5G通信技术及其在物联网形势下的应用

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　　摘 要：随着网络信息时代基础通信技术不断地更新迭代，物联网技术与移动通信技术的逐渐结合成为了通信行业发展的必然趋势。作为万物互联时代关键技术的5G通信技术的进步与延伸促进了物联网产业链的深化发展，同时物联网的发展也对通信技术提出了越来越高的要求。本文从物联网与5G通信技术的关系切入，介绍了5G移动通信技术的关键部分与物联网技术的基本原理，重点研究了5G通信技术在物联网形势下的应用方式，并对其未来发展方向提供了一些参考。
　　关键词：5G;移动通信技术;应用;物联网
　　中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0037-02
　　0 引言
　　随着科技的不断进步与发展，移动通信技术在短短几十年间得到了飞跃，4G通信技术已然发展到极限，其标准不统一，容量不够大的缺陷也日益突出，更为高速且容量更大的5G通信技术的发展与应用已成为必然趋势。与4G通信技术相比，5G的低延迟、高可靠性、多连通性也是使现今的物联网产业更高效、可靠和安全的重要特性。5G通信技术的应用将会使物联网产业的发展产生新的突破，从而给予用户更好的使用体验。
　　1 5G通信技术概述
　　5G通信是预计于2020年投入商用的第五代移动通信技术，对于4G来说，5G通信技术拥有更高的数据传输速率、更低的网络延迟、更大的数据吞吐量。通过小范围的天线阵列与波束成形的技术，5G通信技术的最低传输速率都可达1GMbps，并且网络延迟进一步缩短到5～10ms，理想条件下甚至可以达到1ms。与4G通信技术相比，5G通信技术的数据吞吐量可达4G的1000倍。5G移动通信技术的广泛应用，将不仅仅极大的提高用户的使用体验，也将进一步拓展物联网产业的发展面。
　　以下对5G通信技术的关键部分进行概述：
　　1.1 高频段传输技术
　　3GHz以内的频段对于目前使用的第二、三、四代移动通信系统来说，基本能够满足其所要求达到的使用需求，当遇到突发情况连接设备数量骤增时，频谱资源就不能够满足设备需求，将会导致网络连接速度骤降，甚至无法连接，严重降低了用户的使用体验。于此同时，毫米波频段的带宽高达284.7GHz，已经达到了微波带宽的12倍，频谱的增加显著提高了设备的可连接性。由于频率的提高，天线尺寸可以相应缩小，有效地减小了5G通信设备的体积，并同时提供短距离超高速通信，5G通信技術应运而生。
　　1.2 多天线传输技术
　　天线是电磁波传送的重要部件之一，天线的数量对信号的强度及传输速率有很大的影响，多根天线发送、多根天线接收的多进多出技术在4G的LTE时代就已经开始应用，但此阶段天线数量并不算多，到5G时代，天线数量已经开始按“阵”来计算了，这也是5G通信技术的重要研究方向之一。
　　1.3 SDN/NFV技术
　　多个虚拟网络运行在单一的物理设施之上的技术叫做网络切片技术。其中网络功能虚拟化（NFV）通常运行在专有硬件的虚拟机中，并提供防火墙、负载均衡及路由等功能;软件定义网络（SDN）则不需要硬件组件就可以对网络流量进行管理，依靠网络中的策略通过中央控制平面的应用程序编程接口来工作。这些技术在网络上创建和划分不同的业务，使得运营商可以为这些业务提供最好的支持。
　　1.4 密集网络技术
　　电磁波频率的提高意味着其穿透能力的显著下降，为了大幅度地提高移动通信网络的容量，满足5G通信时代对数据流量和网络传输速率的要求，网络运营商通过两种方式来达成目标。一种是扩大网络覆盖范围，这种方式通过依靠施工人员布置密集的设备来实现;另一种是增加室外信号接收强度，这种方式以在宏基站处布置大规模天线阵列来实现。这两种方式都是5G通信网络未来的建设方向。
　　2 物联网技术概述
　　物联网又可称为传感器网络，是在物与物之间建立的一种基于信息技术和计算机技术相融合而成的智能网络系统。随着时代的发展，人与人、人与物、物与物之间的信息交互需求越来越旺盛，物联网逐渐融入到人们的生活，并成为不可或缺的一部分。得益于人工智能技术和大数据的飞速发展，物联网的应用已不再仅仅局限于智能家居及电子商务。
　　从物联网技术现今的发展情况来看，物联网对终端设备的控制和管理主要依赖于传感技术、射频识别技术等，其核心标准有SigFox、NB-IoT、eMTC、LoRa等，其中基于运营商网络的方案是NB-IoT、eMTC，在这些软件基础上，通过将芯片植入到对象中，利用有线和无线的传输方式，依托于各种网络平台和先进的基础网络，将不同位置或空间的连接对象连接起来，再利用终端设备进行控制。
　　物联网的基本结构根据其信息处理及响应过程可分为感知层、网络层和应用层三部分。感知层主要由各类传感器及终端构成，这些部件对数据进行感知和采集，随后通过网络层对数据进行传输。网络层对数据进行简单处理后，通过通信技术、互联网等手段安全可靠地将数据传递到应用层。应用层的功能是对来自网络层的数据进行处理和分析，最终目的是通过为设备的控制提供决策数据依据，从而实现应用服务。
　　3 5G通信技术在物联网中的应用
　　物联网技术并不是完全基于5G通信技术得以发展的，早在3G、4G时代，物联网就已经开始得到了简单的应用。对于5G通信技术来说，物联网产业也只是其应用的某一个领域。5G通信技术自从其标准诞生以来就以满足各种复杂场景下海量连接、超高速率、超低延时的要求为目标，随着5G通信技术与物联网产业的逐步结合，物联网技术也将逐步从其当前的小范围、少终端、低速度、低复杂度向高速度、广泛在、低功耗、低时延、万物互联的智慧家庭、智慧城市发展。
　　3.1 物联网智能家庭应用
　　物联网的智能家庭应用在4G时代已经有了很大的发展，但这个阶段的物联网主要是基于无线局域网进行建设并提供服务的，其对网络的要求并不高，对数据的处理及分析也相对而言较为简单和粗略，稳定性也还存在着一定的问题，这部分的应用及发展方向主要有以下几点： 　　3.1.1 家用电器管理
　　通过物联网技术，我们可以对家庭中的电器运行状态进行远程管理，例如空调、电视机、电饭煲的远程启停，电冰箱的温度调节，灯光，窗帘的开合，甚至可以对门锁进行远程控制，以方便授权访客的随时造访，也可以通过摄像头对宠物、孩童进行实时监管，物联网技术已悄然融入到人们的日常生活中。这些都是物联网技术的简单应用，但也已经给人们的生活提供了很大的便利。
　　3.1.2 智慧生活
　　以上部分对于物联网技术的网络层要求相对较低，也仅仅是提供了远程控制的功能，与智能家居、智慧生活还有很大的差距。随着5G通信技术和Wi-Fi技术的发展、家庭网络带宽的飞速增加，我们已经可以逐步做到即时对物联网设备回传的数据进行分析并反向控制。例如通过温湿度传感器回传的数据对空调温度进行自动调节，对加湿器、空气净化器进行自动化控制，以及根据主人的即时位置启停灯光、音乐、厨房设备，以及根据睡眠状态的分析对窗帘和闹钟进行管理。以后的智慧生活，不再是人对设备进行单方面的控制，而是设备与人的双向沟通与交流。
　　3.2 物联网的智能城市应用
　　随着应用范围的扩大，Wi-Fi及有线网络的地理局限性很明显地暴露出来，与此同时，5G通信技术可以保证在高移动性下仍然提供稳定的连接和较高的数据传输速率，这一特性对于智能城市的打造至关重要。
　　3.2.1 车联网技术
　　随着AI技术及计算机技术的发展，自动驾驶已经开始走入人们的生活，最有代表性的当属特斯拉的自动驾驶功能，与人员驾驶相比，这一功能已经极大地降低了驾驶难度，提高了乘坐体验及安全性，但由于本地控制的局限性，这一功能还不能完全离开司机的掌控。
　　而5G通信技术的极低时延、超高可靠性及大带宽的特性可以有效解决车辆遇到复杂问题时的控制问题。无论是基于5G通信技术的远程驾驶还是自动驾驶方案，都可以将具有相应模块车辆的感知、决策及控制转移到云端或者远程计算机上。随着5G通信技术的广泛应用，与智能城市的发展，依赖于云计算能力的发展，所有对车辆的监控、调度、管理及控制都可以在城市的调度中心实现，车辆与远程终端指令、信息交互的时延小于10ms，系统接收和执行指令的速度已完全超越人类的极限。
　　3.2.2 远程医疗
　　对于我国人口、专家资源分布极不平衡的现状而言，远程医疗技术的发展与广泛应用迫在眉睫。在过去的5年，越来越多的医疗设备开始使用物联网技术，医疗行业已经开始采用可穿戴和便携式设备进行医学活动，并结合了远程手术、远程诊断、远程预料监控等方案。在计算机技术的推动下，远程医疗技术已经有了很大的突破，但仍然存在一些严重缺陷。例如信号连接的稳定性直接影响诊疗过程的连续性，信号传输的时延会妨碍到医疗器械的力反馈功能的即时性。
　　在5G通信技術的帮助下，无线网络具备了更高的QoS保障特性和低于10ms的网络时延以及更大的数据传输速率。高分辨率和极低延迟的视频可以使医生即时对病人的病情进行判断，高精度的力反馈也可以帮助医生在使用远程医疗器械时精准进行操作，稳定的网络也使得远程手术不会因为信号问题发生中断。
　　3.2.3 智慧城市
　　在5G全面覆盖的前提下，物联网的城市级应用主要涉及交通管理、消防应急方面。基于端对端的5G网络和终端基础上，无人机的操控距离将摆脱地理位置的限制，无人机搭载的相机完成视频的采集并传输到核心网，依据定位及传感技术，通过消防应急中心与车联网调度中心联动对交通状况和最佳路线的分析和规划，火灾、水灾及病患的急救将不受交通状况的影响，极大程度上保障了市民的人身及财产安全。未来的智慧城市中，人工智能与远程控制相结合，技术含量低、重复度高、危险系数较高的工作将由各类机器人承担，这些都与物联网技术和移动通信技术的进一步发展息息相关。
　　4 结语
　　万物互联是智能互联网的必然发展方向，物联网的即时智能感应能力建立在高速度、广泛在、低功耗、低时延的移动通信技术之上。5G通信技术的发展必然会推动物联网技术的进一步升级，物联网技术对通信技术日益增加的需求也在不断促进着移动通信技术的进步，随着5G通信技术的进一步发展，物联网产业也将愈加规范、标准和科学。
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