刘 霞，姜元山，张光伟

（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

0 引 言

《工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知》（工信厅通信[2020]25号）中指出，移动物联网是新型基础设施的重要组成部分。在移动物联网技术演进中，基于蜂窝移动通信的5G技术满足其更高速率、低时延联网需求。目前，物联网技术与5G移动通信技术具有高度融合发展的趋势（特别是低时延和高可靠性需求的用例），不仅使移动物联网的服务质量、服务水平得到提高，还使社会经济得到快速发展。

1 5G通信技术和物联网技术概述

5G通信技术，即第五代移动通信技术（5th-Generation Mobile Communication Technology），其核心特性为：超高速率、超高容量、超低时延、超节能、全覆盖；主要有三大应用场景：高可靠性和低时延业务（URLLC）、大规模物联网业务（mMTC）、大流量移动宽带业务（eMBB）。相对于4G技术，5G通信技术在连接速率、系统容量、链接数量、网络时延方面都有大幅提升，在物联网行业有广阔的应用前景。

物联网（IoT）网络架构是由红外感应器、射频识别器（RFID）、激光扫描器、GPS/北斗定位器等信息传感设备组成的，如图1所示。按照业界已定义标准协议或事实标准，针对将任何物品通过网络连接到互联网实现信息的交换及通信，通过互联网完成物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，强调互联网链接的所有对象（包括人和机器）都拥有唯一的地址，并通过有线或无线网络进行通信。5G通信技术即物联网无线网络通信技术的其中一种。

图1 物联网网络架构

物联网在各领域的需求主要体现在：（1）大规模设备连接到网络进行数据传输业务，对数据传输带宽要求相对较高，如电力系统能源调控等；（2）对数据通信和传输的超高可靠性、超低时延要求，如电力系统控制类业务；（3）对设备的低功耗和低成本要求，以满足行业部署环境、更新改造需要；（4）后台智能化处理数据，前端可视化反馈结果，以满足场景化、易用化。

2 5G与物联网融合关键技术应用及发展

2.1 全频谱接入

全频谱接入技术充分组合使用现有的“高频频段（6～100 GHz）、低频频段（6 GHz以下）”“授权频谱、非授权频谱”“对称频谱、非对称频谱”“连续频谱、非连续频谱”等移动通信频谱资源，有效地使数据传输速率、系统容量得到提升。其中，5G毫米波技术是物联网领域应用的关键技术。若拓展物联网系统覆盖面，需要接入海量设备，同时5G网络容量也要增加。5G毫米波带宽资源丰富、天线增益高，可以支持超高传输速率，具有波束窄且灵活可控等优势，使可接入设备增加。未来将向高频、超高频发展，但频率越高，传输距离越短，穿透力越差，会给系统硬件提出更高要求。

2.2 5G时间敏感网络技术

物联网领域10%的业务属于大带宽、低时延、高可信业务，典型应用是远程医疗、视频监控、自动驾驶等，其中涉及工厂自动化（即智能制造）、传输工业和电力输送分配的工业物联网场景，对时间特别敏感。5G新技术可以实现1 μs同步精度、0.5～1 ms空口实验，结合R16提出的工业级时间敏感网（TSN），在底层网络架构标准方面推动工业物联网应用快速落地；同时配合高精度定位、边缘计算等技术，可以促进工业控制器能力的提升。

2.3 5G网络切片技术

5G网络切片技术的关键是网络设备支持虚拟网络功能，通过动态组合部署，在一张网络中实现运营商网络的动态切分，实现端到端地定制专用网络能力。在物联网的重要领域即工业物联网领域，对控制面、管理面的时延和可靠性要求不同，需要在一张物理网络中，“切”出端到端的多个独立的、服务质量保障和服务水平保障不同的逻辑子网络，以满足如下要求：（1）通过资源隔离，实现工厂内外数据安全与隔离；工厂内不同业务环节的数据安全与隔离；（2）在成本可控的前提下，实现不同场景、不同环节的特殊需求；（3）满足工厂控制面超低时延、超高可靠性的服务质量要求。目前在配电网差动保护中，此技术已经被分析应用。

2.4 密集网络技术

密集网络技术，即通过增加宏基站外天线数量，使外部有效接入空间拓展，从而使系统容量大幅度提升和系统的灵活性提高。室外网络各节点的融洽性相对于室内网络较强，利用密集网络技术，网络节点的性能得到有效提高；通过促进节点间自由连接的实现，可管理节点间信息交换效率、准确性。将密集网络技术应用于物联网，可应对大规模数据连接及数据传输带宽的问题，使物联网系统更加高效稳定，满足行业化应用的相关需求。

2.5 5G边缘计算技术

5G边缘计算技术，即在靠近物品或者数据源的运营商部署网络边缘位置，融合运营商网络、数据存储、计算、应用等核心能力的分布式开放系统，可按需承载部分智能应用，实时处理现场业务数据，并快速反馈结果至现场，满足实时业务、数据优化、应用智能等需求。在工业制造物联场景已有典型应用，泛在电力物联网建设对边缘计算也有典型需求。

2.6 基于5G技术的低轨卫星物联网技术

从技术可行性及建设运营成本方面考虑，沙漠、海洋等地表环境会制约运营商的基站建设，导致在某些特定环境条件下，无法实现蜂窝移动网络的全面连续覆盖。然而，部分大宗国际业务发展，如远洋物流等，对物联网的系统容量、连续覆盖有更高要求，迫切要求解决物联网的连续覆盖问题。将低轨卫星与5G技术融合的物联网，可有效解决特殊地表环境下的网络连续覆盖问题，为海量物联网终端提供广域、连续、泛在的接入服务。

3 5G技术和物联网技术的未来发展

现有的5G关键技术，主要通过承载5G工业模组来实现。在5G物联网商业应用过程中，不仅包含5G工业模组，还需要其他业务场景化软硬件能力的支撑，即涉及场景化端到端应用的分析及研究。以下是结合当前的产业分析研究，列举的最重要的技术研究方向。

3.1 5G端到端切片技术

现有的5G切片技术，主要关注无线空口侧，在3GPP协议中已经进行标准制定，5G物联网模组跟随3GPP协议演进，基本具备支持该技术的能力。但是，在端到端的物联网中，除了无线空口，还涉及协议转换侧（如路由协议）的配合处理，并且可能涉及到与QoS等网络协议的端到端解决方案的设计及标准化。

3.2 5G端到端时间敏感网络技术

5G时间敏感网络技术重在解决基础空口网络的时延问题。在端到端应用中，还涉及工业协议转换、路由转发等，如何分段解决时延问题，形成端到端的时间敏感网络解决方案及标准，是未来发展的重点，也是在各时间敏感行业应用的理论及标准基础。

3.3 5G端到端可靠性技术

随着物联网在各行各业的逐步应用，特别是在可靠性敏感行业（如电力控制面、工业自动化控制等）的海量设备远程配置管理等。如何保证端到端网络的可靠性，以满足行业企业级、通信级业务可靠性要求，也是未来5G与物联网技术融合发展的重点问题之一。

4 结 语

近年来，随着5G技术与物联网技术的融合，各领域对二者的应用越发深入，成效也越发显著，不仅解决了物联网应用的痛点，也为物联网发展带来新的机遇和挑战。本文对5G和物联网技术的应用和发展进行了综合阐述，对后续5G与物联网技术融合的研究具有一定的借鉴意义。