程希睿

（北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100070）

0 引 言

近年来，随着智能化技术发展的日新月异，物联网作为人工智能时代的一大方向得到了各方面的关注。由于物联网发展受即时传输能力和无线网络带宽限制，因此互联水平仍然较低。5G技术的成熟应用为物联网领域带来了新的发展前景，具备的低延迟、高可靠性以及多连通性满足了物联网业务的核心需求，极大地提升了物联网技术的应用效果，给用户带来了更优的使用体验。

1 5G技术与物联网概述

1.1 5G技术概况

5G技术作为第5代移动通信技术，是当今社会正在积极发展的网络技术。ITU-R定义了5G的3大应用场景：一是增强移动宽带（eMBB），5G网络的峰值速率是4G网络的10倍以上，适用于超高清视频和VR等高宽带业务；二是大连接（海量机器类通信）（mMTC），可实现从消费到生产的全环节及从人到物的全场景覆盖，适用于智能水表等大规模应用场景；三是高可靠低时延通信（uRLLC），通信响应速度将降至毫秒级，适用于自动驾驶和工业生产等低延时性和高可靠性要求高的业务[1]。

相比传统无线通信网络，5G网络主要有以下8大关键技术。一是大规模MIMO技术。通过多天线进行多收多发，有效提升信道容量。二是超密集异构技术。利用大量网络设施的建设，极大提升重点区域的系统传输容量。三是全频谱接入技术。通过高频和低频的混合组网，从而达到高容量、高带宽以及无缝覆盖等效果。四是新型多址技术。通过同一资源上多用户信息的叠加传输，利用接收算法在接收侧分离多用户信息，从而有效增加系统接入容量，提高频谱效率。五是新型多载波技术。将信息信号送入载波，经过调制后发送给对方，再通过解调和滤波得到有效的原信息。六是先进编码调制技术。保证系统有效传输速率的同时，进行高效的编码和调制。七是SDN/NFV（软件定义网络/网络功能虚拟化）技术。通过对无线频谱、空口以及功率等资源的虚拟化以及对数据和控制单元等部分核心侧功能的虚拟化，有效调度和利用无线网资源，提高使用效率。八是网络切片技术。将一个物理网络划分为多个专用虚拟网络，并保证各自逻辑独立。针对不同的业务场景，可定制相对应的功能与特性，提高服务效率和成本效益。

1.2 物联网概况

根据ITU的定义，物联网是基于现有的和演进的可互操作的信息通信技术，通过互联（物理和虚拟）物件提供先进服务的全球信息社会基础设施。其中，虚拟物件是在信息世界可存储、处理及接入的内容，如多媒体内容和应用软件等[2]。从物联网的基本结构看，可分为感知层、网络层以及应用层3个部分。感知层作为物联网基本架构的基础，主要是获取前端数据，通过不同的传感器设备对信息进行感知和收集。例如，使用环境监测传感器获得二氧化碳含量等信息。网络层作为通道，负责向应用层传送数据信息和向感知层传达指令。应用层负责处理分析来自感知层的信息数据，实现具体应用并下达需求指令[2]。

目前，蜂窝物联网主要存在NB-IoT技术、eMTC技术以及5G海量机器类通信（mMTC）技术3种关键技术。NB-IoT是NB-CIoT（华为、Vodafone、高通以及Neul联合提出）和NB-LTE（爱立信和诺基亚）的合体，主要具有广覆盖、低功耗、大连接以及低成本特点，针对的主要是低功耗和广覆盖的相关业务。eMTC是基于LTE演进的物联网技术，主要满足语音通话、中带宽速率以及移动性的物联网应用需求。mMTC作为5G技术的3大应用场景之一，主要应用于物联网业务。

2 5G技术在物联网中的优势分析

物联网的本质是一种服务，主要的服务对象是人工智能。人工智能通过加工整理物联网采集的信息数据服务于人类。IMT-2020（5G）从移动互联网和物联网的主要应用场景、业务需求及挑战出发，将5G的主要应用场景归纳为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接以及低时延高可靠。其中，连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足未来的移动互联网业务需求，提升物联网业务能力；低功耗大连接和低时延高可靠场景作为5G的独有场景，重点支撑传统移动通信技术无法满足的物联网应用[3]。

2.1 连续广域覆盖

5G技术结合新型多址技术和大规模天线阵列技术，有效扩大了信号覆盖范围，并大幅提升了网络接入能力，保证用户在不同条件下可获得连续稳定的数据信号。此外，它还满足超过1 Gb/s的下载速度，使用户享受更优更好的使用体验，为5G技术在物联网中更好地运用奠定了坚实基础。

2.2 热点高容量

将5G技术中的密集组网、全频谱接入、大规模天线以及新型多址等技术相结合，可极大地提升频率复用效率和传输速率。用户可随时随地接入网络，并有效避免网络拥挤或掉线等问题，从而提升物联网的传输速率，给物联网的发展带来了有利条件。

2.3 低功耗大连接

5G技术中的新型多址技术和终端直接通信技术（D2D）可有效提升设备的连接能力，降低终端功耗，且新型多载波技术在降低功耗和成本方面具有明显优势。低功耗大连接在数据采集工作中得到了良好运用，如在智能农业、智慧城市、公路交通监测以及森林防火等应用场景中，对数据传输即时性和信息有效性有着较高的要求。同时，此类业务范围广且数量多，对海量连接能力和密度有一定的要求。利用5G技术，可在低功耗和低成本水平的网络连接下，极大地提升物联网网络的连通效率，从而满足物联网业务的应用需求。

2.4 低延时高可靠

5G技术通过D2D及新型多址等技术减少了数据中转和信令交互环节，并通过云边缘等技术优化通道降低了网络时延，有力保障了传输效率。另外，调制编码和重传机制保障了传输的可靠性。工业控制、无人驾驶以及智慧小区等应用场景，对延时性和可靠性有着很高的指标要求。5G技术满足这些条件，可极大地降低两端的时间延迟，提供可靠的服务。

3 5G技术在物联网中的应用

3.1 智慧生活应用

目前，家居物联网主要在家庭网络如WiFi等环境下提供应用，对网络要求较低，信息的分析处理达不到智能化标准，连接的稳定性也会受到信号质量的影响。可以通过无线网络远程控制家庭设施，如智能电饭煲的手机启动、监控远程查看儿童的在家情况等。此类物联网技术的简单应用给日常生活带来了极大方便。随着5G技术的发展，物联网可以实时分析处理传感器设备上传的信息数据。例如，特定传感器设备根据实时反馈的湿度数据自动调整加湿器，感知家庭主人的实时位置操控灯光的开关等。未来的日常生活，不单是人对家庭器具的单向操控，而是实现器具与人的主动交互。

3.2 工业领域应用

工业物联网可以通过采集大量的实时信息更快更准地发现生产问题，从而达到质量控制的效果。5G技术的广域覆盖、低延时性以及高可靠性，给工业领域生产经营带来了新发展，如自动化露天开采等。目前，工业生产中部分危险环境的工作仍需要人工操作，无法保障人员安全。另外，远程作业受网络限制，发展较为缓慢，无法大量实际应用。通过5G技术可将设备与网络即时连接，实时分析操作，远程完成工作任务。

3.3 智能交通应用

目前，智能交通尚在定位导航阶段，因网络效率低下，无法对信息进行即时发送接收。各大汽车厂商正在积极研究的无人驾驶技术，对延时性、可靠性以及稳定性都有着苛刻要求。为保证无人驾驶的正常有效运行，需要大量的实时信息交互。除了获取气候温度、GPS定位以及周边路况等信息外，还需要关注道路行人和基础设施等信息。5G网络远程驾驶和无人驾驶的实现过程相同，先由车上的物联网模块设备通过传感器系统采集整理需求信息，再由5G网络将数据即时传递给云端或远程服务器，并将应用平台反馈信息在极低延迟内传达给驾驶车辆，使车辆驾驶员可以掌握车况，清晰掌握前方路况，从而优化行驶速度和前行路线。

3.4 远程医疗应用

医疗过程中需要记录患者各方面的病情，如生命体征、药物信息以及人体扫描等。单个的扫描文件都可能占用大量数据，且在病情分析环节需要多次共享传输记录的信息，加大了对高带宽速率的需求。我国各地区人口和医学专家资源不均衡，因此对远程治疗的需求越来越大。远程医疗在过去几年里虽然稳步发展，但仍然存在一些关键问题，如传输信号的稳定性和时延性等。这些问题直接影响治疗结果，存在不可预估的风险。5G技术具备更高的QoS保障特性、更低的网络时延以及更大的数据传输速率，可以通过传输实时的低延时高清视频和照片，为医生判断病情提供有力支撑。医生通过远程机械进行医疗操作时，高精准的反馈和稳定可靠的网络可以使得远程手术顺利进行。

3.5 智慧城市应用

智慧城市是指综合利用物联网和大数据等技术建立的全面覆盖和深度互联的城市信息化系统，重点感知城市的多方面信息并进行智能化利用。智慧城市主要关注城市交通、应急管理以及公共设施等方面。另外，受益于5G的连续广域覆盖能力，无人机的活动范围将进一步扩大，其配置的相机在完成信息记录后，可将记录的信息传送到中心平台，由应急管理中心联合交通管理中心辅助定位感应系统对现场交通情况和路线进行分析研判，从而在自然灾害和重大事故的救援中避免道路堵塞等影响，有效保证市民的人身财产安全。随着物联网和5G技术的不断发展，可以通过建设智能化的公交系统减少拥堵，建设具有运动传感器的路灯节省能源，还可以通过灯柱收集城市的空气质量数据。

4 结 论

全球物联作为智能化时代的目标之一，它的发展与人们息息相关。物联网传输速率、接入能力以及数据容量等方面的应用需求，促使5G技术快速发展。而5G技术的成熟应用，使万物可连成为可能。