据：设备获取的数据和流，通过互联网到达处理中心进行分析处理，然后返回机器、计算机、手机等，让人进一步进行评估和判决、决策。

物件：这是安装有传感器的各种各样的用户设备、产品、器件等能被感知的实体（也可延伸到虚拟的），包括桥梁、房屋、车辆、家电以及人们的生活日用品等，这些物件被感知出有关其状态、性能等参数、数据，供人掌握，并帮助人和机器识别和判决。其中，机器对机器（M2M）通信的应用，是物联网的基础。所谓M2M，按定义，它是利用网络资源，同源地应用设施联系，包括机器本身，或是周围的环境，以达监视与控制的目的。因此，M2M不是简单产生收集点的数据，而是一种智能的机器内协作系统。

处理：数据处理是关键的一步，它让我们作出迅速而智慧的判决，以有效地指导我们的行动和对物件、环境等进行处置。处理能力除具有智能化外，还应能通过网络将信息在所需时间、地点，以适合的途径传送给所需要的人或执行机器。按照通信网络体系结构分层的原理，一般认为物联网由感知层、网络层和应用层三层组成。

感知层：包括上述大量能进入互联网的器件，这些器件能感知、检测物体，汇聚信息，通过互联通信网络能彼此交换信息。红外传感器、射频标识器件（RFID）、摄像机、全球定位系统（GPS）和北斗系统终端等便是感知器件的例子。

网络层：将感知层中的传感器通过通信链路连接成互联的网络拓扑。一般先通过蓝牙、ZigBee等将传感器传来的数据信息，接入网关，进入互联网，如Wi-Fi、无线蜂窝网和光纤网等。

2 5G通信在物联网中的作用和技术支持

2.1 5G通信在物联网中的作用

如上述，在网络层，物联网是由有线（光纤、电缆）和无线网络组成的。为实现在任何地点、任何时候无缝隙连接，并具有移动性功能，无线网络的作用日益重要（图3），Wi-Fi和2G、3G、4G等都是可用的，但也都存在种种不足，不能完全适应物联网发展的需要。5G应运而生，可以说是为物联网的应用“量身打造”的。图4、图5分别给出了5G的三个典型应用场景、关键性能指标和对典型场景的适应性。不难看到，5G将成为未来物联网核心的、起主导作用的网络，它的问世，将加速更新的物联网的到来。

图3 通过无线网络的物联网

图4 5G的三个典型应用场景

图5 物联网的典型场景与4G、5G性能要求的映射

2.2 5G需要的技术支持

2.2.1 新无线技术的支持

物联网中，人与人、人与物和物与物间的通信，要求超大容量、高速率、低时延，这已经体现在5G的关键指标要求中。

（1）首先看如何满足大容量的需要。带宽、频谱效率和频谱的区域复用三维，构成了容量立方体。增加带宽对增加容量的作用是显而易见的，根据香农信道容量公式并推广到系统：

式中，Bi是第i信道的带宽；SNRi是第i信道的信噪比。在满足一定信噪比（SNR）的情况下，信道容量与信道带宽成正比。图6是2-4G和LTE-A的频带和带宽配置，这些已有的频谱资源远不能满足物联网发展的需要；向更高频段开拓，已是必然趋势。再者，提高频谱效率（频谱利用率），意味着相同的频带可增加更多的信道数，传送更多的信息比特数，也就扩大了系统容量，这可通过多进制调制和其他的编码调制方式、MIMO等技术来达到。此外，频率区域复用程度越高，可容纳的小区数越多，也是提高系统容量的有效途径。

图6 2G、3G、4G和LTE-A的频谱和带宽配置

（3）超可靠、低时延。对于工业自动化、自动驾驶汽车等，要求超可靠、低时延通信传输。如自动驾驶汽车，医疗手术机器人传输时延不超过1ms、可靠性99.9999%。在无线信道中，时延来自传输路径和通信设备处理时延。自由空间中，电磁波经300km的距离传输的时延为1ms；为使总的时延不真超过1ms，通信距离要大为缩短，这可将蜂窝区划分成众多的小区，如数百米，或将处理节点搬到用户群附近，以留出足够的时间给设备处理时延。为达到高的可靠性，需要采用先进的编码调制技术。

（4）低能耗。今天，信息和通信技术耗电占全球电能的5%，相当于产生的温室效应的2%，如不采取任何措施来减少碳排放，到2020年将加倍，故在5G的无线接入网、回程链路设备和用户设备中强化低能耗设计，采用无线充电技术。此外，物联网中大量的传感器应是耗电极低、所用电池是长寿命的，以便于使用和管理。上述有关要求，集中体现在5G无线电（空中）接口上。根据《国际电信联盟无线电通信标准术语与定义》，所谓无线电接口，是指移动台与网络无线设备之间的公共边界，由功能特性、公共无线（物理）互连特性以及其他特性等的定义。而接口标准规定了接口两侧的双向互连规范。该规范包括互连方式的类型、数量和功能以及由这些方式进行互连的信号类型、形式的排序，空中接口与无线接口是同义的。

2.2.2 网络技术

除考虑高频段的应用外，为适应多种不同的应用场景，5G网络在宏蜂窝小区嵌入更小的小区（微小区、微微小区、飞蜂窝等），从单层演变成多层，网络拓扑更为复杂，其组成的软件与硬件也面临诸多挑战。

结束语

5G正向我们走来，当然还刚刚起步，要走到成熟，完全达到指标的理想要求，需要一个不断完善的过程。特别是一些高难度要求，如1ms的超低时延，99.9999%的超高可靠性等，还需更好地解决方案，而全球的工业界和运营商已投入了巨大的人力、财力，如何获得相应的经济效益，也即市场的牵引力如何，关系到5G的生命力，这有赖于产业界和用户的共同努力。

参考文献：

[1] Ovidiu Vermesan，and Peter Friess. Internet of Things ：Converging Technologies for Smart Environments and Integrated Ecosystems.River Publishers Aalborg，2013.

[2] Saber Talari，et al.，A Review of Smart Cites Based on the Internet of Things Concept. http ：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/.2017.10.

论文作者:黄俊

论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期

论文发表时间:2020/4/14

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